淺談交換技術(shù)的發(fā)展方向

張寒松

(鐵嶺供電公司，遼寧 鐵嶺 112000)

目前的交換技術(shù)包括3個范疇:源于電話通信的電路交換CS;源于數(shù)據(jù)通信的包交換PS;與信息承載平臺完全分離的接續(xù)控制中心，即軟交換中心[1]。電路交換完成2個終端之間、終端與中繼電路之間或中繼電路之間的物理連接，實現(xiàn)兩個電話終端 (低速數(shù)據(jù)終端)之間的信息交流。包交換完成將打包封裝的數(shù)據(jù)從源地址到目的地址的傳送，實現(xiàn)兩個數(shù)據(jù)終端之間的信息交換。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，電路交換與包交換、軟交換逐漸走向融合。如:電路交換機(jī)發(fā)展了與包交換連接的IP網(wǎng)關(guān)板卡，實現(xiàn)了電路交換與包交換系統(tǒng)的綜合組網(wǎng)。包交換設(shè)備配置了TDM(時分調(diào)制)接口，實現(xiàn)了與電路交換設(shè)備的連接。

當(dāng)前，IP業(yè)務(wù)的發(fā)展、普及和包交換的寬帶、開放、綜合特性使其成了通信技術(shù)發(fā)展的主流。不久的將來，包交換將取代電路交換，實現(xiàn)軟交換和下一代網(wǎng)絡(luò)NGN的發(fā)展目標(biāo)。

1 電路交換原理

1.1 電路交換原理框圖

圖1為電路交換原理框圖。電路交換的核心是一個“開關(guān)矩陣”。用戶電話終端與交換機(jī)的用戶接口電路相連。用戶接口電路又通過交換系統(tǒng)內(nèi)部的話音數(shù)據(jù)總線，實現(xiàn)與交換矩陣的連接。

現(xiàn)代的電路交換設(shè)備，通常采用TDM的時分交換矩陣 (T矩陣)和空分交換矩陣 (S矩陣)(專網(wǎng)交換機(jī)只采用單T交換機(jī)矩陣。只有大容量的電信公網(wǎng)交換機(jī)才采用TST或TSST多級組群結(jié)構(gòu))來完成兩個電話終端之間的連接。T矩陣和S矩陣都是四線制式，其容量通常表示為M×M(發(fā)×收)。

圖1左側(cè)用戶1和用戶N通話:在矩陣中，用戶1的發(fā)信與用戶N的收信連通。用戶N的發(fā)信與用戶1的收信連通。

圖1右側(cè):用戶1接通中繼電路1:在矩陣中，用戶1的發(fā)信與中繼1的收信連通。中繼1的發(fā)信與用戶1的收信連通。

1.2 電路交換的特點

圖1 電路交換原理框圖

電路交換是一種實時交換，當(dāng)一個用戶呼叫另一個用戶 (或中繼)時，立即在其間建立起連接。電路交換是一種面向連接的交換。只有完成了電路連接，用戶才能進(jìn)行信息收發(fā)。用戶連接一旦建立，只受用戶摘掛機(jī)的控制。與用戶是否通話無關(guān)，即使用戶不講話，電路中無信息傳輸，只要用戶不掛機(jī)，電路一直保持連接狀態(tài)。用戶連接一旦建立，該電路不會再被第三者使用，具有連接的唯一特性。交換機(jī)對連接雙方的信號透明傳輸，不作任何檢測和處理。電路交換建立在物理層上，具備固定的連接模式和接口模式，任何硬件故障都可能造成接續(xù)失敗或通話中斷。電路交換采用立即損失制。即，容許系統(tǒng)在鏈路全忙和被叫用戶占線的情況下，產(chǎn)生呼叫損失 (呼損)。對用戶雙方傳輸?shù)男畔?(話音或低速數(shù)據(jù))無差錯控制[2]。

1.3 電路交換的接續(xù)流程

電路交換的接續(xù)流程由呼出接續(xù)和呼入接續(xù)2個部分組成。

a. 呼出接續(xù)流程

如圖2所示，呼出流程是指用戶摘機(jī)到聽到撥號音的呼叫處理過程。

圖2 用戶呼出接續(xù)流程圖

b. 呼入接續(xù)流程

如圖3所示，呼入流程是指用戶撥完號到接通被叫用戶 (被叫振鈴、主叫聽回鈴音)的呼叫處理過程。

1.4 電路交換組網(wǎng)

電路交換設(shè)備通過中繼電路組網(wǎng)，主要技術(shù)涉及中繼接口、中繼信令、匯接交換等3個方面。

圖3 用戶呼入接續(xù)流程圖

a. 中繼接口

傳統(tǒng)電路交換常用的中繼接口有:二線環(huán)路中繼接口 (FXO)、二/四級E＆M中繼接口、2M數(shù)字中繼A接口、2M數(shù)字中繼ISDN 30B+D PRI(PRA)接口、ISDN 2B+D BRI(BRA)數(shù)字中繼接口。

b. 中繼信令

用戶信令DTMF(用于環(huán)路中繼接口)、E＆M信令 (Bell CoreⅠ～Ⅴ類，用于二/四級E＆M中繼接口)、CAS隨路信令 (中國1號/R2) (用于2M數(shù)字中繼A接口)、CCS 7號信令、CCS“Q”信令系統(tǒng)。

c. 匯接交換

交換機(jī)中，實現(xiàn)中繼電路至中繼電路之間接續(xù)的交換功能稱匯接交換。匯接交換功能包含路由選擇、中繼電路之間的通道連接、信令轉(zhuǎn)發(fā)、釋放控制等4個功能部分。

2 包交換系統(tǒng)組成

2.1 概念的引入

包交換起源于計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)分組傳輸、交換。是將要傳輸、交換的數(shù)據(jù)打成一個“包”，數(shù)據(jù)包由封裝標(biāo)記、報頭報尾、數(shù)據(jù)字段等部分組成。

報頭部分包括該數(shù)據(jù)的源地址、目的地址、差錯控制、數(shù)據(jù)長度 (字節(jié)數(shù))。

報尾部分通常用于差錯控制校驗。

圖4 包交換設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)原理示意圖

如圖4所示，包交換采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。連接在包交換機(jī)一個端口上的數(shù)據(jù)終端設(shè)備 (源終端)，將一段需要交換到另一端口 (連接目的終端)的數(shù)據(jù)打包后發(fā)送到數(shù)據(jù)交換機(jī)的相應(yīng)端口。數(shù)據(jù)交換機(jī) (分組交換機(jī))分析這包數(shù)據(jù)的報頭，將其轉(zhuǎn)存到目的地址所對應(yīng)端口的數(shù)據(jù)緩沖器中。一旦該端口空閑，即將緩沖器中的數(shù)據(jù)發(fā)往與之連接的目的終端設(shè)備。實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的交換。

報文交換 (Message Switching)和分組交換(Packet Switching)是包交換的2個技術(shù)分支。前者將一個數(shù)據(jù)文件打成一個大包發(fā)送、傳輸、接收。后者，將一個數(shù)據(jù)文件分成若干小段，打成若干個小包，經(jīng)傳輸、交換后再整合恢復(fù)為原來的數(shù)據(jù)文件。

報文交換包大，數(shù)據(jù)延時長，不利于實時數(shù)據(jù)的傳輸和交換。但包頭的附加開銷小，數(shù)據(jù)傳輸效率高，占用寬帶相對較窄。

分組交換包小，傳輸時延短，由于每包數(shù)據(jù)都要疊加包頭、包尾，因此，附加開銷大，數(shù)據(jù)傳輸速率低，占用較寬的帶寬。

在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的OSI開放式結(jié)構(gòu)中，包交換居于第2、3層面。如居于數(shù)據(jù)鏈路層 (第2層)上的幀中繼 (FR)DDN網(wǎng)、居于網(wǎng)絡(luò)層 (第3層)上的X.25低速數(shù)據(jù)分組交換網(wǎng)以及橫跨第2、3層的IP網(wǎng)絡(luò)等。

2.2 國際互聯(lián)網(wǎng) (IP網(wǎng)絡(luò))

國際互聯(lián)網(wǎng)又稱IP網(wǎng)絡(luò)，起源于計算機(jī)之間的通信。采用以太網(wǎng)接口、TCP/IP協(xié)議封裝。

TCP為傳輸控制協(xié)議，UDP用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議。分別與IP協(xié)議共同構(gòu)成TCP/IP或UDP/IP協(xié)議組合。

TCP/IP協(xié)議是因特網(wǎng)成功的關(guān)鍵。它所解決的是數(shù)據(jù)的分組交換和傳輸，既不關(guān)心網(wǎng)絡(luò)在物理層面的硬件連接問題，也不考慮數(shù)據(jù)在應(yīng)用層面的功能問題。這就使任何應(yīng)用層的功能，都可以通過TCP/IP協(xié)議在任何網(wǎng)絡(luò)連接中交換、傳輸。TCP/IP協(xié)議已經(jīng)成為當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的主流和標(biāo)準(zhǔn)。TCP是可靠傳輸控制協(xié)議，具備流量控制，端口多重連接以及順序控制和糾錯、重發(fā)功能。

UDP/IP提供無連接數(shù)據(jù)報的通信方式，無流量、順序控制，無糾錯、重發(fā)機(jī)制。UDP/IP將傳輸可靠性歸于通信終端之間，與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)。從而有效地減少了網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時，適用于IP電話、可視圖像傳輸?shù)葘崟r通信系統(tǒng)。

IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為4層，不同于OSI的7層。然而，物理、數(shù)據(jù)鏈路和網(wǎng)絡(luò)3個底層，兩者是一致的。因特網(wǎng)協(xié)議IP，處于OSI 7層結(jié)構(gòu)的第3層，(網(wǎng)絡(luò)層)，是Internet網(wǎng)關(guān)之間、網(wǎng)關(guān)和主機(jī)之間的通信協(xié)議。IP網(wǎng)絡(luò)的核心部分，是由路由器互聯(lián)組成的交換網(wǎng)絡(luò)，由核心層、分發(fā)層、邊緣層組成。路由器是完成IP網(wǎng)絡(luò)層 (第3層)交換功能的包交換設(shè)備。邊緣層路由器與IP交換機(jī) (第2層)連接，實現(xiàn)交換終端的網(wǎng)絡(luò)連接。IP網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接IP終端，實現(xiàn)IP接入功能。IP網(wǎng)絡(luò)是一個不分級的平面型結(jié)構(gòu)。即所有網(wǎng)絡(luò)終端的地址編號相同，無論連接在IP網(wǎng)絡(luò)的任何位置，都具備同等的功能級別。

包交換將傳輸與交換融合起來，產(chǎn)生了傳輸即交換的新理念。

3 軟交換系統(tǒng)

3.1 軟交換的4層結(jié)構(gòu)理念

當(dāng)今IP寬帶網(wǎng)絡(luò)已成為信息通信技術(shù)的主流，承載平臺由窄帶轉(zhuǎn)向?qū)拵?，觸發(fā)了電話交換技術(shù)新的換代演進(jìn)。2000年國際電聯(lián) (ITU－T)提出了電話交換技術(shù)下一代網(wǎng)絡(luò) (NGN)的4層結(jié)構(gòu)理念。

圖5繪出了國際電聯(lián)ITU－T提出的電話交換NGN4層結(jié)構(gòu)的模式。不難看出，下一代電話交換網(wǎng)絡(luò)由接入層、傳輸層、控制層和業(yè)務(wù)層構(gòu)成。傳統(tǒng)的電路交換中心，已經(jīng)讓位于軟交換中心。在一段過渡期之內(nèi)，傳統(tǒng)電路交換設(shè)備將退居到接入層面，與軟交換并存。隨著時間的推移，傳統(tǒng)電路交換將逐漸被新型的采用包交換的接入設(shè)備、綜合接入設(shè)備、直接注冊到軟交換中心的IP電話、軟件電話、可視電話等設(shè)備所取代。

包交換替代電路交換，順應(yīng)了通信技術(shù)高速(寬帶)、智能 (開放)、綜合的發(fā)展方向。符合如圖6所描繪的電話交換功能由中心向邊沿移動的發(fā)展趨勢。

軟交換是包交換承載環(huán)境之下的接續(xù)控制中心，與包交換合起來，共同完成下一代的電話交換功能[3]。

圖5 ITU－T提出的NGN四層結(jié)構(gòu)圖

圖6 電話交換功能由中心向邊緣發(fā)展趨勢圖

3.2 軟交換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述

根據(jù)國際論壇ISC的定義，軟交換是基于分組交換網(wǎng)，利用軟件提供分離的呼叫控制功能和媒體處理功能的設(shè)備和系統(tǒng)。

軟交換核心是采用開放的架構(gòu)，實現(xiàn)呼叫控制與媒體傳輸分離。軟交換平臺結(jié)構(gòu)如圖7，虛線框內(nèi)由呼叫控制功能、地址解析/路由功能、信令功能、互通功能、業(yè)務(wù)提供功能、網(wǎng)絡(luò)管理及計費功能等六大模塊組成;外部包含:IP電話終端接入、接入網(wǎng)關(guān)接入、中繼網(wǎng)關(guān)接入、信令網(wǎng)關(guān)接入、智能網(wǎng)接入、與其它軟交換系統(tǒng)互聞互通、應(yīng)用層功能擴(kuò)展等部分。

3.3 軟交換的10大系統(tǒng)功能

軟交換的主要功能可歸納為以下10項:媒體網(wǎng)關(guān)接入功能、呼叫控制和處理功能、業(yè)務(wù)提供功能、互聯(lián)互通功能、協(xié)議功能、資源管理功能、計費功能、認(rèn)證與授權(quán)功能、地址解析功能、話音處理功能[4]。

3.4 軟交換系統(tǒng)的工作模式

下一代網(wǎng)絡(luò) (NGN)是一個廣泛的概念，在傳輸領(lǐng)域的核心是智能光網(wǎng)絡(luò)，在IP網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域是IPV6，在移動電話領(lǐng)域是3G，軟交換只是NGN在電話交換領(lǐng)域的核心。

轉(zhuǎn)交換與3G都采用了IMS(因特網(wǎng)多媒體子系統(tǒng))架構(gòu)來實現(xiàn)業(yè)務(wù)承載與接續(xù)控制的分離。圖8繪出了軟交換IMS架構(gòu)的通話控制與用戶媒體流傳輸分離模式的描述示意圖。

電話終端A(模擬電話)通過綜合接入設(shè)備(IAD)注冊到軟交換中心，被確認(rèn)為合法用戶后，便具備了基本的電話功能。

電話終端B(軟件電話)直接注冊到軟交換中心，成為合法用戶。

A呼叫B。先由A終端 (通過IAD)向軟交換中心發(fā)送會話邀請 (INVET)。軟交換中心接收到“邀請”，將A終端發(fā)來的以阿拉伯?dāng)?shù)字編排的電話號碼認(rèn)作域名，經(jīng)DNS域名地址解析，將B終端的網(wǎng)絡(luò)地址回發(fā)給用戶A所在的綜合接入設(shè)備IAD。用戶A(通過IAD)按軟交換中心發(fā)來的終端B的網(wǎng)絡(luò)地址，進(jìn)行重定位，在IP網(wǎng)絡(luò)上找到終端B，雙方進(jìn)行語音數(shù)據(jù)交流。完成通話接續(xù)。

圖8 軟交換IMS架構(gòu)的通話控制與用戶媒體流傳輸分離描述示意圖

由圖8可見，軟交換中心只處理用戶的接續(xù)控制，不介入用戶雙方的通話連接，兩用戶之間進(jìn)行點對點的直接數(shù)據(jù)傳輸，大大地減少了軟交換中心處理的數(shù)據(jù)流量，實現(xiàn)了接續(xù)控制與信息承載的分離。

3.5 軟交換的業(yè)務(wù)功能

軟交換系統(tǒng)的常規(guī)電話功能和擴(kuò)展業(yè)務(wù)功能如下:用戶鑒權(quán)/登錄;用戶注冊/注銷;用戶通話記錄;網(wǎng)絡(luò)地址解析;網(wǎng)絡(luò)重定向功能;分布式多中心接入;全網(wǎng)絡(luò)移動終端不變號碼;會話邊界控制;跨域放號;呼叫接續(xù);呼叫保持;呼出限制;呼叫等待;遇忙回叫;回?fù)軜I(yè)務(wù) (Call Baike);縮位撥號;三方通話;熱線服務(wù);會議電話;可視電話會議;個人會議;遇忙回叫;叫醒服務(wù);用戶級別控制;主管群;強(qiáng)插;廣播功能;主叫號碼顯示;尋呼;強(qiáng)拆;無條件呼叫前轉(zhuǎn);惡意呼叫追查;預(yù)先錄音通告;語音郵箱;遇忙轉(zhuǎn)移;久叫不應(yīng)轉(zhuǎn)移;呼叫轉(zhuǎn)接;呼叫代答;音量控制/顯示;咨詢呼叫;自動應(yīng)答;揚(yáng)聲器控制;用戶編號編程;可視電話;呼叫日志;最后號碼重?fù)?現(xiàn)場狀態(tài)顯示業(yè)務(wù);信息等待提示;時間顯示;最后號碼重?fù)?Web管理;短信業(yè)務(wù) (SMS);即時消息(IMS);構(gòu)筑統(tǒng)一通信平臺;SIP語音郵件;IVR交互式語音業(yè)務(wù);SIP中繼組網(wǎng);XML應(yīng)用集成;網(wǎng)絡(luò)錄音;第三方應(yīng)用功能調(diào)用;可視調(diào)度功能;網(wǎng)絡(luò)管理[5]。

4 電話交換的發(fā)展方向——由電路交換過渡到包交換、軟交換

在寬帶通信領(lǐng)域，傳統(tǒng)的電路交換的不足之處越來越明顯:如只能完成窄帶交換，實現(xiàn)語音和低速數(shù)據(jù)通信。用戶功能由交換機(jī)軟硬件提供，不開放。增加新功能、新業(yè)務(wù)很困難。不能適應(yīng)用戶對活動圖像通信的要求等。寬帶接入已取代窄帶接入。在長途電話領(lǐng)域，軟交換已經(jīng)取代了電路交換。IP電路的優(yōu)越性初現(xiàn)端倪。由此可見IP電路取代PSTN，寬帶包交換替代傳統(tǒng)電路交換實現(xiàn)軟交換是發(fā)展的必然趨勢，軟交換的應(yīng)用將改變通信的時、空理念，給交換發(fā)展提供了一個新的增值和發(fā)展空間。

[1]糜正琨，楊國民.交換技術(shù) [M].北京:清華大學(xué)出版社，2006.

[2]蔣青泉.交換技術(shù)[M].北京:高等教育出版社，2003.

[3]Franklin D.Ohrtman.JR.軟交換技術(shù) [M].北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[4]王春娥.淺談軟交換技術(shù) [J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2010，27(6):64.

[5]徐培文、王 鷹、尹寧旻.軟交換及其管理技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.