軟交換技術在鐵路中的應用方案研究

李雅靜

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251）

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軟交換技術在鐵路中的應用方案研究

李雅靜

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251）

摘要：主要針對軟交換技術在鐵路通信網(wǎng)中的應用進行研究，探討我國鐵路電話交換網(wǎng)的現(xiàn)狀和存在的主要問題，通過3種交換技術的優(yōu)缺點和應用領域的比較，確定軟交換技術為鐵路電話交換網(wǎng)的發(fā)展方向，并給出軟交換技術在鐵路通信網(wǎng)中的應用方案。

關鍵詞：軟交換；NGN；鐵路；應用；研究

Abstract:This paper mainly studies the application of Softswitch in railway communication networks. It discusses the present situation and problems in railway communication switching system in China. Through comparison among the advantages, disadvantages and application fi elds of three kinds of switching technologies, it puts forward that the Softswitch technology is a developing trend of railway communication switching system and presents the application scheme of applying Softswitch in railway communication network. Keywords: Softswitch; NGN; railway; application; study

1　我國鐵路電話交換網(wǎng)的現(xiàn)狀及主要問題

當前我國鐵路電話交換網(wǎng)主要用于公務電話通信，以程控交換技術為核心，除個別工程新設程控交換機外，一般鐵路建設項目均采用擴容既有鐵路專網(wǎng)程控交換機的方式。在鐵路沿線設置接入網(wǎng)接入單元設備，接入網(wǎng)局端接入設備一般與程控交換機同址設置，接入單元設備通過傳輸系統(tǒng)和局端接入設備接入既有程控交換機，以滿足鐵路新增自動電話用戶的需求。

隨著現(xiàn)代交換技術的更新?lián)Q代，基于電路交換的程控交換網(wǎng)絡不能適應鐵路通信技術的高速發(fā)展，其存在的問題日益凸顯。

第一，設備老化，無法滿足實際需要。我國鐵路專網(wǎng)程控交換設備大多建于20世紀90年代，目前大多數(shù)設備廠商已經(jīng)停止生產(chǎn)程控交換設備，部分設備配件已無法購買，部分軟件版本已無法升級，存在著使用時間長、設備故障多、端口不足、號源緊張等問題。

第二，技術落后，網(wǎng)絡功能亟待升級。由于程控交換技術的局限，程控交換設備的容量有所限制，造成網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量龐大、網(wǎng)絡拓撲結構復雜、設備廠商型號多、系統(tǒng)功能單一等問題。

第三，維護困難，工作質(zhì)效有待提升。采用程控交換設備需要敷設大量的地區(qū)（站場）市話電纜，電纜維護較光纜維護更加困難，給鐵路日常維護管理工作帶來了諸多不便。

2　現(xiàn)代交換技術的發(fā)展

從上世紀80年代至今，伴隨著計算機技術和IP網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，現(xiàn)代交換技術主要經(jīng)歷了程控交換技術、軟交換技術及IMS技術3次大型變革。

20世紀80年代，程控交換技術在世界各國得到成功推廣，它實現(xiàn)了交換機的全電子化，代替機電式交換機和準電子電話交換機成為電話交換網(wǎng)的核心技術體制。20世紀90年代及21世紀初期，我國建成了覆蓋全國鐵路的專用程控電話交換網(wǎng)。

20世紀90年代中后期，為滿足用戶對多種新技術的迫切需求，實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)及視頻業(yè)務的融合，國內(nèi)外電信運營商將VoIP技術與多媒體通信技術應用到電話交換網(wǎng)絡中，構建新型網(wǎng)絡平臺，軟交換技術應運而生。軟交換技術打破了傳統(tǒng)的以電路交換為基礎的程控交換網(wǎng)絡的格局，以分組交換為基礎，實現(xiàn)了呼叫控制和承載的分離，具有對新業(yè)務的支持能力提高、降低成本、優(yōu)化網(wǎng)絡結構等技術優(yōu)勢，可以為用戶提供全方位、多功能、多媒體業(yè)務服務。21世紀初，國內(nèi)外電信運營商開始應用軟交換技術來構建新型電話與多媒體通信網(wǎng)絡。自2005年以來，在我國固網(wǎng)運營商的推動下，軟交換技術在我國得到了廣泛的應用，成功地通過了大話務量的考驗，技術已發(fā)展成熟。

21世紀初，蜂窩移動通信網(wǎng)絡和因特網(wǎng)的融合需求驅(qū)動了電信網(wǎng)交換技術的進一步變革，誕生了IMS技術。IMS技術起源于移動通信網(wǎng)絡的應用，并逐步擴大到固定領域，與軟交換技術相比，可以支持各類接入方式，真正實現(xiàn)了固定網(wǎng)絡和移動網(wǎng)絡的融合。但目前全球IMS網(wǎng)絡多數(shù)處于初級階段，應用方式也處于業(yè)界探討當中，技術成熟度有待進一步檢驗。

3　三種交換技術的比較

3.1程控交換技術

程控交換機是利用電子計算機技術，用預先編好的程序來控制電話接續(xù)工作的電話交換機，具有接續(xù)速度快、業(yè)務功能多、聲音清晰、質(zhì)量可靠等優(yōu)點。它基于電路交換網(wǎng)絡，是一個業(yè)務層與呼叫控制層緊密結合、不可分割的網(wǎng)絡。

3.2軟交換技術

軟交換是一種區(qū)別于傳統(tǒng)電話業(yè)務，與新型多媒體業(yè)務相關的網(wǎng)絡和業(yè)務問題的解決方案。軟交換技術以分組交換技術為基礎，繼承了程控交換網(wǎng)絡集中控制的架構和可靠的信令技術，采用分層的網(wǎng)絡架構，通過軟交換機實現(xiàn)基本呼叫控制功能，通過獨立的媒體網(wǎng)關實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)和視頻流的承載，通過第三方的標準接口與業(yè)務應用層相連接，從而實現(xiàn)了呼叫控制與承載相分離、呼叫控制與業(yè)務相分離。

軟交換能提供現(xiàn)有電路交換機的全部語音業(yè)務，并支持語音、數(shù)據(jù)、視頻融合的多媒體端點新業(yè)務和多樣化的第三方業(yè)務，是一種集語音、文字、數(shù)據(jù)、圖像、視頻等多媒體業(yè)務為一身、能夠滿足用戶多種需求體驗的多功能通信網(wǎng)絡。它定義了網(wǎng)元間的標準接口，但沒有限制網(wǎng)絡能力，可以通過網(wǎng)元的增加或網(wǎng)絡的改造提供新的網(wǎng)絡能力和業(yè)務能力。

軟交換體系支持多種開放的標準協(xié)議，包括MGCP、H.248、SIGTRAN、SIP、H.323、BICC、INAP、SNMP、RADIUS和MEGAGO等協(xié)議。

3.3IMS技術

IP多媒體子系統(tǒng)（IP Multimedia Subsystem，IMS）是基于分組交換技術的移動多媒體通信技術，它是一個獨立于接入技術的基于IP的標準體系，使得基于普通IP協(xié)議的終端用戶，無論是固定網(wǎng)絡用戶還是移動網(wǎng)絡用戶，使用不同類型的多媒體業(yè)務成為可能。IMS通過一個標準化的接口連接了IMS和多種接入網(wǎng)，例如GSM、WCDMA、WiMAX以及有線電視網(wǎng)等，并對在不同接入網(wǎng)下的用戶提供無縫的各種通信服務。

IMS具有分層的網(wǎng)絡架構、基于SIP協(xié)議的會話控制、支持多種業(yè)務應用、支持多種接入方式、支持與多種網(wǎng)絡互通、計費方式靈活、完善的QoS保證以及開放的業(yè)務開發(fā)環(huán)境等技術特點。

3.4技術比較

1）軟交換技術與程控交換技術的比較

與程控交換技術相比，軟交換具有非常明顯的技術優(yōu)勢，主要體現(xiàn)為以下四點。

第一，程控交換網(wǎng)絡無法承載數(shù)據(jù)傳輸，不能開展多媒體業(yè)務，業(yè)務種類單一；而軟交換網(wǎng)絡支持SIP協(xié)議，可以靈活地提供包括語音、視頻、數(shù)據(jù)在內(nèi)的多媒體業(yè)務需求。

第二，程控交換網(wǎng)絡基于電路交換技術，而軟交換網(wǎng)絡基于分組交換技術，網(wǎng)絡利用率高，可以滿足不同速率、不同編碼格式、不同通信協(xié)議的雙方用戶進行通信，可通過各種網(wǎng)關實現(xiàn)多種不同接入用戶之間的通信。

第三，程控交換網(wǎng)絡采用多級樹形結構組網(wǎng)，網(wǎng)絡拓撲結構復雜；而軟交換網(wǎng)絡實現(xiàn)了控制層和承載層分離，組網(wǎng)方式具有高效靈活性，可以在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)大區(qū)制、扁平化組網(wǎng)，網(wǎng)絡層次更為簡潔。

第四，程控交換網(wǎng)絡對設備的容量有所限制，造成網(wǎng)絡設備節(jié)點數(shù)量龐大；而軟交換網(wǎng)絡的控制層與承載層分離，從而使控制層設備的容量得到極大擴展，網(wǎng)絡中控制節(jié)點的數(shù)量大大減少，在設備能耗和占用空間方面具有更大優(yōu)勢。

2）軟交換技術與IMS技術的比較

軟交換技術與IMS技術都是當前主流的交換技術，其區(qū)別主要有以下四點。

第一，軟交換技術最初應用于固定網(wǎng)絡中，在VoIP技術的基礎上發(fā)展起來，主要用于實現(xiàn)基于分組交換技術的語音業(yè)務及其增值業(yè)務的網(wǎng)絡承載；而IMS技術是在WCDMA R5中提出的，主要用于實現(xiàn)基于分組交換技術的移動多媒體業(yè)務的網(wǎng)絡承載。

第二，軟交換技術的標準并沒有國際統(tǒng)一標準，中國通信標準協(xié)會（CCSA）從2001年開始制定軟交換技術規(guī)范，至2005年已經(jīng)完成大部分工作，技術標準成熟；而IMS技術的標準采用分階段分版本的發(fā)布方式，到目前為止仍處于不斷完善的階段。

第三，自2002年起，軟交換技術已經(jīng)在我國得到大規(guī)模的商用，經(jīng)過不斷演進與優(yōu)化，技術應用成熟，產(chǎn)品種類豐富、性能穩(wěn)定，不同廠家之間的設備兼容性較好；而截至2013年，國內(nèi)三大運營商才逐步完成IMS網(wǎng)絡的商用，其技術應用的成熟度和產(chǎn)品的功能仍有待市場的進一步檢驗。

第四，軟交換技術支持SIP、MGCP、H.248等多種協(xié)議，而IMS技術全部采用SIP協(xié)議，SIP協(xié)議側(cè)重于多媒體應用，MGCP和H.248協(xié)議側(cè)重于語音業(yè)務，相比SIP協(xié)議更多地保留了傳統(tǒng)電話業(yè)務中的一些特性，因此軟交換技術更適用于語音業(yè)務為主、多媒體業(yè)務為輔的應用環(huán)境。

3）軟交換成為鐵路交換技術的必然選擇

傳統(tǒng)的程控交換技術已經(jīng)走向尾聲，在整個電信行業(yè)中，基于IP技術和分組交換的軟交換網(wǎng)絡已取代基于電路交換的程控交換網(wǎng)絡，成為通信網(wǎng)絡的主流。經(jīng)過多年大規(guī)模的商用，軟交換技術的成熟度已經(jīng)得到了社會的肯定，而IMS技術雖然日趨完善并已進入商用，但距其完全成熟度還有待時日。鑒于鐵路通信網(wǎng)建設的特點，需要建設一個以語音業(yè)務為主、多媒體業(yè)務為輔、技術成熟、具有極高的安全性和穩(wěn)定性的電話交換網(wǎng)，故本文推薦采用軟交換技術建設鐵路電話交換網(wǎng)。

4　軟交換技術在鐵路中的應用

4.1網(wǎng)絡需求分析

第一，業(yè)務處理能力的需求。隨著鐵路建設的高速發(fā)展，用戶數(shù)量不斷增加，業(yè)務處理需求逐步增大，要求鐵路電話交換網(wǎng)絡采用核心處理能力更強、單機用戶容量更大的軟交換設備，以滿足鐵路電話用戶日益增長的需求，提升服務質(zhì)量。

第二，網(wǎng)絡運營管理便捷的需求。為與當前鐵路運營管理體制相適應，應采用軟交換技術代替程控交換技術，對現(xiàn)有鐵路電話交換網(wǎng)絡進行調(diào)整，建設以路局為單位的“大區(qū)制、扁平化”新型網(wǎng)絡結構，減少交換節(jié)點，簡化網(wǎng)絡層次，提升網(wǎng)絡運營管理效率。

第三，多媒體業(yè)務接入的需求。隨著信息時代的來臨，鐵路信息化建設得到了快速發(fā)展，對鐵路電話交換網(wǎng)提出了更高的要求，不僅要提供傳統(tǒng)的語音業(yè)務，也要提供大量非語音的數(shù)據(jù)業(yè)務和視頻業(yè)務等多媒體業(yè)務，現(xiàn)有的鐵路專網(wǎng)程控交換設備已不能滿足上述需求，需要建設技術體制更為先進的軟交換網(wǎng)絡。

4.2組網(wǎng)方案研究

軟交換網(wǎng)絡分為4個層面：業(yè)務/應用層、控制層、傳輸層及接入層，如圖1所示。

1）控制層

控制層是整個軟交換網(wǎng)絡的核心控制平臺，負責所有用戶的各種呼叫控制和接續(xù)管理功能，及接入?yún)f(xié)議適配、互連互通等綜合控制處理功能，其實質(zhì)就是軟交換機（SS）。建議以鐵路局為單位設置軟交換機，在每個鐵路局所在地設置至少兩套，采用與鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)調(diào)度所型調(diào)度交換機同樣的設置方案，選擇鐵路局調(diào)度所和鐵路局所在地的樞紐通信站作為兩個核心節(jié)點，采用“1+1” 主備用方式，按照同城異地方式建設。各鐵路局軟交換核心節(jié)點通過全路骨干層數(shù)據(jù)網(wǎng)連接。

2）業(yè)務/應用層

業(yè)務/應用層主要用于面向用戶提供各種應用和服務。建議在鐵路局所在地與軟交換機同址設置各類軟交換網(wǎng)絡服務器，包括支持三方應用和增值業(yè)務的應用服務器、動態(tài)干預網(wǎng)絡設備工作健康狀況的策略服務器、處理用戶訪問請求的AAA服務器、軟交換網(wǎng)管服務器及智能用戶數(shù)據(jù)庫等。

3）傳輸層

傳輸層為分組傳送網(wǎng)提供可靠的、端到端的QoS保證的綜合傳輸網(wǎng)絡平臺。目前，全路正在進行數(shù)據(jù)網(wǎng)改造工程，建成后18個鐵路局所有干線鐵路均將具有完善的數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡，可以利用鐵路IP數(shù)據(jù)網(wǎng)來搭建軟交換數(shù)據(jù)承載網(wǎng)。

4）接入層

接入層通過采用不同的網(wǎng)關設備，滿足不同用戶業(yè)務接入的需求，實現(xiàn)各種不同網(wǎng)絡及終端設備的互通，主要包括TG、SG、AG等各類媒體網(wǎng)關及各種終端設備。

鐵路電話交換網(wǎng)與公共電信網(wǎng)可采用兩種方式：鐵路軟交換網(wǎng)絡通過網(wǎng)絡邊界點（NBP）與公網(wǎng)軟交換網(wǎng)絡互聯(lián)；或者維持既有的互聯(lián)方式，在原鐵路用戶與公網(wǎng)互聯(lián)處設置軟交換TG和SG，用來實現(xiàn)分組交換網(wǎng)向電路交換網(wǎng)的轉(zhuǎn)換和No.7信令網(wǎng)與IP網(wǎng)之間的中繼，實現(xiàn)與公用電話網(wǎng)的互通。

同時，TG和SG還可以實現(xiàn)GSM-R鐵路移動通信系統(tǒng)核心網(wǎng)交換機和軟交換機的互聯(lián)互通。

4.3接入方式比較

根據(jù)鐵路電話交換網(wǎng)的現(xiàn)狀和特點，軟交換終端接入方式主要有以下3種。

1）AG接入方式

根據(jù)鐵路程控電話交換網(wǎng)現(xiàn)狀，對于各條既有鐵路，其鐵路沿線均設有接入網(wǎng)接入單元設備（NU），通過接入各大型通信站內(nèi)的接入網(wǎng)局端接入設備（LT），接入既有程控交換機。為了減少對既有線通信網(wǎng)的改動，可考慮在LT同址處設置AG設備，通過AG設備接入鐵路局軟交換系統(tǒng)，如圖2所示。

2）xPON接入方式

在新建或改建鐵路時，可采用xPON網(wǎng)絡，即EPON/GPON接入方式，由OLT、ONU、ODN三部分組成，如圖3所示。xPON具有低成本、高帶寬、接口豐富、組網(wǎng)靈活、擴展性強等顯著優(yōu)點，可實現(xiàn)用戶側(cè)語音、視頻及數(shù)據(jù)業(yè)務的融合接入。

OLT局端設備設置于鐵路沿線各大型車站/通信站處，平均間距不超過40 km，為管轄區(qū)域內(nèi)的用戶提供網(wǎng)絡側(cè)和用戶側(cè)之間的接口，網(wǎng)絡側(cè)接入鐵路局IP數(shù)據(jù)網(wǎng)，用戶側(cè)通過一個或多個ODN與ONU通信。

ONU終端設備設置于鐵路沿線各用戶處，為用戶提供綜合業(yè)務接口，且具有光/電轉(zhuǎn)換能力，可同時實現(xiàn)POTS終端、PC終端和軟交換終端的接入。

ODN無源光元件設備包括光纖、光連接器和光分路器等，用于OLT和ONU的連接。

EPON/GPON接入方式可以實現(xiàn)全光網(wǎng)絡，用光纜代替地區(qū)及站場市話電纜，有利于維護管理。

3）IP接入方式

采用IP接入方式的前提是鐵路沿線建成完整的IP數(shù)據(jù)承載網(wǎng)?，F(xiàn)在全路正在進行數(shù)據(jù)網(wǎng)改造工程，待各鐵路局建成數(shù)據(jù)網(wǎng)骨干層和匯聚層后，對于鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)已覆蓋的鐵路地區(qū)和樞紐，可采用IP接入方式。IP接入方式采用的是IP電話，而不再是傳統(tǒng)的模擬電話終端。由于IP電話和軟交換均支持H.323、SIP、MGCP和MEGAGO等協(xié)議，因此可以通過數(shù)據(jù)網(wǎng)直接互聯(lián)互通，如圖4所示。

3種終端接入方式的優(yōu)缺點比較如表1所示。

表1　AG、xPON和IP 三種接入方式優(yōu)缺點比較

綜上所述，AG接入方式是在軟交換系統(tǒng)和程控交換系統(tǒng)并存時的初級階段的一種過渡方案，而xPON接入方式和IP接入方式的特點和優(yōu)缺點各異，當軟交換系統(tǒng)建成后，具體實施時可根據(jù)鐵路通信網(wǎng)的需求進行選擇。

5　結束語

為適應新形勢下鐵路發(fā)展的需要，有必要對鐵路自動交換網(wǎng)進行更新改造，建設一個技術體制先進、業(yè)務功能豐富、產(chǎn)權及維護界面清晰、網(wǎng)絡架構與鐵路生產(chǎn)力布局相匹配、適應鐵路建設發(fā)展的交換網(wǎng)絡。作為下一代交換網(wǎng)絡的核心技術體制，軟交換技術和產(chǎn)品均已成熟，是鐵路電話交換網(wǎng)的發(fā)展方向。

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收稿日期：（2014-08-13）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.011