中国移动软交换IP承载语音业务的实现

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摘要　本文介绍了在移动软交换机下实现IP承载语音业务的组网方案，就该组网方案的各种保护机制进行了简要的说明。详细介绍了对搭建在中国移动现网上的软交换IP承载语音网络各项性能指标的测试，充分验证了该实现方式的高可靠性，完全能够达到电信级网络运行水平的要求。
随着市场竞争的加剧，运营商也面临着越来越大的成本效益压力。基于软交换技术和IP技术构建的下一代核心网成为全球各大运营商的首选。它采用分层开放的体系架构。运营商可以在业务的驱动下利用这个开放的体系架构灵活实现自己的网络解决方案，并通过业务和网络的不断融合提高企业的竞争能力。利用控制和承载相分裂的软交换技术可以大大降低网络的建设成本和运营成本。通过实际案例分析和计算，采用移动软交换技术可以使核心网络运营成本降低50%。同时，由于采用IP承载语音技术，与传统的TDM承载相比，大大的节省了传输带宽，降低了成本（采用压缩编解码格式比G.711编码格式至少可以节省50%的带宽，另外，静音检测技术（VAD，Voice Activity Detection）至少可节省超过30%带宽），简化现有分层的网络结构。中国移动于2004年开始在省际层面建设了覆盖全国31个省的全IP架构的软交换汇接网，并且于2006年开始，将接入路由器（AR）向下延伸到省内具有业务承载需求的地市。从2005年开始，在本地网层面引入TDM承载的软交换设备。目前，软交换在技术上已经成熟，提供业务的能力也得到了验证，2G软交换IP承载话音具备了实现的条件。是中国移动核心网电路域演进的必由之路。
1、组网方案
1.1　IP承载网性能指标要求
由于不是面向电信业务运营需求而设计，传统IP网络与电信网络存在较大差距，具有网络可靠性不高、QoS难以得到保证、网络极不安全以及没有相应的管理手段，不利于网络规划、运营和维护等缺点。
IP承载网作为语音、数据、多媒体信息的承载平台，必须具有很高的可用性，能够长时间稳定运行。除了可靠性要求外，IP承载网还需要满足软交换业务的QoS及吞吐量要求，一般需要提供POS 155Mbit/s或GE链路到接入站点。IP承载网要满足以下5大原则。
（1）大容量、多业务线速性能：满足核心网的大容量、高性能的要求，并全面满足核心网对可靠性、QoS、IPv6/MPLS/多播、安全等方面的要求；
（2）注重实效的QoS解决方案：QoS解决方案不单纯是设备QoS技术，需要借鉴传统电信网络的规划经验、CAC控制机制，结合IP/MPLS DiffServ，QoS测量和再部署，实现可长期经营和维护的QoS解决方案；
（3）出色的可靠性解决方案：核心网采用核心设备达到5个9（99.999%）的可靠性指标。全网部署BFD等快速故障检测技术，启动快速路由收敛，部署不间断转发技术，实现全网快速故障收敛，提高网络可靠性；
（4）全面的安全解决方案：提供完善的设备级、链路级和网络级安全解决方案；
（5）可运营、可管理的网络管理手段：网元管理、VPN/QoS业务管理、流量采集和性能监测等，丰富的报表和完善的界面，提高维护效率，有效降低OPEX（Operating Expense）。
特别的，结合ITU-TG.114，ITU-TY.1541，3GPPTS22.105V4.3.0，中国移动相关规范，IP承载网针对语音业务和信令业务，QoS指标要满足表1要求。
表1　QoS指标

	语音业务QoS要求	信令业务QoS要求
单向端到端传输时延	＜50ms	＜100ms
IP承载网的抖动	＜10ms	＜10ms
丢包率	＜1%	＜0.1%

1.2　组网方案设计
1.2.1　网络组织原则
采用IP方式承载的MGW采用全网扁平化一级组网模式，MGW之间的话务不再经过汇接，直接通过底层IP专用承载网进行疏通，采用RTP/RTCP/UDP/IP协议栈通信。
MSC Server之间通过IP网相连，采用BICC协议通信。省际层面引入CMN，完成省际号码分析和信令链路汇聚两部分功能。省内不同MSC Server间直接互通。
根据以上原则，中国移动集团研究院设计了如图1所示的系统组网结构。

图1　组网结构

MSC Server A到MSC Server B在SCTP层为单偶联，存在两条通路。正常情况下MSC Server A与MSC Server B的传送路由为图中主用（浅灰色）通路（MSC Server A-LAN Switch-CE1-AR1-AR1-CE1-LAN Switch-MSC Server B），当主用通路出现故障时，发生SCTP端口倒换，MSC Server A→MSC Server B的传送路由切换为备用（深灰色）通路（MSC Server A-LAN Switch-CE2-AR2-AR2-CE2-LAN Switch-MSC Server B）。
媒体流工作在主备方式，一对IP接口板工作在主备，每块IP接口板出1个GE接口。媒体流存在两条路径，主用路径（浅灰色）（MGW A-LAN Switch-CE1-AR1-AR1-CE1-LAN Switch-MGW B），备用路径（深灰色）（MGW A-LAN Switch-CE2-AR2-AR2-LAN Switch-CE2-MGW B）。正常情况下媒体流运行在主用路径上，异常情况下媒体流运行在备用路径上。
1.2.1.1　主要设备技术要求
（1）MSC Server：通过接入A接口的控制面实现对2G BSS的接入控制，通过Mc接口控制MGW，并提供呼叫控制和移动性管理功能。对于BICC承载建立方式，在不启用TrFO和启用TrFO的情况下都应按“前向延迟不通知方式”建立承载。为了保证软交换系统的正确接入，要求软交换机MSC Server/VLR支持SCTP多归属机制；
（2）MGW：MGW支持在软交换机的控制下完成分组语音编解码之间的转换和互通，包括AMR编码语音与G.711编码语音之间的转换。为了保证软交换系统的正确接入，要求与软交换机MSC Server/VLR之间的信令链路支持SCTP多归属机制；
（3）MGW内置SG：用于转接BSSAP及互通ISUP信令。MGW内置SG可以采用M3UA代理方式转接BSSAP信令。考虑到将来网络引入A-Flex功能的需求，MGW内置SG也可以采用M3UA转接点方式转接BSSAP信令。在这种情况下，要求接入到该MGW的所有BSC均支持多信令点功能。要求MGW内置SG，转接ISUP信令时工作在M3UA转接点方式；
（4）GMSC Server和GMGW：即关口局软交换机和关口局媒体网关。主要负责疏通端局与他网的互连互通话务和本地网内IP承载的软交换端局和TDM端局间的互通话务。（当本地网内IP承载的软交换端局和TDM端局间不具备直达电路设置条件时，端局间的话务由IP关口局转接疏通）。GMGW具备内置信令网关SG，支持其它TDM网元与该GMGW所归属的GMSC Server互通时SS7信令基于SIGTRAN方式的转接；
（5）CMN：即呼叫协调节点，负责全网被叫号码分析及省际软交换机之间信令链路的汇聚。CMN不需支持Mc接口、不需控制MGW。以省或大区为中心设置。
1.2.1.2　主要接口协议要求
（1）Nc接口：MSC Server之间、GMSC Server与MSC Server之间、CMN与（G）MSC Server之间、以及CMN之间通过Nc接口连接。该接口基于IP承载，接口协议栈为BICC/M3UA/SCTP/IP。对于BICC承载建立方式，在不启用TrFO和启用TrFO的情况下都应按“前向延迟不通知方式”建立承载。Nc接口支持SCTP多归属机制；
（2）Mc接口：MSC Server与MGW之间、GMSC Server与GMGW之间通过Mc接口连接。该接口基于IP承载和H.248协议。Mc接口支持SCTP多归属机制；
（3）Nb接口：Nb接口是MGW之间、MGW与GMGW之间的接口。该接口基于IP承载，语音编解码采用AMR2 12.2kbit/s，接口承载协议栈为RTP/UDP/IP。对于IP承载语音的软交换网，其承载层采用全网扁平化组网模式，任意两个MGW之间的媒体流直接通过IP专用承载网进行疏通，不再经过其它媒体网关进行中间转接；
（4）ISUP协议接口：R4软交换机与TDM交换机（2G MSC/GMSC）互通的ISUP信令，由MGW内置的SG进行转接。TDM交换机与SG之间仍采用TDM方式承载，其协议栈为ISUP/MTP（E1）；MGW内置SG与软交换机之间采用IP承载，其协议栈为ISUP/M3UA/SCTP/IP，其中的SCTP协议应支持多归属机制。
1.2.2　软交换设备主要接口保护机制
软交换设备接口的保护可以在承载层面和软交换业务层面实现多层保护。
软交换设备间主要接口包括Mc口（Server与MGW间）、Nc口（Server间）、Nb口（MGW间）。Mc/Nc采用SCTP多归属进行保护。软交换上处理Nb口流量业务的单板一般都是主备工作，可以进行主备保护。
1.2.2.1　SCTP多归属保护
每个SCTP偶联的端点有多个IP地址，例如图2中的R4 MSC1和R4 MSC2之间，使用SCTP偶联连接，R4 MSC1上使用IP地址IP1和IP2，R4 MSC2上使用IP地址IP3和IP4。

图2　SCTP多归属保护

当默认的首选地址出现通信故障时自动倒换到备用的IP通路上。假定IP1和IP3分别是两个MSC的首选IP地址，正常情况下，包含信令消息的IP包是从IP1发给IP3或者是从IP3发给IP1，在IP2和IP4之间使用SCTP的HeartBeat消息进行IP通信状态的监测。
当信令消息从IP1发给IP3时，在发送端会使用定时器等待对方的接收确认，如果收到对端的确认表示数据已经完成传输，如果是发生定时器超时，则意味着消息丢失或者发生了较大的拥塞延时。发送端则在备用的IP地址上重传这个数据消息，以保证对端能够及时的接收到这个数据消息。当某个IP通路上连续发生了多次传递消息失败，达到了设定的Path.Max.Retrans次数，则这个IP通路被标记为不可用，所有的数据消息都被倒换到其余的IP通路上传递。
倒换时间和设置的HeartBeat间隔及RTO设置有关。
1.2.2.2　MGW上Nb口保护
MGW检测Nb口单板的工作状态，当SCTP主用通路故障之后，SCTP备用通路所在的单板立即接管控制权，切换在1s内完成；处理Nb口业务的单板均支持标准BFD功能，可以快速检测链路中断异常，具备网关间自动切换功能，可与网关配合完成BFD功能。如图3中所示两处站点异常会导致主备单板切换，倒换成功后MGW信令面和用户面新的路由如箭头所示。

图3　Nb口保护

1.2.3　LAN Switch的引入
配置两台LAN Switch，两台LAN Switch之间用多条FE或GE链路连接，LAN Switch配置LACP协议，将LAN Switch之间的多条物理链路捆绑为一条逻辑链路，保证LAN Switch之间连接的可靠性。
在LAN Switch上对应Nc口业务、Mc口业务、Nb口业务、网管、计费等不同的业务划分多个VLAN，每个VLAN只处理一种业务，隔离媒体、信令、网管、计费等数据流。实现各业务之间的隔离。
主用Switch异常，将导致软交换设备相关主备单板检测到主板的网口异常，切换到备板。同时由于CE间启用VRRP协议，当主用Switch故障时，也立即产生VRRP切换，保证业务的正常进行，VRRP可以设置fast-interval至100ms，中断的时间在300ms左右，如不调整VRRP定时器值，缺省情况1s左右完成切换，推荐使用VRRP缺省配置。切换成功后新的路由如图4中箭头所示。

图4　引入LAN Switch

1.2.4　CE的引入
配置两台CE，CE之间用一条FE或GE直连，CE启用VRRP协议，VRRP虚地址作为MSC Server和MGW的网关。CE和LAN Switch采用口字型连接方式。CE与IP Backbone之间采用GE链路连接。CE对外接口和骨干网的AR启用动态路由协议IS-IS，如图5所示。当主用链路中断之后，通过动态路由汇聚到备用链路上。在不启用快速动态路由时的收敛时间在1～2s左右，启用快速动态路由fast OSPF，收敛时间在1s以内。

图5　引入CE

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同样的需要在CE上划分VPN，逻辑上隔离不同的业务应用。CE需要支持多VRF以分离各种业务数据流，通过LAN Switch的VLAN ID映射到路由器的不同VRF上（由于各种业务分别在不同VLAN，因此映射到不同VRF），通过此方式在交换机和路由器上隔离信令、媒体、网管、计费等数据流。CE与AR之间运行两个OSPF进程，分别用于信令流VRF和媒体流VRF。
由于CE启用VRRP协议，当CE故障，也立即产生VRRP切换，保证业务的正常进行。VRRP可以设置fast-interval至100ms，中断的时间在300ms左右，如不调整VRRP定时器值，缺省情况1s左右完成切换，推荐使用VRRP缺省配置。
2、网络性能测试评估
按照上述组网方法，我们在湖南的吉首和怀化两地搭建了相应的实际网络。MSC Server和MGW采用中兴公司的ZXWN系统，CE采用Juniper公司的M10i路由器，AR选用阿尔卡特公司SR 7750路由器，LAN Switch用的是中兴公司的ZXR10 3928。使用Autoload（大话务发生器）、Cloud（IP损伤发生器）、Ethereal（Nc、Nb和Mc接口抓包和解码）、HRping（测试路由收敛时间）、GL-VQT（测试客观语音质量）等工具对网络进行了全面的测试以验证其性能。
测试组网图如图6所示。

图6　测试组网图
呼叫模拟器模拟A接口，发起的呼叫，话务量为10CAPS局间呼叫和4CAPS局内呼叫，呼叫时长统一为60s。用HRping测量故障收敛时间。
测试分5大部分：（1）故障对业务的影响；（2）IP接口网络损伤测试；（3）语音质量测试；（4）系统功能测试；（5）系统兼容性测试。
2.1　故障对业务的影响（如表2所示）
表2　测试情况

从测试结果来看，由于采用了多种保护机制，不论系统发生何种故障均没有发生呼叫业务中断的情况。说明该网络拥有非常高的可靠性。
中兴软交换设备信令流Mc、Nc接口开启SCTP多归属保护，对每个SCTP偶联的端点有两个IP地址，两个地址配置在负荷分担的SIGIPI接口板上，共有两个物理通路。主用通路为接口板1-LAN Switch1-CE1-AR1，备用通路为接口板2-LAN Switch2-CE2-AR2。
当主用接口板到LAN Switch 1间链路故障时，SCTP多归属起作用，数据经备用板、备用通路重传，主用通路的重传达到5次，发生SCTP多归属倒换，链路故障消失后，数据会倒回到主用通路上。在这个过程中，可以看到SCTP的倒回。
当主用通路LAN Switch1和CE1间链路故障时，发生VRRP收敛，在VRRP收敛过程中，主用通路的数据在备用通路上重传，VRRP收敛完成后，数据倒回主用通路。在这个过程中，可以看到SCTP的跳变。
当主用通路上的CE1、AR1故障时，发生承载网动态路由的收敛，在收敛过程中，主用通路的数据在备用通路上重传，路由收敛完成后，数据倒回主用通路。在这个过程中，可以看到SCTP的跳变。
备用接口板故障，只会产生偶联备用通路断链，对主用通路上的信令流不会产生影响。
在备用通路上的LAN Switch故障、CE2故障不会对主用通路上的信令流产生影响。
中兴软交换设备Nb口媒体流采用两块IPI接口板，配置为主备方式，支持负荷分担，当主用单板接入链路故障时，立即发生倒换，未发现对局间呼叫业务有影响。
CE1和CE2配置了VRRP，VRRP虚地址作为MSC Server信令流和MGW的网关。媒体流在CE1上主用，当CE1故障（或LAN Switch故障或VRRP心跳通路故障时），CE2转为主用，对呼叫业务不会产生影响。
当承载网内的路由器间故障时，发生路由收敛，路由收敛过程中产生的丢包未发现呼损。
LAN Switch故障测试，使得系统配合VRRP进行使用。隔离了CE和站点软交换之间的关联，不论VRRP如何浮动，与站点相关性都会比较小，使得CE真正的独立进行备份。
2.2　IP接口网络损伤测试（如表3所示）
表3　IP接口网络损伤测试
接口 参数 呼损 备注
Mc接口 AF41，时延、抖动和丢包率分别为（40ms,5ms,0.5%） 0 　
60ms、10ms、0.5% 0 　
80ms、10ms、0.5% 0 　
100ms、10ms、1% 0 　
Nc接口 40ms、5ms、0.5% 0 　
60ms、10ms、0.5% 0 　
80ms、10ms、0.5% 0 　
100ms、10ms、1% 0 　
Nb接口 40ms、5ms、0.5% 0 　
60ms、10ms、0.5% 0 　
80ms、10ms、0.5% 0 　
100ms、10ms、1% 0 　
　　参数均为时延、抖动和丢包进行罗列。
表4　语音在IP承载上的理论带宽参考
　 启用VAD（激活因子参考0.6） 不启用VAD
AMR 12.2kbit/s 29.5kbit/s 45.5kbit/s
G.711,5ms 120.8kbit/s 195.6kbit/s
G.711,10ms 81.5kbit/s 130kbit/s
G.711,20ms 64.8kbit/s 97.2kbit/s

参数均为时延、抖动和丢包进行罗列。
表4　语音在IP承载上的理论带宽参考
测试项目
次数 测试项目 备注
IP承载的软交换端局局间（语音编解码采用AMR2 12.2kbit/s，开启VAD） 1 优 　
2 优 　
3 优 　
IP承载的软交换端局局间（语音编解码采用AMR2 12.2kbit/s，关闭VAD） 1 优 　
2 优 　
3 优 　
IP承载的软交换端局局内（语音编解码采用G.711，开启VAD） 1 优 　
2 优 　
3 优 　
IP承载的软交换端局局内（语音编解码采用G.711，关闭VAD） 1 优 　
2 优 　
3 优 　
IP承载的软交换端局局间（语音编解码采用G.711，开启VAD） 1 优 　
2 优 　
3 优 　
IP承载的软交换端局局间（语音编解码采用G.711，关闭VAD） 1 优 　
2 优 　
3 优 　
IP端局到TDM端局的呼叫 1 优 　
2 优 　
3 优 　
IP端局到TDM端局的切换 1 优 　
移动用户呼叫PSTN 1 优 　
2 优 　

参数均为时延、抖动和丢包进行罗列。
在Nc、Nb和Mc接口分别增加模拟损伤仪表，时延、抖动和丢包达到最大的100ms、10ms、1%，没有呼损产生。中兴软交换设备在Nc、Nb和Mc接口的抗干扰满足要求。在启用SCTP多归属的情况下，为业务的正常进行提供了更多的保障。
2.3　语音质量测试
2.3.1　主观语音质量测试（如表5所示）
表5　主观语音质量测试
测试项目 语音质量（20组的平均值） 备注
IP承载的软交换端局局内（语音编解码采用G.711，关闭VAD） 3.2 　
IP承载的软交换端局局内（语音编解码采用G.711，开启VAD） 3.12 　
IP承载的软交换端局局间（语音编解码采用AMR2 12.2kbit/s，关闭VAD） 3.05 　
IP承载的软交换端局局间（语音编解码采用AMR2 12.2kbit/s，开启VAD） 3.03 　
IP承载的软交换端局局间（语音编解码采用G.711，关闭VAD） 3.1 　
IP承载的软交换端局局间（语音编解码采用G.711，开启VAD） 3.09 　
TDM端局局间呼叫语音质量 3.11 传统TDM交换网的语音质量

测试表明关闭VAD和打开VAD的差异很小；建议在以后的实际网络中使用VAD的方式。通过使用静音监测来减少了网络的流量。
测试表明使用G.711和使用AMR2 12.2kbit/s，主观感觉上差异很小；建议在以后的实际网络中使用AMR2 12.2kbit/s的方式，从而减少网络的流量。
2.3.2　客观语音质量测试（如表6所示）
表6　客观语音质量测试

打开和关闭VAD对语音质量的影响比较小，但是对于网络流量的传输会比较大；打开VAD，等于为语音增加了一个激活因子，如果以激活因子0.6来计算，则会减少约30%的带宽，因此建议开启VAD功能。
利用仪器直接测试现网，数值为3.11；因为本次测试使用的是室内实验室功率很小的基站，如果忽略这个因素对语音质量的影响，则移动软交换端局和移动TDM端局基本一致，从客观语音评测的角度来看，移动软交换端局的IP承载，并不会降低原有TDM的语音质量。
2.3.3　语音质量测试结果
采用中兴软交换架构的核心网，对于局内软交换语音质量没有影响，基本与现网一致或略高。
对于局内，打开和关闭VAD，对客观话音质量评价的结果影响较小。
对于局间采用AMR2和G.711，打开和关闭VAD，对话音影响也是很小；考虑IP承载后的网络间话音流量，建议采用AMR2，并打开VAD。
2.4　系统功能测试
系统功能测试就是在软交换IP承载网上测试所有中国移动现在已经开展的各种业务。通过对所有业务类别进行测试（在此不一一列出）之后验证了软交换IP承载网完全能够支持所有业务的承载，而且能够达到或超过传统TDM网的性能水平。
2.5　设备兼容性测试
在上述测试的基础上，我们还在中国移动统一组织下实施了第二阶段测试：同一省内不同的软交换设备厂家之间的IP承载语音的测试，验证了不同软交换设备之间完全能够在IP承载网上实现各种业务的互通；在此之后进行了第三阶段测试：跨省测试。通过在省际层面引入CMN（呼叫协调节点），来完成全网被叫号码分析及省际软交换机之间信令链路的汇聚，验证了全国软交换之间及全国软交换和TDM局之间在IP承载网上业务互通的能力。以上所有的测试都得到了优良的测试结果。
3、结束语
通过3个阶段的现网测试，充分验证了中国移动软交换IP承载网系统的可靠性及承载业务的能力。按照该方案建设的核心网完全能够达到电信级网络的运行要求。而且，中国移动也将从今年开始在全国推广该方案，以完成传统TDM网到下一代网络的演进，为将来用户多样化、个性化的业务需求提高强大的网络支撑能力。

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