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传统电话交换机的演变

        电话交换机是目前电信设施的基础元件。处于电话网网络节点位置的电话交换机,在电话网中完成话路的选路和连接功能,使两个不直接连接的节点实现高效的点到点通信。所谓选路是指交换机的处理机根据被叫用户号码选择输出路由(属于同一局向的话路群);所谓连接是指在交换机处理机的控制下,由接线器完成输人话路与输出话路的连接。可以说,电话交换机的发展大大促进了电信行业的发展。
从大体上看,传统交换机结构的演变经历了3个主要阶段:
第一阶段是数字技术和计算机技术的发展使传统电路交换机从机电制交换机(也称为布控交换机)过渡到程控制交换机;
第二阶段是业务提供的需求使传统电路交换机实现业务控制与呼叫控制的分离,并将呼叫控制过程进行标准化;
第三阶段则是分组交换技术的发展使传统电路交换机向软交换系统过渡,实现呼叫控制和媒体传输的分离,并进一步实现体系结构的分布。
1. 由机电制向程控制的演变
        回顾交换系统的发展历史,在控制方式上,自动交换机的发展经历了机电制和程控制两个阶段。
早年的机电制自动交换只限于电话一种业务,又可划分为步进制交换机和纵横制交换机两个阶段。步进制电话交换机是最早投入使用的自动电话交换机,它的特点是由用户电话机的拨号脉冲直接控制交换机的接线器动作,属于直接控制方式。随后出现了纵横制交换机,采用机电式公共控制,把控制部分和话路分开。纵横制交换机有许多专用的机键组合集中千交换局,其控制部分是设备全集中和功能全专用的结构,而机键和接口部分大多也是设备集中和功能专用。
        其后,机电制交换机过渡至程控制交换机。自从20世纪60年代中期出现模拟程控交换机以及70年代初期推出数字程控交换机以来,程控交换技术迅速发展,程控交换系统不断地进行技术增强和功能增强。技术增强主要是由千微电子和微处理机技术飞速发展的促进,这使得交换系统的硬件不断更新,进一步缩小体积,降低功耗,提高可靠性和处理能力。功能增强则来自通信网络变革及业务和用户需求的推动,这使得交换系统的性能日益完善,从而可以适应窄带和宽带ISDN、智能网和个人通信的发展。
从控制结构上看,程控交换机包括集中控制、分级分散控制以及全分散式等结构。对千数字交换机而言,集中控制出现在20世纪70年代初期,分级分散控制出现在70年代中期,而全分散控制则在80年代初期推出。简单地说,集中控制就是用中央处理机控制全局的呼叫处理,并执行所有的维护管理功能。集中控制的主要优点是控制结构简单,在充分发挥中央处理机的处理能力方面比较经济,但对小容昼局不经济,而且整个系统的处理能力会受到中央处理机的制约。全分散控制的主要特征是中央处理功能在很大程度上弱化,各个模块都具有独立的模块处理机,其自主处理能力显著增强,在任何两台模块处理机之间可平等地进行通信。全分散控制的主要优点是可以用线性扩充的系统结构经济地适应各种容姑的需要,呼叫处理能力强,整个系统阻断的可能性很小,系统结构的开放性和适应性强,然而其机间通信复杂,需要周密地协调整体控制功能和数据管理。分级分散控制的特点则介于两者之间。
        显然,技术增强和功能增强都与程控交换系统的控制结构密切相关,技术增强和功能增强促进了控制结构的变化和发展,而控制结构的变化和发展又应当有利于实现技术增强和功能增强,在这种交互影响下,开放性和适应性强的分布式控制结构日趋完善,显示了较强的生命力。
2. 呼叫处理与业务控制的分离
早期的电信网和电话交换机仅提供基本的语音通信业务。随着交换机技术的发展,尤其是程控交换机的发展,开始出现多种多样的电信新业务。但是在传统的电路交换机中,提供给用户的各项功能或业务都直接与交换机有关,业务和控制都是由交换机来完成的。传统的交换网络采用交换机和信令配合提供业务的方式,必须在交换机的技术标准和交换机的信令标准中对每项业务进行详细规范。如要增加新业务,首先需要修订标准,然后再对电话交换机进行改造,每提供一项新业务都需要较长的时间周期,而且成本非常高昂。
为满足用户对新业务的需求,20世纪80年代中期,电信网中出现了公共的业务平台,随后进一步发展成为智能网技术。智能网的基本思想是将业务提供功能从电路交换机中剥离出来,实现呼叫控制和业务控制的分离。这样,交换机仅需要完成基本的接续功能,而通过附加的智能网业务控制点完成对业务的集中控制。智能网的基本结构如图所示。
智能网体系结构原理
智能网体系结构原理
         在智能网中,电路交换机除了负责基本的呼叫接续控制,还要支持与业务控制点(SCP)交互所需要的必要规程,具有这些能力的交换机称为业务交换点(SSP)。业务控制点是一个公共的业务运行平台,支持各种增值业务的提供以及业务数据的集中管理。因此,只需在有限的智能网业务控制点上增加业务逻辑和数据,即可在全网范围内提供业务,从而极大地提高网络提供业务的能力,缩短新业务提供的周期。
3. 电路交换与分组交换的融合
        传统的通信网以语音业务为主,电话网的业务节点设备基于电路交换技术,其特点是在通信过程中通信双方始终占有一条通路(或时隙)。随着数据业务的快速增长,电话网上开始传送许多数据业务,这对并不适合传输数据业务的电路交换网造成了巨大压力。虽然程控交换机已经实现了全数字化,但其模拟接入方式、以64bit/s电路交换为基础的结构在很大程度上限制了数据服务的提供。计算机技术的发展以及对联网的迫切要求,使得电信运营商建立了独立于电话网的数据网。对此,运营公司需要把电话网上已有的数据业务顺利旁路到新建的数据网上,以减轻对传统交换网络的压力。
另一方面,原本数据网与电话网是两个独立的、互不相关的网络,但随着数据网的迅速发展,人们除在网络上传送数据业务外,也开始尝试传送语音等传统PSTN业务,由此产生了IP电话技术(VoIP,VoiceoverIP),从而改变了传统的电话交换方式。与传统电话网相比,分组网传送语音具有成本低、利润高、易推出新业务等很多优势,因此分组电话逐渐成为发展方向之一,但它需要与传统电话网实现互通。这些情况引出了分组数据网与传统电话网的融合问题,由此而带来了传统电路交换机体系结构的演变与发展。这一过程又可以分为两个阶段,即综合交换机阶段和软交换阶段。
(1)综合交换机
         综合交换机技术主要是通过对现有的电路交换网络进行改造,来达到同时支持电路交换和分组交换(包括ATM交换和IP交换)的目的。国内外许多厂家已先后开发了多种综合交换机,我国网络与交换标准化T作组也已经制定和颁布了相关的行业标准《综合交换机技术规范》。
综合交换机具有窄带交换机的功能,同时还具有宽带交换机的功能。综合交换机的实现方式主要有两种:一种是采用混合交换节点的方式,在交换机内部配置有多个独立交换矩阵,即电路交换矩阵、ATM和IP分组交换模块,传统的语音呼叫主要由电路交换模块进行处理,与宽带相关的业务则交由分组处理模块进行处理,当这两种模块之间进行交互时需要进行信息格式转换;另一种是采用融合交换节点的方式,在综合交换机内部只配置单一的ATM或IP交换矩阵,所有的媒体信息都首先转换成ATM信元或IP数据包在交换机内部进行处理,对外则同时支持电路交换网、ATM网和IP网。
采用融合方式的综合交换机由千内部已改为统一的交换平台,因此同时具有宽、窄带的接入能力,又具有TDM中继、ATM中继和IP网关的功能,这种方案的特点是可以提供语音和数据的综合传输和综合接入,在灵活快速的业务部署方面有很大的优势。但是,综合交换机由千综合了多种功能,所以造价也比较高,目前主要用在业务量较大的关口局和端局,不适合全网推行,可作为一种过渡策略来使用。
(2)软交换技术
        随着分组语音技术发展的进一步需要,基千电路交换的语音网必将和基于分组交换的数据网融合,形成可以传递话音和数据等综合业务的新一代网络,电信网最终将过渡到统一的分组交换网络。这就要求传统电路交换机不仅仅是同时支持电路交换和分组交换(包括ATM交换和IP交换),更重要的是要适应未来全分组交换的发展趋势。
同时,这一时期IP电话技术的发展,尤其是网关分解思想的出现,进一步促进了交换机体系结构的演进方式。在早期的IP电话系统中,由于规模较小,一般采用集成式电话网关(如H.323网关)建立PSTN和Internet之间的互通连接点,实现方式如图2.6所示。
传统JP电话网关模式
图2.6传统JP电话网关模式
        IP电话网关不但要执行媒体格式变换,还要进行信令转换。除此之外,还要控制网关内部资源,为每个呼叫建立网关内部的话音通路。这种网关结构对IP电话的大规模部署具有相当的制约,主要表现在:网关集多种功能千一身,过于复杂,导致其可扩展性差,且没有故障保障机制。于是业界提出了网关分解的概念,比如ITU-T在其H.323协议族中定义的H.323网关功能分解模型,如图2.7所示。
网关分解的思想
图2.7网关分解的思想
        在网关分解模型中,传统的IP电话网关功能被分解成3部分:负责媒体转换的媒体网关(MG,MediaGateway汃负责信令转换的信令网关(SG,SignalingGateway),以及整个系统的控制者-媒体网关控制器(MGC,MediaGatewayController)。提议的改进结构则将这3部分功能置千不同的物理实体之中去实现,其关键就是将媒体转换功能和网关控制功能相分离,使网关只承担简单的媒体转换功能,复杂的网关控制功能则由网关之外的独立的智能控制实体去实现,该实体就是媒体网关控制器,两者之间的接口采用开放的媒体网关控制协议。上述网关分解结构的重要特点是将控制智能集中到少置的媒体网关控制器中,由于功能简化,网关容鼠就可以显著增加,解决了扩展性问题。一个网关可受多个媒体网关控制器控制,如果其中一个发生故障,另一个可以接管其控制,从而有效地提高了系统的可用性。此外,该结构有利于快速地引入新业务,它只需要更新媒体网关控制器软件,网关则无需更改。
        这些因素促使电路交换机的体系结构开始从封闭的集成化架构向开放的分布式结构发展,将嵌入在交换机中的功能分布到多个IP网络元素之中,以一个分布式的结构在分组交换网上提供传统交换机的功能,使之能在一个灵活、可扩容的框架内提供传统交换机控制功能的同时,充分利用分组网络的所有优势,这就是软交换技术。
软交换技术提出的一个新的概念就是将呼叫控制、媒体传输、业务逻辑相分离,各实体之间通过标准的协议进行连接和通信,从而更加灵活地提供业务。其中的软交换设备实际上是一个基千软件的分布式控制平台,是实现传统程控交换机”呼叫控制”功能的实体,也是IP电话中的呼叫服务器、媒体网关控制器等概念的集成。从技术的角度来讲,软交换技术可以看成是程控交换机技术发展的又一个里程碑。