现代交换技术大作业

1、引言20世纪80年代以来,移动通信已成为现代通信网中不可缺少并发展最快的通信方式之一。回顾移动通信的发展历程,移动通信的发展大致经历了几个发展阶段:第一代移动通信技术主要指蜂窝式模拟移动通信,技术特征是蜂窝网络结构克服了大区制容量低、活动范围受限的问题。第二代移动通信是蜂窝数字移动通信,使蜂窝系统具有数字传输所能提供的综合业务等种种优点。第三代移动通信的主要特征是除了能提供第二代移动通信系统所拥有的各种优点,克服了其缺点外,还能够提供宽带多媒体业务,能提供高质量的视频宽带多媒体综合业务,并能实现全球漫游。现在第二代技术正慢慢退出历史舞台,第三代技术逐步占据市场,第四代技术的构想基本成型并开始商

2、用测试。第四代移动通信系统(4G标准比第三代具有更多的功能。在传统的TDM的PSTN网络中,交换机的功能与其提供的业务都需要在每个接点完成,并且采用依靠交换机和信令来提供业务,所以必须在交换机的技术标准和信令标准中对开放的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,再对交换机进行改造,每提供一项新业务都需要较长的时期。为满足用户对新业务的需求,网络中出现了公共的业务平台-智能网(IN。智能网的设计思想就是把呼叫连接和业务提供分开。交换机完成呼叫连接,而智能网完成业务提供,这种方法大大提高了增强业务的能力,缩短了新业务提供的时间。而这种分离仅仅是第一步,随着承载的多样化,必须将呼叫控

3、制和承载连接进一步分离,这正是软交换引入的目的。软交换在未来网络中的位置将被分成接入传送层、媒体层、控制层和业务层,即把控制和业务的提供从媒体层中分离出来。1 第四代(4G移动通信和软交换的概念以及优越性1.1 第四代(4G移动通信技术的概念第四代(4G移动通信技术可称为宽带接入和分布网络,它具有非对称的超过2Mbit/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。第四代移动通信标准比第三代标准拥有更多的功能。第四代(4G移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务,可以在任何地方用宽带接入互联网(包括卫星通信和平流层通信,能

4、够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。此外,第四代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统,是宽带接入IP系统。目前已经商用测试的4G通信技术具有以下特征:(1通信速度更快由于人们研究4G通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问Internet的速率,因此4G通信的特征莫过于它具有更快的无线通信速度。专家预估,第四代移动通信系统的速度可达到10-20Mbit/s,最高可以达到100Mbit/s。(2网络频谱更宽要想使4G通信达到100Mbit/s的传输速度,通信运营商必须在3G通信网络的基础上对其进行大幅度的改造,以便使4G网络在通信带宽上比3G网络的带宽高出许多。据研究

5、,每个4G信道将占有100MHz的频谱,相当于W-CDMA3G网络的20倍。1.2 第四代(4G移动通信优越性第四代(4G移动通信将个人通信、信息系统、广播、娱乐等业务无缝连接为一个整体,满足用户的各种需求。4G应能集成不同模式的无线通信从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信,移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。各种业务应用、各种系统平台间的互联更便捷、安全,面向不同用户要求,更富有个性化。而且4G手机从外观和式样上看将有更惊人的突破,可以想象的是,眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋都有可能成为4G终端。4G移动通信技术的优势表现如下:(1 智能性能更高第四代(4G移动通

6、信的智能性更高,不仅表现在4G通信的终端设备的设计和操作具有智能化,更重要的是4G手机可以实现许多难以想象的功能。例如, 4G手机将能根据环境、时间以及其他因素来适时提醒手机的主人。(2 兼容性能更平滑要使4G通信尽快地被人们接受,还应该考虑到让更多的用户在投资最少的情况下轻易地过渡到4G通信。因此,从这个角度来看,4G通信系统应当具备全球漫游、接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化以及能从2G、3G平稳过渡等特点。(3 实现更高质量的多媒体通信4G通信提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等,大量信息透过宽频的信道传送出去,为此4G也称为“多媒体移动通信”。(4通信费用更加便宜由于4

7、G通信不仅解决了与3G的兼容性问题,让更多的现有通信用户能轻易地升级到4G通信,而且4G通信引入了许多尖端通信技术,因此,相对其他技术来说,4G通信部署起来就容易、迅速得多。同时在建设4G通信网络系统时,通信运营商们将考虑直接在3G通信网络的基础设施之上,采用逐步引入的方法,这样就能够有效地降低运营成本。2 第四代移动通信系统结构以及关键技术2.1 第四代移动通信系统结构4G移动通信接入系统的显著特点是:智能化多模式终端(multi-modeterminal。通过各种接入技术,在各种网络系统(平台之间实现无缝连接和协作。在4G移动通信中,各种专门的接入系统都基于一个公共平台,相互协作,以最优化

8、的方式工作,来满足不同用户的通信需求。当多模式终端接入系统时,网络会自适应分配频带、给出最优化路由,以达到最佳通信效果。目前,4G移动通信的主要接入技术有:无线蜂窝移动通信系统(例如2G、3G;无绳系统(如DECT;短距离连接系统(如蓝牙;WLAN系统;固定无线接入系统;卫星系统;平流层通信(STS;广播电视接入系统(如DAB、DVB-T、CATV。随着技术发展和市场需求变化,新的接入技术将不断出现。不同类型的接入技术针对不同业务而设计,因此,我们根据接入技术的适用领域、移动小区半径和工作环境,对接入技术进行分层。分配层:主要由平流层通信、卫星通信和广播电视通信组成,服务范围覆盖面积大。蜂窝层

9、:主要由2G、3G通信系统组成,服务范围覆盖面积较大。热点小区层:主要由WLAN 网络组成,服务范围集中在校园、社区、会议中心等,移动通信能力很有限。个人网络层:主要应用于家庭、办公室等场所,服务范围覆盖面积很小。移动通信能力有限,但可通过网络接入系统连接其他网络层。固定网络层:主要指双绞线、同轴电缆、光纤组成的固定通信系统。网络接入系统在整个移动网络中处于十分重要的位置。未来的接入系统将主要在以下三个方面进行技术革新和突破:为最大限度开发利用有限的频率资源,在接入系统的物理层,优化调制、信道编码和信号传输技术,提高信号处理算法、信号检测和数据压缩技术,并在频谱共享和新型天线方面做进一步研究。

10、为提高网络性能,在接入系统的高层协议方面,研究网络自我优化和自动重构技术,动态频谱分配和资源分配技术,网络管理和不同接入系统间协作。提高和扩展IP技术在移动网络中的应用;加强软件无线电技术;优化无线电传输技术,如支持实时和非实时业务、无缝连接和网络安全。2.2 第四代移动通信系统的关键技术(1 OFDM正交频分复用技术OFDM正交频分复用技术的基本思想是将高速串行的数据码流变换成N(通常取偶数路并行的低速数据流,再将这N路低速数据流分别调制到等频间隔的一组总数为N的子载波上,并且这组子载波要满足下交的条件。OFDM技术的优点是可以通地添加循环前缀来减小或消除码间干扰,对多径衰落和多普勒频移不敏

11、感,提高了频谱利用率,可实现低成本的单波段接收机。OFDM的主要缺点是功率效率不高,对频偏和相位噪声比较敏感。(2 MIMO技术MIMO(多进多出是未来移动通信的关键技术。MIMO技术主要有两种表现形式,即空间复用和空时编码。这两种形式在WiMAX协议中都得到了应用。WiMAX 相关协议还给出了同时使用空间复用和空时编码的形式。支持MIMO是协议中的一种可选方案,结合自适应天线阵(AAS和MIMO技术,能显著提高系统的容量和频谱利用率,可以大大提高覆盖范围并增强应对快衰落的能力,使得在不同环境下能够获得最佳的传播性能(3 智能天线技术智能天线(SA原名自适应天线阵列,由多个天线单元组成,每个天

12、线后面接一个加权器,经过加权器处理以后的信号,最后用相加器进行合并。智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能,被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线应用数字信号处理技术,产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。(4 调制与编码技术4G移动通信系统采用新的调制技术,如多载波正交频分复用调制技术以及单载波自适应均衡技术等调制方式,以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。4G移动通信系统采用更高级的信道编码方案(如Turbo码、级连码和LD

13、PC 等、自动重发请求(ARQ技术和分集接收技术等,从而在低Eb/N0条件下保证系统足够的性能。(5 全IP技术4G移动通信系统应该是一个全IP的网络,全IP网络节约成本,提高可扩展性,灵活性,并使网络运行更有效率,可支持IPv6,解决IP地址不足并能实现移动IP。同已有的移动网络相比具有根本性的优点,即:可以实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具体的无线接入方案,能提供端到端的IP业务,能同已有的核心网和PSTN兼容。核心网具有开放的结构,能允许各种空中接口接入核心网;同时核心网能把业务、控制和传输等分开。采用IP后,所采用的无线接入方式和协议与核心网络(CN协议、链路层是分离独立的。

14、IP与多种无线接入协议相兼容,因此在设计核心网络时具有很大的灵活性,不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。(6 多用户检测技术多用户检测是WCDMA通信系统中抗干扰的关键技术。在实际的CDMA通信系统中,各个用户信号之间存在一定的相关性,这就是多址干扰存在的根源。由个别用户产生的多址干扰固然很小,可是随着用户数的增加或信号功率的增大,多址干扰就成为WCDMA通信系统的一个主要干扰。传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理,因而抗多址干扰能力较差;多用户检测技术在传统检测技术的基础上,充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测,从而

15、具有优良的抗干扰性能,解决了远近效应问题,降低了系统对功率控制精度的要求,因此可以更加有效地利用链路频谱资源,显著提高系统容量。随着多用户检测技术的不断发展,各种高性能又不是特别复杂的多用户检测器算法不断提出,在4G实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。(7睡眠模式终端睡眠模式:Sleep模式和Idle模式。Sleep模式的目的在于减少终端的能量消耗并降低对Serving基站空中资源的使用。Sleep模式是终端在预先协商的指定周期内暂时中止Serving基站服务的一种状态。从Serving基站的角度观察,处于这种状态下的终端处于不可用(unavailability状态。Idle模式为终端

16、提供了一种比Sleep模式更为省电的工作模式,在进入Idle模式后,终端只是在离散的间隔,周期性地接收下行广播数据(包括寻呼消息和M基站业务,并且在穿越多个基站的移动过程中,不需要进行切换和网络重新进入的过程。Idle模式与Sleep模式的区别在于:Idle模式下终端没有任何连接,包括管理连接,而Sleep模式下终端有管理连接,也可能存在业务连接;Idle模式下终端跨越基站时不需要进行切换,Sleep模式下终端跨越基站需要进行切换,所以Idle模式下终端和基站的开销都比Sleep小;Idle模式下终端定期向系统登记位置,Sleep模式下终端始终和基站保持联系,不用登记。3 软交换技术的概念以及

17、优越性3.1 软交换技术的概念软交换又称为呼叫AGENT、呼叫服务器或媒体网关控制。其最基本的特点和最重要的贡献就是把呼叫控制功能从媒体网关中分离出来,通过服务器或网元上的软件实现基本呼叫控制功能,包括呼叫选路、管理控制、连接控制(建立会话、拆除会话、信令互通(如从7号信令到IP信令等。这种分离为控制、交换和软件可编程功能建立分离的平面,使业务提供者可以自由地将传输业务与控制协议结合起来,实现业务转移。这一分离同时意味着呼叫控制和媒体网关之间的开放和标准化,为网络走向开放和可编程创造了条件和基础。软交换作为新、旧网络融合和关键设备,必须具有以下功能:(1媒体网关接入功能该功能可以认为是一种适配

18、功能。它可以连接各种媒体网关,如PSTN/ISDN 的IP中继媒体网关、ATM媒体网关、用户媒体网关、无线媒体网关、数据媒体网关等,完成H.248协议功能。同时还可以直接与H.323终端和SIP客户端终端进行连接,提供相应业务。(2呼叫控制功能呼叫控制功能是软交换的重要功能之一。它完成基本呼叫的建立、维持和释放,所提供的控制功能包括呼叫处理、连接控制、智能呼叫触发检出和资源控制等。(3业务提供功能由于软交换在网络从电路交换向分组交换演进的过程中起着十分重要的作用,因此软交换应能够支持PSTN/ISDN交换机提供的全部业务,包括基本业务和补充业务;同时还应该可以与现有智能网配合,提供现有智能网提

19、供的业务。(4互联互通功能目前,存在两种比较流行的IP电话体系结构,一种是ITU-T制定的H.323协议,另一种是IETF制定的SIP协议标准,两者是并列的、不可兼容的体系结构,均可以完成呼叫建立、释放、补充业务、能力交换等功能。软交换可以支持多种协议,当然也可以同时支持这两种协议。3.2 软交换技术的优越性软交换将是下一代话音网络交换的核心。如果说传统的电信网是基于程控交换机的网络,那么下一代分组话音网则是基于软交换的网络。软交换是新、旧网络融合的枢纽,其优越性主要表现在以下几个方面:(1软交换成本低从经济角度考虑,与电路交换机相比,软交换成本低。软交换由于采用了开放式平台,易于接收革新应用

20、,且软交换利用的是普遍计算机器件,其性价比每年提高80%,远高于电路交换(每年提高20%,可见软交换在经济方面有很大优势。(2软交换组网灵活性高用户角度考虑,在传统的交换网络中,一个设备厂商往往供应软件、硬件和应用等所有的东西,用户被锁定在供应商那里,没有选择的空间,实现和维护的费用也很高。基于软交换的新型网络彻底打破了这种局面,因为厂商的产品都是基于开放标准的,所以用户可以向多个厂商购买各种层次的产品,可以在每一类产品中选择性价比最好的来构建自己的网络。(3软交换可以提高网络的可靠性。软交换将以前的电路交换的核心功能进行了分类,将功能以功能软件的形式分配到分组网络的骨干网中。这种分门别类的分

21、布式结构是可编程的,并对服务供应商和第三方特性开发商是开放的。由于所有的功能都以标准的计算机平台为基础,可以很容易地实现网络的可伸缩性和可靠性。4 基于软交换技术的网络结构及体系结构接口和采用的通信协议4.1 基于软交换技术的网络结构软交换是下一代网络的核心设备之一,各运营商在组建基于软交换技术的网络结构时,必须考虑到与其它各种网络的互通。在下一代网络中,应有一个较统一的网络系统结构。软交换位于网络控制层,较好地实现了基于分组网利用程控软件提供呼叫控制功能和媒体处理相分离的功能。软交换与应用/业务层之间的接口提供访问各种数据库、三方应用平台、功能服务器等接口,实现对增值业务、管理业务和三方应用

22、的支持。其中:软交换与应用服务器间的接口可采用SIP、API,如Parlay,提供对三方应用和增值业务的支持;软交换与策略服务器间的接口对网络设备工作进行动态干预,可采用COPS协议;软交换与网关中心间的接口实现网络管理,采用SNMP;软交换与智能网SCP之间的接口实现对现有智能网业务的支持,采用INAP协议。通过核心分组网与媒体层网关的交互,接收处理中的呼叫相关信息,指示网关完成呼叫。其主要任务是在各点之间建立关系,这些关系可以是简单的呼叫,也可以是一个较为复杂的处理。软交换技术主要用于处理实时业务,如话音业务、视频业务、多媒体业务等。4.2 软交换体系结构接口和采用的通信协议软交换作为一个

23、开放的实体,与外部的接口必须采用开放的协议。各种接口及其使用的协议如下:(1媒体网关和软交换间的接口。用于传递软交换和媒体网关间的信令信息。此接口可使用信令控制传输协议(SCTP或其他类似的协议。(2软交换间的接口。实现不同软交换间的交互。此接口可以使用会话发起协议SIP-T或BICC(承载无关的呼叫控制协议。(3软交换与应用/业务之间的接口协议。提供访问各种数据库、三方应用平台、各种功能服务器等的接口,实现对增值业务、管理业务和三方应用的支持。如:a、软交换与应用服务器间的接口,可以使用SIP协议或API(如Parlay,提供对三方应用和各种增值业务的支持功能;b、软交换与策略服务器间的接口,可使用COPS协议,实现对网络设备的工作进行动态干预;c、软交换与网管中心间的接口,可使用SNMP协议,实现网络管理。(4软交换与智能网SCP间的接口,可使用INAP协议,实现对现有智能网业务的支持。5 软交换在第四代(4G通信技术的应用的必然性第四代(4G移动通信技术将个人通信、信息系统、广播、娱乐等业务无缝连接为一个整体,使得各种业务应用、各种系统平台间的互联更便捷、安全,面向不同用户需求,更富有个性化。而软交换技术是一个分布式的软件系统,可以在基于各种不同技术、协议和设备的网络之间提供无缝的互操作性,其基本设计原理是设法创建一个具