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中继网关功能与作用

中继网关提供中继接入,可以和软交换设备以及信令网关配合替代现有的汇接/长途局,因此可放置在现有电话网的汇接/长途局位置,作为对汇接/长途的替代。
一、中继网关的主要功能
中继网关由软交换设备控制,主要作用是将媒体从一种传输格式转换为另一种传输格式,最常见的是将电路媒体格式转换为分组媒体格式,ATM分组格式转换为IP分组格式等。中继网关要实现以下的几种功能。
(1)异构网络接人功能
中继网关设备是现有网络接入软交换核心传送网的“入口“,负责各种网络的中继接入,如PSTN/ISDN网络接入、PLMN网络接入等。中继网关以宽带接人手段接入软交换核心传送网络,目前主要通过ATM方式或IP方式接入。
(2)媒体流的映射功能
中继网关要负责将各种不同网络的信息流映射成适合在IP核心网内传输的媒体流。媒体流映射功能包括媒体格式的转换、数据压缩算法、资源预约与分配,以及对特殊资源的处理等。中继网关能够在分组交换网络和电路交换网络之间,通过实时编解码和语音压缩打包功能来实现媒体(语音、传真等)的转换,将模拟语音信号转换为一定长度的数字化语音分组,以分组形式在IP网络上进行交换和传输。中继网关还要负责实现对一些业务的特殊处理,例如语音业务在传输语音信息的同时,还要求进行回声抑制、抖动缓冲管理、静音压缩和其他用千优化语音质量的操作,以及执行媒体插入功能,如舒适噪声生成等。
(3)受控操作功能
中继网关本身不会对呼叫进行控制操作,需要软交换设备来控制。它绝大部分的动作(特别是与业务相关的动作)都是在软交换设备的控制下完成的,所以中继网关要能够接收并处理软交换设备的各种控制原语。在软交换设备的控制下,中继网关能够选择编码压缩算法、能够检测各种特殊的信号,能够对自身资源进行申请、预约、占用、释放等操作。中继网关和软交换设备之间的特殊关系决定了它们之间控制协议的重要性。
(4)管理和统计功能
中继网关能够收集与设备、端口以及呼叫相关的统计信息,包括系统资源占用情况、呼叫连接建立情况、带宽资源使用情况、端口相应媒体流等,并向网管系统报告统计信息。
二、中继网关的关键技术
中继网关作为软交换网络与PSTN/ISDN互通的关键设备,其性能好坏直接决定了今后软交换网络提供业务的质量,因此中继网关采用了一些关键技术来满足软交换网络的要求。
(1)分组语音技术
基于IP分组网络传输语音等实时媒体是NGN的重要特征。中继网关就必须将模拟或数字电路语音信号转换成一定长度的语音分组,采用“存储-转发“方式,以分组的形式在IP网络上交换和传输,这种技术称为分组语音技术。
(2)语音编解码技术
中继网关需要采用一定的语音编码算法对语音信号进行处理,目前主要的编码标准有G.711、G.723.1、G.728、G.729、GSM等。在分组网络中有时候带宽比质量更重要,这时压缩成为一个重要因素。因此,中继网关应该提供一系列编解码器,以适应不同要求,既满足语音质量要求又满足带宽要求。
(3)实时传输技术
中继网关实现实时传输主要是采用实时传输协议(RTP,RealtimeTransportProtocol)。RTP是提供包括音频在内的端到端实时数据传送的协议,包括数据和控制两部分,后者称为实时传输控制协议(RTCP,RealtimeTransportControlProtocol)。RTP提供了时间标签和控制同一会话中不同数据流同步特性的机制,可以让接收端重组接收到的数据分组。RTCP提供了与其他传输层协议的流量控制和拥塞控制机制相似的服务质最反馈机制。
(4)网络协议技术
在中继网关实现中,协议的选择是一个非常重要的问题。媒体网关可采用的主要信令协议包括MGCP和H.248/Megaco,根据各种媒体网关的业务功能需求不同,H.248和MGCP协议分别适用千不同的媒体网关类型以及不同的应用场景。国内行业标准规定,中继网关作为运营商网络中的局方设备,从设备可靠性和安全性考虑,必选支待H.248协议,可选支持MGCP协议。
(5)其他技术要求
中继网关要满足的一个主要要求就是提供优质的语音质量,因为这对用户的感受有着直接的影响。中继网关应提供低丢包率和低延迟,这两个因素都对语音质量有重要影响。此外,像回音抵消、可调节的抖动缓冲器这样的特点也有助千提高语音质量。静音抑制(SilenceSuppression)(发起端)和舒适噪声的生成(ComfortNoiseGenera­tion)(接收端)有助千减少骨干网的流械,所以中继网关也应该支持。中继网关还应该支持传真音检测,以转换音频信道到发起端和接收端上专门对传真传输做了优化的编解码器。
三、 中继网关媒体流转换框架
为解决NGN与PSTN之间的承载互通,一般可根据互通话务量需求和设备处理能力,在NGN与PSTN的网络边界上设置一个或多个中继网关,在软交换设备的控制下完成PSTN侧基于TDM承载的PCM语音或数据到NGN侧基于RTP/IP承载的媒体流的转换,如图所示。
媒体网关内的媒体流转换实现框架
媒体网关内的媒体流转换实现框架
1、从PSTN到NGN方向的媒体流转换
(1)当TG在PSTN侧使用El或SDH物理接口时,通过支持G.703规范的El/Tl接口芯片或SDH规范的STM-1接口芯片,将外部接口特定PCM时隙上的数字码流映射到内部高速时分复用数据总线上(如H.110格式),完成物理层信道编码及封装格式变换。
(2)TG的核心逻辑部件(图中未标出)根据软交换设备通过H.248/MGCP协议给出的信息,判断当前处理媒体流是否为语音呼叫,如果不是语音呼叫,则转第5步处理,否则判断PSTN侧与NGN侧接口是否采用了相同的应用层语音编码格式(如G. 711、PCMoverIP、PCMoverTDM),若是,则直接转第6步进行处理,否则转第3步处理。
(3)TG核心控制逻辑部件控制内部的TDM交换网,将内部高速TDM数据总线上与当前外部时隙对应的通道交换到应用层码变换/回声抑制单元(TC/EC)的指定通道,TC/EC单元一般采用可编程数字处理芯片(DSP)阵列来完成从基本的PCM-Alaw(64kbit/s)编码到G.729(8kbit/s)、G.723.1C6.3kbit/s)等编码格式之间的转换操作,由于单片DSP支待的码变换资源有限,因此目前许多中继媒体网关设备采用网络处理器(NP,NetworkProcessor)来完成高密度码的变换处理;不同的编解码方式的打包时延不同,例如G.729的打包时延为10ms,芯片本身也存在着编码转换时延,不同厂商的芯片的指标也不一样,一般来说在几毫秒级别。
(4)为了消除来自PSTN终端二/四线转换非平衡网络反馈的残留回声,TC/EC单元中一般采用专用的具备多阶数字滤波器能力的回声抑制(EC)芯片阵列来消除来自PSTN侧的回波。
(5)对千非语音呼叫(如传真),直接通过TG核心控制逻辑控制内部TDM交换网,将内部高速TDM数据总线上与当前外部时隙对应的通道交换到特定的Modem端口,由Modem芯片解调还原原始数字信号,并打包为T.38(IP传真标准)格式数据帧。
(6)TC/EC单元在上层模块的控制下,区分两种情况考虑:对千NGN侧为IP语音承载的情况,将多个属于连续关系的G.711/G.729/G.723.1语音帧或T.38传真帧封装为RTP报文,并遵照标准的RTP处理协议填写RTP报文的控制域(标识符、序列号、时间戳和传送监视)以及实现服务质量监视及进度控制的RTCP协议,在封装为IP数据包后,送往内部以太交换网或LAN等其他形式高速总线,转第7步处理;对千NGN侧为ATM语音承载(AALl/AAL2)的情况,则将TC/EC输出变换为内部媒体帧格式,再转第8步处理。
(7)TG根据软交换设备指示或内部分配原则,将该RTP数据包通过以太交换网或LAN将其交换到合适的IP接口单元,可为快速以太网(FE)/千兆以太网(GE)或POS(IPoverSDH)接口,上行到NGN的IP承载网。
(8)TG根据软交换设备指示或内部分配原则,将内部格式媒体帧通过ATM交换网
(或LAN交换)送往合适的ATM适配层(AAU处理单元(如AALl、AAL2),由后者完成AAL的打包封装,并完成ATM分段与重组(SAR)处理,再发往NGNATM承载网接口单元。
2、从NGN到PSTN方向的媒体流转换
        从IP/ATM到TDM语音承载的变换,则是上述过程的一个逆过程,基本的互逆过程相同,下面主要介绍比较特殊的处理。对千来自NGN侧的IP/ATM语音帧,由千网络层传送采用尽力而为(BestEffort)方式,其接收的媒体流数据包无法保证按照NGN对端终端或媒体网关的发送顺序到达,因此必须在TC/EC单元内进一步提供缓冲机制,承担乱序调整和抖动平滑等处理任务,平滑实时语音包在到达时间上的不均匀,这一功能除了要求足够的缓冲容屈之外,还要求相关部件具有基本线速的处理能力。
四、中继网关资源控制模型差异
        软交换设备对中继网关的资源控制主要归结为两大类:智能网关方式及哑网关方式。在目前已实现并投入运营的固定软交换系统配置中,中继网关资源控制模型大多数采用了哑网关方式;而在3GR4标准中则选择了智能网关方式作为移动软交换(MSC服务器)的资源控制模型。下图列出了智能网关和哑网关的控制模型,从图中可以看出,网关控制模型的主要不同在千承载控制功能(BCF,BearControlFunction)的位置。
中继网关资源控制模型
中继网关资源控制模型
        在智能网关模型中,TG包含BCF,完成承载面的信息协商和相关承载控制操作,如媒体地址的交互、媒体类型的协商等。其支持的典型承载控制协议包括适用千RTP/IP承载的Q.1970CIPBCP)/H.245、适用于AAL2/ATM承载的Q.AAL2等,TG间的承载控制信令一般采用软交换设备与TG之间的H.248协议以及软交换设备之间的BICC/SIP-T协议的隧道传输功能作为其传输通道。由千承载控制功能从软交换设备的剥离,从而更好地达成了业务控制与业务承载的无关性。BCF与MCF(媒体控制功能)由于位于同一个物理实体内,其间的BMC(承载媒体控制)接口一般为内部定义格式;软交换设备的呼叫控制单元(CCU)和TG之间通过呼叫承载控制接口(CBC)交互,该接口以标准H.248协议的基本操作为基础构件,针对窄带呼叫在功能及流程方面的特殊需求,对H.248协议参数取值进行了详细的限定,为窄带呼叫中对TG上的资源操作定义了扩充和封装后的H.248事务。遵循呼叫承载控制接口规范的TG称为智能中继网关。
        哑网关模型中承载控制功能物理上属于软交换设备的一部分,相关承载信息(如地址、SDP属性等)直接在软交换设备中构造并在软交换设备间交换,即软交换设备完成媒体地址的交互、媒体类型的协商等功能,如H.323中采用H.245协议,而SIP、BICC则直接在呼叫消息中附带BCF信息CSDP及APM机制);BCF与MCF由于不在同一个物理实体内,其间的接口为基本H.248协议定义的能力集。从长远看,智能网关控制模式将成为承载控制分离网络体系结构的最终演进趋势,这有助于网络智能的分布。
五、 中继网关应用方式
中继网关的应用方式
        上图表示了利用中继网关替代汇接局的中继应用情况。图中软交换设备替代了传统的PSTN的C4汇接交换机,信令网关进行No.7信令和基于SIGTRAN的IP信令协议的转换和传输,而中继网关则在软交换设备的控制下完成从PSTN到IP再到PSTN的媒体中继汇接连接。下面以''IP中继网关-软交换设备-IP中继网关”为例,说明基于IP中继网关的呼叫处理流程。该方式表示呼叫自PSTN用户发起,并终结于另一个PSTN网用户,其应用场景如下图所示:
中继网关的应用场景

中继网关通过电路交换网中的电路中继与用户连接,呼叫信令通过No.7信令网关进入软交换设备。该场景下的正常呼叫建立流程和释放流程如图所示
中继网关的正常呼叫建立与释放流程
中继网关的正常呼叫建立与释放流程
(注:图中未考虑媒体网关与SG之间的交互过程)。本流程示例基于以下约定:
主叫用户位于TGl、SGl管辖范围;
被叫用户位千TG2、SG2管辖范围;
No.7信令以ISUP为例;
SGl、SG2、TGl及TG2属于一个软交换设备的管辖区域内。
(1)用户拨号,通过主叫侧No.7信令网关SGl向软交换设备发送1AM。
(2)软交换设备向TGl发送Add命令,指示创建一个新的Context,在当前Context中加入语音网络侧的物理Termination(即中继)并将其LocalControl模式设置为ReceiveOnly;软交换设备向TGl发送Add命令,指示在当前Context中加入媒体Termination,其LocalControl模式设置为ReceiveOnly。
(3)TGl向软交换设备发送应答并确认将选择了适当的语音中继Termination与媒体Termination加入当前Context中,并向软交换设备报告本地媒体信息,如IP地址、RTP端口、语音算法等。
(4)软交换设备向SG2发送1AM消息。
(5)SG2向软交换设备返回ACM消息。
(6)软交换设备向TG2发送Add命令,指示创建一个新的Context,在当前Context中加入语音网络侧的物理Termination(即中继)并将其LocalControl模式设置为SendReceive;软交换设备向TG2发送Add命令,指示在当前Context中加入媒体Termi­nation,其LocalControl模式设置为ReceiveOnly,并向TG2通告远端TGl的媒体信息,如IP地址、RTP端口、语音算法等。
(7)TG2向软交换设备发送应答,确认选择了适当的语音中继Termination与媒体Termination加入当前Context中,并向软交换设备报告本地媒体信息,如IP地址、RTP端口、语音算法等。
(8)软交换设备向SGl返回ACM消息。
(9)SG2向软交换设备发送ANC/ANN消息。吵软交换设备向SGl发送ANC/ANN消息。
(10)软交换设备向TGl发送Modify命令,将当前Context中语音侧Termination与媒体Termination的LocalControl模式都设置为SendReceive,并向TGl通告远端TG2的媒体信息,如IP地址、RTP端口、语音算法等。
(11)TGl通过Reply命令确认。
(12)软交换设备向TG2发送Modify命令,将当前Context中媒体Termination的LocalControl模式都设置为SendReceive。 TG2通过Reply命令确认。
(13)被叫先挂机,SG2向软交换设备发送REL。
(14)软交换设备向TG2发送Subtract命令,删除中继Termination与媒体Termina­tion,并要求TG2报告对呼叫的统计信息。
(15)软交换设备向SG2返回Rel。
(16)TG2向软交换设备发送应答,确认删除中继Termination与媒体Termination并向软交换设备报告呼叫统计信息。
(17)软交换设备向SGl发送REL。
(18)软交换设备向TGl发送Subtract命令,删除中继Termination与媒体Termina­tion,并要求TG2报告对呼叫的统计信息。
(19)SGl向软交换设备返回RLC。
(20)MGl向软交换设备发送应答,确认删除中继Termination与媒体Termination并向软交换设备报告呼叫统计信息。
详细再一次了解 中继网关功能与作用