軟交換在城市軌道交通組網(wǎng)中的應用

葉 靈 陶宇龍 馬文勝

(北京城建設計研究總院有限責任公司 北京 100037)

軟交換在城市軌道交通組網(wǎng)中的應用

葉 靈 陶宇龍 馬文勝

(北京城建設計研究總院有限責任公司 北京 100037)

針對當前城市軌道交通對語音、數(shù)據(jù)、圖像等綜合業(yè)務的需求，從技術分析、功能定位、應用方案等方面介紹軟交換技術，并與公務電話系統(tǒng)、專用電話系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)和辦公自動化系統(tǒng)進行功能比較。通過在軌道交通新建城市中經(jīng)濟效益的分析，提出軟交換在軌道交通中的應用前景。

城市軌道交通;軟交換;組網(wǎng);下一代網(wǎng)絡;公務電話系統(tǒng);專用電話系統(tǒng);視頻會議系統(tǒng);辦公自動化系統(tǒng)

一直以來，電話網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、多媒體網(wǎng)都各自為政，分別提供語音、數(shù)據(jù)和視頻等業(yè)務。隨著科學技術的不斷進步、用戶需求的日益增加，城市軌道交通對通信業(yè)務的需求已經(jīng)由單一的語音通信轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shù)據(jù)、圖像、語音的綜合需求。

1 應用背景

目前，在國內(nèi)城市軌道交通中，基本采用數(shù)字程控交換技術來實現(xiàn)語音、傳真等業(yè)務需求，但存在著不適于承載數(shù)據(jù)業(yè)務、占用機房面積大，能耗高等問題。IP(Internet protocol)網(wǎng)能夠承載各種數(shù)據(jù)信息，為實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、多媒體流等多種信息在一個承載網(wǎng)中傳送創(chuàng)造了條件，但它不能提供任何高層業(yè)務的控制功能。若在IP網(wǎng)上開放語音業(yè)務，必須額外增加電話業(yè)務的控制設備。

由上可知，電話網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)均存在著一定的先天缺陷，無法通過簡單的改造而成為一個“全業(yè)務網(wǎng)”。另外，各網(wǎng)絡單獨與各自的信號源連接，造成重復投資、通信資源浪費以及用戶使用不便。可見，在城市軌道交通中，滿足語音、數(shù)據(jù)、圖像等綜合業(yè)務的需求，已成為迫在眉睫的事情。

隨著通信網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展，人們對于寬帶以及業(yè)務的要求也迅速增長。為了向用戶提供更加靈活、多樣的現(xiàn)有業(yè)務、新增業(yè)務和更多的個性化服務，提出了下一代網(wǎng)絡的概念。下一代網(wǎng)絡是一個建立在IP技術基礎上的新型公共電信網(wǎng)路，能夠容納各種形式的信息，是集話音、數(shù)據(jù)、圖像以及傳真等業(yè)務于一體的全新網(wǎng)絡。軟交換是下一代網(wǎng)絡的發(fā)展方向，它打破了傳統(tǒng)的封閉交換機構，采用開放的接口和通用的協(xié)議，硬件比較分散，業(yè)務控制和業(yè)務邏輯則相對集中。

根據(jù)我國信息產(chǎn)業(yè)部電信傳輸研究所的定義，軟交換是網(wǎng)絡演進以及下一代分組網(wǎng)絡的核心設備之一，它獨立于傳送網(wǎng)絡，主要完成呼叫控制、資源分配、協(xié)議處理、路由、認證、計費等功能，同時可以向用戶提供現(xiàn)有電路交換機所具有的業(yè)務，并向第三方提供可編程業(yè)務。軟交換符合工信部YD 1434—2006—1《軟交換設備總體技術要求》中的各項規(guī)定要求。截至2009年，國內(nèi)運營商的骨干語音網(wǎng)核心都已經(jīng)被軟交換替代。軟交換得到了業(yè)界廣泛的認同和重視，國際軟交換組織ISC(International Soft Switch Consortium)的成立更加快了軟交換技術的發(fā)展步伐。目前，國內(nèi)主要的軟交換廠商有華為、中興通訊、阿爾卡特、3Com、諾基亞西門子和UT斯達康等，它們都擁有各自的軟交換解決方案，其中部分解決方案已經(jīng)在實際網(wǎng)絡中得到應用。

2 技術分析

目前，城市軌道交通中的專用通信系統(tǒng)主要分為傳輸、無線通信、公務電話、專用電話、視頻監(jiān)視、廣播、時鐘、乘客信息、辦公自動化、電源及接地、集中告警共11個子系統(tǒng)，種類繁多，功能分散。

2.1 傳統(tǒng)各子系統(tǒng)功能

2.1.1 公務電話系統(tǒng)

公務電話系統(tǒng)需為城市軌道交通系統(tǒng)內(nèi)運營、管理、維修等部門的工作人員提供日常工作聯(lián)系，它是集語音、中低速數(shù)據(jù)為一體的交換網(wǎng)絡，可提供城市軌道交通內(nèi)部用戶之間、城市軌道交通內(nèi)部用戶與公用電話網(wǎng)用戶之間的電話聯(lián)絡，能將“119”、“110”和“120”等特種業(yè)務呼叫自動轉(zhuǎn)移至公用電話網(wǎng)的“119”、“110”和“120”上。

2.1.2 專用電話系統(tǒng)

專用電話系統(tǒng)需為組織指揮行車和運營管理的人員提供工作聯(lián)系，包括控制中心調(diào)度員、車站值班員、車輛段/停車場值班員等。專用電話系統(tǒng)由調(diào)度電話、站內(nèi)、站間及軌旁電話等構成，根據(jù)各線路的運營管理模式，配置行車、電力、環(huán)控(防災)、維修等調(diào)度電話系統(tǒng)。

2.1.3 辦公自動化系統(tǒng)

辦公自動化系統(tǒng)面向城市軌道交通日常運營和管理，是城市軌道交通信息交流的重要平臺，主要完成數(shù)據(jù)處理、文檔管理、日程管理、信息通道、輔助辦公等業(yè)務。

2.1.4 視頻會議系統(tǒng)

視頻會議系統(tǒng)主要實現(xiàn)終端點對點會議、多點會議、多組會議、會議直播、多分屏視頻會議、高標清混合會議、雙流會議等功能。

2.2 軟交換技術及其功能定位

ISC自1999年成立以來，致力于提供一個開放分布的體系結構，支持語音、數(shù)據(jù)和多媒體通信與供應商互通。軟交換的主要思想是業(yè)務與控制、傳輸與接入之間的相互分離，在各個實體之間通過標準的協(xié)議進行連接和通信。軟交換位于網(wǎng)絡的控制層，提供各種業(yè)務的呼叫控制、連接以及部分應用業(yè)務。

軟交換網(wǎng)絡體系結構分為邊緣接入層、核心傳送層、控制層和業(yè)務層，如圖1所示。其中，SG(signaling gateway)為信令網(wǎng)關，TG(trunk gateway)為中繼網(wǎng)關，AG(access gateway)為接入網(wǎng)關，IAD(integrated access device)為綜合接入設備，BGW(broadband gateway)為寬帶網(wǎng)關，WAG(wireless access gateway)為無線接入網(wǎng)關，H.323GW(H.323 gateway)為 H.323 網(wǎng)關。

2.2.1 邊緣接入層

圖1 軟交換網(wǎng)絡體系結構

軟交換技術將電話交換機的業(yè)務接入模塊獨立成為一個物理實體，稱為媒體網(wǎng)關MG(media gateway)。MG運用各種方式，將各類用戶及業(yè)務接入到軟交換網(wǎng)絡中，完成數(shù)據(jù)格式和協(xié)議的轉(zhuǎn)換，將接入的所有媒體信息流均轉(zhuǎn)換為采用IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包，在軟交換網(wǎng)絡中傳送。根據(jù)MG接入的用戶及業(yè)務不同，MG分為中繼媒體網(wǎng)關 TG、信令網(wǎng)關 SG、接入網(wǎng)關 AG(access gateway)、綜合接入設備(IAD)、多媒體業(yè)務網(wǎng)關MSAG(media servers access gateway)、H.323 網(wǎng)關、無線接入媒體網(wǎng)關(WAG)。

2.2.2 核心傳送層

核心傳送層主要為業(yè)務媒體流和控制信息流提供統(tǒng)一的、保證QoS(quality of service)的高速分組傳輸平臺，主要任務是將軟交換各個網(wǎng)元連接起來。

2.2.3 控制層

控制層決定呼叫的建立、接續(xù)和交換，將呼叫控制與媒體業(yè)務相分離，理解上層生成的業(yè)務請求，通知下層網(wǎng)路單元如何處理業(yè)務流。軟交換提供基本的呼叫控制和信令處理功能，對網(wǎng)絡中的傳輸和交換資源進行分配和管理，在這些網(wǎng)關之間建立起呼叫或是已定義的復雜處理，同時產(chǎn)生處理的詳細資料。

2.2.4 業(yè)務層

業(yè)務層中的應用服務器提供了執(zhí)行、處理和生成業(yè)務的平臺，并負責處理和媒體網(wǎng)關的承載接口。

2.3 軟交換特點

2.3.1 靈活的接入方式

軟交換采用開放式標準接口，控制、承載與業(yè)務的分離，做到了功能模塊化、接口標準化，易于不同廠家設備互聯(lián)。特別在接入層，更加適合用戶量不集中、點多線長的軌道交通行業(yè)，以實現(xiàn)用戶的快速接入與部署。

2.3.2 終端的多功能性

在軟交換體系中，用戶終端發(fā)生了相應的變化。軟交換支持眾多的協(xié)議，包括 H.248、SCTP(Stream Control Transmission Protocol)、ISUP(ISDN User Part)、TUP(Technology， User Experience， Product)、INAP(Intelligent Network Application Protocol)、H.323、SIP(Session Initiation Protocol)、MGCP(Media Gateway Control Protocol)、BICC(Bearer Independent Call Control protocol)、BRI(Basic Rate Interface)、PRI(Primary Rate Interface)等，不僅能在電話交換平臺上實現(xiàn)語音交換，對不斷發(fā)展的視訊、多媒體業(yè)務也具有很好的兼容性。

2.3.3 提高網(wǎng)路的可靠性

軟交換系統(tǒng)應用電信級嵌入式操作系統(tǒng)，核心層采用雙歸屬冗余設置，接入采用雙通道冗余，主要設備板卡、模塊采用1+1熱備，系統(tǒng)整體可靠性達到99.999%。

2.3.4 多樣的業(yè)務提供方式

業(yè)務提供的方式多樣、種類豐富，包括基本業(yè)務、補充業(yè)務、智能業(yè)務、IP增值業(yè)務等。

2.4 技術比選

2.4.1 接通率

語音接通率和系統(tǒng)接通率是考核交換機性能的兩個重要指標。語音接通率主要考核用戶應答的比例，由于受網(wǎng)絡結構、用戶使用習慣和資費政策等因素的影響，交換局間的語音接通率往往相差很大，而且不穩(wěn)定。所以，考核系統(tǒng)接通率將會更加真實地反映交換機的性能情況。按照國家的規(guī)范要求，接通率的達標范圍為95%～98%。

2.4.2 呼損率

在一個通信系統(tǒng)中，造成呼叫失敗的概率稱為呼叫損失概率，簡稱為“呼損率”，也稱為“服務等級”，其物理意義是損失話務量與呼叫話務量之比。話務量與信道數(shù)的關系曲線如圖2所示。

圖2 話務量與信道數(shù)的關系曲線

由此可見，服務等級與信道利用率是矛盾的，要折中處理。

2.4.3 語音質(zhì)量

目前，傳統(tǒng)的TDM(time-division multiplexing)交換機均采用G.711語音編碼方式。軟交換承載在 IP網(wǎng)上的語音編碼目前主要有 G.711、G.729 和 G.723.1。在IP承載網(wǎng)絡資源較為充裕的情況下，優(yōu)先選用G.711編碼方式;在IP承載網(wǎng)絡資源較為緊張的情況下，優(yōu)先選用占用傳輸帶寬最小的G.729編碼方式。

在傳輸過程中，軟交換的語音報文遇到IP網(wǎng)絡時延、抖動、丟包和帶寬保障等問題，通過 MPLS/VPN(multiprotocol label switching/virtual private network)或DiffServ(differentiated service)技術，充分保障語音報文在IP網(wǎng)絡中的傳送。以上技術充分保證了在承載網(wǎng)質(zhì)量不佳情況下的語音質(zhì)量，并可與傳統(tǒng)交換的語音質(zhì)量相媲美。

以上的技術分析表明，軟交換能在城市軌道交通中綜合實現(xiàn)公務電話、專用電話、辦公自動化、視頻會議等系統(tǒng)的功能。

3 應用方案

3.1 軟交換組網(wǎng)及相關業(yè)務

如圖3所示，在控制中心設置軟交換中心平臺。

圖3 軟交換應用方案

在控制中心、車輛段、停車場和各個車站，可采用綜合接入設備來實現(xiàn)公務電話、專用電話、辦公自動化、視頻會議等系統(tǒng)終端的統(tǒng)一接入，將業(yè)務轉(zhuǎn)接到數(shù)據(jù)網(wǎng)上。采用AG或IAD，不僅可以滿足新增用戶的語音通信需求，還可以為用戶同時開通寬帶上網(wǎng)業(yè)務。針對有特殊需要的控制中心(或車輛段，或停車場，或車站等)，可以直接使用IP電話、可視電話、軟Phone等智能終端，享受更豐富的語音視頻通信業(yè)務。

軟交換系統(tǒng)的核心控制設備全面繼承了傳統(tǒng)語音交換機的能力，直接實現(xiàn)標準的語音基本業(yè)務、補充業(yè)務和附加業(yè)務;同時，軟交換支持INAP，可順利增加多媒體彩鈴等傳統(tǒng)智能業(yè)務。對于新業(yè)務的開展，軟交換系統(tǒng)是一個面向終端用戶、具有開放性和擴展性的統(tǒng)一業(yè)務平臺。

通過軟交換的標準API(Application Programming Interface)，開發(fā)了大量的IP增值業(yè)務和多媒體業(yè)務供用戶挑選，還有點對點多媒體通信、多方多媒體會議業(yè)務及其他多媒體增值業(yè)務等。軟交換提供具有標準接口的PARLAY網(wǎng)關，用戶可自由選擇基于該API開發(fā)的第三方業(yè)務。此外，軟交換可以與傳統(tǒng)H.323的GK(gate keeper)、視訊系統(tǒng)互通，開展語音視頻混合會議等融合多媒體業(yè)務。

3.2 經(jīng)濟效益及推廣前景

3.2.1 價格比較

在新建城市中，以1個控制中心、1個車輛段、1個停車場和20個車站的建設規(guī)模為模型，對采用軟交換系統(tǒng)方式與采用傳統(tǒng)方式(單獨設置公務電話系統(tǒng)、專用電話系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng))的投資進行分析。在實現(xiàn)含視頻會議和辦公自動化系統(tǒng)的功能時，軟交換方式的投資略高于傳統(tǒng)方式的投資;但如果僅實現(xiàn)公務電話的功能，從目前在鄭州軌道交通的實施情況看，軟交換組網(wǎng)與地鐵傳統(tǒng)程控系統(tǒng)組網(wǎng)的投資相近。

由上面的分析可見，在新建城市中，軟交換的造價遠低于公務電話、專用電話、視頻會議、辦公自動化等系統(tǒng)分開建設的造價。

3.2.2 性價比分析

軟交換采用開放式平臺，可以很容易、迅速地加入任何網(wǎng)絡的新業(yè)務，易于接收革新應用。以5 000～30 000線的建設規(guī)模為例，對軟交換及電路交換機進行比較:軟交換的性價比每年提高60% ～80%，而電路交換機的性價比每年提高大約20%。當用戶容量約為10 000線時，電路交換機的設備總體價格和平均每線價格均超過軟交換。

4 結語

目前在技術方面，軟交換作為下一代網(wǎng)絡發(fā)展的方向及核心，已經(jīng)相當成熟可靠，并且在民航、電力、檢察院以及酒店等領域得到應用。根據(jù)以上分析，軟交換具有完全實現(xiàn)軌道交通中公務電話、專用電話、視頻會議等系統(tǒng)功能的能力，并可實現(xiàn)辦公自動化系統(tǒng)的部分常規(guī)功能。在不同城市的軌道交通中，其辦公自動化系統(tǒng)的功能特點、界面風格等方面具有不同的要求，需要通過對軟交換的二次開發(fā)，才能使各項功能都滿足用戶要求。

從造價和性價比方面的分析可見:在新建城市軌道交通的城市中，建設軟交換系統(tǒng)的方案優(yōu)于單獨設置公務電話系統(tǒng)、專用電話系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)以及辦公自動化系統(tǒng)的方案;在既有城市軌道交通的城市中，可在線網(wǎng)改造時，通過分階段、分線路的方式，實現(xiàn)軟交換系統(tǒng)的建設。

［1］孟祥真.通信交換技術［M］.北京:北京郵電大學出版社，2008.

［2］林波，譚建豪.軟交換技術的發(fā)展及其應用［J］.天津通信技術，2005，24(4):2-4.

［3］曹曉鈞.下一代網(wǎng)絡的核心——軟交換［J］.廣東通信技術，2004，24(6):1-2.

［4］鄭州市軌道交通有限公司，北京城建設計研究總院有限責任公司.鄭州市軌道交通1號線一期工程招標文件［G］.鄭州，2011:112-150.

Application of Soft Switch in Urban Rail Transit Network Formation

Ye Ling Tao Yulong Ma Wensheng
(Beijing Urban Engineering Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100037)

Abstract:In view of the current requirements of urban rail transit in voice， data， images and other compre-hensive business，soft switch is introduced from the aspects of technical analysis，functional orientation， application solutions， and compared with public telephone system，private telephone system，video conferencing system and office automation system.The application prospect of soft switch in rail transit is highlighted in terms of the economic returns in cities which have newly built urban rail transit systems.

Key words:urban rail transit;soft switch;next generation network(NGN);public telephone system;private telephone system;video conferencing system;office

U231.7

A

1672-6073(2013)02-0030-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2013.02.008

收稿日期:2011-12-21

2012-08-27

作者簡介:葉靈，女，大學本科，工學學士，助理工程師，從事軌道交通通信系統(tǒng)設計，yl_ling@126.com

(編輯:郭 潔)