（交通信息工程及控制专业论文）下一代网络中铁路专用通信网络技术的研究.pdf

铁道科学研究院博士学位论文 中文摘要 中文摘要 电信网在加快与以i p 网络为代表的数据网络互通和融合的进程中，逐步向 以软交换为核心的下一代网络演进。为了适应铁路发展的需要推进铁路产业信息 化进程，采用下一代网络技术构建铁路专用通信网络也成为技术发展的必然趋 势。论文主要对采用下一代网络技术构建铁路专用通信网络的关键问题进行了研 究，这些问题可以归纳为以下两个方面的内容：1 ) 分组承载网络；2 ) 控制与业 务网络。 首先，在分析研究网络的性能和网络规划中，网络的业务模型是一个十分重 要的组成部分。所以本文对网络业务流量进行了研究，分析了网络实际业务流量 与原有泊松网络业务流量模型的差异，并在分析了各种业务模型的基础上选用流 叠加模型来仿真下代网络中的业务流量，然后并通过理论计算和仿真分析了网 络业务流的自相似特性对网络的影响。 其次，对于下代网络来说，分组承载网络需要提供语音、视频等各种媒体 信息和各种信令信息的传送功能，而如何保证网络的服务质量是一个非常重要的 问题，因此本文对下一代网络中的各种服务质量保证技术进行了深入研究，分析 了i p 网络、r p r 网络、w l a n 网络几种典型网络中的各种服务质量保证技术以 及它们在铁路专用通信网络的分组承载网络组网中的应用。 最后，软交换是下一代网络呼叫与控制的核心，是n g n 体系结构中的关键技 术之一。而铁路相关的各种应用业务可以看成是在下一代网络分组承载网上的一 种特殊业务，所以铁路专用通信网络业务系统的构建是本文的另一个主要研究内 容。本文通过对软交换技术和铁路通信网络的详细分析，讨论在分组承载网的基 础上如何建立铁路专用通信网络的业务系统，并且，以铁路调度通信系统为例分 析了软交换技术在业务系统构建中的作用，并进一步提出了软交换多媒体调度通 信系统。 【关键词】下一代网络，服务质量，自相似，软交换 铁道科学研究院博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h et r a n s i t i o nf r o mt r a d i t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt on e x tg e n e r a t i o n n e t w o r k( n g n ) i ss p e e d i n gu pa n ds o f t s w i t e hi st h ek e yt e c h n o l o g yo f n g n t o i m p r o v ed e v e l o p m e n to fr a i l w a yi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i ti sn e c e s s a r yt ou s en g n t e c h n o l o g yi nc o n s t r u c t i o no f r a i l w a yt e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 1 1 1 i st h e s i sm a i n l y d i s c u s s e st h ek e yt e c h n o l o g i e so nh o wt oc o n s t r u c tr a i l w a yt e l e c o m m u n i c a t i o n n e t w o r ki nn g n i tc a l lb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：1 ) p a c k e tc a r r i e rn e t w o r k ，2 ) c o n t r o la n ds e r v i c en e t w o r k f i r s t ，t r a f f i cm o d e lo fs e r v i c en e t w o r ki sv e r yi m p o r t a n ti nd e s i g n i n gan e w n e t w o r ka n da n a l y z i n gn e t w o r kp e r f o r m a n c e s o ，a f t e ra n a l y z i n gt h ed i f f e r e n c e b e t w e e na c t u a ln e t w o r kt r a m ca n dt r a f f i cm o d e lo fp o s s i o ns t o c h a s t i c s o m ek i n d so f t r a f f i cm o d e la r ec o n s i d e r e da n df l o w - c u m u l a t i n gm o d e li su s e dt os i m u l a t et h ea c t u a l n e t w o r kt r a f f i c t h e n ，i ti ss h o w nt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s t h a ts e l f - s i m i l a r i t yo fn e t w o r kt r a f f i cs e r i o u s l yi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r k s e c o n d ，p a c k e tc a r r i e rn e t w o r kp r o v i d e st h ef u n c t i o no ft r a n s p o r t i n ga l ls o r t so f s e r v i c ei n f o r m a t i o n ，w h i c hi n c l u d e sv o i c es t r e a m ，d a t as t r e a ma n dv i d e os t r e a mi n n g n s o ，i ti si m p o r t a n th o w t op r o v i d eh i g hl e v e lq o sg u a r a n t e ei np a c k e tc a r r i e r n e t w o r ko fn g n t h e r ea r eal o to ft e c h n o l o g i e sa b o u tq o sg u a r a n t e ei ni pn e t w o r k ， r p rn e t w o r ka n dw l a nn e t w o r k a f t e rr e s e a r c ho nt h e m ，s o m ep r o p o s a l sa r eg i v e n o nc o n s t r u c t i n gp a c k e tc a r r i e rn e t w o r ko fr a i l w a yt e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki n n g n f i n a l l y , s o f t s w i t c hi st h ec o r ee q u i p m e n to fc a l lc o n t r o l l i n gi nn g n 1 h e s o f t s w i t c hi sa n o p e n i n gp l a t f o r m f o rv a l u e a d d e ds e r v i c e sa n d r a i l w a y t e l e c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sc a nb et r e a t e da ss p e c i a ls e r v i c e si nn g n t h r o u g h a n a l y s i s o fs t r u c t u r eo fa p p l i c a t i o ns y s t e mi ns o f t s w i t c hn e t w o r k ，as p e c i a l a p p l i c a t i o ns y s t e mi nr a i l w a y t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki s p r o p o s e d a n da m u l t i m e d i ad i s p a t c ht e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mu s i n gs o f t s w i t c ht e c h n o l o g yi sb u i l t a sat r a i ls y s t e m 【k e y w o r d s 】 n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ，q u a l i t yo fs e r v i c e ，s e l f - s i m i l a r i t y , s o f t s w i t c h - i i 铁道科学研究院学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：苹扣2 寥日期：撕7 月7 日 铁道科学研究院博士学位论文第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着人们对信息需求的与日俱增，通信网络正在从承载语音业务向传送包括 语音、数据、图像等综合信息业务发展。世界上大多数国家在通信信息网络上的 数据业务量将超过话音业务量。从当前信息技术发展的潮流来看，数据化、宽带 化、综合化已成趋势，传输与交换融合，电路交换向分组交换演进，网络正在向 更加宽带化、智能化、集成化、兼容性、灵活性和高可靠性的方向发展。现实与 趋势表明，以i p 为代表的分组数据信息业务不仅会超过传统话音业务，而且仍 将继续高速增长。其声、像、图、文、数据等等综合信息承载传送能力、对用户 不断提出的新需求的灵活接入能力以及价廉物美等优势，给传统电信业务带来巨 大冲击和挑战，同时也为电信网的发展提供了新的机遇。电信网在加快与以i p 网络为代表的数据网络互通和融合的进程中，逐步向以软交换为核心的下一代网 络演进。 n g n 是“下一代网络州e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) ”的缩写。从字面上理解， 应该是以当前网络为基点的下一代网络。它是电信史上的一块里程碑，标志着新 一代电信网络时代的到来。从发展的角度来看，n g n 是从传统的以电路交换为 主的p s t n 网络中逐渐迈向以分组交换为主，它承载了原有p s t n 网络的所有业 务，又以分组交换技术的新特性增加和增强了许多新老业务。从这个意义上讲， n g n 是基于t d m 的p s t n 语音网络和基于i p i a t m 的分组网络融合的产物，它 使得在新一代网络上语音、视频、数据等综合业务成为了可能，是可以同时提供 话音、数据、多媒体等多种业务的综合性的、全开放的网络平台体系。 n g n 的建设不仅有利于语音、数据、视频等多种业务的融合，而且有利于 固定网络与移动网络的融合。采用n g n 架构，统一构建核心网络，提供多业务 统一传送平台，不仅可以提高网络效率，还可以降低网络建设成本和网络运行维 护成本，而且在开发和提供新业务的速度和能力上也有很大提高。 n g n 不仅代表通信业务融合的潮流，也代表了通信网络的发展正在由技术 驱动转向业务驱动的趋势。它具有以下特点： 1 、统一的、开放的、分层的网络架构体系： 2 、业务与呼叫控制分离、呼叫控制与承载网络分离； 3 、支持各种业务和用户的接入。 铁道科学研究院博士学位论文第1 章绪论 n g n 技术的上述特点为现有的p s t n 、互联网和移动网向n g n 的融合演进 提供了很好的技术基础，但是目前n g n 的研究中仍然有如下几个关键问题还没 有完全解决，阻碍了n g n 的广泛应用： l 、服务质量问题 对通信网络来说，服务质量是必须考虑的。对于传统电信网络，网络采 用以t d m 为基础的面向连接的信息传送方式，各种业务独立组网，网络通 过为各用户提供独享的信息通道来保证服务质量，而对于传统的i p 网络， 网络采用尽力而为的面向无连接的信息传送方式，不为用户提供严格意义上 的服务质量保证。 而对于n g n 来说，要为用户提供语音、视频等多媒体业务和其他一些 实时业务，就必须解决网络的服务质量( q o s ) 问题，包括保证现有电信业 务的服务质量和以后可能出现的有类似要求的新业务的服务质量，只有这样 n g n 才能够提供电信级服务质量的业务才能够替代传统电信网络。 2 、业务网模型 现有网络业务不能实现跨网移植的主要原因，在于业务的开发需要针对 具体网络，业务逻辑一般通过专有协议直接控制网络功能实体。另一方面， 跨网络新业务的开发要求开发人员对不同网络的底层通信网络协议有深入 了解，限制了业务的迅速开发，无法满足用户对新业务需求快速增长和变化 的要求。n g n 是一个业务驱动型的网络，软交换作为n g n 的控制核心，就 是为了向业务层提供屏蔽了各种下层网络细节的标准化协议甚至标准化可 编程a p i ，以便于引入丰富的基于融合网络的业务。 但是，由于n g n 所提供的业务不仅包括传统p s t n i s d n 业务、视频业 务、数据业务还包括各种新兴的不断增加的多媒体业务，所以提出个统一 的业务网模型框架就显得比较困难了。现有的业务网模型包括h 3 2 3 体系、 s i p 体系、i m s 体系( 多媒体子系统) 等等，各有优缺点，需要进一步发展 完善。另外，n g n 中新业务的开发接口也是多种标准并存没有实现统一， 包括p a r a l y 、p a r a l yx 、j a i n 等等。这些都是需要研究解决的问题。 3 、固定网和移动网的融合 从电信网的角度来看，固定网和移动网的融合是技术发展、商业运作以 及用户需求共同驱动的必然结果，最终二者的差异将仅仅体现在接入手段和 接入方法上。而且对于业务驱动型网络用户来说只关心业务是否按照服务质 量要求实现而并不关心具体是采用固定网还是移动网来实现。 但是，现有的移动网和固定网由于工作方式的不同导致了业务网系统和 一2 铁道科学研究院博士学位论文第1 章绪论 业务实现的差异非常大，现阶段除了简单的语音会话业务和数据业务外，移 动网和固定网的业务融合还存在很多问题。 4 、安全性和可信任性， i p 网络的建立理念是尽可能向用户提供一个自由方便的信息传送平台， 网络应尽可能不干预用户的工作。正是因为网络的无序和不管理导致了其不 安全性和不可信任性，在n g n 中必须采用相应的技术措施来确保网络的安 全性和可信任性。具体的措施可以从以下几个方面考虑：网络设备之间的信 任关系；严格的用户接入控制；不同业务之间的隔离；相同业务的不同用户 之间的隔离。 当前电信界和计算机界的很多组织和专家都在从不同的方面研究n g n ，都 试图从当前各自的网络向n g n 过渡，包括计算机界标准化组织i e t f ，电信界标 准化组织i t u t 、e t s i 、i t u r 的3 g p p 3 g p p 2 、o m a 等等。 i t u t 对n g n 的研究包括：n g n 的基本特征( y n g n o v e r v i e w ) 、n g n 的 业务要求( y n g n s r q ) 、n g n 的功能要求及其体系框架( y n g n f r m ) 、n g n 的通用参考模型( y n g n g r m ) 、n g n 的服务质量等等。 e t s i 对n g n 的研究包括：体系结构、服务质量、业务平台、网络管理、安 全等方面。 i t u r 的3 g p p 3 g p p 2 对n g n 的研究集中在移动网与固定网的融合和统一， 主要包括：核心控制层统一的软交换平台、业务应用层统一的移动固定业务平 台、传送网络层统一的i p 承载平台、接入网络层灵活的接入方式等等。3 g 网络 演进策略确定为向i p 化的方向发展，直到未来的全i p 多媒体网络结构，实施有 效的全球大容量移动访问、漫游和扩展等等。 而i e t f 对n g n 的研究就是下一代的i n t e m e t ，主要包括：在业务承载层的 i p v 6 协议规范、业务层智能终端的端到端控制规范。 通过这些标准化组织的相关工作，国际上对n g n 的研究和认识正在逐步完 善和一致。而且，全球范围内也已经有多家电信网络运营商积极开展了在n g n 方面的试验和商用。 另一方面，由于n g n 技术涵盖了未来的网络技术和业务充分体现了网络融 合的特点，其内容是非常多样化的。n g n 的研究需要全面考虑包括交换、传输、 接入和业务提供等各个方面的内容。近年来，有关n g n 技术的研究一直是通信 和计算机领域的热点。 铁路是一个庞大的企业，包含了车、机、工、电等各个专业部门，并且覆盖 3 一 铁道科学研究院博士学位论文第1 章绪论 了非常大的地域范围，各部门围绕铁路运输协同工作。为了保证各部门之间的信 息畅通，铁路有一整套专业通信系统，而且随着铁路运输系统的发展和自动化程 度的提高，各个部门对信息通信的要求也越来越高，已经由原来的提供单一话音 业务发展到现在的需要提供各种语音、数据和视频信息传送服务。 在国外铁路，信息技术应用发展也十分迅速。快速铁路、高速铁路中出现的 大量信息依赖于通信网络传送、交换和处理。基于通信信息网络的行车控制( 如 欧洲的e t c s ) 、调度管理( 综合调度系统) 等已成为现代铁路发展的标志和热点。 保证高速列车行车安全及运输管理的大量话音和非话音业务( 数据、图像等) 信 息实时、准确、可靠的处理和传送成为铁路运输专用通信网络的主要任务。 目前我国铁路运输跨越式发展正在实施，客运专线、重载货运、高速铁路建 设正在全面展开，作为确保铁路运输的重要基础设施，铁路通信也在迅速发展。 铁路通信网络由包括铁路光传输网络、g s m r 铁路无线网络、铁路数据网络、 卫星通信网络等在内的多种异构网络构成。而且，网络上所承载的业务也是多种 多样，有普通电话业务、调度电话业务、视频会议业务、视频监控业务、客票信 息系统业务、应急通信系统业务等等。另外，各种业务的客户覆盖范围又是遍布 全国铁路沿线的。因此未来的铁路专用通信网络是一个能够支持各种铁路专用业 务的能够提供包括语音、数据和视频等各种信息传送的多业务综合信息网络，相 当于个全国范围的全业务网络服务提供商。 为了适应铁路发展的需要推进铁路产业信息化进程，铁路专用通信网络向多 业务综合信息网络的发展是技术发展的必然趋势。我们认为，采用n g n 技术构 建铁路专用通信网络具有以下的优点： 1 、节省投资，易于管理 采用n g n 技术构建网络，所有业务在统一的承载网络上传送，与原来 的各个业务网络独立建设相比，不仅会降低网络建设投资成本还会减少后期 网络维护成本和维护的工作量。 2 、用户接入方便 由于n g n 是一个基于分组传送的能够承载语音、数据、图像等多媒体 信息的多业务网络，并能通过各种各样的传送特性来满足多样化和个性化业 务需求，所以各种业务的用户接入网络非常方便。 3 、新业务、新功能开发灵活 在n g n 中业务与呼叫控制分离、呼叫控制与承载网络分离，所以业务 独立于网络，允许业务和网络独立发展，使得铁路各个业务部门的特殊业务 能够灵活生成和修改而且在网络升级和发展时保持业务的可持续性。 铁道科学研究院博士学位论文第1 章绪论 4 、与现有网络互通 n g n 是具有后向兼容性并支持平滑演进的网络，通过接入媒体网关、中 继媒体网关和信令网关等可以实现与现有铁路固定电话网络、g s m r 网络、 铁路数据网络等网络的互通，从而保护已有投资。 但是，由于铁路专用业务的特殊性和复杂性，采用n g n 技术构建铁路专用 通信网络还存在以下一些问题需要进一步研究。 1 、服务质量问题 采用n g n 技术构建铁路专用通信网络，各种铁路专用业务在统一的分 组承载网络上实现信息传送。铁路各种专用业务对服务质量的要求各不相同 ( 包括调度通信业务、自动电话业务、视频监控业务、视频会议业务、环境 监控业务等等) ，而且相对于公众通信网络来说更加复杂。另外，由于一部 分铁路专用业务是直接为铁路运输服务的，所以它们对服务质量的要求更加 严格。所以，铁路专用通信网络构建时，如何保证业务的服务质量是一个非 常重要的问题。 2 、业务网模型及其兼容性 前面讨论过n g n 发展中必须要进一步解决业务网开放模型的问题，这 在铁路专用通信网络中也尤为重要，铁路专用通信网络的目的是为铁路各相 关业务部门之间的信息传递提供服务。所以，如何构建铁路专用通信网络的 业务网络才能灵活高效的为各业务部门服务是必须研究的，而且还要考虑与 现有铁路专用通信网络的兼容性问题。 3 、网络安全性 作为一个为铁路运输服务的信息通信网络，铁路专用通信网络的安全性 是必须采取一切技术措施保证的。由于分组承载网络只有一个，所有的业务 网共享这个业务承载网络，如何保证业务网的安全性防止各个业务网之间互 相干扰是一个必须下大力气解决的问题。 综上所述，n g n 是公众通信网络发展的必然趋势，但是n g n 本身还有许多 问题必须解决。另外，由于铁路通信业务的特殊性，在铁路专用通信网络中采用 n g n 技术还必须解决前面所说的一些问题。所以本文针对n g n 的相关技术及 其在铁路专用通信中的应用进行深入研究，为铁路专用通信网络的发展做出有益 的探索。 - 5 - 铁道科学研究院博士学位论文第1 章绪论 1 2 研究内容 由于在n g n 中业务提供与网络传送分离，呼叫控制与信息传送分离，所以 n g n 技术的研究主要分为两个方面分组承载网络和控制与业务网络。采用n g n 技术构建铁路专用通信网络的研究也可以分别对专用通信网络的分组承载网络 和控制及业务网络系统两大部分进行，而且这两方面的研究工作相对独立。 首先，在分析研究网络的性能和网络规划中，网络的业务模型是一个十分重 要的组成部分。所以本文对网络业务流量进行了研究，分析了网络实际业务流量 与原有泊松网络业务流量模型的差异，并在分析了各种业务模型的基础上选用流 叠加模型来仿真n g n 中的业务流量，然后并通过理论计算和仿真分析了网络业 务流的自相似特性对网络的影响。 其次，对于n g n 来说，分组承载网络需要提供语音、视频等各种媒体信息 和各种信令信息的传送功能，而如何保证网络的服务质量是一个非常重要的问 题，因此本文对n o n 中的各种服务质量保证技术进行了深入研究，分析了i p 网络、r p r 网络、w l a n 网络几种典型网络中的各种服务质量保证技术以及它 们在铁路专用通信网络的分组承载网络组网中的应用。 最后，软交换是n g n 呼叫与控制的核心，是n g n 体系结构中的关键技术之一。 而铁路相关的各种应用业务可以看成是在n g n 分组承载网上的一种特殊业务， 所以铁路专用通信网络业务系统的构建是本文的另一个主要研究内容。本文通过 对软交换技术和铁路通信网络的详细分析，讨论在分组承载网的基础上如何建立 铁路专用通信网络的业务系统，并且，以铁路调度通信系统为例分析了软交换技 术在业务系统构建中的作用，并进一步提出了软交换多媒体调度通信系统。 1 3 本文组织结构 论文的其余部分安排如下： 第2 章主要对n o n ( n g n ) 的体系结构、协议和相关技术进行了概述，首 先介绍n g n 的基本概念和体系结构，接着分析了n g n 的主要功能和采用n g n 技术构成网络的特点，介绍了n g n 中的关键技术，包括n g n 的控制核心软交 换技术和n g n 的传送核心分组承载网技术，然后对n g n 中的业务系统结构进 行了综述，并分析了n g n 中与业务相关的各种协议和设备，最后介绍了服务质 量及网络服务质量的基本概念并分析了n g n 中服务质量保证的体系结构和相关 技术。 第3 章主要对网络业务流量进行了研究，在分析了各种业务模型的基础上选 6 一 铁道科学研究院博士学位论文第1 章绪论 p l l ! 1 用流叠加模型来仿真n g n 中的业务流量，并通过理论计算和仿真分析了网络业 务流的自相似特性对网络的影响。首先介绍了网络仿真的基本概念和网络业务模 型的一些概念并提出了网络业务的自相似特性，接着介绍并分析比较了几种网络 自相似业务流量模型，然后在分析了网络业务流量呈现自相似特性原因的基础上 又通过计算和仿真分析了网络业务流量的自相似特性对网络的影响，最后在总结 了网络业务流量自相似特性对网络的影响的基础上提出铁路专用通信网络的规 划和设计中必须考虑网络业务的自相似特性，并提出该领域未来的研究方向。 第4 章给出了采用n o n 技术的铁路专用通信网典型结构包括业务系统和分 组承载网络的结构并对n g n 中的服务质量保证技术进行了深入研究，分析了几 种网络中的服务质量保证技术以及它们在铁路专用通信网络的分组承载网组网 中的应用。首先给出了采用n g n 技术的铁路专用通信网典型结构包括业务系统 和分组承载网络的结构，接着对几种i p 网络的服务质量保证模型进行了分析和 比较，并分析了几种技术相结合在分组承载网组网中的应用，然后介绍了r p r 技术及其服务质量保证机制，并分析了r p r 技术在分组承载网组网中的应用， 介绍了w l a n 技术及其服务质量保证机制，并分析了w l a n 在分组承载网组网 中的应用，最后给出了采用n g n 技术的铁路专用通信网络分组承载网组网的原 则，对铁路专用通信网络分组承载网络进行总结和分析，并提出未来的研究方向。 第5 章以铁路调度通信系统为例分析了软交换技术在业务系统构建中的作 用，更进一步提出了软交换多媒体调度通信系统。首先分析了铁路调度通信特点 和现有调度通信系统，接着提出了n g n 条件下新一代铁路调度通信系统的构成 和特点，然后在详细分析了软交换技术中h 3 2 3 协议相关内容的基础上，提出了 软交换多媒体调度通信系统的结构，并介绍了系统的开发和实验，最后对在铁路 专用通信网络业务系统中采用软交换技术进行总结，并指出不足和以后研究的方 向。 1 4 本章参考文献 1 】1 刘韵洁张智江编著，“下一代网络”，人民邮电出版社，2 0 0 5 。 2 】蒋林涛，“电信转型和下一代网的若干问题研究( 上) ”，现代电信科技，2 0 0 6 年1 月。 3 】蒋林涛，“电信转型和下一代网的若干问题研究( 下) ”，现代电信科技，2 0 0 6 年2 月。 7 铁道科学研究院博士学位论文第2 章下一代网络技术概述 第2 章下一代网络技术概述 本章对下一代网络( n g n ) 的体系结构、协议和相关技术进行了概 述。本章主要分为以下六个部分：2 1 主要介绍n g n 的基本概念和体 系结构；2 2 主要分析了n g n 的主要功能和采用n g n 技术构成网络 的特点；2 3 介绍了n g n 中的关键技术，包括n g n 的控制核心软交 换技术和n g n 的传送核心分组承载网技术；2 4 对n g n 中的业务系 统结构进行了综述，主要分析了n g n 中与业务相关的各种协议和设备； 2 5 介绍了服务质量及网络服务质量的基本概念；2 6 介绍了n g n 中服务质量保证的体系结构和相关技术。 2 1 下一代网络的基本概念和体系结构 2 1 1网络基本概念 n g n 的概念已经提出多年。业界存在诸多不同的解释。2 0 0 4 年2 月，i t u t s g l 3 初步完成了n g n 的定义：n g n 是基于分组的网络；能够提供包括电信 业务在内的多种业务；利用多种宽带能力和有q o s 支持能力的传送技术；其业 务相关功能与其传送技术相独立；能够为用户提供无限制接入到多个运营商；能 够支持普遍的移动性，确保用户一致的普遍的业务能力。“n e x tg e n e r a t i o n n e t w o r k ( n g n ) i sap a c k e t - b a s e dn e t w o r ka b l e t o p r o v i d e s e r v i c e s i n c l u d i n g t e l e c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sa n da b l et om a k eu s eo fm u l t i p l eb r o a d b a n d ， q o s e n a b l e dt r a n s p o r tt e c h n o l o g i e s a n di nw h i c hs e r v i c e r e l a t e df u n c t i o n sa r e i n d e p e n d e n tf r o mu n d e r l y i n gt r a n s p o r t - r e l a t e dt e c h n o l o g i e s i to f f e r su n r e s t r i c t e d a c c e s sb yu s e r st od i f f e r e n ts e r v i c ep r o v i d e r s i ts u p p o r t sg e n e r a l i z e dm o b i l i t yw h i c h w i l la l l o wc o n s i s t e n ta n du b i q u i t o u sp r o v i s i o no fs e r v i c e st ou s e r s ” 根据上述的定义和这些年来各个标准化组织的讨论，现在大家基本达成共 识。n g n 不是下代的i n t e m e t ，更不是下一代的p s t n 网及电视网，它是以全 新的i p 协议为基础的有机地融合语音、视频、数据为一体的全新网络。n g n 是 实现三网合一的有效途径。 n g n 应该具有以下一些基本特征：分组传送；控制功能从承载、呼叫，会 话、应用，业务中分离：业务提供与网络分离，提供开放接口；利用各基本的业 务组成模块，提供广泛的业务和应用( 包括实时流、非实时流和多媒体业务) ； 具有端到端q o s 和透明的传输能力；通过开放的接口规范与传统网络实现互通； 具有通用移动性；允许用户自由地接入不同业务提供商：支持多样标志体系。并 一r 一 铁道科学研究院博士学位论文第2 章下一代网络技术概述 能将其解析为i p 地址以用于i p 网络路由；同一业务具有统一业务特性；融合固 定与移动业务。 2 1 2网络体系结构 所谓网络体系结构( n e t w o r ka r c h i t e c t u r e ) 有时也称为网络顶层设计，是一 个网络系统( 从物理连接到应用) 的总体结构，包括描述协议和通信机制的设计 原则。n g n 是一个很广义的范畴，旨在改革现有电信网和信息产业的基础设旌， 以支持更广泛的业务。其主要目标是：支持包括话音、数据和多媒体等各种多媒 体业务，缩减服务投向市场的时间，支持多种接入方式和多种接入终端，支持移 动性，确保现有网络的平滑演进以及具有经济、开放和可扩展的网络结构。 图2 1下一代网络纵向层次结构图 n g n 纵向层次结构可分为( 如图2 1 ) ：接入与传输层( a c c e s sa n dt r a n s p o r t l a y e r ) 、媒体传送层( m e d i at r a n s p o r tl a y e r ) 、控制层( c o n t r o ll a y e r ) 和应用 业务层( n e t w o r ks e r v i c el a y e r ) 。 接入与传输层 其功能是提供灵活的接入手段，保护已有的用户接口，同时支持更先进的接 入技术。例如，各种宽窄带、移动或固定用户接入，包括各种媒体网关或智能接 入终端设备，主要有：中继网关( t g ) 、接入网关( a g ) 、综合接入设备( i a d ) 、 无线按入网关( w a g ) 、媒体资源服务器、h 3 2 3 网关( h 3 2 3g w ) 等。 一9 一 铁道科学研究院博士学位论文第2 章下一代网络技术概述 媒体传送层 其功能是负责将不同类型的信息格式转换成为能够在网络上传送的信息格 式。例如，将来自p s t n 的语音信号转换成a t m 信元或i p 包。此外，媒体层可 以将信息媒体流选路至目的地。 控制层 提供呼叫智能，控制媒体层网络元素建立端到端连接。主要涉及软交换相关 的功能，完成业务逻辑的具体执行，其中包含呼叫控制，资源管理，接续控制和 路由等操作，实现各种信令协议的互通和转换如各种信令网关( s g ) 。此层是 n g n 的核心神经，决定用户收到的业务，并能控制低层网络元素对业务流的处 理。 业务层 提供终端用户增值业务的网络管理功能。主要负责在呼日u 建立的基础上提供 各种各样的增值业务，控制逻辑相应的网络管理及服务，完成增值业务处理，如 业务生成、业务逻辑定义和业务编程接口等。此外，业务层还负责业务相关的管 理功能，如业务认证和业务计费等。同时提供开放的第三方可编程接口( a p i ) ， 易于引入新型业务。业务层由一系列的业务应用服务器组成，包括s c p 服务器、 a a a 服务器、数据库服务器、应用服务器、网管服务器等。 2 2 下一代网络的功能和特点 2 2 1网络的功能 下一代网络应该具有以下功能： 支持各种新业务的开发、部署，管理各种业务； 业务和网络的分离，使得网络和业务可以独立发展演进； 各功能实体分布在现有和新网络之中，具有与现有网络互通的能力； 支持现有的和n g n 新增的各种终端： 提供对现有各种业务向n g n 过渡的支持： 支持通用移动性，具有用户接入的无关性和业务使用的一致性特点。 - 1 0 - 铁道科学研究院博士学位论文第2 章下一代网络技术概述 2 2 2 网络的特点 开放性：n g n 根据所处网络的不同，所提供功能的不同划分为几个模块， 每个模块能独立发展，互不干涉，又能有机组合成一个整体：同时这种开放性也 表现在各运营商构建网络选择各个功能模块时可根据自己的需求来选择市场上 的优势产品，而不必担心不同设备问的互连互通。 高效：n g n 网络能实现业务与呼叫控制的分离，为业务真正的从网络中独 立出来，有效的缩短新业务的开发周期提供了良好的条件；而且随着各种网络互 通的实现，许多新兴业务也应运而生。 多用户：n g n 综合了固定电话网，移动电话网和i p 网络的优势，使得模拟 用户，数字用户，移动用户，a d s l 用户，i s d n 用户，i p 窄带网络用户，i p 宽 带网络用户甚至是通过卫星接入的用户都能作为n g n 中的一员相互通信。 多媒体：n g n 中，网络可以通过智能终端为终端用户提供包括语音、视频 以及其它各种媒体形式信息在内的多媒体业务。 资源共享：n g n 中，语音、视频、数据等多媒体信息流在统一的分组承载 网络中传输，共享网络资源。 2 3 下一代网络的关键技术 2 3 1软交换技术 软交换( s o f t s w i t c h ) 又称为呼叫代理( a g e n t ) 、呼叫服务器或媒体网关控 制。其基本含义就是把呼叫控制功能从媒体网关中分离出来，通过服务器上的软 件实现基本呼叫控制功能，包含呼叫选路、管理控制、连接控制( 建立会话、拆 除会话) 、信令互通。其结果就是把呼叫传输与呼叫控制分离开，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，使软交换能无缝地软统一数据通信、传真、视频 等多媒体业务。其中更重要的是，软交换采用了开放式应用程序接口( a p i ) ， 允许在交换机制中灵活引入新业务。 软交换是n g n 呼叫与控制的核心，是n g n 体系结构中的关键技术，其核心 思想是硬件软件化，通过软件来实现原来交换机的控制接续和业务处理等功能， 各实体间通过标准化协议进行连接和通信，便于在n g n 中更快地实现各类复杂 的协议，更方便地提供业务。软交换主要处理实时业务，首先是语音业务，也可 铁道科学研究院博士学位论文 第2 章下一代网络技术概述 以包括视频业务和其他多媒体业务，软交换通常也提供一些基本的补充业务。它 是n g n 中语音、数据、视频业务呼叫、控制、业务提供的核心设备。 软交换结合了p s t n 的可靠性和i p 技术的灵活性、有效性和开放性等优点， 并吸取了a t m 和i n ( 智能网) 等技术的长处，形成分层的全开放的体系架构， 使得电信运营商可以根据自己的需要，全部或者部分利用软交换体系的产品，充 分利用现有资源，采用适合自己的网络解决方案。 一般认为，软交换应具有以下几项功能： 媒体网关接入功能 该功能可以被认为是一类适配功能，它可以连接各种媒体网关，如p s t n i s d n 、i p 中继媒体网关、a t m 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 2 4 8 协议功能。同时它还可以直接与h 3 2 3 终端和s i p 客户 端终端进行连接，提供相应业务。 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，提供控制功能，包括呼叫处理、连接控制、智能呼叫触发检出和资源控制等， 可以说是整个网络的灵魂。 业务提供功能 由于软交换在网络从电路交换向分组网演进的过程中起着十分重要的作用， 因此软交换应能够提供p s t n i s d n 交换机提供的全部业务，包括基本业务和补 充业务；可与现有智能网配合，提供现有智能网所能提供的业务：同时可在已有 网络的基础上，通过软件开发，提供多种增值业务和智能业务。 互连互通功能 软交换技术作为一种新兴技术，它的产生和发展必须适应市场需求，以低成 本、高技术为基本思想，在现有网络基础上发展，完成传统网络向新型网络的过 渡。因此，软交换网络需要完成与现有网络的互连互通。可通过信令网关实现分 组网与现有7 号信令网、智能网互通；可通过互通模块，实现与现有h 3 2 3 体系 的i p 电话网、s i p 体系网络的互通；提供口网内h 2 4 8 终端、s i p 终端和m g c p 终端之间的互通。采用s i p 、b i c c 协议，可实现与其它软交换的互连互通。 一1 2 铁道科学研究院博士学位论文第2 章下一代网络技术概述 2 3 2分组承载网技术 2 3 2 。1高速路由和交换技术 高速路由器处于n g n 的传送层，实现高速多媒体数据流的路由和交换，是 n g n 的交通枢纽。n g n 的发展方向除了大容量、高带宽的传输路由，交换以外， 还必须提供网络的q o s 保证。i p v 6 和m p l s 提供了这个可能性。 作为网络协议，n g n 将基于1 p v 6 。i p v 6 相对于i p v 4 的主要优势是：扩大了 地址空间，提高了网络的整体吞吐量，服务质量得到很大改善，安全性有了更好 的保证，支持即插即用和移动性，更好地实现了多播功能。 m p l s 是一种将网络第三层的i p 选路寻址与网络第二层的高速数据交换相 结合的技术。它集电路交换和现有选路方式的优势，能够解决当前网络中存在的 很多问题，尤其是q o s 和安全性问题。 2 3 2 2大容量光传送技术 光纤传输：n g n 需要更高的速率，更大的容量。但到目前为止，能够看到 的，并能实现的最理想的传送媒介仍然是光。因为只有利用光谱才能带来充裕的 带宽。光纤高速传输技术现正沿着扩大单一波长传输容量、超长距离传输和密集 波分复用( d w d m ) 系统3 个方向在发展。 光交换与智能光网：只有高速传输是不够的，n g n 需要更加灵活、更加有 效的光传送网。组网技术现正从具有分插复用和交叉连接功能的光联网向利用光 交换机构成的智能光网发展，即从环形网向网状网发展，从光电光交换向全光 交换发展。智能光网能在容量灵活性、成本有效性、网络可扩展性、业务提供灵 活性、用户自助性、覆盖性和可靠性等方面，比点到点传输系统和光联网具有更 多的优越性。 2 3 2 3 宽带接入技术 n g n 必须有宽带接入技术的支持，因为只有接入网的带宽瓶颈被打开，各 种宽带服务与应用才能开展起来，网络容量的潜力才能真正发挥。这方面的技术 五花八门，其中主要技术有高速数字用户线( v d s l ) 、基于以太网无源光两 ( e p o n ) 的光纤到家( v r r h ) 、无线局域厦q ( w l a n ) 等等。 - 1 3 铁道科学研究院博士学位论文第2 章下代网络技术概述 2 4 下一代网络的业务系统结构 n g n 的一个重要特点就是能够采用统一的分组网络进行传送，实现语音、 数据和多媒体业务，而且同时提供丰富的用户接入手段和标准的业务开发接口。 n g n 技术包括下一代交换技术、下一代传送网络技术、下一代接入网技术、下 一代移动网技术等等。本节为了讨论方便，没有涉及n g n 中分组承载网络的内 容，仅对n g n 中业务和控制相关的部分进行分析。 基于软交换的n g n 为用户提供语音、数据、多媒体等各种形