2.4 媒体网关

2.4.1 媒体网关的定义

国际软交换协会（ISC）在软交换参考体系结构中将媒体网关功能（MGF）定义为：MGF是接入到IP网络的一个端点/网络中继或几个端点的集合，它是分组网络和外部网络（PSTN、移动网络等）之间的接口设备，例如，它可以是IP网络和电路网络（如IP到PSTN）之间、两个分组网络（如IP到3G/ATM）之间的网关。

媒体网关的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，将ATM分组格式转换为IP分组格式，或者将模拟/ISDN电路格式转换为分组格式（在用户驻地媒体网关中）。

媒体网关在NGN中扮演着重要的角色，如果说软交换是NGN的“神经”，应用层是NGN的“大脑”，那么媒体网关就是NGN的“四肢”，任何业务都需要媒体网关在软交换的控制下实现。媒体网关是将一种网络中的媒体转换成另一种网络所要求的媒体格式的设备。媒体网关能够在电路交换网的承载通道和分组网的媒体流之间进行转换，可以处理音频、视频或T．120，也具备处理这三者任意组合的能力，并且能够进行全双工的媒体翻译，实现IVR功能，同时还可以进行媒体会议等。

媒体网关从设备本身讲并没有一个明确的分类，因为媒体网关负责将各种用户或网络综合接入到核心网络，但并不是说任何一个媒体网关设备都要支持所有的接入功能。媒体网关同样要遵循开放性原则，未来的NGN中的媒体网关都要受到软交换系统的统一控制。根据媒体网关设备在网络中的位置，可以将其分为如下几类。

① 中继媒体网关：主要针对传统的PSTN/ISDN的中继媒体网关，负责PSTN/ISDN的C4或C5的汇接接入，将其接入到ATM或IP网络，主要实现VoATM或VoIP功能。

② 综合接入媒体网关：综合接入媒体网关负责各种用户或接入网的综合接入，如直接将PSTN/ISDN用户、Ethernet用户、ADSL用户或V5用户接入。这类综合接入媒体网关一般放置在靠近用户的端局，同时它还具有拨号Modem数据业务分流的功能。

③ 小区或企业用媒体网关：从目前的情况看，放置在用户住宅小区或企业的媒体网关主要解决用户语音和数据（主要指Internet数据）的综合接入，未来可能还会解决视频业务的接入。

2.4.2 媒体网关的功能

媒体网关在NGN中位于接入平面，将各种用户和网络接入到传输网络平面，同时媒体网关也要接受位于控制平面的软交换的控制。媒体网关涉及的功能可以归纳如下。

用户或网络接入功能：媒体网关负责各种用户或各种接入网络的综合接入，如普通电话用户、ISDN用户、ADSL接入、以太网用户接入或PSTN/ISDN网络接入、V5接入和3G网络接入等。媒体网关设备是用户或用户网络接入核心媒体层的“接口网关”。具体地说，媒体网关能够和各种接入网络、各种用户进行互操作。网关设备应具有DTMF检测和生成的功能。对于模拟线用户，媒体网关应能够识别出用户摘机、拨号和挂机等事件，检测出用户占线、久振无应答等状态，并将用户事件和用户状态向软交换报告。

接入核心媒体网络功能：媒体网关以宽带接入手段接入核心媒体网络。目前接入核心媒体网络主要通过ATM或IP接入。ATM是面向连接的第2层技术，具有可靠的业务质量（QoS）保证能力，IP则是目前应用广泛的第3层技术。当采用IP接入时，为了保证一定的QoS，媒体网关可以具有DiffServ、RSVP功能。

媒体流的映射功能：在NGN中，任何业务数据都被抽象成媒体流，媒体流可以是语音信息、视频信息，也可以是综合的数据信息。由于用户接入和核心媒体之间的网络传送机制的不一致性，因而需要将一种媒体流映射成另一种网络要求的媒体流格式。但是由于业务和网络的复杂性，媒体流映射并不是简单的映射，它涉及媒体编码格式、数据压缩算法、资源预约和分配、特殊资源的检测处理、媒体流的保密等多项与媒体流属性相关的内容。此外，对不同的业务特性又有其特殊的要求，如语音业务对回声抑制、静音压缩、舒适噪声插入等有其特别要求。当采用ATM接入时，应该支持AAL1、AAL2、AAL5媒体适配类型。当网络侧是IP接口时，网关应支持RTP/RTCP封装功能。对于语音信号的编/解码功能，网关应该支持G．711、G．729、G．723．1算法。媒体网关必须设有输入缓冲，以消除时延抖动对通话质量的影响，而且缓冲区大小能够根据网络状况动态调整。

受控操作功能：媒体网关受软交换的控制，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的控制下完成的，如编码、压缩算法的选择，呼叫的建立、释放、中断，特殊信号的检测和处理等。在软交换设备控制下，媒体网关应向用户发送各种音信号，如拨号音、振铃音、回铃音等，能根据软交换的指示向用户播放提示音。在软交换的控制下，媒体网关设备必须具备对其自身相关资源进行申请、预约、占用、释放等操作的功能。相关资源包括用户侧用户电路或中继电路接口资源、分组网络侧接口资源以及信号或媒体流相关处理资源（如DTMF资源、MODEM资源、语音压缩资源等）等。当媒体网关设备资源的状态发生变化时（如发生故障、故障恢复或因管理行为而执行的状态改变或资源不可用），媒体网关设备要向软交换进行汇报。媒体网关和软交换之间的特殊关系决定了它们之间控制协议的重要性，MGCP和H．248就是软交换和媒体网关之间的控制协议。MGCP由IETF定义，实现相对简单，早期应用比较多，但目前的趋势则转向了由ITU-T定义的H．248标准（可以说H．248是IETF与ITU-T结合的标准，在IETF中叫做MEGACO）。

管理和统计功能：作为网络中的一员，媒体网关同样受到网管系统的统一管理，媒体网关也要向软交换或网管系统报告相关的统计信息。收集的统计信息包括：

● 设备相关的统计信息，如系统资源占用情况、成功的呼叫连接次数、失败的呼叫连接次数；

● 端口相关的统计信息，如中继端口的占用情况、IP端口的带宽使用情况、ATM端口的连接、带宽等资源使用情况、端口相应媒体流的统计信息；

● 连接和终结点相关的统计信息，如发送的RT P包数、接收的RT P包数、丢失的包数、平均时延、发送的ATM信元数和AAL数、接收的ATM信元数和AAL数、ATM信元丢失率和误差率。

1.中继网关

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。

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 异构网络接入功能：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。中继网关以宽带接入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。它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。

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。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。

2.接入网关

接入网关为大型接入设备，用于完成媒体流转换和非SS7信令处理等功能，可以和软交换设备配合替代现有的电话端局，因此可放置在现有电话网端局位置作为本地替代。接入网关一般对外提供V5接口、模拟和数字用户线（DSS1信令）、非SS7中继信令接口等，主要用于接入网接入、无线基站接入以及PSTN/ISDN用户终端的直接接入。企业应用也广泛使用接入网关，用以接入PBX到软交换网络中。此外，接入网关还应用于容量较大的、用户较为集中的场合，如密集的小区和企业的语音接入，在这种方式下，接入网关下行需要提供双绞线接口。

接入网关设备是用户网络接入软交换核心传送网的“入口”，负责大容量密集用户或各种接入网用户的综合接入，如ISDN用户、ADSL接入、以太网用户接入或V5用户接入等。接入网关的功能结构如图2-17所示。接入网关还要与各种接入网络进行互操作。例如，接入网关能够检测用户摘挂机、拨号等动作，并以一定的协议格式向软交换设备报告。

与中继网关相同的是，接入网关的主要功能是媒体处理功能，负责将SCN侧语音转换为RT P/RT C P分组进行发送，反之亦然。接入网关可以通过各种具有语音动态预测编码技术的编码器（如G．711、G．723和G．726及其变种）来优化带宽。与中继网关不同的是，接入网关除具有媒体处理功能外，通常还具有用户信令处理功能。接入网关对用户信令的处理通常有两种模式：转换或者透传。接入网关主要提供下面这些用于TDM语音接入业务的接口：

● ISDN原速率接入接口（ISDN-PRA），用来连接遗留的用户小交换机（PBX）；

● V5．2（GR303）接口，用来连接遗留接入网络产品。

2.4.3 媒体网关的应用

媒体网关可作为中继网关、接入网关和用户驻地网关应用。

图2-18为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。

图2-19为各种接入网络（如V5、GR303和ISDN等）通过软交换连接到PSTN的情形。接入网关（AG）通过V5/GR303/ISDN协议与接入网共同完成信令交互功能，对于V5或者ISDN接入网关将终接其物理连接，并将信令消息通过SIGTRAN协议（V5UA或IUA）传送到MG。对于GR303则接入网关直接终接信令消息，并将其转换为适当的MGCP或H．248/MEGACO事件传送到MGC；同时也对来自接入网的语音媒体流进行分组和码型转换，并以RTP消息格式发送到中继网关（TG）。TG再将分组化的语音媒体流转换为PCM语音，然后通过电路交换中继模式发送到PSTN。

同样，无线接入网络（RAN）可以通过无线接入媒体网关接入到核心网络。

用户驻地应用也称为综合接入设备（IAD），其作用是将用户端的语音、数据和图像视频等应用需求接入到分组交换网络中，并在分组交换网络中完成相应的功能。IAD接入方式使用比较灵活、适应范围广，如家庭、楼道、桌面、IP超市等。

根据用户使用类别和自身端口设置不同，可把IAD分为家庭型、楼层型以及企业型三种。家庭型主要提供数据与语音接入，除上行提供以太网口外，下行也提供相应的以太网口和电话接口，一般接口数目较少但功能齐全，包括语音、数据和视频等业务都能提供；楼层型仅提供语音接入，上行提供以太网口接口，下行只提供电话接口，它其实是一个缩小的网关设备；企业型同家庭型一样可提供数据与语音接入，而且下行除提供以太网和电话接口外，通常还提供2 Mb/s的E1或PRA接口，它的接口类型多，功能也较丰富。

对于最终用户来讲，IAD应能够同时提供语音和数据应用，因此它不仅需要支持传统电话终端设备的语音功能，通常还需要具有分组网上的数据业务功能。一般IAD需支持下列多种功能。

模拟用户电路功能：也就是通常所提的BDORSCHT，包括馈电、服务距离、过压保护、振铃控制、用户监视和扫描、编译码和滤波、二/四线转换、用户线路的特性测试等一般的模拟用户线路特性。

呼叫处理功能：要求IAD提供DTMF检测功能，并能够生成和发送DTMF信号；能接受并执行软交换设备下发的拨号计划；能完成软交换设备下达的指令，按照指令进行各类事件侦测，并及时上报给软交换设备；能够根据软交换设备指示，产生并向用户发送至少7种信号音（如拨号音、回铃音、振铃音、忙音、拥塞音、空号音、呼叫等待音）。

协议处理功能：要求IAD应支持H．248或MGCP等媒体网关控制协议，同时还需支持一些配置协议，如Telnet管理、DHCP协议和TFTP动态升级协议。

媒体控制功能：要求IAD能接受软交换设备的命令，进行资源预留，同时需支持多种编码方式，以完成语音的编码和打包，要求支持G．711、G．729、G．723．1编/解码算法，并能在软交换设备的命令控制下，动态切换编码方式。

业务支持功能：包括语音呼叫业务以及在软交换设备控制下的补充业务、传真业务和多媒体业务。

语音处理功能：要求具有回声抑制功能，回声抑制应支持G．168标准，要求不低于32 ms，并提供静音检测技术以进行静音压缩，在被叫方应能产生舒适背景噪声以模拟真实环境。

数据处理功能：具有二层以太网交换机的特性，包括用户数据终端的数据接入特性、提供标准的以太网接口、提供基于端口的VLAN及VLAN Tag、支持流量控制和全线速的速率转发帧等。

语音QoS的管理功能：包括接收端输入缓冲的动态调整、VLAN及优先级的划分和媒体流的统计功能等。

管理维护功能：除上述功能外，IAD还应具有一些网管维护方面的功能，既能支持本地维护管理，也可以通过内部的SNMP代理模块与支持SNMP协议的网管中心进行远程通信。

图2-20为通过IP网络将POTS电话连接到PSTN的情况。POTS电话首先连接到住户网关，RG完成用户环路信令功能；然后，通过MGCP或H．248/MEGAO协议将信令传送到MGC，MGC在信令网关（SG）的帮助下实现和PSTN的呼叫连接；最后，RG将模拟语音媒体流数字化、分组化（RTP格式）后传送到中继网关进入PSTN网络。

图2-21是利用电缆接入网（HFC）络实现VoIP网络的例子。位于用户边的电缆调制解调器有一个嵌入式的多媒体终端适配器（MTA），该MTA连接POTS电话和任何基于以太网的设备，完成AG/RG的功能。MTA也可以和电缆调制解调器分离，但需要通过以太网相互连接。MTA终接来自/去往POTS电话的用户环路信令，并且通过CMTS和MGC进行信令交互（利用NCS或SIP协议，其中网络控制信令协议NCS是MGCP的修正协议）；MGC通过信令网关和PSTN进行信令交互。另外，MTA也终接来自POTS电话的模拟语音，将其数字化、分组化后承载在RTP上，并通过CM/CMTS电缆网络发送到中继网关。这里，MGC通过TGCP协议（MGCP的修正协议）控制TG。

为了能够和分组电缆（Packet Cable）系统完全兼容，MGC必须通过COPS协议与CMTS进行信令交互。

为了保证电缆网络的QoS，MGC可以通过动态QoS（DQoS）和COPS协议，与CMTS通信。

利用DSL接入网实现VoIP网络的例子如图2-22所示。位于用户侧的综合接入设备（IAD，又称为接入网关/住户网关/异步用户环路终端单元）连接POTS电话或任何以太网设备，完成用户环路信令功能，通过DSLAM和MGC，以MGCP或H．248/MEGACO协议方式进行信令交互；MGC通过信令网关和PSTN进行信令交互。另外，IAD也完成来自POTS电话的语音媒体流的数字化和分组化，并将其通过DSLAM以RTP消息格式传送到中继网关。

图2-23是利用无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）实现用户接入软交换网络的例子。通过支持WLAN 802．11协议的接入点（Access Point，AP）来完成无线网络的传输。局端的AP上行出百兆位口接以太网交换机，用户侧的AP下行接入IAD或其他具有上行五类线的终端设备（如智能终端），完成终端用户的无线接入，并接入软交换网络。该方式适合于密集的写字楼、繁华的商业中心等布线比较困难或线路成本太高的地区和用户，解决受制于线路资源而无法接入用户的问题。