Сети следующего поколения (NGN): Архитектура, Ключевые Технологии (Softswitch, IMS) и Принципы Перехода

В условиях стремительного развития цифровой экономики и все возрастающих требований к объему и качеству передаваемой информации, телекоммуникационные сети переживают фундаментальную трансформацию. Исторически сложившаяся инфраструктура, построенная на принципах коммутации каналов, демонстрирует свою неэффективность перед лицом взрывного роста мультимедийного трафика. Именно в этом контексте концепция Сетей следующего поколения (Next Generation Networks, NGN) приобретает особую актуальность. NGN — это не просто эволюционное улучшение существующих систем, а революционный подход к построению унифицированной, конвергентной сетевой инфраструктуры, способной динамично адаптироваться к потребностям как абонентов, так и операторов связи.

Настоящая работа призвана дать всестороннее и глубокое понимание архитектурных принципов NGN, детально рассмотреть их ключевые технологические компоненты, такие как Softswitch и IP Multimedia Subsystem (IMS), а также проанализировать экономические, технические и эксплуатационные аспекты перехода от традиционных сетей к NGN. Цель данного исследования — предоставить структурированную и научно обоснованную информацию, которая послужит прочной базой для академических работ в области телекоммуникаций, раскрывая как теоретические основы, так и практические нюансы функционирования NGN.

Архитектурные принципы и ключевые компоненты NGN

Концепция NGN представляет собой не просто техническую модернизацию, а фундаментальную перестройку всей парадигмы телекоммуникационных сетей. Это движение от устаревшей канальной коммутации, присущей традиционным телефонным сетям, к пакетной, что открывает путь к беспрецедентной гибкости, эффективности и масштабируемости, а также позволяет операторам значительно снизить эксплуатационные и капитальные затраты.

Концепция и основные особенности NGN

В основе NGN лежит переход от традиционной коммутации каналов к пакетной передаче данных, что является ключевым фактором повышения эффективности использования сетевых ресурсов. Этот сдвиг не просто ускоряет передачу информации, но и позволяет значительно оптимизировать емкость каналов. Например, при передаче голосового трафика по протоколу VoIP/IP, за счет использования статистического мультиплексирования, можно увеличить емкость канала почти в 4 раза, ведь там, где ранее требовались четыре физических потока E1, теперь достаточно одного, поскольку внутри сети трафик передается в виде IP-дейтаграмм.

Экономическая эффективность NGN проявляется на нескольких уровнях. Во-первых, это снижение операционных затрат (OpEx) за счет упрощения сетевой топологии и централизации эксплуатационных функций. Операторы избавляются от необходимости поддерживать множество разрозненных сетей для голоса, данных и видео, что позволяет им фокусироваться на развитии услуг. Во-вторых, значительно уменьшаются затраты на канальные емкости и происходит экономия ресурсов первичных сетей. Единая, унифицированная инфраструктура позволяет более рационально использовать имеющиеся активы и оптимизировать инвестиции в будущее развитие.

Трехуровневая функциональная архитектура NGN

Архитектура NGN характеризуется четким, логическим разделением функциональных задач на три основных уровня, что обеспечивает гибкость и независимость развития каждого из них:

1. Транспортный уровень. Этот уровень отвечает за коммутацию и прозрачную передачу пользовательской информации. Он является фундаментом всей сети, обеспечивая надежную и высокоскоростную доставку пакетов. Для его функционирования требуется оборудование с высокой надежностью, поддержкой сложных функций управления трафиком и отличной масштабируемостью. Именно здесь реализуется принцип «транспорт для всех услуг», что является одним из ключевых преимуществ NGN.
2. Уровень управления коммутацией и передачей информации. Его основная задача — обработка сигнализации, маршрутизация вызовов и управление потоками данных. На этом уровне реализуется функция установления соединения, но под внешним управлением, которое осуществляет Softswitch. Это позволяет отделить логику управления от физического транспорта, делая сеть более адаптивной.
3. Уровень услуг и управления услугами. Этот уровень выделен в самостоятельный элемент архитектуры, что дает возможность операторам предоставлять как уже существующие, так и совершенно новые, инновационные услуги, независимо от используемых транспортных технологий доступа. Стандартизированные открытые интерфейсы между уровнями NGN, поддерживающие такие API, как JAIN или Parlay, позволяют каждому уровню развиваться независимо и взаимодействовать функциональным объектам. К инновационным услугам, ставшим возможными благодаря NGN, относятся: «Сокращённый набор номера», «Детский вызов», «Временный запрет некоторых видов исходящей связи», «Временный запрет входящей связи», «Переадресация входящих вызовов при занятости абонента», «Переадресация входящих вызовов при отсутствии ответа абонента», «Уведомление о поступлении нового вызова» (вызов на ожидании с определителем номера) и «Конференцсвязь с тремя абонентами».

Ключевые компоненты NGN

Для реализации описанной архитектуры NGN опирается на ряд ключевых компонентов:

• Мультисервисная платформа. Это единая система, позволяющая поставщикам услуг передавать различные виды данных (голос, видео, файлы) и включающая в себя IP-ядро, сеть доступа, систему предоставления услуг, структуру учета пользователей и систему управления. Она является своего рода «нервным центром» NGN.
• Унифицированное управление качеством обслуживания (QoS). NGN изначально проектируется с учетом необходимости обеспечения гарантированного качества для различных типов трафика, что особенно критично для голосовых и видеоуслуг в реальном времени.
• Гибкая маршрутизация трафика. Часто реализуется на базе IP/MPLS (Multiprotocol Label Switching) сетей, что позволяет эффективно управлять потоками данных, приоритизировать их и обеспечивать заданные параметры QoS.
• Мультипротокольная поддержка. NGN способна работать с широким спектром протоколов, обеспечивая интеграцию и совместимость с различными существующими и будущими технологиями.

В состав базовой сети NGN могут входить:

• Транзитные узлы — обеспечивают передачу трафика на магистральном уровне.
• Оконечные (граничные) узлы — служат точками входа и выхода трафика из NGN.
• Контроллеры сигнализации (Softswitch) — центральный элемент управления вызовами, который будет подробно рассмотрен далее.
• Шлюзы для подключения традиционных сетей электросвязи (ТфОП) — обеспечивают плавный переход и сосуществование с устаревшей инфраструктурой.

Softswitch: Основа управления вызовами в NGN

Softswitch, или программный коммутатор, является краеугольным камнем архитектуры NGN, олицетворяя принцип отделения функций управления соединениями от функций коммутации. Это не просто устройство, а интеллектуальное вычислительное решение, которое переносит логику управления вызовами из аппаратного обеспечения в программное, значительно повышая гибкость и экономичность системы.

Роль и функциональность Softswitch

Softswitch — это специализированное программное обеспечение, работающее на стандартных серверах, которое выполняет множество задач управления соединениями. Ранее эти задачи возлагались на привратник (GateKeeper) в сетях стандарта H.323. Softswitch берет на себя централизованный контроль над установлением, поддержанием и завершением сеансов связи.

Ключевые функции Softswitch включают:

• Управление медиашлюзами (Media Gateway Control): Softswitch контролирует работу медиашлюзов (Media Gateway, MG), которые преобразуют потоки данных между пакетными и канальными сетями (например, между IP-сетью и ТфОП). Для этого используются протоколы MGCP (Media Gateway Control Protocol) и MEGACO/H.248.
• Маршрутизация вызовов: В пакетной сети Softswitch определяет оптимальный путь для вызова, учитывая доступность ресурсов, загрузку сети и политики оператора.
• Тарификация и сбор статистической информации: Он регистрирует данные о вызовах, необходимые для выставления счетов абонентам и анализа сетевой активности.
• Предоставление дополнительных видов обслуживания (ДВО): Softswitch взаимодействует с серверами приложений для реализации широкого спектра услуг, таких как переадресация, конференцсвязь, ожидание вызова и многие другие.
• Функции ТОиЭ (OAM&P): Включают эксплуатацию, администрирование, техническое обслуживание и предоставление необходимой информации, которая не относится непосредственно к управлению вызовом.
• Обработка сигнализации: Softswitch обрабатывает все виды сигнализации в своем домене, включая взаимодействие с традиционными телефонными сетями через протоколы сигнализации, такие как ОКС7 (SS7).
• Хранение и управление абонентскими данными: Управляет профилями пользователей, их услугами и правами доступа.

Для взаимодействия между различными Softswitch (например, на транзитном или междугородном уровне) могут применяться специализированные протоколы, такие как SIP-T (SIP for Telephones) и BICC (Bearer Independent Call Control), что обеспечивает бесшовное взаимодействие между доменами разных операторов или внутри крупных корпоративных сетей.

Протоколы, используемые Softswitch

Эффективность Softswitch во многом определяется разнообразием и мощностью используемых протоколов:

• Протоколы сигнализации для управления соединениями:
  • SIP (Session Initiation Protocol): Широко используемый протокол для установления, модификации и завершения мультимедийных сеансов, включая голосовые и видеозвонки. Стандартизирован IETF и является де-факто стандартом для IP-телефонии.
  • ОКС7 (SS7 — Signaling System No. 7): Протокол, используемый в традиционных телефонных сетях для сигнализации. Softswitch взаимодействует с ним через специальные шлюзы и протокол SIGTRAN для обеспечения связи с ТфОП.
  • H.323: Один из старейших стандартов для мультимедийной связи по пакетным сетям, также поддерживается Softswitch для совместимости с существующим оборудованием.
• Протоколы управления медиашлюзами:
  • MGCP (Media Gateway Control Protocol): Протокол, позволяющий Softswitch (контроллеру медиашлюзов) управлять медиашлюзами.
  • MEGACO/H.248: Более современный и мощный протокол управления медиашлюзами, также известный как H.248, разработанный совместно ITU-T и IETF. Обеспечивает детальный контроль над функциями медиашлюзов.
• Протоколы туннелирования сигнализации:
  • SIGTRAN: Набор протоколов, разработанный IETF, который позволяет передавать сигнализацию ОКС7 (SS7) через IP-сети, тем самым интегрируя традиционные сигнальные системы с Softswitch.

Такое разнообразие протоколов позволяет Softswitch гибко взаимодействовать как с унаследованной инфраструктурой, так и с современными IP-сетями, обеспечивая плавный переход к NGN.

IMS: Архитектура для IP-мультимедийных услуг

IP Multimedia Subsystem (IMS) — это стандартизированная архитектура, разработанная для предоставления широкого спектра мультимедийных услуг через IP-сети. Если Softswitch акцентирует внимание на управлении вызовами и конвергенции традиционных голосовых услуг с IP, то IMS изначально создавался как универсальная платформа для любых IP-мультимедийных сеансов, предоставляя богатую функциональность и гибкость, что делает её ключевым элементом для развития мобильных широкополосных сетей.

Архитектура и уровни IMS

Архитектура IMS, как и NGN в целом, имеет трехуровневое деление, что обеспечивает модульность и четкое распределение функций:

1. Уровень доступа и транспорта: Это фундаментальный уровень, который включает в себя:
   • Терминальное оборудование: Широкий спектр пользовательских устройств, способных подключаться к IMS.
   • Различные технологии сетей доступа: IMS не привязан к конкретной технологии, поддерживая Wi-Fi, WiMAX, GPRS, xDSL, HFC (Hybrid Fiber-Coaxial), PON (Passive Optical Network) и другие. Эта независимость от доступа является одним из ключевых преимуществ IMS.
   • Единая транспортная IP-сеть с транспортными шлюзами: Обеспечивает высокоскоростную и надежную передачу данных.
2. Уровень управления сессиями: Является «мозгом» IMS и включает:
   • Ядро IMS: Состоит из набора логических блоков, которые управляют установлением, изменением и завершением мультимедийных сессий. Важно отметить, что в IMS определяются не конкретные узлы сети, а именно функции, которые могут быть реализованы различными способами.
   • Сервер пользовательских данных HSS (Home Subscriber Server): Центральная база данных, хранящая информацию о профилях абонентов, их услугах, авторизации и местоположении.
   • Сигнальные шлюзы: Обеспечивают взаимодействие с традиционными сигнальными сетями.
3. Уровень услуг и приложений: Здесь размещаются серверы приложений, предоставляющие конечные услуги пользователям. Этот уровень открыт для сторонних разработчиков, что стимулирует инновации.

Модульная природа архитектуры IMS заключается в том, что регламентируются интерфейсы между функциональными блоками, но остается значительная свобода в выборе конкретных компонентов (протоколов, кодеков, алгоритмов).

Ключевые протоколы и функции IMS

IMS глубоко интегрирован с протоколом SIP (Session Initiation Protocol), который является его основным строительным блоком:

• SIP как основной протокол: SIP используется для установления одноранговых сессий между абонентами. В IMS он выполняет не только функции установления соединения, но и является основой для реализации сервисных функций, таких как безопасность, авторизация и управление доступом к услугам.
• Функции CSCF (Call Session Control Function): CSCF является основным логическим блоком управления сеансами связи, по сути, это SIP-серверы, выполняющие различные роли:
  • P-CSCF (Proxy-CSCF): Первая точка контакта для пользователя в сети IMS. Он действует как прокси-сервер, кэшируя запросы и ответы, а также обеспечивая безопасность (аутентификация, авторизация) и компрессию сигнализации.
  • I-CSCF (Interrogating-CSCF): Основная функция I-CSCF — производить назначение Serving-CSCF (S-CSCF) для пользователя, если S-CSCF еще не был назначен. Он запрашивает информацию из HSS для определения подходящего S-CSCF.
  • S-CSCF (Serving-CSCF): Самый важный элемент ядра IMS. Он выполняет функции регистрирующего SIP-сервера, поддерживая привязку местоположения пользователя к его SIP-адресу, взаимодействуя с HSS для получения профиля пользователя, а также обеспечивая маршрутизацию и контроль сессий. S-CSCF является центральным элементом для реализации услуг.
• Серверы приложений (AS — Application Servers): Предоставляют услуги посредством взаимодействия с IMS. Это могут быть как стандартные SIP-серверы, так и серверы, основанные на концепции OSA (Open Service Architecture), которые позволяют сторонним разработчикам создавать новые услуги, используя открытые API.
• Протокол Diameter: Используется для взаимодействия S-CSCF с HSS, обеспечивая безопасный и надежный обмен данными о профиле пользователя и авторизации. Diameter является более современной и мощной альтернативой устаревшему протоколу RADIUS.

IMS, благодаря своей модульности и широкой поддержке SIP, представляет собой гибкую и мощную платформу для создания и предоставления инновационных мультимедийных услуг, играя ключевую роль в эволюции телекоммуникационных сетей. Это позволяет операторам не только оптимизировать текущие операции, но и быстро адаптироваться к будущим потребностям рынка, предлагая пользователям качественно новые возможности.

Сравнительный анализ Softswitch и IMS

Несмотря на то, что Softswitch и IMS являются ключевыми технологиями в контексте NGN, они имеют как общие черты, так и существенные различия в своем назначении, архитектуре и философии. Понимание этих нюансов критически важно для проектирования и эксплуатации современных телекоммуникационных систем.

Сходства

• Уровневое деление: Обе архитектуры используют уровневое деление, причем границы уровней (транспорт, управление, услуги) проходят в схожих местах. Это отражает общий принцип NGN по декомпозиции сложной сетевой функциональности.
• Идея предоставления услуг на базе IP-сети: Как Softswitch, так и IMS ставят своей целью унификацию передачи различных видов трафика (голос, данные, видео) по единой пакетной сети, основанной на протоколе IP.
• Разделение функций управления вызовом и коммутации: Обе технологии реализуют основной принцип NGN — отделение функций управления логикой вызова (Control Plane) от функций непосредственной коммутации и передачи пользовательской информации (User Plane). Это повышает гибкость и масштабируемость систем.

Различия

Несмотря на общие черты, существуют фундаментальные различия, определяющие области применения каждой технологии:

• Ориентация архитектуры:
  • Softswitch: Архитектура Softswitch исторически акцентирует внимание на устройствах сети (медиашлюзы, Softswitch как узел). Ее разработка часто шла от потребностей модернизации существующих ТфОП.
  • IMS: Архитектура IMS определяется на уровне функций. Это означает, что стандарт описывает, что должны делать различные функциональные блоки, а не как они должны быть реализованы физически или в каком конкретном устройстве. Это дает большую гибкость в реализации.
• Жесткость стандартизации:
  • Softswitch: Функции в архитектуре Softswitch имеют более условное деление и описание. Хотя есть стандарты на протоколы (MGCP, MEGACO/H.248), общая архитектура часто допускает большую вариативность в реализации.
  • IMS: В документах IMS дается жесткое описание функций, процедур их взаимодействия и стандартизированы интерфейсы между функциями системы. Это обеспечивает высокую интероперабельность между продуктами разных вендоров.
• Основная сфера применения и протоколы:
  • Softswitch: В первую очередь ориентирован на конвергентные сети, где функция управления шлюзами (с протоколами MGCP/MEGACO) является доминирующей. Его основная роль — интеграция с традиционными телефонными сетями (ТфОП), разгрузка TDM-каналов, часто выступая на транзитном/междугородном уровне или при замене местных АТС. Он призван обеспечить плавный переход от канальной коммутации к пакетной для голосового трафика.
  • IMS: Проектировалась в рамках сетей 3G, полностью базирующихся на IP, с основным протоколом SIP, используемым для установления одноранговых сессий. IMS более универсальна и адаптивна, способна взаимодействовать с множеством сетей доступа, включая Wi-Fi, LTE и 5G, и предназначена для предоставления широкого спектра мультимедийных услуг, а не только голоса.
• Гибкость доступа:
  • IMS: Изначально задумывалась как независимая от технологий доступа, способная работать с широким спектром проводных и беспроводных сетей.
  • Softswitch: Хотя и может быть интегрирован в различные среды, изначально более специфичен для сети и нацелен на замену функций АТС.

Интеграция

Важно отметить, что Softswitch и IMS не являются взаимоисключающими технологиями. Элементы архитектуры Softswitch могут быть интегрированы в архитектуру IMS как функциональные модули. Это позволяет операторам реализовывать сеть на базе IMS постепенно, используя уже имеющиеся инвестиции в Softswitch и обеспечивая более плавный переход. IMS можно рассматривать как более совершенную и стандартизированную эволюцию концепций, заложенных в Softswitch, особенно в части мультимедийных сервисов и независимости от доступа.

Переход к NGN: Предпосылки, преимущества и проблемы миграции

Миграция от традиционных телекоммуникационных сетей к NGN является не просто технической задачей, но и стратегическим решением, продиктованным как экономическими, так и технологическими факторами. Этот процесс сопряжен с рядом значительных преимуществ, но также сталкивается с серьезными проблемами и вызовами.

Предпосылки и экономические выгоды перехода

Одной из основных предпосылок перехода к NGN является экономическая невыгодность одновременной эксплуатации нескольких отдельных сетей — для передачи данных, голоса, видео. Поддержание, модернизация и управление такими разрозненными инфраструктурами влечет за собой высокие эксплуатационные затраты (OpEx) и значительные капитальные вложения (CapEx). NGN предлагает решение этой проблемы, объединяя все виды трафика на единой пакетной платформе.

Экономические выгоды от внедрения NGN многообразны:

• Снижение операционных и капитальных расходов: Упрощение топологии сетей, централизация эксплуатационных функций, уменьшение затрат на канальные емкости и экономия ресурсов первичных сетей позволяют операторам значительно сократить свои расходы.
• Создание единой мультисервисной сети: Это позволяет предоставлять все услуги (голос, данные, видео, мультимедиа) с использованием универсального телекоммуникационного терминала, что удобно для абонентов и эффективно для операторов.

Преимущества NGN

Внедрение NGN открывает перед операторами и пользователями широкий спектр преимуществ:

• Предоставление современных высокоскоростных сервисов: NGN делает возможными такие услуги, как IP-телефония (VoIP) с высоким качеством, видеоконференцсвязь, IP-TV, Video on Demand (VoD) и виртуальные частные сети (VPN).
• Масштабируемость: Архитектура NGN позволяет легко наращивать емкость сети и добавлять новые услуги без кардинальной перестройки инфраструктуры.
• Совместимость с международными стандартами: NGN разрабатывается в соответствии с международными рекомендациями ITU-T, IETF и ETSI, что обеспечивает интероперабельность.
• Мультипротокольная поддержка: Способность работать с различными протоколами (SIP, H.323, MGCP, MEGACO) обеспечивает гибкость и интеграцию с существующими системами.
• Управление трафиком и QoS: NGN обеспечивает резервирование полосы пропускания, классификацию видов трафика, управление качеством обслуживания (QoS) и механизмы защиты соединений и трафика.

Проблемы и вызовы миграции к NGN

Несмотря на очевидные преимущества, переход к NGN сопряжен с серьезными проблемами:

• Недостаточность инвестиций: Развертывание NGN требует значительных капитальных вложений, что может быть затруднительно для операторов, особенно при наличии значительного количества уже установленного цифрового оборудования (например, ОПТС, систем передачи SDH) на транзитном уровне сети, что создает барьеры для его быстрой замены.
• Отсутствие единой политики и нормативной базы: На российском рынке одной из проблем является отсутствие единой политики и мнения по поводу путей и темпов построения NGN, что выражается в недостаточности проблемно-ориентированной нормативной базы для внедрения NGN-решений, несмотря на разработку основных международных рекомендаций (например, ITU-T Y.2091 от 2007 года).
• Незаконченность стандартов: Хотя процесс стандартизации активно шел в период 2005–2008 годов, некоторые аспекты все еще находятся в стадии доработки, что может создавать неопределенность.
• Несовместимость оборудования: Проблемы, связанные с несовместимостью оборудования разных изготовителей, создают риски для масштабируемости и сохранения инвестиций.
• Наличие устаревшего оборудования: Миграция к NGN сдерживается наличием большого количества уже установленного цифрового оборудования в существующих сетях. Например, это касается систем цифровой ОТС (Отраслевой Технологической Связи) на более чем 20 тыс. км отечественных железных дорог, а также оборудования ОПТС и систем передачи SDH на транзитном уровне.
• Недостаточное развитие IP-сети телекоммуникационного класса (IPTN): Существуют проблемы с обеспечением гарантированных параметров QoS в IP-сетях, в частности, задержки и качества передачи речи, а также с перегрузками SIP-серверов при оказании мультимедийных услуг.
• Высокая стоимость абонентских IP-терминалов: Стоимость IP-телефонов и других терминалов с поддержкой SIP и H.323 может быть серьезным ограничением для массового внедрения NGN-услуг.
• Длительный переходный период: Традиционные телефонные сети (ТфОП) и NGN будут сосуществовать в течение длительного переходного периода, что подтверждается продолжающимся процессом модернизации сетей операторов связи, начавшимся в начале 2000-х годов.

Таким образом, переход к NGN — это сложный, многогранный процесс, требующий комплексного подхода к решению технических, экономических и организационных задач.

Конвергенция услуг и новые сервисы в NGN

Концепция NGN лежит в основе современной телекоммуникационной конвергенции, предлагая принципиально новый подход к предоставлению услуг. Ее ключевая идея заключается в возможности передачи по единому широкополосному каналу связи всех видов информации: голоса, данных и видео. Это создает фундамент для формирования так называемых «triple-play services» (речь, данные и видео), которые стали стандартом для многих операторов связи.

Концепция единого широкополосного канала

Конвергенция в телекоммуникациях означает не просто объединение разных услуг, а возникновение глубокого сходства в структуре сетей связи, используемых аппаратно-программных средствах и, как следствие, в совокупности предоставляемых услуг. Благодаря NGN, абонент может получать доступ к разнообразным сервисам через один канал и одно устройство, что значительно упрощает пользовательский опыт и снижает стоимость инфраструктуры для оператора.

Особое значение приобретает использование единообразной системы IMS как в проводных сетях NGN, так и в мобильных сетях 3G (а теперь и 4G, 5G). Это позволяет в перспективе достичь полноценной конвергенции фиксированных и мобильных сетей (Fixed Mobile Convergence — FMC), стирая границы между разными типами доступа и обеспечивая бесшовное предоставление услуг независимо от местоположения пользователя.

Широкий набор услуг и приложений

NGN изначально проектируется для поддержки широкого набора услуг, приложений и механизмов поблочного построения услуг. Это означает, что новые сервисы могут быть быстро разработаны и интегрированы в сеть, используя стандартизированные интерфейсы и открытые API. В результате становятся возможными:

• Услуги в реальном времени: Голосовая связь (VoIP) и видеоконференцсвязь с высоким качеством и низкой задержкой.
• Потоковая передача: IP-TV, Video on Demand (VoD), аудио- и видеостриминг.
• Мультимедийные услуги: Интегрированные коммуникации, включающие мгновенный обмен сообщениями, видеозвонки, общие рабочие пространства.

Помимо базовых сервисов «triple-play», NGN открывает путь для множества инновационных дополнительных услуг (ДВО), которые ранее были сложны или невозможны в традиционных сетях:

• Сокращённый набор номера: Возможность звонить на часто используемые номера по короткому коду.
• Детский вызов: Ограничение исходящих вызовов для ребенка только разрешенными номерами.
• Временный запрет некоторых видов исходящей/входящей связи: Управление доступностью услуг.
• Переадресация входящих вызовов: При занятости, отсутствии ответа, или безусловная.
• Уведомление о поступлении нового вызова: Функция ожидания вызова с определителем номера.
• Конференцсвязь с тремя абонентами (или более): Простое создание многосторонних голосовых или видеоконференций.

Такое наращивание объемов услуг, особенно в сфере IP-телефонии (международной и междугородной связи), ведет к лавинообразному росту требований к производительности и емкости транспортного уровня NGN, что, в свою очередь, стимулирует дальнейшее развитие сетевых технологий.

Качество Обслуживания (QoS) в NGN

В условиях конвергенции различных видов трафика на единой IP-платформе, обеспечение надлежащего Качества Обслуживания (QoS) становится не просто желательным, а критически важным аспектом функционирования NGN. В отличие от традиционных сетей, где каждый вид трафика (голос, данные) имел свою выделенную инфраструктуру, NGN должна гарантировать высокое качество для самых требовательных сервисов, таких как голосовая связь в реальном времени и видео, конкурируя при этом с менее чувствительным к задержкам трафиком данных. Но возможно ли это в условиях постоянно растущей нагрузки и разнообразия услуг?

Основные параметры и метрики QoS

NGN поддерживает заранее заданные показатели качества обслуживания (QoS) для обеспечения качественной телефонной связи через IP-сеть (VoIP) и других мультимедийных сервисов. Ключевые параметры QoS для VoIP включают:

• Пропускная способность (Bandwidth): Доступная емкость канала для передачи данных.
• Задержка (Delay): Время, которое требуется пакету, чтобы пройти от отправителя к получателю. Для качественной голосовой связи критическим значением является задержка не более 200 мс, так как более высокие значения вызывают дискомфорт, эффект эха и задержки в разговоре.
• Джиттер (Jitter): Вариации задержки между пакетами. Высокий джиттер приводит к «рваной» речи и потере смысла.
• Потеря пакетов (Packet Loss): Процент пакетов, которые не достигли получателя. Для большинства мультимедийных приложений допустимый процент потери пакетов не должен превышать 1%. Однако для сжатых аудио- и видеосигналов даже 1% потерь может быть недопустим, вызывая заметные артефакты.

Оценка качества речи также осуществляется с помощью субъективных и объективных метрик:

• MOS (Mean Opinion Score): Средняя оценка мнения. Это субъективная метрика, полученная путем опроса пользователей, которые оценивают качество речи по шкале от 1 (плохо) до 5 (отлично). MOS в 4 балла и выше обычно считается «телефонным качеством» (toll quality).
• R-Factor: Объективная метрика, которая рассчитывается на основе различных параметров сети (задержка, джиттер, потери) и используется для оценки качества речи по шкале от 0 до 120. Она коррелирует с MOS и позволяет прогнозировать пользовательское восприятие без прямого опроса.

Механизмы обеспечения сквозного QoS

Фундаментальные свойства NGN включают широкополосный доступ с обеспечением качества «из конца в конец» (end-to-end QoS), что подразумевает эффективную работу в комбинированных сетях, каналах передачи информации и при взаимодействии различных провайдеров услуг. Для этого используются различные механизмы:

• IntServ (Integrated Services): Модель, которая резервирует ресурсы для каждого отдельного потока данных. Обеспечивает строгие гарантии QoS, но плохо масштабируется в крупных сетях из-за высоких требований к состоянию сети и сигнальному протоколу RSVP.
• DiffServ (Differentiated Services): Модель, которая классифицирует трафик на основе классов обслуживания, а не на уровне отдельных потоков. Это более масштабируемый подход, где пакеты маркируются в заголовке IP (DS-поле), и сетевые устройства обрабатывают их в соответствии с предопределенными политиками.
• MPLS (Multiprotocol Label Switching): Технология, которая ускоряет маршрутизацию и позволяет создавать «туннели» для трафика, обеспечивая предсказуемые пути и облегчая реализацию механизмов QoS, таких как Traffic Engineering.

Единая система контроля сквозного качества услуг в NGN должна предоставлять возможности для создания и контроля параметров QoS/SLA (Service Level Agreement), получения отчетов, детального анализа работы сети, а также оповещения при нарушениях заданных пороговых значений.

Система контроля QoS должна выполнять расширенные тесты для различных типов трафика, включая:

• VoIP: Протоколы H.323, MGCP, SIP, а также метрики MOS, NCS, RTP, SCCP.
• Video и Voice: Протоколы H.323, RTP, RTSP.
• VPN: Для обеспечения качества в виртуальных частных сетях.

В архитектуре IMS функция PCRF (Policy and Charging Rules Function) играет ключевую роль в управлении QoS. Это модуль управления, образующий связь между уровнями сервиса и передачи данных. PCRF упорядочивает абонентские и прикладные данные, авторизуя ресурсы QoS в транспортной сети на основе политик, профилей пользователей и требований приложений.

Стандарты и протоколы, основополагающие для NGN, Softswitch и IMS

Архитектура и функционирование NGN, Softswitch и IMS базируются на обширном наборе стандартов и протоколов, разработанных и поддерживаемых ведущими международными организациями. Эта стандартизация является краеугольным камнем интероперабельности и стабильности сетей следующего поколения.

Классификация протоколов NGN

Все протоколы, используемые в сетях NGN, можно разделить на три основных класса:

1. Протоколы передачи пользовательской информации: Эти протоколы отвечают за непосредственную доставку полезной нагрузки (голос, видео, данные) через пакетную сеть.
   • IP (Internet Protocol): Фундаментальный протокол для адресации и маршрутизации пакетов в интернете и IP-сетях.
   • RTP (Real-Time Transport Protocol): Основной транспортный протокол для передачи кодированных речевых сигналов и других мультимедийных данных в реальном времени. Работает поверх UDP (User Datagram Protocol) и IP.
   • UDP (User Datagram Protocol): Легковесный протокол транспортного уровня без установления соединения, часто используется для потоковых данных, чувствительных к задержкам, таких как голос и видео, где небольшие потери пакетов менее критичны, чем задержки.
2. Протоколы сигнализации: Используются для управления вызовами/сессиями, установления, модификации и завершения соединений.
   • SIP (Session Initiation Protocol): Сигнальный протокол для IP-сетей, стандартизированный IETF. Является основным протоколом для управления и установления голосовых и мультимедийных сеансов связи в NGN и IMS.
   • H.323: Комплексный набор протоколов, обеспечивающий прохождение трафика по сетям с негарантированной пропускной способностью. Ориентирован на интеграцию с телефонными сетями и широко использовался до повсеместного распространения SIP.
   • MGCP (Media Gateway Control Protocol) и MEGACO/H.248: Протоколы, используемые для управления медиашлюзами. Позволяют Softswitch контролировать преобразование сигналов между пакетной и канальной сетями.
   • SIGTRAN: Набор протоколов, который обеспечивает туннелирование сигнализации ОКС7 (SS7) через IP-сеть к Softswitch, что критично для взаимодействия с традиционными телефонными сетями.
3. Служебные протоколы: Обеспечивают вспомогательные функции, необходимые для эксплуатации, управления и безопасности сети.
   • Для аутентификации и авторизации пользователей.
   • Для ТОиЭ (Технического Обслуживания и Эксплуатации), что включает в себя функции OAM&P (Operations, Administration, Maintenance & Provisioning) — эксплуатацию, управление (администрирование), техническое обслуживание и предоставление информации для управления элементами сети.

Роль стандартизирующих организаций

Ключевую роль в разработке и гармонизации стандартов NGN играют следующие организации:

• ITU-T (Международный союз электросвязи, Сектор стандартизации электросвязи): Разрабатывает рекомендации, которые являются основой для построения NGN во всем мире.
• IETF (Internet Engineering Task Force): Отвечает за стандартизацию протоколов интернета, включая SIP, RTP и другие, критически важные для NGN.
• ETSI (Европейский институт телекоммуникационных стандартов) и его группа TISPAN (Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking): Разрабатывают европейские стандарты для NGN, часто тесно сотрудничая с ITU-T.
• 3GPP (3rd Generation Partnership Project): Занимается стандартизацией мобильных сетей (3G, 4G, 5G) и интегрирует IMS в свои архитектуры для предоставления мультимедийных услуг.

Важно разграничивать некоторые ключевые рекомендации ITU-T:

• Рекомендация МСЭ-Т Y.2001: Определяет 4 основных функциональных уровня в архитектуре сетей NGN:
  1. Уровень транспорта (включающий функции управления сетевыми ресурсами и уровень доступа).
  2. Уровень коммутации услуг связи.
  3. Уровень приложений.
  4. Уровень управления сетью.
• Рекомендация МСЭ-Т Y.2011: Определяет два основных страта NGN: страту обслуживания (NGN service stratum) и страту транспорта (NGN transport stratum). Эти страты представляют собой более высокоуровневое логическое разделение, в то время как Y.2001 фокусируется на функциональных уровнях.

Как ITU-T, так и ETSI TISPAN строят свои архитектуры NGN вокруг структур IMS, подчеркивая ее центральную роль в предоставлении конвергентных услуг.

Современные тенденции и перспективы развития NGN на мировом и российском рынках

Эволюция телекоммуникаций не стоит на месте, и концепции NGN, Softswitch и IMS продолжают развиваться, адаптируясь к новым технологическим вызовам и потребностям рынка. На мировом и российском рынках наблюдаются схожие тенденции, хотя темпы и особенности их внедрения могут отличаться.

IMS как логическое развитие NGN

Подсистема IMS (IP Multimedia Subsystem) является логическим и, возможно, кульминационным этапом развития сетей NGN, особенно в контексте технологии гибких коммутаторов (Softswitch). IMS не только инкорпорирует лучшие практики NGN, но и расширяет их, включая в себя все типы сетей доступа (как фиксированные, так и мобильные) и активно используя протокол SIP в качестве основного для управления сессиями, а также IPv6 для масштабируемой адресации.

Развитие сетей следующего поколения, таких как 4G (LTE) и 5G, стало мощным стимулом для операторов к внедрению технологии IMS. Это обусловлено тем, что IMS дает возможность эффективно внедрять голосовые услуги (VoLTE — Voice over LTE) и другие мультимедийные сервисы на сетях LTE, которые изначально проектировались как чисто пакетные для передачи данных. Без IMS полноценная конвергенция голосовых и мультимедийных услуг в мобильных сетях была бы крайне затруднительна. Таким образом, IMS становится не просто опцией, а необходимой частью современной мобильной инфраструктуры.

Адаптация российского телекоммуникационного рынка

На российском телекоммуникационном рынке наблюдаются активные процессы адаптации к принципам NGN. Многие ведущие компании, как операторы, так и производители оборудования, выпускают решения, позиционируемые как средства для сетей нового поколения. Это отражает практическое применение архитектурных принципов NGN в реальных проектах.

Однако есть и специфические особенности. Российские производители оборудования адаптируют свою рыночную стратегию, смещая фокус с традиционного коммутационного оборудования на средства доступа, предоставления услуг и управления услугами. Такой сдвиг в стратегиях отражает стремление к созданию более гибких, сервисно-ориентированных решений, соответствующих духу NGN, ведь на рынке коммутационного оборудования доминируют крупные международные вендоры, в то время как сегменты доступа и услуг предоставляют больше возможностей для инноваций и конкуренции.

Постепенность перехода к NGN

Несмотря на широкое маркетинговое использование термина NGN и активное внедрение отдельных элементов, таких как Softswitch и IMS, полный переход к сетям нового поколения происходит постепенно. Это обусловлено рядом факторов:

• Значительные инвестиции: Полная модернизация инфраструктуры требует огромных капитальных вложений.
• Наличие унаследованной инфраструктуры: Операторы имеют обширные традиционные сети, которые не могут быть мгновенно заменены. Поэтому переход осуществляется поэтапно, через сосуществование и интеграцию старых и новых технологий.
• Развитие технологий пакетной передачи: Процесс совершенствования технологий IP-сетей, обеспечения QoS и безопасности продолжается, что позволяет постепенно наращивать функциональность и надежность NGN.

Таким образом, NGN — это не разовая инсталляция, а непрерывный процесс эволюции сетей, в котором IMS играет все более центральную роль, особенно на фоне распространения мобильных широкополосных технологий. Российский рынок, следуя мировым тенденциям, активно участвует в этом процессе, адаптируя стратегии и развивая локальные решения.

Выводы

Исчерпывающее исследование архитектуры, ключевых технологий и принципов перехода к Сетям следующего поколения (NGN) выявило, что NGN представляет собой не просто техническую модернизацию, а фундаментальную трансформацию телекоммуникационной парадигмы. Переход от канальной к пакетной коммутации, реализованный в NGN, обеспечивает значительное повышение эффективности использования сетевых ресурсов (до четырехкратного увеличения емкости для голосового трафика), а также существенное снижение операционных и капитальных затрат за счет упрощения топологии и централизации функций.

Детальный анализ трехуровневой функциональной архитектуры NGN (транспортный уровень, уровень управления коммутацией и передачей информации, уровень услуг и управления услугами) подчеркнул ее модульность и гибкость, обусловленную стандартизированными открытыми интерфейсами. Ключевые компоненты, такие как мультисервисные платформы, унифицированное управление QoS и гибкая маршрутизация, формируют основу для предоставления широкого спектра современных услуг.

Технология Softswitch была рассмотрена как центральный элемент NGN, реализующий отделение функций управления вызовами от коммутации. Ее роль в маршрутизации, тарификации, предоставлении дополнительных видов обслуживания (ДВО) и управлении медиашлюзами с использованием протоколов SIP, H.323, MGCP и MEGACO/H.248 является критической для интеграции с традиционными телефонными сетями.

IP Multimedia Subsystem (IMS) была представлена как стандартизированная архитектура для IP-мультимедийных услуг, которая, по сути, является логическим развитием NGN. Ее трехуровневое деление, модульная природа, зависимость от SIP как основного протокола и функционал CSCF (P-CSCF, I-CSCF, S-CSCF) обеспечивают гибкость и масштабируемость для предоставления широкого спектра мультимедийных сервисов, независимых от технологий доступа.

Сравнительный анализ Softswitch и IMS выявил их сходства в концепции уровневого деления и использовании IP, но также подчеркнул ключевые различия: Softswitch ориентирован на устройства и конвергенцию с ТфОП, тогда как IMS — на функции и универсальные IP-мультимедийные сессии, а также интеграцию с сетями 3G/4G/5G. Была отмечена возможность интеграции элементов Softswitch в архитектуру IMS.

Процесс перехода к NGN обусловлен экономической невыгодностью эксплуатации разрозненных сетей и стремлением к созданию единой мультисервисной инфраструктуры. Преимущества NGN включают предоставление высокоскоростных сервисов, масштабируемость, совместимость со стандартами и эффективное управление трафиком. Однако, миграция сопряжена с серьезными проблемами: недостаточность инвестиций, наличие устаревшего оборудования, отсутствие единой политики и нормативной базы, а также высокая стоимость абонентских IP-терминалов, что обуславливает длительный переходный период.

NGN обеспечивает беспрецедентную конвергенцию услуг, позволяя передавать голос, данные и видео по единому каналу (triple-play services) и создавая основу для Fixed Mobile Convergence (FMC) благодаря IMS. Это открывает путь для множества инновационных дополнительных услуг, значительно расширяя возможности операторов и удобство для пользователей.

Особое внимание было уделено Качеству Обслуживания (QoS) в NGN. Были детально проанализированы ключевые параметры для VoIP (пропускная способность, задержка не более 200 мс, джиттер, потеря пакетов не более 1%) и метрики оценки качества речи (MOS, R-Factor). Механизмы обеспечения сквозного QoS, такие как IntServ, DiffServ и MPLS, а также роль PCRF в IMS, были рассмотрены как критически важные для гарантированного предоставления мультимедийных и real-time сервисов.

Наконец, систематизация стандартов и протоколов (IP, RTP/UDP, SIP, H.323, MGCP, MEGACO/H.248, SIGTRAN) и роль стандартизирующих организаций (ITU-T, IETF, ETSI, 3GPP) подчеркнули глобальный характер и высокий уровень проработки архитектуры NGN. Актуальные тенденции указывают на IMS как на ключевую технологию для развития 4G/5G сетей, а российский рынок активно адаптируется, смещая фокус производителей оборудования на средства доступа и управления услугами, что подтверждает неизбежность и стратегическую важность перехода к NGN, несмотря на его постепенный характер.

Таким образом, представленный материал предоставляет всесторонний и глубокий анализ NGN, Softswitch и IMS, что делает его прочной и надежной основой для подготовки академических работ по телекоммуникациям.

Список использованной литературы

1. Гольдштейн Б.С. Преподавание систем коммутации: стандарты и потребности / Документальная Электросвязь. 2006. №16.
2. Гольдштейн Б.С. Системы коммутации. Учебник для ВУЗов. 2-е изд., испр. СПб.: BHV, 2004.
3. Гоголь А.А. Вуз без науки жить не может / Мобильные телекоммуникации. №7.
4. Гольдштейн А.Б., Гольдштейн Б.С. Softswitch. СПб.: BHV, 2006.
5. Аваков Р.А., Белявская Т.Г., Исаев В.И., Лисовский Э.П. Методические указания к курсовому проектированию городских координатных АТС. Л.: ЛЭИС, 1985.
6. Аваков Р.А., Исаев В.И., Лисовский Э.П. Методические указания к лабораторным работам на учебном стенде координатной АТС. Л.: ЛЭИС, 1978.
7. Атцик А.А., Гольдштейн А.Б., Саморезов В.В. IP-коммуникации в NGN. СПб.: СПбГУТ, 2007.
8. Гольдштейн Б.С., Зарубин А.А., Саморезов В.В. Протокол SIP. Справочник. СПб.: БХВ-Петербург, 2005.
9. Гольдштейн А.Б., Соколов Н. А. На пути к Next Generation Networks. Сколько шагов осталось пройти // Connect! Мир связи. 2006. № 11.
10. Гольдштейн А.Б., Атцик А.А. Еще один взгляд на NGN: мобильная конвергенция // Мобильные телекоммуникации. 2006. №2.
11. Гольдштейн А.Б., Соколов Н. А. Подводная часть айсберга по имени NGN (Часть 2) // Технологии и средства связи. 2006. №3.
12. Гольдштейн Б.С., Пинчук А.В., Суховицкий А.Л. IP-телефония. М.: Радио и связь, 2003.
13. Гольдштейн Б.С. Сигнализация в сетях связи. Том 1. 4-е изд. М.: Радио и связь, 2005.
14. Семенов Ю.В. Проектирование сетей связи следующего поколения. СПб.: Наука и техника, 2005.
15. Сети связи следующего поколения. Лекция 14: IMS. НОУ ИНТУИТ.
16. Общая архитектура сети NGN. Казахский университет международных отношений и мировых языков им. Абылай хана.
17. Трехуровневая модель NGN. Уровень управления коммутацией и передачи информации.
18. Сравнительная характеристика Softswitch и подсистемы IMS.
19. Difference Between IMS (IP Multimedia Subsystem) and Softswitch. Tutorials Point.
20. Сети NGN.
21. Сети следующего поколения NGN Next Generation Networks. Системы управления, связи и безопасности.
22. Оборудование и протоколы сетей NGN. Проф. А.В. Росляков.
23. Softswitch и IMS: сходства и различия.
24. Построение NGN.
25. Элементы и основные протоколы сетей NGN.
26. Основные протоколы сети NGN. Уральский технический институт связи и информатики (филиал СибГУТИ).
27. Анализ и сравнение контроля QoS (качества услуг) в сетях следующего поколения. Макдэйд Катал, Молодой ученый.
28. Протоколы (на основе Softswitch). Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
29. Федосеева. Автореферат. Качество обслуживания в NGN.
30. Сети NGN. Текущее состояние и перспективные пути оптимизации трафика в сетях доступа. Статья в журнале «Молодой ученый».
31. Кобзарь Е. А., Кривоносова Н. В. Обзор технологии IMS. ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича».
32. Особенности архитектуры сетей следующих поколений и QoS. КиберЛенинка.
33. Решения для сетей NGN/IMS.
34. Анализ и сравнение контроля QoS (качества услуг). Беспроводные технологии.
35. Хатунцев А.Б. Перспективы и предпосылки внедрения сетей связи следующего поколения в России. КиберЛенинка.
36. Концепция NGN и стратегии развития корпоративных сетей. itWeek.
37. NGN — провальный фокус традиционных операторов? CNews.ru.