張建豐中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所

一種基于窄帶無(wú)線用戶接入IMS的無(wú)線接入控制技術(shù)

張建豐
中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所

MS是3GPP在Release 5版本提出的支持IP多媒體業(yè)務(wù)的子系統(tǒng)，其核心特點(diǎn)是采用SIP協(xié)議和與接入的無(wú)關(guān)性。就IMS支持SIP協(xié)議和與接入的無(wú)關(guān)性，在帶寬資源有限的情況下針對(duì)窄帶無(wú)線用戶接入IMS，重點(diǎn)提出了一種典型的無(wú)線接入控制技術(shù)，并詳細(xì)分析其在系統(tǒng)中的位置、框架結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、接口定義以及典型功能的實(shí)現(xiàn)方式。

IP多媒體子系統(tǒng) 接入無(wú)關(guān)性窄帶無(wú)線用戶 無(wú)線接入控制技術(shù)

1 引言

隨著IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng)）系統(tǒng)框架的不斷完善、提供豐富的業(yè)務(wù)能力、綜合的網(wǎng)絡(luò)解決能力以及商用化進(jìn)程的加快，已逐漸取代傳統(tǒng)的交換設(shè)備，在當(dāng)下市場(chǎng)已占有一定地位。IMS最核心的特點(diǎn)之一就是采用SIP（Session Initiation Protocol，會(huì)話初始協(xié)議）協(xié)議，而SIP是IETF（Internet Engineering Task Force，因特網(wǎng)工程任務(wù)組）制定的多媒體通信協(xié)議，它是一個(gè)基于文本的應(yīng)用層控制協(xié)議，獨(dú)立于底層協(xié)議，用于建立、修改和終止IP網(wǎng)上的雙方或多方的多媒體會(huì)話。

在多媒體會(huì)話建立過(guò)程中，由于SIP基于文本格式，同時(shí)與SIP一同使用的還有SDP（Session Description Protocol，會(huì)話描述協(xié)議）和RTP（Real-Time Transport Protocol，實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議）協(xié)議，在傳輸過(guò)程中均占用較大帶寬資源，因此在傳統(tǒng)的窄帶無(wú)線鏈路上無(wú)法高效率傳輸，甚至無(wú)法傳輸。即使SIP協(xié)議支持壓縮，但其目前的壓縮率還是無(wú)法滿足在窄帶無(wú)線鏈路上的有效傳輸，故在傳統(tǒng)窄帶無(wú)線用戶接入IMS系統(tǒng)時(shí)，同時(shí)參考EPC（Evolved Packet Core，演進(jìn)的分組核心網(wǎng)）實(shí)現(xiàn)框架，提出了一種新的無(wú)線接入控制技術(shù)。

該無(wú)線接入控制技術(shù)除了具備普通接入網(wǎng)關(guān)功能外，還實(shí)現(xiàn)了窄帶無(wú)線用戶的移動(dòng)性管理、用戶特性功能控制等，對(duì)IMS而言，屏蔽了窄帶無(wú)線用戶的自身特性，體現(xiàn)了IMS的核心特點(diǎn)。

2 無(wú)線接入控制在系統(tǒng)中的位置

在系統(tǒng)中，無(wú)線接入控制技術(shù)既可以作為IMS中的獨(dú)立功能實(shí)體運(yùn)行，同時(shí)也可以獨(dú)立于IMS，作為單獨(dú)設(shè)備中的無(wú)線接入控制軟件運(yùn)行。

3 框架結(jié)構(gòu)

無(wú)線接入控制技術(shù)對(duì)IMS提供用戶注冊(cè)、會(huì)話管理和分組數(shù)據(jù)等服務(wù)，同時(shí)期待從下層獲得應(yīng)用層業(yè)務(wù)的空口協(xié)議、分組數(shù)據(jù)以及IP話音流等服務(wù)。

無(wú)線接入控制技術(shù)具備無(wú)線接入設(shè)備的接入節(jié)點(diǎn)管理和無(wú)線資源管理等、窄帶無(wú)線用戶的移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、短消息、動(dòng)態(tài)重組補(bǔ)充業(yè)務(wù)、分組數(shù)據(jù)路由和傳送以及用戶數(shù)據(jù)管理等、無(wú)線接入設(shè)備和窄帶無(wú)線用戶的IP地址池管理等功能。其中，各功能描述具體如下：

（1）接入節(jié)點(diǎn)管理是無(wú)線接入設(shè)備與無(wú)線接入控制互聯(lián)的前提條件，是后續(xù)業(yè)務(wù)開展的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)鏈路維護(hù)、選路、業(yè)務(wù)維護(hù)等功能。

（2）無(wú)線資源管理是無(wú)線接入控制對(duì)無(wú)線接入設(shè)備的無(wú)線通信通路進(jìn)行分配和維護(hù)管理。

（3）移動(dòng)性管理是無(wú)線接入控制層的核心功能，實(shí)現(xiàn)窄帶無(wú)線用戶的位置管理和切換控制等功能。其中，位置管理主要包括窄帶無(wú)線用戶的入網(wǎng)登記、鑒權(quán)、認(rèn)證以及觸發(fā)向IMS系統(tǒng)進(jìn)行注冊(cè)等操作；切換控制實(shí)現(xiàn)窄帶無(wú)線用戶在無(wú)線接入設(shè)備間移動(dòng)時(shí)能保持業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

（4）會(huì)話管理是無(wú)線終端設(shè)備會(huì)話業(yè)務(wù)的管理單元，包括兩大部分：一是無(wú)線接口協(xié)議與應(yīng)用層間的信令翻譯、呼叫狀態(tài)機(jī)維護(hù)等；二是針對(duì)窄帶無(wú)線用戶部分特殊會(huì)話功能的交換控制、媒體流處理等。

（5）短消息是無(wú)線終端設(shè)備短消息業(yè)務(wù)的控制單元，只需實(shí)現(xiàn)空口協(xié)議與應(yīng)用層協(xié)議翻譯、短消息發(fā)送接收狀態(tài)機(jī)維護(hù)等功能。

（6）用戶數(shù)據(jù)管理具備用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、用戶數(shù)據(jù)更新以及用戶狀態(tài)更改等功能。其中，用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)用于保存用戶的數(shù)據(jù)，包括窄帶無(wú)線用戶識(shí)別碼、用戶永久身份識(shí)別碼、用戶臨時(shí)身份識(shí)別碼、用戶號(hào)碼等；用戶數(shù)據(jù)更新主要是更新、刪除位置信息等，包括用戶位置更新過(guò)程中實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)傳遞以及獨(dú)立的插入用戶數(shù)據(jù)、用戶去附著時(shí)刪除用戶數(shù)據(jù)等。

（7）分組數(shù)據(jù)控制實(shí)現(xiàn)分組路由注冊(cè)、分組數(shù)據(jù)上下文激活、分組數(shù)據(jù)的路由和轉(zhuǎn)發(fā)以及數(shù)據(jù)切換控制等功能。

（8）動(dòng)態(tài)重組是根據(jù)無(wú)線用戶的特性，如集群用戶在窄帶無(wú)線用戶已有分組的基礎(chǔ)上，能動(dòng)態(tài)地對(duì)用戶進(jìn)行臨時(shí)編組以滿足某些臨時(shí)業(yè)務(wù)的開展，該動(dòng)態(tài)組能即時(shí)通知到終端用戶。

（9）故障弱化是在無(wú)IMS存在時(shí)，無(wú)線接入控制技術(shù)能起到簡(jiǎn)單交換控制的作用，支持窄帶無(wú)線用戶接入的基本業(yè)務(wù)開展。

（10）IP地址池管理是對(duì)無(wú)線接入設(shè)備的IP地址進(jìn)行分配和維護(hù)，包括無(wú)線接入設(shè)備互聯(lián)時(shí)的動(dòng)態(tài)IP地址獲取和釋放、窄帶無(wú)線用戶進(jìn)行分組數(shù)據(jù)時(shí)的IP地址分配和回收等。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無(wú)線接入控制技術(shù)是以無(wú)線接入網(wǎng)關(guān)（RGW）為核心，并包括移動(dòng)性管理實(shí)體（MME）、終端設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)（MTDB）、SIP網(wǎng)關(guān)（SIPGW）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW）、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（P-GW）等功能實(shí)體。

在具體應(yīng)用中，各功能設(shè)備可以根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況靈活組合分布。

（1）無(wú)線接入網(wǎng)關(guān)（RGW）

RGW是無(wú)線接入控制面的唯一入口，即無(wú)線接入設(shè)備所有控制面信息都必須通過(guò)該接口與上層進(jìn)行通信，具體實(shí)現(xiàn)功能如下：

具備無(wú)線接入設(shè)備接入功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)線接入設(shè)備向無(wú)線接入控制進(jìn)行注冊(cè)，以便后續(xù)業(yè)務(wù)開展；

實(shí)現(xiàn)空中接口與SIP網(wǎng)關(guān)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換、業(yè)務(wù)開展時(shí)狀態(tài)控制等；

移動(dòng)臺(tái)位置登記時(shí)，RGW與MME、MTDB等完成無(wú)線接入控制內(nèi)部的位置登記控制后，再由RGW觸發(fā)向IMS系統(tǒng)進(jìn)行注冊(cè)；

窄帶無(wú)線用戶自身特性功能的交換控制，如IMS系統(tǒng)發(fā)起PoC業(yè)務(wù)時(shí)，RGW進(jìn)行的特殊處理；

窄帶無(wú)線用戶特性功能開展時(shí)的媒體流處理；

已成功注冊(cè)的移動(dòng)臺(tái)狀態(tài)信息管理。

（2）移動(dòng)性管理實(shí)體（MME）

MME實(shí)現(xiàn)窄帶無(wú)線用戶位置登記、漫游控制、用戶歸屬M(fèi)TDB的選擇、鑒權(quán)認(rèn)證、切換控制以及已成功注冊(cè)移動(dòng)臺(tái)狀態(tài)信息管理等功能。

（3）終端設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)（MTDB）

MTDB是無(wú)線接入控制的數(shù)據(jù)中心，包含設(shè)備系統(tǒng)信息、窄帶無(wú)線用戶的簽約信息和當(dāng)前位置信息、IP地址池?cái)?shù)據(jù)等，完成窄帶無(wú)線用戶的位置登記、鑒權(quán)認(rèn)證信息下發(fā)、動(dòng)態(tài)重組、IP地址分配控制等功能。

（4）SIP網(wǎng)關(guān)（SIPGW）

SIPGW是SIP協(xié)議棧中心，具備無(wú)線接入網(wǎng)關(guān)和SIP網(wǎng)關(guān)間協(xié)議翻譯能力，支持SIP壓縮、IPSec安全聯(lián)盟等，實(shí)現(xiàn)呼叫控制、短消息、注冊(cè)等功能。

（5）服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW）

S-GW實(shí)現(xiàn)分組數(shù)據(jù)會(huì)話管理、分組數(shù)據(jù)路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、QoS控制等功能。

（6）分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（P-GW）

P-GW實(shí)現(xiàn)IP地址分配、分組數(shù)據(jù)會(huì)話管理、分組數(shù)據(jù)路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、接入外部數(shù)據(jù)網(wǎng)、QoS控制等功能。

5 接口定義

5.1 外部接口

（1）A接口

無(wú)線接入控制與無(wú)線接入設(shè)備之間的接口，實(shí)際上是RGW與無(wú)線接入設(shè)備之間的接口，稱為A接口。此接口為網(wǎng)口，基于UDP/IP，網(wǎng)絡(luò)層以上的高層協(xié)議取決于空中接口協(xié)議棧。

（2）Gm接口

無(wú)線接入控制與IMS之間的接口，實(shí)際上是SIP網(wǎng)關(guān)與代理呼叫會(huì)話控制功能（P-CSCF）之間的接口，稱為Gm接口。此接口基于UDP/IP，網(wǎng)絡(luò)層以上的高層協(xié)議為SIP/SDP協(xié)議。

（3）SGi接口

無(wú)線接入設(shè)備與分組網(wǎng)之間的接口，實(shí)際上是P-GW與分組網(wǎng)之間的接口，稱為SGi接口。此接口基于UDP/IP，網(wǎng)絡(luò)層以上的高層協(xié)議取決于不同應(yīng)用軟件的協(xié)議棧。

5.2 內(nèi)部接口

（1）RGW與MME之間的接口（B接口），一般為內(nèi)部接口。

（2）RGW與SIPGW之間的接口（C接口），一般為內(nèi)部接口。

（3）MME與MTDB之間的接口（D接口），此接口為網(wǎng)口，基于UDP/IP，接口標(biāo)準(zhǔn)為Diameter。

（4）RGW與S-GW之間的接口（E接口），一般為內(nèi)部接口。

（5）S-GW與P-GW之間的接口（F接口），此接口為網(wǎng)口，基于UDP/IP，接口標(biāo)準(zhǔn)為GTPv2。

6 典型實(shí)現(xiàn)

6.1 移動(dòng)性管理

無(wú)線接入控制的移動(dòng)性管理包括移動(dòng)臺(tái)位置管理和切換控制等功能。其中，位置管理實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)入網(wǎng)登記、鑒權(quán)、認(rèn)證以及觸發(fā)向IMS系統(tǒng)進(jìn)行注冊(cè)等操作；切換控制實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)在無(wú)線接入設(shè)備間移動(dòng)時(shí)能保持業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

（1）位置管理

從無(wú)線接入控制出發(fā)，位置管理分為兩個(gè)方面：一是在無(wú)線接入控制內(nèi)部功能實(shí)體間根據(jù)窄帶無(wú)線用戶攜帶的身份標(biāo)識(shí)（永久身份識(shí)別標(biāo)識(shí)/臨時(shí)身份識(shí)別標(biāo)識(shí)）完成入網(wǎng)登記、鑒權(quán)和認(rèn)證等操作，包括歸屬地查找、授權(quán)信息獲取、臨時(shí)身份標(biāo)識(shí)分發(fā)、鑒權(quán)比較等；二是根據(jù)無(wú)線接入控制位置登記完成后所獲取的相關(guān)用戶信息觸發(fā)向IMS系統(tǒng)進(jìn)行注冊(cè)，以完成移動(dòng)臺(tái)的IMS注冊(cè)，方便窄帶無(wú)線用戶后續(xù)相關(guān)業(yè)務(wù)的發(fā)起。具體如下：

1：窄帶無(wú)線用戶加電開機(jī)或發(fā)生漫游時(shí)，發(fā)送位置登記請(qǐng)求通過(guò)無(wú)線接入設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)RGW（T_RGW）；

2：接收到位置登記后，T_RGW分析其攜帶的身份標(biāo)識(shí)選擇目標(biāo)MME（T_MME）或者直接選擇本地的T_MME；

3：T_MME記錄T_RGW的地址并分析其身份標(biāo)識(shí)，獲取其歸屬M(fèi)TDB（H_MTDB）的位置信息；

4：如果H_MTDB分析其位置登記信息，發(fā)現(xiàn)該用戶已在原MME（S_MME）中登記，則通知S_MME刪除該用戶信息，同時(shí)提取簽約用戶信息發(fā)送位置登記確認(rèn)；

4a：S_MME、原RGW（S_RGW）刪除用戶信息，回復(fù)刪除確認(rèn)應(yīng)答；

5：T_MME記錄接收自T_MTDB的用戶簽約數(shù)據(jù)，產(chǎn)生臨時(shí)身份識(shí)別標(biāo)識(shí)；

6：同樣，T_RGW記錄用戶簽約信息，并提取必要信息通知目標(biāo)SIPGW（T_SIPGW）；

7：根據(jù)來(lái)自T_RGW的用戶信息，T_SIPGW封裝成SIP協(xié)議（REGISTER）發(fā)往IMS系統(tǒng)進(jìn)行注冊(cè)；

8：收到來(lái)自IMS系統(tǒng)的應(yīng)答（200OK）后，T_SIPGW轉(zhuǎn)發(fā)至T_RGW；

9：T_RGW收到轉(zhuǎn)發(fā)的注冊(cè)響應(yīng)后，向移動(dòng)臺(tái)發(fā)送位置登記確認(rèn)。

（2）切換控制

在切換過(guò)程中，移動(dòng)臺(tái)源接入點(diǎn)作為切換控制面的錨點(diǎn)，即發(fā)生切換時(shí)，不管是首次切換還是后續(xù)切換，此過(guò)程中涉及控制面的信令都需回到源接入點(diǎn)進(jìn)行交換控制，至于切換過(guò)程中的業(yè)務(wù)面，則以發(fā)生切換的移動(dòng)臺(tái)業(yè)務(wù)發(fā)往的目的端作為錨點(diǎn)，由控制面在切換過(guò)程中重新協(xié)商業(yè)務(wù)流的流向。

具體如下：

1：窄帶無(wú)線用戶B在源接入點(diǎn)發(fā)起切換請(qǐng)求，攜帶目標(biāo)小區(qū)信息；

2：源RGW（S_RGW）讀取目的小區(qū)信息，通知源MME（S_MME）移動(dòng)臺(tái)發(fā)生切換，并告知目標(biāo)信息；

3：分析目標(biāo)切換信息，如果S_MME發(fā)現(xiàn)該小區(qū)信息錯(cuò)誤，則直接拒絕切換，否則匹配目標(biāo)小區(qū)對(duì)應(yīng)的MME（T_MME），向其發(fā)送切換請(qǐng)求；

4：T_MME收到切換請(qǐng)求后，向目標(biāo)RGW（T_RGW）發(fā)送切換請(qǐng)求，期待獲取切換小區(qū)信道信息、承載信息、業(yè)務(wù)流接口信息等；

5：T_RGW向目標(biāo)小區(qū)發(fā)送切換請(qǐng)求，向無(wú)線接入設(shè)備提出相應(yīng)無(wú)線資源；

6：接收到來(lái)自無(wú)線接入設(shè)備的切換應(yīng)答后，T_RGW讀取信道信息、承載信息、業(yè)務(wù)流接口信息等，并轉(zhuǎn)發(fā)至T_MME；

7：讀取信道信息、承載信息、業(yè)務(wù)流接口信息等，封裝后T_MME將其發(fā)送至S_MME；

8：同樣，S_MME將其信息轉(zhuǎn)發(fā)至S_RGW；

9：S_RGW讀取業(yè)務(wù)流接口信息發(fā)送至源SIPGW（S_SIPGW），同時(shí)保存小區(qū)信道等信息；

10：S_SIPGW獲取相關(guān)目的端業(yè)務(wù)流信息后，向IMS系統(tǒng)發(fā)起重新建鏈（REINVITE—200OK）；

11：重新建鏈完成后，通知T_RGW建鏈完成，移動(dòng)臺(tái)可以切換到新小區(qū)；

12：T_RGW發(fā)送切換應(yīng)答消息，攜帶目的端的信道信息等，通知其切換。

在切換過(guò)程中，窄帶無(wú)線用戶源接入點(diǎn)作為切換控制面的錨點(diǎn)，源接入點(diǎn)主動(dòng)將用戶上下文發(fā)送給目標(biāo)接入點(diǎn)，切換過(guò)程中的業(yè)務(wù)面同樣以源接入點(diǎn)作為錨點(diǎn)，通過(guò)在源接入點(diǎn)和目標(biāo)接入點(diǎn)之間建立隧道來(lái)傳輸切換過(guò)程中的上下行數(shù)據(jù)，待切換完成后分組數(shù)據(jù)通過(guò)目標(biāo)接入點(diǎn)直接傳輸。

數(shù)據(jù)切換控制流程描述可參考話音切換控制流程，基本相同。兩者差別之處在于業(yè)務(wù)流的承載建立上：數(shù)據(jù)切換控制中，切換完成后S_S-GW用于數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)；而話音切換控制中，業(yè)務(wù)流直接是端到端傳輸，不存在數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。

6.2 會(huì)話管理

在前面框架結(jié)構(gòu)中提到，無(wú)線接入控制的會(huì)話管理主要實(shí)現(xiàn)了兩大功能：一是具備普通的網(wǎng)關(guān)功能，即無(wú)線接口協(xié)議與應(yīng)用層間的信令翻譯、呼叫狀態(tài)機(jī)維護(hù)等；二是該架構(gòu)因針對(duì)用戶接入特性而支持的特殊功能，比如具備會(huì)話控制、媒體流處理等，典型的是窄帶集群用戶的組呼功能，通過(guò)PoC服務(wù)器發(fā)起業(yè)務(wù)。

無(wú)線接入控制接入多個(gè)無(wú)線接入設(shè)備，PoC服務(wù)器發(fā)起PoC業(yè)務(wù)時(shí)，由IMS系統(tǒng)尋址并發(fā)送到無(wú)線接入控制；此時(shí)RGW需要具備會(huì)話控制，查詢?cè)摻M呼中組呼成員的位置登記信息，同時(shí)向各無(wú)線接入設(shè)備發(fā)送尋呼信令，并申請(qǐng)媒體流處理資源，用于分發(fā)媒體流。

7結(jié)束語(yǔ)

本文為窄帶無(wú)線用戶接入IMS系統(tǒng)提供了一種典型的框架體系，規(guī)定了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、接口定義和典型流程的實(shí)現(xiàn)方式，屏蔽了窄帶無(wú)線用戶的自身特性，實(shí)現(xiàn)了IMS系統(tǒng)的與接入無(wú)關(guān)性特點(diǎn)，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

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