章廣梅,王煒發(fā),郭水平,張 潔
(中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所,廣東 廣州 510310)
以移動(dòng)通信為代表的無線通信網(wǎng)絡(luò)從單個(gè)獨(dú)立建設(shè),逐步向多元化和綜合化發(fā)展,各種無線網(wǎng)絡(luò)包括蜂窩移動(dòng)接入、寬帶無線接入等無線網(wǎng)必將與固定網(wǎng)融合接入基于IP的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)。在這種日益復(fù)雜的異構(gòu)融合的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,由于不同的接入網(wǎng)絡(luò)具有不同技術(shù)體制,覆蓋不同范圍,具有不同的網(wǎng)絡(luò)性能,在當(dāng)前用戶實(shí)時(shí)直播和虛擬現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)的迅速普及需求場景下[1-2],單一通信網(wǎng)絡(luò)越來越難以滿足人們對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信高可靠、高帶寬和低時(shí)延的需求。因此,研究異構(gòu)融合多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的無感切換,為用戶提供復(fù)雜多網(wǎng)接入環(huán)境下跨網(wǎng)絡(luò)的選擇和切換,提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性,并最大化網(wǎng)絡(luò)資源利用率,必然是多網(wǎng)融合通信技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
現(xiàn)有業(yè)界的技術(shù)解決方案中[3-4],一般根據(jù)移動(dòng)終端所處區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度等多種網(wǎng)絡(luò)參數(shù),在網(wǎng)絡(luò)層來進(jìn)行垂直切換控制。但是,在這種網(wǎng)絡(luò)層切換技術(shù)方案中,當(dāng)移動(dòng)終端進(jìn)入到某個(gè)區(qū)域內(nèi)[5],且該區(qū)域內(nèi)的若干網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生劇烈變換時(shí),容易出現(xiàn)用戶終端在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)中頻繁切換所引起的切換準(zhǔn)確率不高、切換效率低,甚至誤切換等一系列的問題。然而,如果通過上層應(yīng)用層進(jìn)行控制切換,由于涉及到固定網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng),以及上層業(yè)務(wù)信令控制,機(jī)制較為復(fù)雜。但考慮到從上層應(yīng)用進(jìn)行控制,可以屏蔽底層網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)無關(guān)性,因此基于統(tǒng)一通信的應(yīng)用層切換控制具有獨(dú)特的優(yōu)勢。
綜上所述,本文重點(diǎn)研究基于統(tǒng)一通信在應(yīng)用業(yè)務(wù)控制層的無感切換機(jī)制,探討屏蔽底層的多種接入網(wǎng)絡(luò);從應(yīng)用控制層進(jìn)行業(yè)務(wù)無感切換研究,提出一種與底層網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的無感切換解決方案;創(chuàng)新性引入多網(wǎng)絡(luò)切換控制(Multi-Network Handover Control,MNHC)功能實(shí)體,并詳細(xì)闡述了無感切換流程;根據(jù)統(tǒng)一用戶管理的信息,從應(yīng)用控制層監(jiān)測多個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),進(jìn)行控制面信令用戶無感知切換控制,避免網(wǎng)絡(luò)層切換的弊端,可以有效解決多網(wǎng)切換問題。
統(tǒng)一通信把計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)融合一體,讓人們無論任何時(shí)間、任何地點(diǎn),都可以通過任何設(shè)備、任何網(wǎng)絡(luò),獲得數(shù)據(jù)、圖像和聲音的通信連接。典型的統(tǒng)一通信架構(gòu)組成包括實(shí)現(xiàn)電話、傳真、數(shù)據(jù)傳輸、音視頻會(huì)議、呼叫中心、即時(shí)通信等眾多應(yīng)用服務(wù)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上。其本質(zhì)上是以互聯(lián)網(wǎng)作為物理依托,將傳統(tǒng)通信融合進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字環(huán)境,并且同時(shí)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的現(xiàn)代化數(shù)字通信工具實(shí)現(xiàn)支持,架設(shè)起不同通信工具之間的信息通路,同步信息的發(fā)送與獲取,使其成為一個(gè)有機(jī)整體。從總體發(fā)展的角度看,統(tǒng)一通信隨著基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)融合而呈現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力,突出表現(xiàn)在無縫連接、高集成以及連續(xù)服務(wù)3個(gè)技術(shù)層面上。
統(tǒng)一通信架構(gòu)是一個(gè)通過標(biāo)準(zhǔn)化接口連接的功能的集合,其典型組成由歸屬用戶服務(wù)器(Home Subscriber Server,HSS)、簽約位置功能(Subscription Locator Function,SLF)、呼叫/會(huì)話控制功能(Call Session Control Function,CSCF)、 應(yīng) 用 服務(wù)器(Application Server,AS)以及媒體資源功能(Multimedia Resource Function,MRF)等組成。本文在統(tǒng)一通信無縫連接架構(gòu)基礎(chǔ)上,增加多網(wǎng)切換控制MNHC功能,對(duì)位于不同網(wǎng)絡(luò)的終端分配不同的私有標(biāo)識(shí)號(hào)碼,并且不同終端組成一個(gè)組,該組具有統(tǒng)一的用戶號(hào)碼(公有標(biāo)識(shí)),在應(yīng)用層監(jiān)控各終端的網(wǎng)絡(luò)連通情況,當(dāng)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí),不需要重新建立呼叫,即可切換到其他可用網(wǎng)絡(luò)終端。
如圖1所示,基于統(tǒng)一通信的異構(gòu)多網(wǎng)無感切換系統(tǒng)從體系架構(gòu)上分為多網(wǎng)接入層、應(yīng)用控制層、服務(wù)應(yīng)用層。其中:多網(wǎng)接入層包括了多種接入網(wǎng)絡(luò),涵蓋固定寬帶接入、WiFi(Wireless Fidelity)接入以及移動(dòng)通信網(wǎng),此處的移動(dòng)網(wǎng)主要是指以5G為代表的移動(dòng)通信網(wǎng);服務(wù)應(yīng)用層也是應(yīng)用實(shí)體,主要包括實(shí)時(shí)直播、虛擬現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)、電話、傳真、音/視頻會(huì)議、呈現(xiàn)業(yè)務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)管理信息服務(wù)等應(yīng)用;應(yīng)用控制層主要由用戶狀態(tài)服務(wù)器、多網(wǎng)切換MNHC模塊、查詢會(huì)話控制、服務(wù)會(huì)話控制、代理會(huì)話控制、簽約位置功能、媒體服務(wù)器(Multimedia Resource Server,MRS)、域名系統(tǒng)(Domain Name System,DNS)以及統(tǒng)一用戶管理(Unified User Management,UUM)等功能模塊組成。這里主要對(duì)本文涉及到的應(yīng)用控制層的功能實(shí)體進(jìn)行分析。
負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)和分發(fā)用戶呈現(xiàn)(Presence)信息,并對(duì)用戶的呈現(xiàn)信息進(jìn)行管理。主要功能包括:
(1)接收用戶的狀態(tài)通知,并通知其相應(yīng)的白名單對(duì)象;
(2)接收用戶的訂閱請求,并根據(jù)被訂閱用戶的黑白名單決定其請求是否被批準(zhǔn);
(3)收集其他呈現(xiàn)業(yè)務(wù)實(shí)體發(fā)來的用戶狀態(tài)信息;
(4)接收資源列表訂閱請求并發(fā)送資源列表狀態(tài)信息。
MNHC根據(jù)統(tǒng)一用戶管理的信息,從應(yīng)用控制層監(jiān)測多個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),對(duì)被叫為統(tǒng)一用戶管理的呼叫進(jìn)行處理,重新下發(fā)對(duì)組內(nèi)所有用戶號(hào)碼的呼叫。此外MNHC還會(huì)對(duì)主叫為統(tǒng)一用戶管理內(nèi)的號(hào)碼的呼叫進(jìn)行處理,將主叫修改為統(tǒng)一用戶管理的虛號(hào)(組號(hào))。
(1)用戶狀態(tài)監(jiān)控功能:在收到CSCF的用戶注冊通知時(shí),若是開通多網(wǎng)切換功能的用戶,則與用戶建立網(wǎng)絡(luò)鏈路監(jiān)控。
(2)多網(wǎng)切換功能:開通多網(wǎng)切換功能的用戶在通話中時(shí)出現(xiàn)鏈路斷開等網(wǎng)絡(luò)惡化情況時(shí),MNHC選擇統(tǒng)一用戶管理內(nèi)連接正常的優(yōu)先級(jí)最高的真實(shí)號(hào)碼,進(jìn)行多網(wǎng)切換,保證呼叫的正常進(jìn)行。
(3)呼叫回切功能:在優(yōu)先級(jí)較高的鏈路斷開的終端回復(fù)連接后,將呼叫切回到原有用戶鏈路。
查詢會(huì)話控制功能(Interrogating Call Session Control Function,I-CSCF)實(shí)體是本系統(tǒng)融合網(wǎng)絡(luò)域的入口功能節(jié)點(diǎn),當(dāng)用戶需要獲得異構(gòu)多網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)域提供的服務(wù)時(shí),先經(jīng)過由查詢會(huì)話控制功能實(shí)體完成的查詢會(huì)話控制,具體分為以下兩個(gè)功能。
(1)當(dāng)多網(wǎng)的用戶設(shè)備(User Equipment,UE)申請注冊時(shí),由I-CSCF為用戶分配服務(wù)會(huì)話控制功能。
(2)當(dāng)用戶在會(huì)話階段,I-CSCF完成從歸屬用戶服務(wù)器獲取服務(wù)會(huì)話控制(Serving Call Session Control Functiong,S-CSCF)的地址的功能;從而相應(yīng)S-CSCF完成前轉(zhuǎn)會(huì)話發(fā)起協(xié)議的請求或響應(yīng)消息。
服務(wù)會(huì)話控制為UE提供注冊服務(wù)、會(huì)話控制,以及選路,具有維持UE間會(huì)話狀態(tài)信息的功能。多網(wǎng)用戶UE發(fā)送和接收的會(huì)話發(fā)起協(xié)議(Session Initiation Protocol,SIP)消息經(jīng)過S-CSCF,并根據(jù)初始觸發(fā)規(guī)則確定和業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)之間的交互。具體功能分為以下兩個(gè)階段。
1.4.1 UE注冊階段
(1)作為注冊服務(wù)器,對(duì)來自用戶設(shè)備UE的注冊請求消息進(jìn)行處理;
(2)通過與HSS交互,完成對(duì)UE的認(rèn)證和鑒權(quán),更新HSS上用戶的注冊狀態(tài)信息;
(3)如果認(rèn)證通過,S-CSCF從HSS下載用戶的相關(guān)信息;
(4)完成維持用戶的注冊狀態(tài)功能,并且在UE注冊狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),向UE發(fā)送相應(yīng)的通知消息。
1.4.2 UE會(huì)話階段
(1)為UE提供會(huì)話控制功能,可以工作在代理模式(Proxy)或者用戶代理模式(User Agent,UA)。
(2)支持完成與業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)交互的功能。
(3)根據(jù)會(huì)話需要或者業(yè)務(wù)需要,完成控制MRS向UE發(fā)送特定音頻資源等功能。
(4)完成控制功能,比如:確定為被叫UE提供服務(wù)的I-CSCF,并轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)會(huì)話發(fā)起協(xié)議請求和響應(yīng)消息;處理由業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)觸發(fā)的始發(fā)請求;和電話號(hào)碼映射(Elephone Number Mapping,ENUM)服務(wù)器進(jìn)行交互獲取和被叫統(tǒng)一資源標(biāo)志(Uniform Resource Identifier,URI)對(duì)應(yīng)的統(tǒng)一IP多媒體子系統(tǒng)(IP Multimedia Subsystem,IMS)核心網(wǎng)中可路由SIP URI等。
(5)提供終結(jié)會(huì)話控制相關(guān)功能,主要包括:向固定或移動(dòng)的代理呼叫會(huì)話控制功能實(shí)體轉(zhuǎn)發(fā)會(huì)話發(fā)起協(xié)議請求和響應(yīng)消息;當(dāng)UE為未注冊用戶而需提供服務(wù)時(shí),收到該未注冊UE的請求消息后,如果S-CSCF上沒有用戶業(yè)務(wù)清單等相關(guān)信息,C-CSCF和HSS交互下載相關(guān)信息。
代理會(huì)話控制功能(Proxy Call Session Control Function,P-CSCF)是為用戶多網(wǎng)接入提供服務(wù)的入口節(jié)點(diǎn),主要功能如下:
(1)P-CSCF前轉(zhuǎn)從用戶收到的會(huì)話發(fā)起協(xié)議注冊請求,根據(jù)用戶的歸屬域名確定下一個(gè)入口節(jié)點(diǎn);
(2)P-CSCF向會(huì)話發(fā)起協(xié)議服務(wù)器前轉(zhuǎn)從UE收到的會(huì)話發(fā)起協(xié)議消息,通過注冊過程P-CSCF獲得該會(huì)話發(fā)起協(xié)議服務(wù)器的地址信息;
(3)P-CSCF向用戶前轉(zhuǎn)會(huì)話發(fā)起協(xié)議請求或響應(yīng)消息;
(4)P-CSCF支持檢測緊急會(huì)話建立請求并進(jìn)行相應(yīng)的處理功能;
(5)P-CSCF建立并維護(hù)和UE之間的安全偶聯(lián);
(6)P-CSCF完成對(duì)會(huì)話發(fā)起協(xié)議消息進(jìn)行壓縮和解壓縮的功能。
SLF簽約位置功能,是IMS體系結(jié)構(gòu)中主要數(shù)據(jù)庫之一。SLF在系統(tǒng)中處于交換層,主要功能是輔助CSCF實(shí)現(xiàn)抗毀、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)功能等重要功能。具體包括:
(1)SLF在交換機(jī)啟動(dòng)時(shí)或定期向SLF端口廣播本交換機(jī)信息,完成與網(wǎng)絡(luò)中的其他交換機(jī)的信息交互,獲得交換機(jī)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境信息,與此同時(shí),網(wǎng)絡(luò)中的其他交換機(jī)也獲得了本交換機(jī)的信息;
(2)用戶信息查詢功能:SLF提供以用戶號(hào)碼為關(guān)鍵字的歸屬域、備份域以及掛載域信息的查詢接口,現(xiàn)所能查到的信息包含歸屬域(或備份域、掛載域)域名、接入IP和端口等。
異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)具備提供多種媒體處理功能,包括不同編解碼算法間的轉(zhuǎn)換等各種資源功能、通信功能,以及管理維護(hù)功能等。由MRS根據(jù)不同業(yè)務(wù)需求提供信號(hào)音的產(chǎn)生和發(fā)送、錄音通知的發(fā)送、混音等,具體功能如下:
(1)來自服務(wù)會(huì)話控制設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)器的會(huì)話發(fā)起協(xié)議消息,或來自應(yīng)用服務(wù)器的H.248消息,經(jīng)過MRS解析,由MRS完成控制相關(guān)資源的功能;
(2)MRS具備雙音多頻(Dual Tone Multi-Frequency,DTMF)信號(hào)的采集和解碼功能;
(3)完成信號(hào)音的產(chǎn)生和發(fā)送功能;
(4)完成特定音資源的發(fā)送功能;
(5)可以根據(jù)會(huì)話發(fā)起協(xié)議消息中包含的資源URI信息從其他地方獲取相關(guān)的音頻資源信息并完成發(fā)送;
(6)MRS支持對(duì)媒體流進(jìn)行處理,包括混合入媒體流、編解碼轉(zhuǎn)換等。
DNS服務(wù)器完成域名查詢服務(wù)功能,代理會(huì)話控制設(shè)備、服務(wù)會(huì)話控制設(shè)備等可以查詢域名系統(tǒng)獲得被叫或注冊UE歸屬域的查詢會(huì)話控制功能的地址。
UUM服務(wù)器統(tǒng)一存儲(chǔ)異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)域內(nèi)和UE相關(guān)信息和業(yè)務(wù)相關(guān)信息等用戶數(shù)據(jù),包含用戶簽約數(shù)據(jù)、策略數(shù)據(jù)等,提供用戶簽約數(shù)據(jù)訪問、位置登記等,具體功能分為以下4種。
(1)存儲(chǔ)UE信息和業(yè)務(wù)信息,包括UE的公有標(biāo)識(shí)、用戶私有標(biāo)識(shí)和尋址信息,UE的安全信息,UE的位置信息,UE的業(yè)務(wù)簽約信息,透明的應(yīng)用數(shù)據(jù)。
(2)與查詢會(huì)話控制設(shè)備(I-CSCF)交互,指派服務(wù)會(huì)話控制(S-CSCF),獲取為公共業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)(Public Service Identity,PSI)服務(wù)的應(yīng)用服務(wù)器等相關(guān)信息。
(3)生成認(rèn)證向量信息,與S-CSCF交互,完成用戶認(rèn)證,獲取用戶注冊信息,并向S-CSCF設(shè)備傳送相關(guān)用戶信息以及業(yè)務(wù)信息。
(4)與AS交互,響應(yīng)AS的業(yè)務(wù)信息查詢;接收AS定制數(shù)據(jù)變更通知;接收AS將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)同步到HSS上。
基于統(tǒng)一通信的異構(gòu)多網(wǎng)無感切換的主要流程包括用戶注冊流程、用戶呼入流程、用戶呼出流程、多網(wǎng)切換控制流程等,其中用戶注冊流程如圖2所示,用戶呼入流程如圖3所示,用戶呼出流程如圖4所示,多網(wǎng)切換控制流程見圖5,下面進(jìn)行詳細(xì)分析。
步驟1~步驟2:多網(wǎng)用戶設(shè)備UE(開通多網(wǎng)切換功能)通過統(tǒng)一號(hào)碼向CSCF進(jìn)行注冊,CSCF回復(fù)200 ok。
步驟3~步驟4:CSCF查詢用戶信息,發(fā)現(xiàn)UE開啟多網(wǎng)切換功能,將注冊信息觸發(fā)至MNHC,MNHC回復(fù)200 ok表示已處理該注冊消息。
步驟5~步驟6:MNHC通過CSCF向UE發(fā)送監(jiān)測請求。
步驟7~步驟8:UE收到監(jiān)測請求后回復(fù)監(jiān)測響應(yīng)。
步驟9~步驟12:MNHC在每經(jīng)過監(jiān)測周期T后會(huì)再次與UE進(jìn)行監(jiān)測交互,若UE狀態(tài)正常,MNHC會(huì)收到來自UE的監(jiān)測響應(yīng)。
步驟1~步驟2:UE2呼叫UE1(A網(wǎng)、B網(wǎng))共同的虛號(hào)(公有標(biāo)識(shí)),CSCF將呼叫觸發(fā)至MNHC。
步驟3~步驟4:MNHC查詢用戶信息,獲取虛號(hào)對(duì)應(yīng)的實(shí)際用戶號(hào)碼(私有標(biāo)識(shí)),然后下發(fā)對(duì)用戶號(hào)碼的呼叫。
步驟5~步驟6:CSCF將呼叫下發(fā)至UE1(A網(wǎng)、B網(wǎng))。
步驟7~步驟8:UE1(B網(wǎng))接聽呼叫。
步驟9~步驟10:MNHC拆除到UE1(A網(wǎng))的呼叫。
步驟11~步驟12:MNHC回復(fù)200 ok給主叫方,UE2與UE1(B網(wǎng))建立通話。
步驟1~步驟2:UE1呼叫UE2,CSCF將呼叫觸發(fā)至MNHC。
步驟3:MNHC查詢用戶信息,獲取UE1所在多模通的虛號(hào),然后將主叫信息修改為虛號(hào),然后轉(zhuǎn)發(fā)呼叫。
步驟4:CSCF將呼叫UE2。
步驟5~步驟8:UE2接聽呼叫,UE1與UE2建立通話。
步驟1~步驟2:MNHC檢測到UE1出現(xiàn)B網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中斷異常,A網(wǎng)監(jiān)測正常。
步驟3~步驟4:MNHC拆除UE1(B網(wǎng))的呼叫。
步驟5~步驟6:MNHC發(fā)起到UE1(A網(wǎng))的呼叫。
步驟7~步驟8:UE1(A網(wǎng))接聽呼叫。
步驟9~步驟12:MNHC修改UE2的媒體屬性,使UE1(A網(wǎng))與UE2建立通話。
隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速發(fā)展,為了滿足用戶實(shí)時(shí)直播和虛擬現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)的迅速普及的需求,未來的信息網(wǎng)絡(luò)將是融合了固定、無線等不同技術(shù)體制的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)。由于不同的網(wǎng)絡(luò)(包括固定網(wǎng)絡(luò)、多種移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等)在傳播特性、帶寬、時(shí)延、覆蓋范圍等方面具有不同的性能,目前仍沒有單一的接入通信手段或網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)滿足高可靠、帶寬高、覆蓋廣、移動(dòng)性高并且時(shí)延低的要求。需要研究不同網(wǎng)絡(luò)之間的無感切換繼續(xù)保證通信的可靠和不間斷進(jìn)行,在未來的綜合接入網(wǎng)絡(luò)中,多種異構(gòu)無線/固定接入網(wǎng)絡(luò)之間的無感切換仍然是研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。本文探討了統(tǒng)一通信架構(gòu)下在應(yīng)用控制層進(jìn)行用戶無感切換的技術(shù)機(jī)制,基于統(tǒng)一通信的接入無關(guān)特性,提出一種基于統(tǒng)一通信架構(gòu)的多網(wǎng)無感切換解決方案,在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一通信架構(gòu)基礎(chǔ)上,創(chuàng)新性增加多網(wǎng)無感切換功能實(shí)體,具有與接入網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的優(yōu)點(diǎn),為用戶提供復(fù)雜多網(wǎng)接入環(huán)境下跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的選擇和切換,有利于解決網(wǎng)絡(luò)層誤切換等問題,提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。