VoLTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)論述

韓 健

（東北大學(xué)秦皇島分校 網(wǎng)絡(luò)中心，河北 秦皇島 066000）

0 概述

2004年11月，3GPP（the third generation partnership project）標(biāo)準(zhǔn)化組織通過了“3G 長(zhǎng)期演進(jìn)”，即LTE（Long Term Evolution）移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目。近些年，隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有的2G/3G 網(wǎng)絡(luò)將無法滿足移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，從而驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)快速向LTE 演進(jìn)。2009年3月，3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了R8 系統(tǒng)版本技術(shù)規(guī)范，該規(guī)范定義了整個(gè)EPC 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。同年12月，TeliaSonera 公司部署世界上第一個(gè)LTE 商用網(wǎng)絡(luò)。迄今為止，根據(jù)GSA 發(fā)布的研究報(bào)告，截至今年7月底，全球商用LTE 增加到200 張。全世界總計(jì)已有76 個(gè)國(guó)家正式部署商用LTE 網(wǎng)絡(luò)。在我國(guó)，TD-LTE 示范網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)搭建成功，TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)即將在國(guó)內(nèi)正式商用。

1 VoLTE 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 總覽

VoLTE 網(wǎng)絡(luò)包括許多的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，為簡(jiǎn)便描述，在本文中將VoLTE 網(wǎng)絡(luò)分為三個(gè)主要的部分：無線接入側(cè)Access、LTE 核心網(wǎng)側(cè)Evolved packet core 以及控制側(cè)Control。

其中，LTE 核心網(wǎng)側(cè)主要包括三個(gè)功能實(shí)體：移動(dòng)管理實(shí)體MME（Mobility Management Entity），服務(wù)網(wǎng)關(guān)SGW（Serving Gateway）以 及PDN 網(wǎng) 關(guān)（Packet data network gateway）。MME 是 由GPRS 網(wǎng) 絡(luò) 中SGSN 實(shí)體演進(jìn)而來，主要提供EPC 部分核心控制功能。SGW 提供用戶面的控制功能，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，并支持終端移動(dòng)性切換用戶數(shù)據(jù)功能。PGW 主要負(fù)責(zé)終端和外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，在VoLTE 網(wǎng)絡(luò)中，PGW 分配終端IP 地址并提供EPC 部分到IMS 部分的接入。

1.2 LTE 無線接入側(cè)ENodeB

隨著3G 網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，EnodeB 具有3G 網(wǎng)絡(luò)中NodeB 功能和大部分RNC（Radio Network Controller）功能，包括物理層功能HARQ（hybrid automatic repeat request），MAC、RCC、調(diào)度、無線接入控制、移動(dòng)性管理功能等。LTE 無線接入側(cè)節(jié)點(diǎn)EnodeB 架構(gòu)。

EnodeB 架構(gòu)分為物理接入層、MAC 層（Media Access Control）、RLC 層（Radio Link Control）、PDCP 層（Packet data convergence protocol）以及RRC 層（Radio Resource Control）。其中，EnodeB 通過S1_MME 接口與MME 通信，用于控制信令；通過S1_U 接口與SGW通信，負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)的傳輸。而不同EnoceB 之間的通訊則采用X2 接口，主要用于移動(dòng)終端在不同的EnodeB 之前切換時(shí)，快速實(shí)現(xiàn)用戶資源管理以及數(shù)據(jù)遷移。

1.3 核心網(wǎng)EPC 架構(gòu)

核心網(wǎng)EPC 部分主要包括MME、SGW 以及PGW 三個(gè)實(shí)體。MME 是由GPRS 網(wǎng)絡(luò)中SGSN 節(jié)點(diǎn)演進(jìn)而來的。MME 是LTE 接入網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)空閑模式下用戶設(shè)備的跟蹤和尋呼控制，其中包括用戶設(shè)備的注冊(cè)與注銷過程，同時(shí)幫助用戶選擇不同SGW，以完成LTE 系統(tǒng)內(nèi)核心網(wǎng)（CN）節(jié)點(diǎn)切換。通過與用戶歸屬服務(wù)器（HSS）的通信，MME 完成移動(dòng)用戶在EPC 部分鑒權(quán)功能。SGW 主要負(fù)責(zé)用戶面處理，負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)也負(fù)責(zé)用戶終端在EnodeB 之間和LTE 與其他3GPP 技術(shù)之間移動(dòng)時(shí)的用戶面數(shù)據(jù)交換。

1.4 控制側(cè)IMS 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

VoLTE 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，控制側(cè)主要包括三個(gè)部分：PCRF、HSS 以及IMS 系統(tǒng)。PCRF 主要負(fù)責(zé)計(jì)費(fèi)以及基于會(huì)話媒體的策略控制功能。PCRF 主要與IMS 系統(tǒng)接入節(jié)點(diǎn)P-CSCF 互通，檢查、控制應(yīng)用側(cè)所需的媒體資源的分配，例如媒體類型、IP 地址以及媒體通訊端口等。HSS（Home Subscriber Server）主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。HSS 包含IMS 功能、PS 域、CS 域內(nèi)HLR（home location register）功能以及鑒權(quán)功能。用戶終端在附著在LTE 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，EPC 部分會(huì)通過HSS 獲取EPC 部分鑒權(quán)向量，MME 完成終端用戶在EPC 部分的鑒權(quán)；在該用戶在IMS 系統(tǒng)注冊(cè)時(shí)，IMS 系統(tǒng)服務(wù)器SCSCF（Server CSCF）會(huì)再次向HSS 獲取IMS 內(nèi)部鑒權(quán)向量，對(duì)用戶再次進(jìn)行鑒權(quán)，保證用戶的有效性。

IMS 系統(tǒng)中AS（Application Server）可以提供多種業(yè)務(wù)，如PSTN網(wǎng)絡(luò)中的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)、會(huì)議、彩鈴彩像等。這些用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)也同樣保存在HSS 之中。IMS（IP Multimedia Subsystem），IP 多媒體子系統(tǒng)，是由3GPP 組織為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定義的。經(jīng)過R5、R6 兩個(gè)版本，現(xiàn)在IMS 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日趨穩(wěn)定。在3GPP 的R6 版本中，IMS 已經(jīng)被定義為支持所有IP接入網(wǎng)的多媒體業(yè)務(wù)核心網(wǎng)，可以支持任何一種移動(dòng)的或固定的、有線的或無線的IP_CAN，同時(shí)意味著支持傳統(tǒng)2G/3G 網(wǎng)絡(luò)接入。

2 VoLTE 網(wǎng)絡(luò)端到端信令流程

（1）LTE 終端在LTE 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)附著，用戶終端通過EnodeB 附著在LTE 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)；

（2）EnodeB 將用戶信息傳送到EPC 部分，MME 對(duì)該用戶終端進(jìn)行鑒權(quán)，鑒權(quán)向量來自于HSS 節(jié)點(diǎn)，MME 節(jié)點(diǎn)通過SG 接口獲取該用戶鑒權(quán)向量；

（3）用戶終端鑒權(quán)通過后，SGW 分配給該用戶相關(guān)媒體資源，PGW分配用戶終端相應(yīng)的IP 地址，并將IMS 系統(tǒng)接入節(jié)點(diǎn)P-CSCF 地址通知用戶終端；

（4）LTE 終端收到P-CSCF 地址后，使用PGW 分配的IP 地址作為源地址，P-CSCF 地址作為目的地址，發(fā)送IMS 系統(tǒng)注冊(cè)請(qǐng)求消息到達(dá)P-CSCF；

（5）PCSCF 將用戶注冊(cè)消息轉(zhuǎn)發(fā)到IMS 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，SCSCF 通過HSS 獲取IMS 系統(tǒng)鑒權(quán)向量，并對(duì)該用戶進(jìn)行IMS 內(nèi)部鑒權(quán)。鑒權(quán)通過后，該用戶IMS 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部注冊(cè)成功，S-CSCF 發(fā)送成功響應(yīng)消息給用戶終端。注冊(cè)流程順利完成；

（6）用戶終端附著LTE 網(wǎng)絡(luò)并在IMS 系統(tǒng)成功注冊(cè)后，終端發(fā)起對(duì)2G/3G 用戶語(yǔ)音會(huì)話。該會(huì)話請(qǐng)求經(jīng)過LTE 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到P-CSCF節(jié)點(diǎn)。P-CSCF 經(jīng)過與PCRF 協(xié)商，決定該會(huì)話的媒體資源，并將會(huì)話請(qǐng)求發(fā)送到IMS 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部；同時(shí)，相關(guān)的計(jì)費(fèi)信息發(fā)送到計(jì)費(fèi)服務(wù)器中；

（7）S-CSCF 處理會(huì)話請(qǐng)求，經(jīng)過相應(yīng)號(hào)碼分析后，將消息傳遞給MGCF，MSC 節(jié)點(diǎn)，即2G/3G 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)入口節(jié)點(diǎn)。MGCF 將SIP 消息轉(zhuǎn)化為ISUP 消息，該請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到2G/3G 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)LTE 用戶與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的互通。

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