一種基于窄帶無線用戶接入IMS的無線接入控制技術

張建豐中國電子科技集團公司第七研究所

一種基于窄帶無線用戶接入IMS的無線接入控制技術

張建豐
中國電子科技集團公司第七研究所

MS是3GPP在Release 5版本提出的支持IP多媒體業(yè)務的子系統(tǒng)，其核心特點是采用SIP協(xié)議和與接入的無關性。就IMS支持SIP協(xié)議和與接入的無關性，在帶寬資源有限的情況下針對窄帶無線用戶接入IMS，重點提出了一種典型的無線接入控制技術，并詳細分析其在系統(tǒng)中的位置、框架結構、系統(tǒng)結構、接口定義以及典型功能的實現(xiàn)方式。

IP多媒體子系統(tǒng) 接入無關性窄帶無線用戶 無線接入控制技術

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)務能力、綜合的網(wǎng)絡解決能力以及商用化進程的加快，已逐漸取代傳統(tǒng)的交換設備，在當下市場已占有一定地位。IMS最核心的特點之一就是采用SIP（Session Initiation Protocol，會話初始協(xié)議）協(xié)議，而SIP是IETF（Internet Engineering Task Force，因特網(wǎng)工程任務組）制定的多媒體通信協(xié)議，它是一個基于文本的應用層控制協(xié)議，獨立于底層協(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話。

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

該無線接入控制技術除了具備普通接入網(wǎng)關功能外，還實現(xiàn)了窄帶無線用戶的移動性管理、用戶特性功能控制等，對IMS而言，屏蔽了窄帶無線用戶的自身特性，體現(xiàn)了IMS的核心特點。

2 無線接入控制在系統(tǒng)中的位置

在系統(tǒng)中，無線接入控制技術既可以作為IMS中的獨立功能實體運行，同時也可以獨立于IMS，作為單獨設備中的無線接入控制軟件運行。

3 框架結構

無線接入控制技術對IMS提供用戶注冊、會話管理和分組數(shù)據(jù)等服務，同時期待從下層獲得應用層業(yè)務的空口協(xié)議、分組數(shù)據(jù)以及IP話音流等服務。

無線接入控制技術具備無線接入設備的接入節(jié)點管理和無線資源管理等、窄帶無線用戶的移動性管理、會話管理、短消息、動態(tài)重組補充業(yè)務、分組數(shù)據(jù)路由和傳送以及用戶數(shù)據(jù)管理等、無線接入設備和窄帶無線用戶的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)點管理是無線接入設備與無線接入控制互聯(lián)的前提條件，是后續(xù)業(yè)務開展的基礎，實現(xiàn)鏈路維護、選路、業(yè)務維護等功能。

（2）無線資源管理是無線接入控制對無線接入設備的無線通信通路進行分配和維護管理。

（3）移動性管理是無線接入控制層的核心功能，實現(xiàn)窄帶無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線用戶的入網(wǎng)登記、鑒權、認證以及觸發(fā)向IMS系統(tǒng)進行注冊等操作；切換控制實現(xiàn)窄帶無線用戶在無線接入設備間移動時能保持業(yè)務的連續(xù)性。

（4）會話管理是無線終端設備會話業(yè)務的管理單元，包括兩大部分：一是無線接口協(xié)議與應用層間的信令翻譯、呼叫狀態(tài)機維護等；二是針對窄帶無線用戶部分特殊會話功能的交換控制、媒體流處理等。

（5）短消息是無線終端設備短消息業(yè)務的控制單元，只需實現(xiàn)空口協(xié)議與應用層協(xié)議翻譯、短消息發(fā)送接收狀態(tài)機維護等功能。

（6）用戶數(shù)據(jù)管理具備用戶數(shù)據(jù)存儲、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)存儲用于保存用戶的數(shù)據(jù)，包括窄帶無線用戶識別碼、用戶永久身份識別碼、用戶臨時身份識別碼、用戶號碼等；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程中實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)傳遞以及獨立的插入用戶數(shù)據(jù)、用戶去附著時刪除用戶數(shù)據(jù)等。

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

（8）動態(tài)重組是根據(jù)無線用戶的特性，如集群用戶在窄帶無線用戶已有分組的基礎上，能動態(tài)地對用戶進行臨時編組以滿足某些臨時業(yè)務的開展，該動態(tài)組能即時通知到終端用戶。

（9）故障弱化是在無IMS存在時，無線接入控制技術能起到簡單交換控制的作用，支持窄帶無線用戶接入的基本業(yè)務開展。

（10）IP地址池管理是對無線接入設備的IP地址進行分配和維護，包括無線接入設備互聯(lián)時的動態(tài)IP地址獲取和釋放、窄帶無線用戶進行分組數(shù)據(jù)時的IP地址分配和回收等。

4 系統(tǒng)結構

無線接入控制技術是以無線接入網(wǎng)關（RGW）為核心，并包括移動性管理實體（MME）、終端設備數(shù)據(jù)庫（MTDB）、SIP網(wǎng)關（SIPGW）、服務網(wǎng)關（S-GW）、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關（P-GW）等功能實體。

在具體應用中，各功能設備可以根據(jù)實際網(wǎng)絡情況靈活組合分布。

（1）無線接入網(wǎng)關（RGW）

RGW是無線接入控制面的唯一入口，即無線接入設備所有控制面信息都必須通過該接口與上層進行通信，具體實現(xiàn)功能如下：

具備無線接入設備接入功能，實現(xiàn)無線接入設備向無線接入控制進行注冊，以便后續(xù)業(yè)務開展；

實現(xiàn)空中接口與SIP網(wǎng)關間的協(xié)議轉換、業(yè)務開展時狀態(tài)控制等；

移動臺位置登記時，RGW與MME、MTDB等完成無線接入控制內(nèi)部的位置登記控制后，再由RGW觸發(fā)向IMS系統(tǒng)進行注冊；

窄帶無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)務時，RGW進行的特殊處理；

窄帶無線用戶特性功能開展時的媒體流處理；

已成功注冊的移動臺狀態(tài)信息管理。

（2）移動性管理實體（MME）

MME實現(xiàn)窄帶無線用戶位置登記、漫游控制、用戶歸屬MTDB的選擇、鑒權認證、切換控制以及已成功注冊移動臺狀態(tài)信息管理等功能。

（3）終端設備數(shù)據(jù)庫（MTDB）

MTDB是無線接入控制的數(shù)據(jù)中心，包含設備系統(tǒng)信息、窄帶無線用戶的簽約信息和當前位置信息、IP地址池數(shù)據(jù)等，完成窄帶無線用戶的位置登記、鑒權認證信息下發(fā)、動態(tài)重組、IP地址分配控制等功能。

（4）SIP網(wǎng)關（SIPGW）

SIPGW是SIP協(xié)議棧中心，具備無線接入網(wǎng)關和SIP網(wǎng)關間協(xié)議翻譯能力，支持SIP壓縮、IPSec安全聯(lián)盟等，實現(xiàn)呼叫控制、短消息、注冊等功能。

（5）服務網(wǎng)關（S-GW）

S-GW實現(xiàn)分組數(shù)據(jù)會話管理、分組數(shù)據(jù)路由選擇和數(shù)據(jù)轉發(fā)、QoS控制等功能。

（6）分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關（P-GW）

P-GW實現(xiàn)IP地址分配、分組數(shù)據(jù)會話管理、分組數(shù)據(jù)路由選擇和數(shù)據(jù)轉發(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

無線接入控制與無線接入設備之間的接口，實際上是RGW與無線接入設備之間的接口，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

無線接入控制與IMS之間的接口，實際上是SIP網(wǎng)關與代理呼叫會話控制功能（P-CSCF）之間的接口，稱為Gm接口。此接口基于UDP/IP，網(wǎng)絡層以上的高層協(xié)議為SIP/SDP協(xié)議。

（3）SGi接口

無線接入設備與分組網(wǎng)之間的接口，實際上是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)絡層以上的高層協(xié)議取決于不同應用軟件的協(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，接口標準為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，接口標準為GTPv2。

6 典型實現(xiàn)

6.1 移動性管理

無線接入控制的移動性管理包括移動臺位置管理和切換控制等功能。其中，位置管理實現(xiàn)移動臺入網(wǎng)登記、鑒權、認證以及觸發(fā)向IMS系統(tǒng)進行注冊等操作；切換控制實現(xiàn)移動臺在無線接入設備間移動時能保持業(yè)務的連續(xù)性。

（1）位置管理

從無線接入控制出發(fā)，位置管理分為兩個方面：一是在無線接入控制內(nèi)部功能實體間根據(jù)窄帶無線用戶攜帶的身份標識（永久身份識別標識/臨時身份識別標識）完成入網(wǎng)登記、鑒權和認證等操作，包括歸屬地查找、授權信息獲取、臨時身份標識分發(fā)、鑒權比較等；二是根據(jù)無線接入控制位置登記完成后所獲取的相關用戶信息觸發(fā)向IMS系統(tǒng)進行注冊，以完成移動臺的IMS注冊，方便窄帶無線用戶后續(xù)相關業(yè)務的發(fā)起。具體如下：

1：窄帶無線用戶加電開機或發(fā)生漫游時，發(fā)送位置登記請求通過無線接入設備轉發(fā)至目標RGW（T_RGW）；

2：接收到位置登記后，T_RGW分析其攜帶的身份標識選擇目標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識，獲取其歸屬MTDB（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，同時提取簽約用戶信息發(fā)送位置登記確認；

4a：S_MME、原RGW（S_RGW）刪除用戶信息，回復刪除確認應答；

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

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

7：根據(jù)來自T_RGW的用戶信息，T_SIPGW封裝成SIP協(xié)議（REGISTER）發(fā)往IMS系統(tǒng)進行注冊；

8：收到來自IMS系統(tǒng)的應答（200OK）后，T_SIPGW轉發(fā)至T_RGW；

9：T_RGW收到轉發(fā)的注冊響應后，向移動臺發(fā)送位置登記確認。

（2）切換控制

在切換過程中，移動臺源接入點作為切換控制面的錨點，即發(fā)生切換時，不管是首次切換還是后續(xù)切換，此過程中涉及控制面的信令都需回到源接入點進行交換控制，至于切換過程中的業(yè)務面，則以發(fā)生切換的移動臺業(yè)務發(fā)往的目的端作為錨點，由控制面在切換過程中重新協(xié)商業(yè)務流的流向。

具體如下：

1：窄帶無線用戶B在源接入點發(fā)起切換請求，攜帶目標小區(qū)信息；

2：源RGW（S_RGW）讀取目的小區(qū)信息，通知源MME（S_MME）移動臺發(fā)生切換，并告知目標信息；

3：分析目標切換信息，如果S_MME發(fā)現(xiàn)該小區(qū)信息錯誤，則直接拒絕切換，否則匹配目標小區(qū)對應的MME（T_MME），向其發(fā)送切換請求；

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

5：T_RGW向目標小區(qū)發(fā)送切換請求，向無線接入設備提出相應無線資源；

6：接收到來自無線接入設備的切換應答后，T_RGW讀取信道信息、承載信息、業(yè)務流接口信息等，并轉發(fā)至T_MME；

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

8：同樣，S_MME將其信息轉發(fā)至S_RGW；

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

10：S_SIPGW獲取相關目的端業(yè)務流信息后，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，移動臺可以切換到新小區(qū)；

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

在切換過程中，窄帶無線用戶源接入點作為切換控制面的錨點，源接入點主動將用戶上下文發(fā)送給目標接入點，切換過程中的業(yè)務面同樣以源接入點作為錨點，通過在源接入點和目標接入點之間建立隧道來傳輸切換過程中的上下行數(shù)據(jù)，待切換完成后分組數(shù)據(jù)通過目標接入點直接傳輸。

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；而話音切換控制中，業(yè)務流直接是端到端傳輸，不存在數(shù)據(jù)中轉。

6.2 會話管理

在前面框架結構中提到，無線接入控制的會話管理主要實現(xiàn)了兩大功能：一是具備普通的網(wǎng)關功能，即無線接口協(xié)議與應用層間的信令翻譯、呼叫狀態(tài)機維護等；二是該架構因針對用戶接入特性而支持的特殊功能，比如具備會話控制、媒體流處理等，典型的是窄帶集群用戶的組呼功能，通過PoC服務器發(fā)起業(yè)務。

無線接入控制接入多個無線接入設備，PoC服務器發(fā)起PoC業(yè)務時，由IMS系統(tǒng)尋址并發(fā)送到無線接入控制；此時RGW需要具備會話控制，查詢該組呼中組呼成員的位置登記信息，同時向各無線接入設備發(fā)送尋呼信令，并申請媒體流處理資源，用于分發(fā)媒體流。

7結束語

本文為窄帶無線用戶接入IMS系統(tǒng)提供了一種典型的框架體系，規(guī)定了系統(tǒng)結構、接口定義和典型流程的實現(xiàn)方式，屏蔽了窄帶無線用戶的自身特性，實現(xiàn)了IMS系統(tǒng)的與接入無關性特點，對實際應用具有較強的指導作用。

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