基于LTE/Ev-Do混合組網(wǎng)的車載智能終端通信業(yè)務(wù)解決方案

趙 飛 ，張文雋 ，鄧 勇

（1.中國(guó)電信股份有限公司上海研究院 上海 200135；2.中國(guó)電信集團(tuán)公司 北京 100032）

1 引言

10年前，3G的引入促生了大量車載移動(dòng)應(yīng)用，尤其在導(dǎo)航領(lǐng)域，但3G帶寬還不足以支持諸如視頻、游戲等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用。LTE數(shù)十倍于3G的上行帶寬，使得汽車業(yè)對(duì)這一技術(shù)所帶來的多種可能性和機(jī)遇躍躍欲試，許多著名的汽車企業(yè)早已開始部署LTE智能車載終端的研發(fā)。業(yè)界普遍認(rèn)為，LTE真正將汽車帶入了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，極速的流媒體享受、精準(zhǔn)的導(dǎo)航體驗(yàn)、安全的駕駛保障，將成為L(zhǎng)TE智能車載終端區(qū)別于以往車載終端的顯著標(biāo)志。

在LTE智能車載終端中，很重要的一項(xiàng)特征就是其通信模塊所提供的基于LTE接入的通話功能，不同于現(xiàn)有3G車載通信系統(tǒng)，LTE下的車載終端通信功能將獲得大大延伸，比如通話功能將由原來的語音通話延伸為多媒體通話，通話對(duì)象也由汽車客服中心延伸為普通公眾客戶，通話質(zhì)量也會(huì)向高清邁進(jìn)?？梢哉f，LTE智能車載終端通信業(yè)務(wù)的高質(zhì)量要求對(duì)運(yùn)營(yíng)商提出了很高的要求，包括無線接入網(wǎng)絡(luò)和核心交換網(wǎng)絡(luò)，而在LTE部署初期必然會(huì)存在LTE覆蓋不足的情況，因此將會(huì)帶來4G和2G/3G之間的切換，在如此復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，設(shè)計(jì)完備的網(wǎng)絡(luò)方案已經(jīng)成為電信運(yùn)營(yíng)商和汽車廠商共同的研發(fā)目標(biāo)。本文以LTE/Ev-Do混合組網(wǎng)環(huán)境為例，介紹了一種可行的LTE智能車載終端通信業(yè)務(wù)解決方案。

2 LTE車載終端通信業(yè)務(wù)架構(gòu)

LTE車載智能通信系統(tǒng)的普遍業(yè)務(wù)需求主要包括：基于LTE的數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)及基于運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的語音及視頻通信、短信業(yè)務(wù)，并要求數(shù)據(jù)及通信業(yè)務(wù)能夠并發(fā)，通信、短信業(yè)務(wù)可與運(yùn)營(yíng)商固網(wǎng)用戶、手機(jī)用戶互通。

基于以上通信業(yè)務(wù)需求，考慮將車載終端定位于車聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)應(yīng)用，語音和視頻通信亦作為數(shù)據(jù)應(yīng)用的一部分。語音視頻通信方案采用VoLTE，以IMS構(gòu)建業(yè)務(wù)控制層進(jìn)行車載通信系統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)提供。在LTE覆蓋不足的偏遠(yuǎn)區(qū)域，應(yīng)用回退到升級(jí)后的Ev-Do網(wǎng)絡(luò)（即eHPRD網(wǎng)絡(luò)），在發(fā)生切換時(shí)語音視頻通話也將切換到eHPRD網(wǎng)絡(luò)承載。

總體業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖1所示。

架構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)說明如下。

·車載終端的語音通信終端通過EPC經(jīng)BAC接入IMS核心網(wǎng)：在LTE覆蓋區(qū)域，終端由eNode B接入EPC；在LTE覆蓋不足區(qū)域，終端由HRPD BTS經(jīng)eHRPD接入EPC。PGW完成SIP會(huì)話信令的傳遞，PCRF完成策略控制信息的傳遞。

·對(duì)VoLTE方案，LTE車載終端語音為實(shí)質(zhì)承載在IMS的 VoIP，終端經(jīng) EPC PGW 接入 IMS BAC，會(huì)話控制由CSCF實(shí)現(xiàn)，業(yè)務(wù)信息存儲(chǔ)由IMS HSS實(shí)現(xiàn)，車載通信系統(tǒng)的終端業(yè)務(wù)控制由客服中心專有平臺(tái)實(shí)現(xiàn)（不同類型用戶的呼叫權(quán)限、時(shí)長(zhǎng)、呼叫及短信不可達(dá)終端的情況下轉(zhuǎn)接至客服中心等），與固網(wǎng)用戶和手機(jī)用戶的語音業(yè)務(wù)互通由MGCF/IM-MGW實(shí)現(xiàn)。

·對(duì)于短信業(yè)務(wù)，同樣基于IMS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，由IMS SMC（短信中心）提供終端收發(fā)短信業(yè)務(wù)，與CDMA網(wǎng)、GSM網(wǎng)的短信互通，則通過IMS SMGW（短信網(wǎng)關(guān)）實(shí)現(xiàn)。

·鑒于車載終端的移動(dòng)特性，應(yīng)為其分配移動(dòng)號(hào)碼，為便于路由尋址盡量選擇獨(dú)立號(hào)段，碼號(hào)資源不足的情況下，亦可與2G/3G移動(dòng)網(wǎng)用戶混合放號(hào)，此時(shí)要考慮車載通信系統(tǒng)做被叫時(shí)需要將尋呼由2G網(wǎng)絡(luò)路由到IMS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行終端尋址。

3 LTE車載終端通信業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)

3.1 IMS網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)和注冊(cè)

車載終端通信業(yè)務(wù)解決方案中，關(guān)鍵在于通信業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)——IMS網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)和注冊(cè)，在完成向IMS的注冊(cè)之后，就可以基于IMS進(jìn)行通信業(yè)務(wù)的使用。

IMS網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)與注冊(cè)流程如圖2所示。

主要流程說明如下。

圖1 車載智能通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)

圖2 IMS網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)與注冊(cè)流程

（1）處于ECM-idle和EMM-deregistered狀態(tài)的車載終端開機(jī)，RRC連接建立，終端向LTE網(wǎng)絡(luò)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)附著請(qǐng)求，其中 NAS消息是 attach request（IMSI）。eNode B向MME發(fā)起S1AP initial UE消息，攜帶attach request（IMSI），S1 連接建立，進(jìn)入 ECM-connected 態(tài)。

（2）MME 收 到 attach request消 息 后 向 HSS發(fā) 送authentication information request （IMSI），HSS 響 應(yīng)authentication information answer消息，攜帶EPC安全向量（RAND、XRES和 AUTN、KASME），其中 KASME 由 CK 和IK經(jīng)過運(yùn)算生成。

（3）MME發(fā)起鑒權(quán)流程，向 UE發(fā)送 authentication request消息，攜帶RAND和AUTN參數(shù)，UE回送authentication answer消息，攜帶RES參數(shù)。MME比對(duì)鑒權(quán)向量組中的XRES參數(shù)和UE返回的RES參數(shù)，相同則用戶合法，鑒權(quán)成功。MME向UE發(fā)出security mode command，該消息啟動(dòng)安全模式控制流程，并給出E-UTRAN可用的加密（如果有）和完整性保密算法。UE根據(jù)UE/UTRAN的能力，從中選擇合適的算法，然后向MME回送security mode complete消息，并啟動(dòng)加密設(shè)備（如果適用）和完整性保護(hù)。

（4）MME向 HSS發(fā)送 update location request消息更新位置信息，HSS響應(yīng)update location answer，該消息包含了簽約數(shù)據(jù)。

（5）MME利用DNS功能解析出一張可服務(wù)于該UE位置的SGW的地址列表，完成SGW的選擇；MME利用HSS提供的用戶簽約信息和UE提供的專用于VoLTE承載的IMS APN接入請(qǐng)求，發(fā)起PGW選擇，并根據(jù)DNS解析獲得APN對(duì)應(yīng)的PDN GW的IP地址。MME發(fā)送create session request消息給SGW，請(qǐng)求建立該APN的默認(rèn)承載，SGW將此消息轉(zhuǎn)發(fā)至對(duì)應(yīng)PGW。

（6）PGW發(fā)起IP CAN會(huì)話建立流程，要求進(jìn)行PCC認(rèn)證，請(qǐng)求認(rèn)證允許的業(yè)務(wù)和PCC規(guī)則信息。PCRF將決定（包括選擇的IP-CAN承載建立模式）發(fā)送給PGW，PGW執(zhí)行這些決定。PCRF可以提供默認(rèn)的計(jì)費(fèi)方式以及如下信息：用于激活的PCC規(guī)則和需要上報(bào)的事件觸發(fā)器。PCC規(guī)則允許執(zhí)行和IP-CAN會(huì)話相關(guān)的策略，包括：每個(gè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流 SDF的 QCI、ARP、GBR、MBR及 TFT；事件觸發(fā)器用于指示PGW哪些事件需要上報(bào)給PCRF。

（7）PGW 發(fā)送 create session response消息響應(yīng) SGW送來的會(huì)話建立請(qǐng)求，并發(fā)送給MME。MME發(fā)送initial context setup request消息給 eNode B，里面攜帶 attach accept消息，該消息中包含了activate default EPS bearer context request消息，要求建立默認(rèn)承載。eNode B返回initial context setup response消息，默認(rèn)承載建立。UE返回attach complete消息給MME。MME向SGW發(fā)送modify bearer request消息更新eNode B地址和TEID，SGW響應(yīng)，回送成功消息。IMS APN默認(rèn)承載建立，附著成功，終端處于EMM-registered和ECM-connected態(tài)。

（8）PGW根據(jù)其路由數(shù)據(jù)配置，將車載終端的IMS注冊(cè)請(qǐng)求register消息發(fā)送到BAC，完成在IMS中的注冊(cè)。

3.2 IMS網(wǎng)絡(luò)呼叫處理流程

LTE智能車載終端完成了IMS網(wǎng)絡(luò)的注冊(cè)之后，即可以使用基于IMS的通信業(yè)務(wù)功能，如發(fā)起會(huì)話或接收會(huì)話，此時(shí)需要建立用于媒體數(shù)據(jù)流的專有承載。以車載終端之間的呼叫為例，呼叫處理流程如圖3所示，具體介紹如下。

（1）主叫車載終端發(fā)起語音呼叫請(qǐng)求，SIP invite消息經(jīng)過 BAC、P-CSCF、S-CSCF，并觸發(fā)到客服中心平臺(tái)，然后尋址到被叫車載終端。

（2）被叫振鈴，返回180 ringing響應(yīng)。

（3）被叫接聽，返回200 OK響應(yīng)。

（4）主叫P-CSCF向主叫EPC網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求建立傳遞主叫側(cè)語音流的專用承載。

（5）被叫P-CSCF向被叫EPC網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求建立傳遞被叫側(cè)語音流的專用承載。

（6）VoLTE呼叫建立，用戶在有QoS保障的專用承載上進(jìn)行語音通話。

（7）用戶掛機(jī)，發(fā)送SIP bye消息。

（8）P-CSCF向 PCRF發(fā)送 Diameter STR消息，包含“Flow Status=Removed”參數(shù)，表示語音流終止。PCRF向PGW發(fā)送Diameter RAR消息，請(qǐng)求拆除主叫側(cè)和被叫側(cè)的專用承載。專用承載拆除后，PGW向PCRF返回Diameter RAA消息，PCRF向P-CSCF返回Diameter STA消息。

（9）車載終端之間的呼叫結(jié)束。

3.3 混合放號(hào)時(shí)的被叫處理流程

車載終端作為主叫時(shí)，其呼叫處理流程與普通IMS用戶一致，但車載終端與2G/3G普通手機(jī)用戶混合放號(hào)時(shí)，在車載終端做被叫時(shí)就需要一些特殊的路由處理。例如固網(wǎng)、CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)用戶呼叫車載終端，會(huì)出現(xiàn)呼叫首先到達(dá)2G/3G網(wǎng)絡(luò)，然后再由2G網(wǎng)絡(luò)路由到IMS網(wǎng)絡(luò)的情況。具體呼叫流程如圖4所示，具體介紹如下。

（1）假設(shè)主叫為CDMA網(wǎng)cdma2000 1x語音用戶，發(fā)起向車載終端的呼叫，呼叫到達(dá)MSC。

（2）～（3）MSC 查詢 HLR，HLR 返回被叫號(hào)碼過網(wǎng)路由簽約信息。

（4）～（5）MSC 觸發(fā)至過網(wǎng)路由 SCP，SCP 返回被叫號(hào)碼前加插了過網(wǎng)號(hào)的呼叫。

（6）MSC根據(jù)過網(wǎng)號(hào)將呼叫路由到MGCF。（7）MGCF刪除過網(wǎng)號(hào)并將呼叫到IMS網(wǎng)內(nèi)。

（8）～（9）到客服中心平臺(tái)完成被叫業(yè)務(wù)。

（10）呼叫路由至車載終端。

3.4 無線承載切換方案

采用VoLTE方式在PS域承載語音，在LTE覆蓋不足的區(qū)域?qū)?huì)發(fā)生從LTE網(wǎng)絡(luò)向Ev-Do網(wǎng)絡(luò)的回退。目前，LTE向Ev-Do的切換方案有兩種：非優(yōu)化切換和優(yōu)化切換。

非優(yōu)化切換方案中，終端檢測(cè)到LTE信號(hào)弱而eHRPD信號(hào)良好，將中斷LTE連接，并接入eHRPD繼續(xù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是無需升級(jí)現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備，缺點(diǎn)是非無縫切換，會(huì)導(dǎo)致2～8 s的數(shù)據(jù)丟失。

優(yōu)化切換方案中，終端在LTE網(wǎng)絡(luò)附著后會(huì)立刻通過S101接口向eHPRD進(jìn)行預(yù)注冊(cè)，在終端檢測(cè)到LTE信號(hào)弱而eHRPD信號(hào)良好后，會(huì)馬上通過S101接口發(fā)起切換流程，同時(shí)在S103接口中傳輸下行數(shù)據(jù)。待切換完成后，再釋放LTE側(cè)資源。該方案利用了與現(xiàn)網(wǎng)間的新增接口，可提供無損數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)切換，并把切換時(shí)延減少到1 s以內(nèi)。該方案對(duì)網(wǎng)絡(luò)改造較大，會(huì)帶來時(shí)間和成本上的增加。

4 LTE車載終端通信業(yè)務(wù)QoS方案

LTE EPS（EPC+eNode B+UE）系統(tǒng)定義了承載級(jí)、APN級(jí)、UE級(jí)3個(gè)粒度的QoS參數(shù)，并依據(jù)各自特性定義相關(guān)QoS參數(shù)，規(guī)定了各參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備執(zhí)行點(diǎn)。HSS僅簽約與默認(rèn)承載相關(guān)的QoS參數(shù)，專有承載QoS參數(shù)由PGW及PCRF動(dòng)態(tài)決策生成。其中最關(guān)鍵的參數(shù)QCI具體描述了不同業(yè)務(wù)的QoS要求，見表1。

針對(duì)車載終端的通信業(yè)務(wù)，為IMS注冊(cè)、呼叫建立等信令配置的QoS等級(jí)為QCI5，可建立默認(rèn)承載或?qū)Ｓ贸休d；為語音流配置的QoS等級(jí)為QCI1，需建立專用承載。車載終端的QoS控制流程包括默認(rèn)承載QoS控制和專用承載的QoS控制。

默認(rèn)承載QoS控制中，用戶網(wǎng)絡(luò)附著即建立默認(rèn)承載，QoS參數(shù)由HSS簽約提供，PCRF可以對(duì)其進(jìn)行修改。車載終端通信業(yè)務(wù)默認(rèn)承載QoS控制流程如下。

（1）車載終端發(fā)起LTE網(wǎng)絡(luò)附著。

（2）MME向 HSS獲取車載終端的簽約 QoS參數(shù)，包括默認(rèn)承載 QCI、ARP、UE-AMBR、APN-AMBR。

（3）MME請(qǐng)求SGW建立默認(rèn)承載，并攜帶簽約QCI、ARP、APN-AMBR。

（4）SGW 與 PCRF交互，并攜帶獲取的 QoS參數(shù)，PCRF可根據(jù)策略修改該參數(shù)。

（5）SGW回復(fù)建立承載請(qǐng)求，并將PCRF下發(fā)的QoS參數(shù)返回給MME。

表1 QCI參數(shù)值

（6）MME根據(jù)從SGW處獲取的APN-AMBR和簽約UE-AMBR，計(jì)算用戶的 UE-AMBR，將 UE-AMBR、QCI、ARP、TFT等發(fā)給eNode B建立無線承載，將APN-AMBR、QCI、TFT等發(fā)給車載終端。此時(shí)，默認(rèn)承載建立，車載終端基于此默認(rèn)承載向IMS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信令消息，完成注冊(cè)。

車載終端通信業(yè)務(wù)專有承載QoS控制流程與默認(rèn)承載QoS控制類似，與默認(rèn)承載不同的是：專用承載的QoS參數(shù)由PGW或PCRF決定；專用承載的QoS參數(shù)傳遞發(fā)生在專用承載建立的過程中。專用承載QoS控制流程如下。

（1）車載終端發(fā)起或接收呼叫時(shí)，其所在P-CSCF向PCRF發(fā)送Diameter AAR消息，包含主叫側(cè)語音媒體信息。PCRF向PGW發(fā)送Diameter RAR消息，請(qǐng)求建立傳遞主叫側(cè)語音流的專用承載。

（2）PGW發(fā)起專用承載建立，向SGW發(fā)送create session request消息，該消息包含了IMSI、QoS和LBI參數(shù)。SGW將create session request消息轉(zhuǎn)發(fā)給MME。MME再通過eNode B將專用承載建立的請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給UE，包含了activate dedicated EPS bearercontextrequest消息。UE發(fā)送directtransfer消息給eNode B，eNode B發(fā)送uplink NAS transport消息給MME，包含了activate dedicated EPS bearer context accep消息。MME收到eNode B和UE的成功響應(yīng)后，向SGW發(fā)送成功的create session response消息，SGW將create session response消息轉(zhuǎn)發(fā)給PGW，建立專用承載成功。

（3）專用承載建立成功后，PGW向PCRF返回Diameter RAA消息，PCRF向P-CSCF返回Diameter AAA消息，通知IMS網(wǎng)絡(luò)無線資源預(yù)留成功，從而使用戶在有QoS保障的專用承載上進(jìn)行語音通話。

在發(fā)生LTE向eHPRD的切換時(shí)，由HSGW與PCRF交互，進(jìn)行PCC認(rèn)證及PCC規(guī)則的傳遞，此時(shí)HSGW相當(dāng)于上述默認(rèn)承載QoS控制的SAE GW，其控制流程一致。

5 結(jié)束語

移動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)已被看作4G發(fā)展的重要方向和典型應(yīng)用。作為車載終端基礎(chǔ)功能的通信業(yè)務(wù)，在LTE時(shí)代也提出了質(zhì)量更高、媒體更豐富的多種要求，因此設(shè)計(jì)完備的通信業(yè)務(wù)解決方案已經(jīng)成為L(zhǎng)TE車載智能系統(tǒng)領(lǐng)域迫切需要開展的一項(xiàng)重要工作，對(duì)車聯(lián)網(wǎng)中車載終端的通信功能實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了詳細(xì)闡述，為運(yùn)營(yíng)商和車載終端廠商提供了建設(shè)性的技術(shù)建議，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和驅(qū)動(dòng)力。

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