基于開源協(xié)議棧的VOLTE通信平臺的研究和實(shí)現(xiàn)

楊存順，蔣立兵

（中國電子科技集團(tuán)公司 第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

隨著移動通信技術(shù)的演進(jìn)和應(yīng)用場景的更新，人們對移動數(shù)據(jù)的需求也不斷增長，4G已經(jīng)成為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的主流制式。4G網(wǎng)絡(luò)也稱為演進(jìn)的分組系統(tǒng)（Evolved Packet System，EPS），在解決了數(shù)據(jù)問題后，對于語音問題則采取了雙待手機(jī)方式（Simultaneous Voice and LTE，SVLTE）、電路回落（CS Fall Back，CSFB）以及VoLTE共3種解決方案。

SVLTE模式實(shí)質(zhì)是終端同時(shí)工作在2G和4G兩種網(wǎng)絡(luò)上，2G解決語音問題，4G解決數(shù)據(jù)問題，該方案要求終端具備兩種射頻模塊，同時(shí)對終端功耗和散熱提出較高的要求。CSFB模式是指非語音狀態(tài)駐留在4G網(wǎng)絡(luò)，有語音時(shí)返回2G模式，該方案由于需要兩張網(wǎng)絡(luò)互相操作，導(dǎo)致主叫用戶需要等待很長時(shí)間才能撥通電話，及時(shí)性和用戶體驗(yàn)較差。VoLTE是基于4G網(wǎng)絡(luò)疊加IMS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)語音通信的解決方案，可以很好地解決終端能耗和通話及時(shí)性的問題，逐漸成為4G網(wǎng)絡(luò)語音的最佳解決方案[1-3]。

1 平臺搭建

1.1 開源協(xié)議棧簡介

OAI是一個(gè)基于軟件無線電并遵循3GPP協(xié)議從核心網(wǎng)到接入網(wǎng)的開源LTE項(xiàng)目，該項(xiàng)目可以利用1臺或多臺計(jì)算機(jī)終端編譯安裝實(shí)現(xiàn)MME、PGW、HSS、UE以及eNodeB，搭建一個(gè)專業(yè)的LTE通信系統(tǒng)，形成較為完善的LTE核心網(wǎng)與基站到終端的完整解決方案。

Open IMS是由Fraunhofer Insitute FOKUS開發(fā)，基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)范架構(gòu)提供的一款免費(fèi)開源軟件。Open IMS提供了P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF以及HSS等IMS核心架構(gòu)元素，可以在一臺或多臺電腦上實(shí)現(xiàn)整個(gè)平臺搭建，并利用其提供的基于3GPP的IMS服務(wù)控制接口實(shí)現(xiàn)IMS網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)，如圖1所示。

圖1 Open IMS系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 平臺配置

IMS核心網(wǎng)服務(wù)器主要由P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF以及HSS共4個(gè)功能實(shí)體組成，在整個(gè)VoLTE通信協(xié)議棧中處于中間位置，處于LTE核心網(wǎng)和接入網(wǎng)之間。其中最主要的功能實(shí)體是CSCF（包括P-CSCF、I-CSCF以及S-CSCF），用于處理注冊、會話以及事務(wù)型等信息消息。下面從模擬網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)具體分析各實(shí)體的功能和建立。

1.2.1 P-CSCF

P-CSCF是UE在IMS網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)接觸點(diǎn)，所有的SIP消息無論是從UE發(fā)送到IMS網(wǎng)絡(luò)還是從IMS發(fā)送給UE都必須通過P-CSCF，其主要功能是負(fù)責(zé)會話控制、處理驗(yàn)證請求以及SIP信息轉(zhuǎn)發(fā)。該功能實(shí)體配置在一臺服務(wù)器上，IP地址為192.168.11.10。

1.2.2 I-CSCF

I-CSCF提供會話控制功能，用來完成對用戶的查詢。UE注冊流程中，可以去查詢HSS確定UE的服務(wù)S-CSCF。同時(shí)由于I-CSCF是運(yùn)營商內(nèi)網(wǎng)的接觸點(diǎn)，因此該網(wǎng)元還負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)安全方面的功能，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的隱藏。該功能實(shí)體配置在一臺服務(wù)器上，IP地址為192.168.11.11。

1.2.3 S-CSCF

S-CSCF是IMS網(wǎng)絡(luò)的核心，記錄用戶的呼叫狀態(tài)，完成呼叫控制功能。UE注冊流程中，負(fù)責(zé)提供會話控制和注冊請求應(yīng)答。該功能實(shí)體和I-CSCF配置在同一臺服務(wù)器上，IP地址為192.168.11.11。

1.2.4 IMS-HSS

IMS-HSS存儲業(yè)務(wù)過濾規(guī)則（initial FilterCriteria，iFC）和在線狀態(tài)，即存儲用戶都開通了哪些業(yè)務(wù)、開通的業(yè)務(wù)怎么觸發(fā)以及給哪個(gè)AS處理等。該功能實(shí)體配置在一臺服務(wù)器上，IP地址為192.168.11.12。

2 連通試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)組成

試驗(yàn)環(huán)境由OAI構(gòu)建LTE網(wǎng)模塊，OpenIMS構(gòu)建IMS核心網(wǎng)模塊，采用真實(shí)手機(jī)或電腦上裝SIP終端軟件OpenIC_Lite模擬VOLTE客戶端，實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2 LTE連通試驗(yàn)

該試驗(yàn)硬件部分由1個(gè)服務(wù)器、1塊USRPB200板卡以及兩臺商用LTE手機(jī)組成，服務(wù)器上運(yùn)行LTE核心網(wǎng)和ENB程序，實(shí)現(xiàn)LTE核心網(wǎng)和基站功能，發(fā)出射頻信號吸引手機(jī)接入。手機(jī)是正常的通用手機(jī)，插上已寫好的對應(yīng)SIM卡。試驗(yàn)分為3步。

第一步，分別運(yùn)行HSS/MME/PGW和eNodeB，使其互聯(lián)互通。eNodeB啟動連接上MME后，會向平臺射頻輻射范圍內(nèi)進(jìn)行主信息塊（Master Information Block，MIB）消息廣播，廣播內(nèi)容包括發(fā)射基站的下行帶寬、小區(qū)識別碼等信息。

第二步，打開手機(jī)，進(jìn)行隨機(jī)接入。搜索基站頻點(diǎn)、時(shí)間和頻率同步、解碼小區(qū)的系統(tǒng)信息以及小區(qū)選擇。手機(jī)進(jìn)行無線連接、進(jìn)行RRC連接并進(jìn)行NAS連接。

第三步，手機(jī)連接后，在手機(jī)上進(jìn)行PING操作。

2.3 VoLTE連通試驗(yàn)

該試驗(yàn)是基于LTE連通試驗(yàn)成功以后再搭載IMS環(huán)境，試驗(yàn)步驟如下。

首先，分別啟動P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF和HSS；

其次，兩部手機(jī)連接LTE基站后，打開SIP終端，對其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如圖3所示；

圖3 注冊過程

再次，使用一部手機(jī)對另外一部手機(jī)進(jìn)行呼叫操作，手機(jī)連通后，進(jìn)行語音通話試驗(yàn)，如圖4所示；

圖4 連通狀態(tài)圖

最后，使用手機(jī)進(jìn)行短消息相互通信，檢測是否接收到，并記錄延遲時(shí)間（見圖5和圖6）。

圖5 業(yè)務(wù)通信圖

圖6 通話記錄圖

3 結(jié) 論

通過相應(yīng)的配置連通手機(jī)+OAI+OpenIMS，實(shí)現(xiàn)相互通信的目的。通過在手機(jī)上裝載SIP客戶端實(shí)現(xiàn)雙向收發(fā)信息或語音等，達(dá)到真實(shí)無線環(huán)境下LTE數(shù)據(jù)雙向通信。經(jīng)測試，整機(jī)系統(tǒng)成功連接持續(xù)時(shí)間可以達(dá)到8 h，穩(wěn)定性尚可，可以為VOLTE通信技術(shù)研究提供參考。