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，張大明，杜俊杰

（1.中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310；2.海軍駐北京二三九廠軍事代表室，北京 100043）

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1，張大明1，杜俊杰2

（1.中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310；2.海軍駐北京二三九廠軍事代表室，北京 100043）

IMS是3GPP在Release 5版本提出的支持IP多媒體業務的子系統，其核心特點是采用SIP協議和與接入的無關性。就IMS支持SIP協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中的位置、框架結構、系統結構、接口定義以及典型功能的實現方式。

IP多媒體子系統 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）系統框架的不斷完善、提供豐富的業務能力、綜合的網絡解決能力以及商用化進程的加快，已逐漸取代傳統的交換設備，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，會話初始協議）協議，而SIP是IETF（Internet Engineering Task Force，因特網工程任務組）制定的多媒體通信協議，它是一個基于文本的應用層控制協議，獨立于底層協議，用于建立、修改和終止IP網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，會話描述協議）和RTP（Real-Time Transport Protocol，實時傳輸協議）協議，在傳輸過程中均占用較大帶寬資源，因此在傳統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，故在傳統窄帶無線用戶接入IMS系統時，同時參考EPC（Evolved Packet Core，演進的分組核心網）實現框架，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關功能外，還實現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，體現了IMS的核心特點。

2 無線接入控制在系統中的位置

在系統中，無線接入控制技術既可以作為IMS中的獨立功能實體運行，如圖1（左）所示，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，如圖1（右）所示。

圖1 無線接入控制在系統中的位置示意圖

3 框架結構

無線接入控制技術對IMS提供用戶注冊、會話管理和分組數據等服務，同時期待從下層獲得應用層業務的空口協議、分組數據以及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、動態重組補充業務、分組數據路由和傳送以及用戶數據管理等、無線接入設備和窄帶無線用戶的IP地址池管理等功能。其框架結構如圖2所示：

圖2 無線接入控制框架結構

各功能描述具體如下：

（1）接入節點管理是無線接入設備與無線接入控制互聯的前提條件，是后續業務開展的基礎，實現鏈路維護、選路、業務維護等功能。

（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登記、鑒權、認證以及觸發向IMS系統進行注冊等操作；切換控制實現窄帶無線用戶在無線接入設備間移動時能保持業務的連續性。

（4）會話管理是無線終端設備會話業務的管理單元，包括兩大部分：一是無線接口協議與應用層間的信令翻譯、呼叫狀態機維護等；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務的控制單元，只需實現空口協議與應用層協議翻譯、短消息發送接收狀態機維護等功能。

（6）用戶數據管理具備用戶數據存儲、用戶數據更新以及用戶狀態更改等功能。其中，用戶數據存儲用于保存用戶的數據，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；用戶數據更新主要是更新、刪除位置信息等，包括用戶位置更新過程中實現用戶數據傳遞以及獨立的插入用戶數據、用戶去附著時刪除用戶數據等。

（7）分組數據控制實現分組路由注冊、分組數據上下文激活、分組數據的路由和轉發以及數據切換控制等功能。

（8）動態重組是根據無線用戶的特性，如集群用戶在窄帶無線用戶已有分組的基礎上，能動態地對用戶進行臨時編組以滿足某些臨時業務的開展，該動態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時的動態IP地址獲取和釋放、窄帶無線用戶進行分組數據時的IP地址分配和回收等。

4 系統結構

無線接入控制技術的系統結構如圖3所示，它是以無線接入網關（RGW）為核心，并包括移動性管理實體（MME）、終端設備數據庫（MTDB）、SIP網關（SIPGW）、服務網關（S-GW）、分組數據網網關（P-GW）等功能實體。

圖3 無線接入控制系統結構

在具體應用中，各功能設備可以根據實際網絡情況靈活組合分布。

（1）無線接入網關（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，具體實現功能如下：

◆具備無線接入設備接入功能，實現無線接入設備向無線接入控制進行注冊，以便后續業務開展；

◆實現空中接口與SIP網關間的協議轉換、業務開展時狀態控制等；

◆移動臺位置登記時，RGW與MME、MTDB等完成無線接入控制內部的位置登記控制后，再由RGW觸發向IMS系統進行注冊；

◆窄帶無線用戶自身特性功能的交換控制，如IMS系統發起PoC業務時，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信息管理。

（2）移動性管理實體（MME）

MME實現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信息管理等功能。

（3）終端設備數據庫（MTDB）

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

（4）SIP網關（SIPGW）

SIPGW是SIP協議棧中心，具備無線接入網關和SIP網關間協議翻譯能力，支持SIP壓縮、IPSec安全聯盟等，實現呼叫控制、短消息、注冊等功能。

（5）服務網關（S-GW）

S-GW實現分組數據會話管理、分組數據路由選擇和數據轉發、QoS控制等功能。

（6）分組數據網網關（P-GW）

P-GW實現IP地址分配、分組數據會話管理、分組數據路由選擇和數據轉發、接入外部數據網、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。此接口為網口，基于UDP/IP，網絡層以上的高層協議取決于空中接口協議棧。

（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，網絡層以上的高層協議為SIP/SDP協議。

（3）SGi接口

無線接入設備與分組網之間的接口，實際上是P-GW與分組網之間的接口，稱為SGi接口。此接口基于UDP/IP，網絡層以上的高層協議取決于不同應用軟件的協議棧。

5.2 內部接口

（1）RGW與MME之間的接口（B接口），一般為內部接口。

（2）RGW與SIPGW之間的接口（C接口），一般為內部接口。

（3）MME與MTDB之間的接口（D接口），此接口為網口，基于UDP/IP，接口標準為Diameter。

（4）RGW與S-GW之間的接口（E接口），一般為內部接口。

（5）S-GW與P-GW之間的接口（F接口），此接口為網口，基于UDP/IP，接口標準為GTPv2。

6 典型實現

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，位置管理實現移動臺入網登記、鑒權、認證以及觸發向IMS系統進行注冊等操作；切換控制實現移動臺在無線接入設備間移動時能保持業務的連續性。

（1）位置管理

從無線接入控制出發，位置管理分為兩個方面：一是在無線接入控制內部功能實體間根據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、鑒權比較等；二是根據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向IMS系統進行注冊，以完成移動臺的IMS注冊，方便窄帶無線用戶后續相關業務的發起。用戶漫游位置登記流程如圖4所示：

圖4 用戶漫游位置登記流程

具體如下：

1：窄帶無線用戶加電開機或發生漫游時，發送位置登記請求通過無線接入設備轉發至目標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，發現該用戶已在源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送位置登記確認；

4a：S_MME、源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的用戶簽約數據，產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：根據來自T_RGW的用戶信息，T_SIPGW封裝成SIP協議（REGISTER）發往IMS系統進行注冊；

8：收到來自IMS系統的應答（200OK）后，T_ SIPGW轉發至T_RGW；

9：T_RGW收到轉發的注冊響應后，向移動臺發送位置登記確認。

（2）切換控制◆話音切換控制

在切換過程中，移動臺源接入點作為切換控制面的錨點，即發生切換時，不管是首次切換還是后續切換，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務面，則以發生切換的移動臺業務發往的目的端作為錨點，由控制面在切換過程中重新協商業務流的流向。話音切換控制流程如圖5所示。

具體如下：

1：窄帶無線用戶B在源接入點發起切換請求，攜帶目標小區信息；

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

3：分析目標切換信息，如果S_MME發現該小區信息錯誤，則直接拒絕切換，否則匹配目標小區對應的MME（T_ MME），向其發送切換請求；

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

5：T_RGW向目標小區發送切換請求，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、業務流接口信息等，并轉發至T_MME；

7：讀取信道信息、承載信息、業務流接口信息等，封裝后T_MME將其發送至S_MME；

8：同樣，S_MME將其信息轉發至S_ RGW；

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

10：S_SIPGW獲取相關目的端業務流信息后，向IMS系統發起重新建鏈（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；

12：T_RGW發送切換應答消息，攜帶目的端的信道信息等，通知其切換。

圖5 話音切換控制流程

圖6 數據切換控制流程

◆數據切換控制

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送給目標接入點，切換過程中的業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據，待切換完成后分組數據通過目標接入點直接傳輸。數據切換控制流程如圖6所示。

數據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務流的承載建立上：數據切換控制中，切換完成后S_S-GW用于數據中轉；而話音切換控制中，業務流直接是端到端傳輸，不存在數據中轉。

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了兩大功能：一是具備普通的網關功能，即無線接口協議與應用層間的信令翻譯、呼叫狀態機維護等；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服務器發起業務，組呼控制流程如圖7所示：

圖7 典型集群接入組呼控制流程

由圖7可見， 無線接入控制接入多個無線接入設備，PoC服務器發起PoC業務時，由IMS系統尋址并發送到無線接入控制；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送尋呼信令，并申請媒體流處理資源，用于分發媒體流。

7 結束語

本文為窄帶無線用戶接入IMS系統提供了一種典型的框架體系，規定了系統結構、接口定義和典型流程的實現方式，屏蔽了窄帶無線用戶的自身特性，實現了IMS系統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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張建豐：學士畢業于南京郵電大學，現任職于中國電子科技集團公司第七研究所，主要研究方向為核心網架構、交換控制等領域。

張大明：碩士畢業于北京理工大學，現任職于中國電子科技集團公司第七研究所，主要研究方向為核心網架構、交換控制等領域。

杜俊杰：學士畢業于海軍航空工程學院，現任職于海軍駐北京二三九廠軍事代表室，主要從事導彈研制及生產質量監督工作。

Radio Access Control Technique Based on Narrowband Wireless MS Accessing IMS

ZHANG Jian-feng1, ZHANG Da-ming1, DU Jun-jie2
(1. China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China; 2. The Navy Force of the PLA in Beijing Factory Military Representative Room, Beijing 100043, China)

IMS (IP Multimedia Subsystem) is the subsystem supporting IP multimedia service, which was proposed in 3GPP Release 5. Because of IMS supporting the independence between SIP protocol and access, a typical radio access control technique was put forward according to narrowband radio MS accessing IMS in the condition of limited bandwidth. The position, architecture, system structure, interface defi nition and typical function implementation of the technique were elaborated.

IP multimedia subsystem (IMS) access independence narrowband wireless MS radio access control technique

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.14.012

TN915.6

A

1006-1010(2015)14-0058-06

張建豐,張大明,杜俊杰. 一種基于窄帶無線用戶接入IMS的無線接入控制技術[J]. 移動通信, 2015,39(14): 58-63.

2015-05-18

責任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn