基于開源協議棧的VOLTE通信平臺的研究和實現

楊存順，蔣立兵

（中國電子科技集團公司 第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

隨著移動通信技術的演進和應用場景的更新，人們對移動數據的需求也不斷增長，4G已經成為現代網絡的主流制式。4G網絡也稱為演進的分組系統（Evolved Packet System，EPS），在解決了數據問題后，對于語音問題則采取了雙待手機方式（Simultaneous Voice and LTE，SVLTE）、電路回落（CS Fall Back，CSFB）以及VoLTE共3種解決方案。

SVLTE模式實質是終端同時工作在2G和4G兩種網絡上，2G解決語音問題，4G解決數據問題，該方案要求終端具備兩種射頻模塊，同時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駐留在4G網絡，有語音時返回2G模式，該方案由于需要兩張網絡互相操作，導致主叫用戶需要等待很長時間才能撥通電話，及時性和用戶體驗較差。VoLTE是基于4G網絡疊加IMS網絡實現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性的問題，逐漸成為4G網絡語音的最佳解決方案[1-3]。

1 平臺搭建

1.1 開源協議棧簡介

OAI是一個基于軟件無線電并遵循3GPP協議從核心網到接入網的開源LTE項目，該項目可以利用1臺或多臺計算機終端編譯安裝實現MME、PGW、HSS、UE以及eNodeB，搭建一個專業的LTE通信系統，形成較為完善的LTE核心網與基站到終端的完整解決方案。

Open IMS是由Fraunhofer Insitute FOKUS開發，基于標準協議規范架構提供的一款免費開源軟件。Open IMS提供了P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF以及HSS等IMS核心架構元素，可以在一臺或多臺電腦上實現整個平臺搭建，并利用其提供的基于3GPP的IMS服務控制接口實現IMS網絡建構，如圖1所示。

圖1 Open IMS系統架構

1.2 平臺配置

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

1.2.1 P-CSCF

P-CSCF是UE在IMS網絡的第一個接觸點，所有的SIP消息無論是從UE發送到IMS網絡還是從IMS發送給UE都必須通過P-CSCF，其主要功能是負責會話控制、處理驗證請求以及SIP信息轉發。該功能實體配置在一臺服務器上，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S-CSCF。同時由于I-CSCF是運營商內網的接觸點，因此該網元還負責網絡安全方面的功能，實現對網絡的隱藏。該功能實體配置在一臺服務器上，IP地址為192.168.11.11。

1.2.3 S-CSCF

S-CSCF是IMS網絡的核心，記錄用戶的呼叫狀態，完成呼叫控制功能。UE注冊流程中，負責提供會話控制和注冊請求應答。該功能實體和I-CSCF配置在同一臺服務器上，IP地址為192.168.11.11。

1.2.4 IMS-HSS

IMS-HSS存儲業務過濾規則（initial FilterCriteria，iFC）和在線狀態，即存儲用戶都開通了哪些業務、開通的業務怎么觸發以及給哪個AS處理等。該功能實體配置在一臺服務器上，IP地址為192.168.11.12。

2 連通試驗

2.1 試驗網絡組成

試驗環境由OAI構建LTE網模塊，OpenIMS構建IMS核心網模塊，采用真實手機或電腦上裝SIP終端軟件OpenIC_Lite模擬VOLTE客戶端，實驗網絡拓撲圖如圖2所示。

圖2 實驗網絡拓撲圖

2.2 LTE連通試驗

該試驗硬件部分由1個服務器、1塊USRPB200板卡以及兩臺商用LTE手機組成，服務器上運行LTE核心網和ENB程序，實現LTE核心網和基站功能，發出射頻信號吸引手機接入。手機是正常的通用手機，插上已寫好的對應SIM卡。試驗分為3步。

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

第二步，打開手機，進行隨機接入。搜索基站頻點、時間和頻率同步、解碼小區的系統信息以及小區選擇。手機進行無線連接、進行RRC連接并進行NAS連接。

第三步，手機連接后，在手機上進行PING操作。

2.3 VoLTE連通試驗

該試驗是基于LTE連通試驗成功以后再搭載IMS環境，試驗步驟如下。

首先，分別啟動P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF和HSS；

其次，兩部手機連接LTE基站后，打開SIP終端，對其參數進行設置，如圖3所示；

圖3 注冊過程

再次，使用一部手機對另外一部手機進行呼叫操作，手機連通后，進行語音通話試驗，如圖4所示；

圖4 連通狀態圖

最后，使用手機進行短消息相互通信，檢測是否接收到，并記錄延遲時間（見圖5和圖6）。

圖5 業務通信圖

圖6 通話記錄圖

3 結 論

通過相應的配置連通手機+OAI+OpenIMS，實現相互通信的目的。通過在手機上裝載SIP客戶端實現雙向收發信息或語音等，達到真實無線環境下LTE數據雙向通信。經測試，整機系統成功連接持續時間可以達到8 h，穩定性尚可，可以為VOLTE通信技術研究提供參考。