異構融合網絡中多網無感切換技術研究*

章廣梅，王煒發，郭水平，張 潔

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

0 引 言

以移動通信為代表的無線通信網絡從單個獨立建設，逐步向多元化和綜合化發展，各種無線網絡包括蜂窩移動接入、寬帶無線接入等無線網必將與固定網融合接入基于IP的異構融合網絡。在這種日益復雜的異構融合的網絡環境中，由于不同的接入網絡具有不同技術體制，覆蓋不同范圍，具有不同的網絡性能，在當前用戶實時直播和虛擬現實業務的迅速普及需求場景下[1-2]，單一通信網絡越來越難以滿足人們對于網絡通信高可靠、高帶寬和低時延的需求。因此，研究異構融合多個網絡之間的無感切換，為用戶提供復雜多網接入環境下跨網絡的選擇和切換，提高數據傳輸可靠性，并最大化網絡資源利用率，必然是多網融合通信技術領域的研究熱點。

現有業界的技術解決方案中[3-4]，一般根據移動終端所處區域內所有網絡的信號強度等多種網絡參數，在網絡層來進行垂直切換控制。但是，在這種網絡層切換技術方案中，當移動終端進入到某個區域內[5]，且該區域內的若干網絡信號強度產生劇烈變換時，容易出現用戶終端在各個網絡中頻繁切換所引起的切換準確率不高、切換效率低，甚至誤切換等一系列的問題。然而，如果通過上層應用層進行控制切換，由于涉及到固定網絡、移動網絡的核心網，以及上層業務信令控制，機制較為復雜。但考慮到從上層應用進行控制，可以屏蔽底層網絡，實現接入網絡無關性，因此基于統一通信的應用層切換控制具有獨特的優勢。

綜上所述，本文重點研究基于統一通信在應用業務控制層的無感切換機制，探討屏蔽底層的多種接入網絡；從應用控制層進行業務無感切換研究，提出一種與底層網絡無關的無感切換解決方案；創新性引入多網絡切換控制（Multi-Network Handover Control，MNHC）功能實體，并詳細闡述了無感切換流程；根據統一用戶管理的信息，從應用控制層監測多個接入網絡狀態，進行控制面信令用戶無感知切換控制，避免網絡層切換的弊端，可以有效解決多網切換問題。

1 多網切換架構研究

統一通信把計算機技術與通信技術融合一體，讓人們無論任何時間、任何地點，都可以通過任何設備、任何網絡，獲得數據、圖像和聲音的通信連接。典型的統一通信架構組成包括實現電話、傳真、數據傳輸、音視頻會議、呼叫中心、即時通信等眾多應用服務在一個網絡平臺上。其本質上是以互聯網作為物理依托，將傳統通信融合進入互聯網數字環境，并且同時對互聯網環境中的現代化數字通信工具實現支持，架設起不同通信工具之間的信息通路，同步信息的發送與獲取，使其成為一個有機整體。從總體發展的角度看，統一通信隨著基礎網絡的多網融合而呈現出強大的生命力，突出表現在無縫連接、高集成以及連續服務3個技術層面上。

統一通信架構是一個通過標準化接口連接的功能的集合，其典型組成由歸屬用戶服務器（Home Subscriber Server，HSS）、簽約位置功能（Subscription Locator Function，SLF）、呼叫/會話控制功能（Call Session Control Function，CSCF）、 應 用 服務器（Application Server，AS）以及媒體資源功能（Multimedia Resource Function，MRF）等組成。本文在統一通信無縫連接架構基礎上，增加多網切換控制MNHC功能，對位于不同網絡的終端分配不同的私有標識號碼，并且不同終端組成一個組，該組具有統一的用戶號碼（公有標識），在應用層監控各終端的網絡連通情況，當某個網絡中斷時，不需要重新建立呼叫，即可切換到其他可用網絡終端。

如圖1所示，基于統一通信的異構多網無感切換系統從體系架構上分為多網接入層、應用控制層、服務應用層。其中：多網接入層包括了多種接入網絡，涵蓋固定寬帶接入、WiFi（Wireless Fidelity）接入以及移動通信網，此處的移動網主要是指以5G為代表的移動通信網；服務應用層也是應用實體，主要包括實時直播、虛擬現實業務、電話、傳真、音/視頻會議、呈現業務以及網絡管理信息服務等應用；應用控制層主要由用戶狀態服務器、多網切換MNHC模塊、查詢會話控制、服務會話控制、代理會話控制、簽約位置功能、媒體服務器（Multimedia Resource Server，MRS）、域名系統（Domain Name System，DNS）以及統一用戶管理（Unified User Management，UUM）等功能模塊組成。這里主要對本文涉及到的應用控制層的功能實體進行分析。

1.1 呈現服務器

負責接收、存儲和分發用戶呈現（Presence）信息，并對用戶的呈現信息進行管理。主要功能包括：

（1）接收用戶的狀態通知，并通知其相應的白名單對象；

（2）接收用戶的訂閱請求，并根據被訂閱用戶的黑白名單決定其請求是否被批準；

（3）收集其他呈現業務實體發來的用戶狀態信息；

（4）接收資源列表訂閱請求并發送資源列表狀態信息。

1.2 多網切換MNHC功能

MNHC根據統一用戶管理的信息，從應用控制層監測多個接入網絡狀態，對被叫為統一用戶管理的呼叫進行處理，重新下發對組內所有用戶號碼的呼叫。此外MNHC還會對主叫為統一用戶管理內的號碼的呼叫進行處理，將主叫修改為統一用戶管理的虛號（組號）。

（1）用戶狀態監控功能：在收到CSCF的用戶注冊通知時，若是開通多網切換功能的用戶，則與用戶建立網絡鏈路監控。

（2）多網切換功能：開通多網切換功能的用戶在通話中時出現鏈路斷開等網絡惡化情況時，MNHC選擇統一用戶管理內連接正常的優先級最高的真實號碼，進行多網切換，保證呼叫的正常進行。

（3）呼叫回切功能：在優先級較高的鏈路斷開的終端回復連接后，將呼叫切回到原有用戶鏈路。

1.3 查詢會話控制功能

查詢會話控制功能（Interrogating Call Session Control Function，I-CSCF）實體是本系統融合網絡域的入口功能節點，當用戶需要獲得異構多網的網絡域提供的服務時，先經過由查詢會話控制功能實體完成的查詢會話控制，具體分為以下兩個功能。

（1）當多網的用戶設備（User Equipment，UE）申請注冊時，由I-CSCF為用戶分配服務會話控制功能。

（2）當用戶在會話階段，I-CSCF完成從歸屬用戶服務器獲取服務會話控制（Serving Call Session Control Functiong，S-CSCF）的地址的功能；從而相應S-CSCF完成前轉會話發起協議的請求或響應消息。

1.4 服務會話控制功能

服務會話控制為UE提供注冊服務、會話控制，以及選路，具有維持UE間會話狀態信息的功能。多網用戶UE發送和接收的會話發起協議（Session Initiation Protocol，SIP）消息經過S-CSCF，并根據初始觸發規則確定和業務應用平臺之間的交互。具體功能分為以下兩個階段。

1.4.1 UE注冊階段

（1）作為注冊服務器，對來自用戶設備UE的注冊請求消息進行處理；

（2）通過與HSS交互，完成對UE的認證和鑒權，更新HSS上用戶的注冊狀態信息；

（3）如果認證通過，S-CSCF從HSS下載用戶的相關信息；

（4）完成維持用戶的注冊狀態功能，并且在UE注冊狀態發生變化時，向UE發送相應的通知消息。

1.4.2 UE會話階段

（1）為UE提供會話控制功能，可以工作在代理模式（Proxy）或者用戶代理模式（User Agent，UA）。

（2）支持完成與業務應用平臺交互的功能。

（3）根據會話需要或者業務需要，完成控制MRS向UE發送特定音頻資源等功能。

（4）完成控制功能，比如：確定為被叫UE提供服務的I-CSCF，并轉發相關會話發起協議請求和響應消息；處理由業務應用平臺觸發的始發請求；和電話號碼映射（Elephone Number Mapping，ENUM）服務器進行交互獲取和被叫統一資源標志（Uniform Resource Identifier，URI）對應的統一IP多媒體子系統（IP Multimedia Subsystem，IMS）核心網中可路由SIP URI等。

（5）提供終結會話控制相關功能，主要包括：向固定或移動的代理呼叫會話控制功能實體轉發會話發起協議請求和響應消息；當UE為未注冊用戶而需提供服務時，收到該未注冊UE的請求消息后，如果S-CSCF上沒有用戶業務清單等相關信息，C-CSCF和HSS交互下載相關信息。

1.5 代理呼叫會話控制功能功能

代理會話控制功能（Proxy Call Session Control Function，P-CSCF）是為用戶多網接入提供服務的入口節點，主要功能如下：

（1）P-CSCF前轉從用戶收到的會話發起協議注冊請求，根據用戶的歸屬域名確定下一個入口節點；

（2）P-CSCF向會話發起協議服務器前轉從UE收到的會話發起協議消息，通過注冊過程P-CSCF獲得該會話發起協議服務器的地址信息；

（3）P-CSCF向用戶前轉會話發起協議請求或響應消息；

（4）P-CSCF支持檢測緊急會話建立請求并進行相應的處理功能；

（5）P-CSCF建立并維護和UE之間的安全偶聯；

（6）P-CSCF完成對會話發起協議消息進行壓縮和解壓縮的功能。

1.6 SLF簽約位置功能

SLF簽約位置功能，是IMS體系結構中主要數據庫之一。SLF在系統中處于交換層，主要功能是輔助CSCF實現抗毀、動態組網功能等重要功能。具體包括：

（1）SLF在交換機啟動時或定期向SLF端口廣播本交換機信息，完成與網絡中的其他交換機的信息交互，獲得交換機當前的網絡環境信息，與此同時，網絡中的其他交換機也獲得了本交換機的信息；

（2）用戶信息查詢功能：SLF提供以用戶號碼為關鍵字的歸屬域、備份域以及掛載域信息的查詢接口，現所能查到的信息包含歸屬域（或備份域、掛載域）域名、接入IP和端口等。

1.7 媒體服務器

異構融合網絡具備提供多種媒體處理功能，包括不同編解碼算法間的轉換等各種資源功能、通信功能，以及管理維護功能等。由MRS根據不同業務需求提供信號音的產生和發送、錄音通知的發送、混音等，具體功能如下：

（1）來自服務會話控制設備和應用服務器的會話發起協議消息，或來自應用服務器的H.248消息，經過MRS解析，由MRS完成控制相關資源的功能；

（2）MRS具備雙音多頻（Dual Tone Multi-Frequency，DTMF）信號的采集和解碼功能；

（3）完成信號音的產生和發送功能；

（4）完成特定音資源的發送功能；

（5）可以根據會話發起協議消息中包含的資源URI信息從其他地方獲取相關的音頻資源信息并完成發送；

（6）MRS支持對媒體流進行處理，包括混合入媒體流、編解碼轉換等。

1.8 DNS服務器

DNS服務器完成域名查詢服務功能，代理會話控制設備、服務會話控制設備等可以查詢域名系統獲得被叫或注冊UE歸屬域的查詢會話控制功能的地址。

1.9 統一用戶管理

UUM服務器統一存儲異構融合網絡域內和UE相關信息和業務相關信息等用戶數據，包含用戶簽約數據、策略數據等，提供用戶簽約數據訪問、位置登記等，具體功能分為以下4種。

（1）存儲UE信息和業務信息，包括UE的公有標識、用戶私有標識和尋址信息，UE的安全信息，UE的位置信息，UE的業務簽約信息，透明的應用數據。

（2）與查詢會話控制設備（I-CSCF）交互，指派服務會話控制（S-CSCF），獲取為公共業務標識（Public Service Identity，PSI）服務的應用服務器等相關信息。

（3）生成認證向量信息，與S-CSCF交互，完成用戶認證，獲取用戶注冊信息，并向S-CSCF設備傳送相關用戶信息以及業務信息。

（4）與AS交互，響應AS的業務信息查詢；接收AS定制數據變更通知；接收AS將業務數據同步到HSS上。

2 無感切換流程

基于統一通信的異構多網無感切換的主要流程包括用戶注冊流程、用戶呼入流程、用戶呼出流程、多網切換控制流程等，其中用戶注冊流程如圖2所示，用戶呼入流程如圖3所示，用戶呼出流程如圖4所示，多網切換控制流程見圖5，下面進行詳細分析。

2.1 用戶注冊（開通多網切換功能）流程

步驟1～步驟2：多網用戶設備UE（開通多網切換功能）通過統一號碼向CSCF進行注冊，CSCF回復200 ok。

步驟3～步驟4：CSCF查詢用戶信息，發現UE開啟多網切換功能，將注冊信息觸發至MNHC，MNHC回復200 ok表示已處理該注冊消息。

步驟5～步驟6：MNHC通過CSCF向UE發送監測請求。

步驟7～步驟8：UE收到監測請求后回復監測響應。

步驟9～步驟12：MNHC在每經過監測周期T后會再次與UE進行監測交互，若UE狀態正常，MNHC會收到來自UE的監測響應。

2.2 用戶呼入流程

步驟1～步驟2：UE2呼叫UE1（A網、B網）共同的虛號（公有標識），CSCF將呼叫觸發至MNHC。

步驟3～步驟4：MNHC查詢用戶信息，獲取虛號對應的實際用戶號碼（私有標識），然后下發對用戶號碼的呼叫。

步驟5～步驟6：CSCF將呼叫下發至UE1（A網、B網）。

步驟7～步驟8：UE1（B網）接聽呼叫。

步驟9～步驟10：MNHC拆除到UE1（A網）的呼叫。

步驟11～步驟12：MNHC回復200 ok給主叫方，UE2與UE1（B網）建立通話。

2.3 用戶呼出流程

步驟1～步驟2：UE1呼叫UE2，CSCF將呼叫觸發至MNHC。

步驟3：MNHC查詢用戶信息，獲取UE1所在多模通的虛號，然后將主叫信息修改為虛號，然后轉發呼叫。

步驟4：CSCF將呼叫UE2。

步驟5～步驟8：UE2接聽呼叫，UE1與UE2建立通話。

2.4 多網間無感切換

步驟1～步驟2：MNHC檢測到UE1出現B網網絡中斷異常，A網監測正常。

步驟3～步驟4：MNHC拆除UE1（B網）的呼叫。

步驟5～步驟6：MNHC發起到UE1（A網）的呼叫。

步驟7～步驟8：UE1（A網）接聽呼叫。

步驟9～步驟12：MNHC修改UE2的媒體屬性，使UE1（A網）與UE2建立通話。

3 結 語

隨著網絡信息技術的快速發展，為了滿足用戶實時直播和虛擬現實業務的迅速普及的需求，未來的信息網絡將是融合了固定、無線等不同技術體制的異構融合網絡。由于不同的網絡（包括固定網絡、多種移動網絡等）在傳播特性、帶寬、時延、覆蓋范圍等方面具有不同的性能，目前仍沒有單一的接入通信手段或網絡能夠同時滿足高可靠、帶寬高、覆蓋廣、移動性高并且時延低的要求。需要研究不同網絡之間的無感切換繼續保證通信的可靠和不間斷進行，在未來的綜合接入網絡中，多種異構無線/固定接入網絡之間的無感切換仍然是研究熱點領域。本文探討了統一通信架構下在應用控制層進行用戶無感切換的技術機制，基于統一通信的接入無關特性，提出一種基于統一通信架構的多網無感切換解決方案，在現有標準的統一通信架構基礎上，創新性增加多網無感切換功能實體，具有與接入網絡無關的優點，為用戶提供復雜多網接入環境下跨異構網絡的選擇和切換，有利于解決網絡層誤切換等問題，提高數據傳輸可靠性。