基于UMA技术的话音业务互切换技术的研究

陈景航，伍锡钧，李志冬

（中国移动通信集团广东有限公司中山分公司, 中山 528400）

随着移动/固定网络融合趋势的进一步发展，电信运营商与设备商意识到必须紧密合作开发标准来建成完全融合的网络，并以更低的价格提供高质量的话音服务。非授权无线接入技术（UMA，Unlicensed Mobile Access）就是实现这种融合趋势的技术之一，它支持移动话音与数据从蜂窝网络到无线局域网（WLAN/Wi-Fi）的无缝转换。借助UMA，运营商还可以通过Wi-Fi接入网络为用户提供VoWLAN话音和数据服务，显著提高移动服务的使用率，同时降低网络部署成本。针对VoIP技术，VoIP简而言之就是将模拟声音信号数字化，以数据分组的形式在IP数据网络上做实时传递。VoIP最大的优势是能广泛地采用Internet和全球IP互连的环境，提供比传统业务更多、更好的服务。而UMA技术是VoIP的衍生技术，它不仅仅能够实现话音在IP网络中实时传递，还能够跟运营商的移动网络融合，实现3G/2G/WLAN网络的相互切换。

本平台利用UMA技术有效地将Wi-Fi网络与TD-SCDMA网络和GSM网络结合在一起。该网优平台主要由一个具有自主开发产权的UMA控制器（UNC）构成。在不影响现有移动网络的基础上，通过增加UMA控制器，双模手机能够通过Wi-Fi网络无缝接入移动通信网络，并支持无线上网、无缝切换、漫游等功能。只要有Wi-Fi网络覆盖的地方，双模手机就可以通过互联网无缝接入TD-SCDMA核心网和GSM核心网，实现无缝切换、漫游、无线上网等功能。

1 基于UMA技术的话音业务互切换平台的系统结构

1.1 软件模块图

UNC（UMA网络控制器）的软件模块图如图1所示。

图1 UNC的软件模块图

UNC采用分层及模块化架构，不同层之间相对独立，具有高度的可移植性及扩展性。模块与模块之间耦合性好，均进行了良好的封闭与设计，可重用度高。采用标准简单网络管理协议（SNMP）接口，兼容现有网管平台，并可以通过Web页面实现对UNC的配置。从下到上分别为安全管理子系统、系统平台与底层协议栈子系统、OAM子系统（操作管理维护子系统）、MG控制子系统（媒体网关控制子系统）、Diameter/Radius子系统（直径/半径子系统）、业务数据配置与策略服务子系统、URLC子系统、URR子系统以及UNC控制逻辑子系统。

（1）安全子系统负责用户接入UMA网络的安全管理，包括用户鉴权与认证、VPN隧道维护、IPSec交互等。由手机客户端、安全网关、AAA服务器以及HLR联合实现。

（2）系统平台及底层协议栈子系统负责软件系统的操作系统、平台抽象、通信协议SCCP、M3UA、SCTP、MAP协议栈等。

（3）MS手机侧主要由支持TD-SCDMA的UMA模块和支持GSM的UMA模块两部分组成。

1.2 网络拓扑

该网优平台主要由一个具有自主开发产权的UMA控制器（UNC）、Wi-Fi无线路由器(AP)、双模手机构成。与传统GSM接入网相对等的UMA网络，主要由Wi-Fi网络接入设备（AP）、支持UMA的双模手机和UMA网络控制器（UNC）等组成。UNC向下通过公众IP网络与企业、社区或者家庭的AP相连，向上通过7号信令与核心网相连。AP为移动手机提供无线连接。具有UMA功能的双模手机同时支持传统GSM接入网和UMA网络，并可以在两个网络中进行切换。

由于UNC与核心网的接口采用标准的A/Iu、Gb/Iub接口，因此加入UMA控制器对现有网络影响几乎为零。从移动核心网角度来看，UNC相当于UTRAN/GERAN网络的RNC/BSC，因此移动核心网无需更改就能接入UNC。从用户角度来看，AP就相当于UTRAN/GERAN的Node B/BTS，对用户完全透明。因此，基于UMA技术的网优平台对现有移动通信网络的影响几乎为零，而采用IP接入将给运营商带来更低的建网与运营成本、高带宽、更优用户体验的效果。

1.3 协议栈

1.3.1 针对CS域的TD-SCDMA网络的信令层结构

经改造UMA_RR协议，支持了TD-SCDMA网络。同TD-SCDMA网络相比，MS侧的协议栈由CM/MM/SMS 变更为UMA网络的CM/MM/UMA-RR/TCP/R-IP/IPSec ESP/T-IP/Unlicensed Lower Layers。而最下边的非授权底层可能是蓝牙层或WLAN层。UNC只负责解码UMA-RR层协议，对于更高层协议分组，可以透传；为了扩展功能，UNC可选地对上层协议进行解码，以便直接同应用服务器交互；在上行方向，UNC一方面终结来自MS的信令，另一方面将源自MS的信令转换为RANAP，发送到CN上；在下行方向，UNC一方面终结CN的信令，另一方面将源自CN的信令转换为UMA-RR信令，发送给MS。

图2 网优平台的网络拓扑

图3 CS域中的TD-SCDMA网络的信令层结构图

1.3.2 针对CS域的GSM网络的信令层结构

同GSM网络相比，MS侧的协议栈由CM/MM/RR/LAPDm/GSM Baseband变更为UMA网络的CM/MM/UMA-RR/TCP/R-IP/IPSec ESP/T-IP/Unlicensed Lower Layers。而最下边的非授权底层可能是蓝牙层或WLAN层。UNC只负责解码UMA-RR层协议，对于更高层协议分组，可以透传；为了扩展功能，UNC可选地对上层协议进行解码，以便直接同应用服务器交互；在上行方向，UNC一方面终结来自MS的信令，另一方面将源自MS的信令转换为BSSAP，发送到MSC上；在下行方向，UNC一方面终结MSC的信令，另一方面将源自MSC的信令转换为UMA-RR信令，发送给MS，MSC无需任何变更。

2 基于UMA技术的话音业务互切换平台的关键流程

2.1 UNC发现和注册

MS同UNC进行通信前，必须先同UNC保护UNC的相应SGW（软交换媒体网关）建立安全隧道，即前通过接入鉴权认证，并建立连接到UNC网络的安全隧道。

图4 CS域中的GSM网络的信令层结构图

（1）SGW和UNC可以是MS出厂时预设、或通过基于IMSI的算法得到。如果是NAI格式，则需要通过DNS寻找到真正的IP地址。

（2）MS将Discovery消息下发到PUNC后，后者依据本地策略，直接回答该消息；或向UNC HLR咨询，依据咨询结果，回答该消息。

（3）MS依据Discovery的结果，向DUNC发送Register请求，请求注册到UMA网络；后者收到此消息后，依据本地策略，寻找最佳SUNC，并将SUNC信息下发给MS；或向UNC HLR咨询，依据UNC HLR的回复信息，将SUNC信息下发给MS；或者，直接处理该注册请求。

（4）MS依据Register的结果，如果是注册重定向，则向DUNC提供的SUNC发起Register请求。后者收到注册请求后，依据本地策略，处理该请求消息，并将请求结果返回给MS；或者向UNC HLR咨询，并依据UNC HLR的返回结果处理该注册请求。

2.2 MO流程

（1）MS成功注册UMA网络后，可主动发起呼叫。

（2）除了建承载外，整个流程与GSM的MO流程一致。

（3）UNC收到CN的Assignment请求后，与MG交互，要求MG建立上行通道。

（4）UNC通过URR ACTIVE CHANNEL将上行通道信息发送给MS。

（5）MS本地准备下行通道信息，并将下行端的IP与地址通过URR ACTIVE CHANNEL ACK上报给UNC。

（6）UNC一方面将下行端信息告知MG，通知MG打开通道；另一方面回复Assignment Complete给核心网，通知其承载指派已经完成。

2.3 MT流程

（1）CN对被叫寻址时，因为被叫注册到UMA网络后，其位置更新消息知晓MSC其位置位于特定UNC下（相当于特定BSC），故CN将向UNC发送Paging请求。

（2）UNC收到Paging请求后，将查找本地活动用户表，并向指定用户发URR PAGING 请求。

（3）随后的整个流程同GSM的MT流程类似，其建承载的过程与MO流程中建承载过程一致。

3 基于UMA技术的话音互切换平台的搭建

基于UMA技术的话音互切换平台搭建分为两个阶段。

第一阶段：手机通过WLAN网络能够无缝接入GSM网络，支持位置更新、话音通话、短消息和无缝切换等功能，无缝切换包括WLAN网络切换到GSM网络和GSM网络切换到WLAN网络两种。

第二阶段：根据第一阶段的测试情况，在外部条件允许的情况下开展。使手机通过WLAN网络无缝接入TD-SCDMA网络，测试位置更新、话音通话、短信息和无缝切换等功能，同时使UMA控制器接入GSM的核心网SGSN，实现数据业务的功能。

详细搭建过程如下所示。

（1）UMA控制器需与中山移动备份MSC通过E1连接，支持标准的A接口协议。

（2）在数据配置上，MSC将UMA控制器作为普通的BSC进行配置，命名为UNC。

（3）为了测试的便捷，计费策略采用原有的方法，不做改动，以后可以根据业务的需要按照CELL ID的不同采取不同的计费策略。

（4） 为了测试WLAN与GSM、TD-SCDMA之间的切换功能，需要选择一个BSC，RNC，需将UNC下带的WLAN热点配置成该BSC、RNC的邻近小区。

（5）数据配置说明：新增一个UNC的信令点，采用14bit编码格式；新增一个UNC的LAC以及CELL ID；需要提供一个BCCH ARFCN号，用于WLAN网络与GSM网络的切换。其中ARFCN号仅供切换使用，并不真正占用频点，这里真正使用的频点是Wi-Fi的频谱资源；UNC与MSC通过E1线连接，其中第16时隙默认走信令；为了能与移动WLAN连接，需要分配一个静态IP给UNC，以便从WLAN接入的手机能够访问UNC；AP的分布，目前只要能支持WLAN无线上网且可以访问UNC IP的接入点均可作为UMA覆盖区，目前的测试地点一般选择WLAN无线接入点。

表1 网优平台的测试结果

4 基于UMA技术的TD-SCDMA网优平台的测试情况

本次测试的主要流程涵盖了位置更新、短消息、话音通话、切换测试等常见流程，在测试内容上涵盖了UMA手机与TD-SCDMA手机、中国移动GSM手机、中国联通手机、中国电信用户的互通性测试。考虑到UMA是通过IP接入，还在不同地点、不同的网络状态对话音等业务进行了测试，测试网络分别为基于CMNET的WLAN网络、基于IP城域网的WLAN网络；同时在石岐区东盛花园、深圳福田海松大厦进行电信宽带ADSL的测试。详细的测试情况如表1所示。

从上述测试项目中可以发现，大部分测试项目正常运行并通过，在中山移动新机楼3楼进行测试话音测试的时候，会出现话音断续和单通现象，原因在于传统CMNET接入的WLAN网络丢分组率比较高，影响了话音质量；相比之下，使用基于IP承载网的WLAN网络进行话音测试，一切正常；另外在石歧东盛花园和深圳福田海松大厦的自建Wi-Fi网络下进行测试，一切正常。

5 基于UMA技术的话音业务互切换平台的总结

（1）支持双模手机通过WLAN网络无缝接入移动通信网络GSM和TD-SCDMA，支持话音通话、漫游、短消息等业务，支持双网无缝切换。切换过程中不影响用户正常话音通话。

（2）开发符合3GPP标准的UMA控制器，可以支持我国自主研发的TD-SCDMA网络。

（3）研究成果兼容国外产品，打破国外产品垄断的局面。

（4）需要大规模建设基于IP承载网的WLAN网络，提高网络传输效率，提高WLAN网络中的话音质量。

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