一种基于窄带无线用户接入IMS的无线接入控制技术

张建丰中国电子科技集团公司第七研究所

一种基于窄带无线用户接入IMS的无线接入控制技术

张建丰
中国电子科技集团公司第七研究所

MS是3GPP在Release 5版本提出的支持IP多媒体业务的子系统，其核心特点是采用SIP协议和与接入的无关性。就IMS支持SIP协议和与接入的无关性，在带宽资源有限的情况下针对窄带无线用户接入IMS，重点提出了一种典型的无线接入控制技术，并详细分析其在系统中的位置、框架结构、系统结构、接口定义以及典型功能的实现方式。

IP多媒体子系统 接入无关性窄带无线用户 无线接入控制技术

1 引言

随着IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统）系统框架的不断完善、提供丰富的业务能力、综合的网络解决能力以及商用化进程的加快，已逐渐取代传统的交换设备，在当下市场已占有一定地位。IMS最核心的特点之一就是采用SIP（Session Initiation Protocol，会话初始协议）协议，而SIP是IETF（Internet Engineering Task Force，因特网工程任务组）制定的多媒体通信协议，它是一个基于文本的应用层控制协议，独立于底层协议，用于建立、修改和终止IP网上的双方或多方的多媒体会话。

在多媒体会话建立过程中，由于SIP基于文本格式，同时与SIP一同使用的还有SDP（Session Description Protocol，会话描述协议）和RTP（Real-Time Transport Protocol，实时传输协议）协议，在传输过程中均占用较大带宽资源，因此在传统的窄带无线链路上无法高效率传输，甚至无法传输。即使SIP协议支持压缩，但其目前的压缩率还是无法满足在窄带无线链路上的有效传输，故在传统窄带无线用户接入IMS系统时，同时参考EPC（Evolved Packet Core，演进的分组核心网）实现框架，提出了一种新的无线接入控制技术。

该无线接入控制技术除了具备普通接入网关功能外，还实现了窄带无线用户的移动性管理、用户特性功能控制等，对IMS而言，屏蔽了窄带无线用户的自身特性，体现了IMS的核心特点。

2 无线接入控制在系统中的位置

在系统中，无线接入控制技术既可以作为IMS中的独立功能实体运行，同时也可以独立于IMS，作为单独设备中的无线接入控制软件运行。

3 框架结构

无线接入控制技术对IMS提供用户注册、会话管理和分组数据等服务，同时期待从下层获得应用层业务的空口协议、分组数据以及IP话音流等服务。

无线接入控制技术具备无线接入设备的接入节点管理和无线资源管理等、窄带无线用户的移动性管理、会话管理、短消息、动态重组补充业务、分组数据路由和传送以及用户数据管理等、无线接入设备和窄带无线用户的IP地址池管理等功能。其中，各功能描述具体如下：

（1）接入节点管理是无线接入设备与无线接入控制互联的前提条件，是后续业务开展的基础，实现链路维护、选路、业务维护等功能。

（2）无线资源管理是无线接入控制对无线接入设备的无线通信通路进行分配和维护管理。

（3）移动性管理是无线接入控制层的核心功能，实现窄带无线用户的位置管理和切换控制等功能。其中，位置管理主要包括窄带无线用户的入网登记、鉴权、认证以及触发向IMS系统进行注册等操作；切换控制实现窄带无线用户在无线接入设备间移动时能保持业务的连续性。

（4）会话管理是无线终端设备会话业务的管理单元，包括两大部分：一是无线接口协议与应用层间的信令翻译、呼叫状态机维护等；二是针对窄带无线用户部分特殊会话功能的交换控制、媒体流处理等。

（5）短消息是无线终端设备短消息业务的控制单元，只需实现空口协议与应用层协议翻译、短消息发送接收状态机维护等功能。

（6）用户数据管理具备用户数据存储、用户数据更新以及用户状态更改等功能。其中，用户数据存储用于保存用户的数据，包括窄带无线用户识别码、用户永久身份识别码、用户临时身份识别码、用户号码等；用户数据更新主要是更新、删除位置信息等，包括用户位置更新过程中实现用户数据传递以及独立的插入用户数据、用户去附着时删除用户数据等。

（7）分组数据控制实现分组路由注册、分组数据上下文激活、分组数据的路由和转发以及数据切换控制等功能。

（8）动态重组是根据无线用户的特性，如集群用户在窄带无线用户已有分组的基础上，能动态地对用户进行临时编组以满足某些临时业务的开展，该动态组能即时通知到终端用户。

（9）故障弱化是在无IMS存在时，无线接入控制技术能起到简单交换控制的作用，支持窄带无线用户接入的基本业务开展。

（10）IP地址池管理是对无线接入设备的IP地址进行分配和维护，包括无线接入设备互联时的动态IP地址获取和释放、窄带无线用户进行分组数据时的IP地址分配和回收等。

4 系统结构

无线接入控制技术是以无线接入网关（RGW）为核心，并包括移动性管理实体（MME）、终端设备数据库（MTDB）、SIP网关（SIPGW）、服务网关（S-GW）、分组数据网网关（P-GW）等功能实体。

在具体应用中，各功能设备可以根据实际网络情况灵活组合分布。

（1）无线接入网关（RGW）

RGW是无线接入控制面的唯一入口，即无线接入设备所有控制面信息都必须通过该接口与上层进行通信，具体实现功能如下：

具备无线接入设备接入功能，实现无线接入设备向无线接入控制进行注册，以便后续业务开展；

实现空中接口与SIP网关间的协议转换、业务开展时状态控制等；

移动台位置登记时，RGW与MME、MTDB等完成无线接入控制内部的位置登记控制后，再由RGW触发向IMS系统进行注册；

窄带无线用户自身特性功能的交换控制，如IMS系统发起PoC业务时，RGW进行的特殊处理；

窄带无线用户特性功能开展时的媒体流处理；

已成功注册的移动台状态信息管理。

（2）移动性管理实体（MME）

MME实现窄带无线用户位置登记、漫游控制、用户归属MTDB的选择、鉴权认证、切换控制以及已成功注册移动台状态信息管理等功能。

（3）终端设备数据库（MTDB）

MTDB是无线接入控制的数据中心，包含设备系统信息、窄带无线用户的签约信息和当前位置信息、IP地址池数据等，完成窄带无线用户的位置登记、鉴权认证信息下发、动态重组、IP地址分配控制等功能。

（4）SIP网关（SIPGW）

SIPGW是SIP协议栈中心，具备无线接入网关和SIP网关间协议翻译能力，支持SIP压缩、IPSec安全联盟等，实现呼叫控制、短消息、注册等功能。

（5）服务网关（S-GW）

S-GW实现分组数据会话管理、分组数据路由选择和数据转发、QoS控制等功能。

（6）分组数据网网关（P-GW）

P-GW实现IP地址分配、分组数据会话管理、分组数据路由选择和数据转发、接入外部数据网、QoS控制等功能。

5 接口定义

5.1 外部接口

（1）A接口

无线接入控制与无线接入设备之间的接口，实际上是RGW与无线接入设备之间的接口，称为A接口。此接口为网口，基于UDP/IP，网络层以上的高层协议取决于空中接口协议栈。

（2）Gm接口

无线接入控制与IMS之间的接口，实际上是SIP网关与代理呼叫会话控制功能（P-CSCF）之间的接口，称为Gm接口。此接口基于UDP/IP，网络层以上的高层协议为SIP/SDP协议。

（3）SGi接口

无线接入设备与分组网之间的接口，实际上是P-GW与分组网之间的接口，称为SGi接口。此接口基于UDP/IP，网络层以上的高层协议取决于不同应用软件的协议栈。

5.2 内部接口

（1）RGW与MME之间的接口（B接口），一般为内部接口。

（2）RGW与SIPGW之间的接口（C接口），一般为内部接口。

（3）MME与MTDB之间的接口（D接口），此接口为网口，基于UDP/IP，接口标准为Diameter。

（4）RGW与S-GW之间的接口（E接口），一般为内部接口。

（5）S-GW与P-GW之间的接口（F接口），此接口为网口，基于UDP/IP，接口标准为GTPv2。

6 典型实现

6.1 移动性管理

无线接入控制的移动性管理包括移动台位置管理和切换控制等功能。其中，位置管理实现移动台入网登记、鉴权、认证以及触发向IMS系统进行注册等操作；切换控制实现移动台在无线接入设备间移动时能保持业务的连续性。

（1）位置管理

从无线接入控制出发，位置管理分为两个方面：一是在无线接入控制内部功能实体间根据窄带无线用户携带的身份标识（永久身份识别标识/临时身份识别标识）完成入网登记、鉴权和认证等操作，包括归属地查找、授权信息获取、临时身份标识分发、鉴权比较等；二是根据无线接入控制位置登记完成后所获取的相关用户信息触发向IMS系统进行注册，以完成移动台的IMS注册，方便窄带无线用户后续相关业务的发起。具体如下：

1：窄带无线用户加电开机或发生漫游时，发送位置登记请求通过无线接入设备转发至目标RGW（T_RGW）；

2：接收到位置登记后，T_RGW分析其携带的身份标识选择目标MME（T_MME）或者直接选择本地的T_MME；

3：T_MME记录T_RGW的地址并分析其身份标识，获取其归属MTDB（H_MTDB）的位置信息；

4：如果H_MTDB分析其位置登记信息，发现该用户已在原MME（S_MME）中登记，则通知S_MME删除该用户信息，同时提取签约用户信息发送位置登记确认；

4a：S_MME、原RGW（S_RGW）删除用户信息，回复删除确认应答；

5：T_MME记录接收自T_MTDB的用户签约数据，产生临时身份识别标识；

6：同样，T_RGW记录用户签约信息，并提取必要信息通知目标SIPGW（T_SIPGW）；

7：根据来自T_RGW的用户信息，T_SIPGW封装成SIP协议（REGISTER）发往IMS系统进行注册；

8：收到来自IMS系统的应答（200OK）后，T_SIPGW转发至T_RGW；

9：T_RGW收到转发的注册响应后，向移动台发送位置登记确认。

（2）切换控制

在切换过程中，移动台源接入点作为切换控制面的锚点，即发生切换时，不管是首次切换还是后续切换，此过程中涉及控制面的信令都需回到源接入点进行交换控制，至于切换过程中的业务面，则以发生切换的移动台业务发往的目的端作为锚点，由控制面在切换过程中重新协商业务流的流向。

具体如下：

1：窄带无线用户B在源接入点发起切换请求，携带目标小区信息；

2：源RGW（S_RGW）读取目的小区信息，通知源MME（S_MME）移动台发生切换，并告知目标信息；

3：分析目标切换信息，如果S_MME发现该小区信息错误，则直接拒绝切换，否则匹配目标小区对应的MME（T_MME），向其发送切换请求；

4：T_MME收到切换请求后，向目标RGW（T_RGW）发送切换请求，期待获取切换小区信道信息、承载信息、业务流接口信息等；

5：T_RGW向目标小区发送切换请求，向无线接入设备提出相应无线资源；

6：接收到来自无线接入设备的切换应答后，T_RGW读取信道信息、承载信息、业务流接口信息等，并转发至T_MME；

7：读取信道信息、承载信息、业务流接口信息等，封装后T_MME将其发送至S_MME；

8：同样，S_MME将其信息转发至S_RGW；

9：S_RGW读取业务流接口信息发送至源SIPGW（S_SIPGW），同时保存小区信道等信息；

10：S_SIPGW获取相关目的端业务流信息后，向IMS系统发起重新建链（REINVITE—200OK）；

11：重新建链完成后，通知T_RGW建链完成，移动台可以切换到新小区；

12：T_RGW发送切换应答消息，携带目的端的信道信息等，通知其切换。

在切换过程中，窄带无线用户源接入点作为切换控制面的锚点，源接入点主动将用户上下文发送给目标接入点，切换过程中的业务面同样以源接入点作为锚点，通过在源接入点和目标接入点之间建立隧道来传输切换过程中的上下行数据，待切换完成后分组数据通过目标接入点直接传输。

数据切换控制流程描述可参考话音切换控制流程，基本相同。两者差别之处在于业务流的承载建立上：数据切换控制中，切换完成后S_S-GW用于数据中转；而话音切换控制中，业务流直接是端到端传输，不存在数据中转。

6.2 会话管理

在前面框架结构中提到，无线接入控制的会话管理主要实现了两大功能：一是具备普通的网关功能，即无线接口协议与应用层间的信令翻译、呼叫状态机维护等；二是该架构因针对用户接入特性而支持的特殊功能，比如具备会话控制、媒体流处理等，典型的是窄带集群用户的组呼功能，通过PoC服务器发起业务。

无线接入控制接入多个无线接入设备，PoC服务器发起PoC业务时，由IMS系统寻址并发送到无线接入控制；此时RGW需要具备会话控制，查询该组呼中组呼成员的位置登记信息，同时向各无线接入设备发送寻呼信令，并申请媒体流处理资源，用于分发媒体流。

7结束语

本文为窄带无线用户接入IMS系统提供了一种典型的框架体系，规定了系统结构、接口定义和典型流程的实现方式，屏蔽了窄带无线用户的自身特性，实现了IMS系统的与接入无关性特点，对实际应用具有较强的指导作用。

［1］Miikka Poikselka，Georg Mayer，Hisham Khartabil，et al.IMS：IP多媒体概念和服务［M］.望玉梅，董文宇，周胜，译.北京：机械工业出版社，2007.

［2］3GPP TS 24.229. IP Multimedia Call Control Protocol Based on SIP and SDP；Stage 3［S］. 2015.

［3］3GPP. OMA PoC AD：Push to talk over Cellular（PoC）-Architecture［S］. 2013.

［4］庞韶敏，李亚波. 3G UMTS与4G LTE核心网——CS，PS，EPC，IMS［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［5］常永宇，桑林，张欣，等. CDMA 2000-1X网络技术［M］.北京：电子工业出版社，2005.

［6］易飞，刘晓丰，史相斌，等. EPC原理与实践［M］. 北京：电子工业出版社，2014.

［7］罗国庆. 软交换的工程实现［M］. 北京：人民邮电出版社，2004.

［8］辛伟，杨红梅，许慕鸿，等.演进分组系统（EPS）业务应用技术［M］.北京：人民邮电出版社，2011.

［9］黄钰.IMS系统核心特点——接入无关性研究［EB/OL］. ［2007-05-23］.http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/ content/200705-373.

［10］中国通信标准化协会.演进的分组核心网络总体技术研究（第一阶段）［Z］.2003.