异构融合网络中多网无感切换技术研究*

章广梅，王炜发，郭水平，张 洁

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310）

0 引 言

以移动通信为代表的无线通信网络从单个独立建设，逐步向多元化和综合化发展，各种无线网络包括蜂窝移动接入、宽带无线接入等无线网必将与固定网融合接入基于IP的异构融合网络。在这种日益复杂的异构融合的网络环境中，由于不同的接入网络具有不同技术体制，覆盖不同范围，具有不同的网络性能，在当前用户实时直播和虚拟现实业务的迅速普及需求场景下[1-2]，单一通信网络越来越难以满足人们对于网络通信高可靠、高带宽和低时延的需求。因此，研究异构融合多个网络之间的无感切换，为用户提供复杂多网接入环境下跨网络的选择和切换，提高数据传输可靠性，并最大化网络资源利用率，必然是多网融合通信技术领域的研究热点。

现有业界的技术解决方案中[3-4]，一般根据移动终端所处区域内所有网络的信号强度等多种网络参数，在网络层来进行垂直切换控制。但是，在这种网络层切换技术方案中，当移动终端进入到某个区域内[5]，且该区域内的若干网络信号强度产生剧烈变换时，容易出现用户终端在各个网络中频繁切换所引起的切换准确率不高、切换效率低，甚至误切换等一系列的问题。然而，如果通过上层应用层进行控制切换，由于涉及到固定网络、移动网络的核心网，以及上层业务信令控制，机制较为复杂。但考虑到从上层应用进行控制，可以屏蔽底层网络，实现接入网络无关性，因此基于统一通信的应用层切换控制具有独特的优势。

综上所述，本文重点研究基于统一通信在应用业务控制层的无感切换机制，探讨屏蔽底层的多种接入网络；从应用控制层进行业务无感切换研究，提出一种与底层网络无关的无感切换解决方案；创新性引入多网络切换控制（Multi-Network Handover Control，MNHC）功能实体，并详细阐述了无感切换流程；根据统一用户管理的信息，从应用控制层监测多个接入网络状态，进行控制面信令用户无感知切换控制，避免网络层切换的弊端，可以有效解决多网切换问题。

1 多网切换架构研究

统一通信把计算机技术与通信技术融合一体，让人们无论任何时间、任何地点，都可以通过任何设备、任何网络，获得数据、图像和声音的通信连接。典型的统一通信架构组成包括实现电话、传真、数据传输、音视频会议、呼叫中心、即时通信等众多应用服务在一个网络平台上。其本质上是以互联网作为物理依托，将传统通信融合进入互联网数字环境，并且同时对互联网环境中的现代化数字通信工具实现支持，架设起不同通信工具之间的信息通路，同步信息的发送与获取，使其成为一个有机整体。从总体发展的角度看，统一通信随着基础网络的多网融合而呈现出强大的生命力，突出表现在无缝连接、高集成以及连续服务3个技术层面上。

统一通信架构是一个通过标准化接口连接的功能的集合，其典型组成由归属用户服务器（Home Subscriber Server，HSS）、签约位置功能（Subscription Locator Function，SLF）、呼叫/会话控制功能（Call Session Control Function，CSCF）、 应 用 服务器（Application Server，AS）以及媒体资源功能（Multimedia Resource Function，MRF）等组成。本文在统一通信无缝连接架构基础上，增加多网切换控制MNHC功能，对位于不同网络的终端分配不同的私有标识号码，并且不同终端组成一个组，该组具有统一的用户号码（公有标识），在应用层监控各终端的网络连通情况，当某个网络中断时，不需要重新建立呼叫，即可切换到其他可用网络终端。

如图1所示，基于统一通信的异构多网无感切换系统从体系架构上分为多网接入层、应用控制层、服务应用层。其中：多网接入层包括了多种接入网络，涵盖固定宽带接入、WiFi（Wireless Fidelity）接入以及移动通信网，此处的移动网主要是指以5G为代表的移动通信网；服务应用层也是应用实体，主要包括实时直播、虚拟现实业务、电话、传真、音/视频会议、呈现业务以及网络管理信息服务等应用；应用控制层主要由用户状态服务器、多网切换MNHC模块、查询会话控制、服务会话控制、代理会话控制、签约位置功能、媒体服务器（Multimedia Resource Server，MRS）、域名系统（Domain Name System，DNS）以及统一用户管理（Unified User Management，UUM）等功能模块组成。这里主要对本文涉及到的应用控制层的功能实体进行分析。

1.1 呈现服务器

负责接收、存储和分发用户呈现（Presence）信息，并对用户的呈现信息进行管理。主要功能包括：

（1）接收用户的状态通知，并通知其相应的白名单对象；

（2）接收用户的订阅请求，并根据被订阅用户的黑白名单决定其请求是否被批准；

（3）收集其他呈现业务实体发来的用户状态信息；

（4）接收资源列表订阅请求并发送资源列表状态信息。

1.2 多网切换MNHC功能

MNHC根据统一用户管理的信息，从应用控制层监测多个接入网络状态，对被叫为统一用户管理的呼叫进行处理，重新下发对组内所有用户号码的呼叫。此外MNHC还会对主叫为统一用户管理内的号码的呼叫进行处理，将主叫修改为统一用户管理的虚号（组号）。

（1）用户状态监控功能：在收到CSCF的用户注册通知时，若是开通多网切换功能的用户，则与用户建立网络链路监控。

（2）多网切换功能：开通多网切换功能的用户在通话中时出现链路断开等网络恶化情况时，MNHC选择统一用户管理内连接正常的优先级最高的真实号码，进行多网切换，保证呼叫的正常进行。

（3）呼叫回切功能：在优先级较高的链路断开的终端回复连接后，将呼叫切回到原有用户链路。

1.3 查询会话控制功能

查询会话控制功能（Interrogating Call Session Control Function，I-CSCF）实体是本系统融合网络域的入口功能节点，当用户需要获得异构多网的网络域提供的服务时，先经过由查询会话控制功能实体完成的查询会话控制，具体分为以下两个功能。

（1）当多网的用户设备（User Equipment，UE）申请注册时，由I-CSCF为用户分配服务会话控制功能。

（2）当用户在会话阶段，I-CSCF完成从归属用户服务器获取服务会话控制（Serving Call Session Control Functiong，S-CSCF）的地址的功能；从而相应S-CSCF完成前转会话发起协议的请求或响应消息。

1.4 服务会话控制功能

服务会话控制为UE提供注册服务、会话控制，以及选路，具有维持UE间会话状态信息的功能。多网用户UE发送和接收的会话发起协议（Session Initiation Protocol，SIP）消息经过S-CSCF，并根据初始触发规则确定和业务应用平台之间的交互。具体功能分为以下两个阶段。

1.4.1 UE注册阶段

（1）作为注册服务器，对来自用户设备UE的注册请求消息进行处理；

（2）通过与HSS交互，完成对UE的认证和鉴权，更新HSS上用户的注册状态信息；

（3）如果认证通过，S-CSCF从HSS下载用户的相关信息；

（4）完成维持用户的注册状态功能，并且在UE注册状态发生变化时，向UE发送相应的通知消息。

1.4.2 UE会话阶段

（1）为UE提供会话控制功能，可以工作在代理模式（Proxy）或者用户代理模式（User Agent，UA）。

（2）支持完成与业务应用平台交互的功能。

（3）根据会话需要或者业务需要，完成控制MRS向UE发送特定音频资源等功能。

（4）完成控制功能，比如：确定为被叫UE提供服务的I-CSCF，并转发相关会话发起协议请求和响应消息；处理由业务应用平台触发的始发请求；和电话号码映射（Elephone Number Mapping，ENUM）服务器进行交互获取和被叫统一资源标志（Uniform Resource Identifier，URI）对应的统一IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem，IMS）核心网中可路由SIP URI等。

（5）提供终结会话控制相关功能，主要包括：向固定或移动的代理呼叫会话控制功能实体转发会话发起协议请求和响应消息；当UE为未注册用户而需提供服务时，收到该未注册UE的请求消息后，如果S-CSCF上没有用户业务清单等相关信息，C-CSCF和HSS交互下载相关信息。

1.5 代理呼叫会话控制功能功能

代理会话控制功能（Proxy Call Session Control Function，P-CSCF）是为用户多网接入提供服务的入口节点，主要功能如下：

（1）P-CSCF前转从用户收到的会话发起协议注册请求，根据用户的归属域名确定下一个入口节点；

（2）P-CSCF向会话发起协议服务器前转从UE收到的会话发起协议消息，通过注册过程P-CSCF获得该会话发起协议服务器的地址信息；

（3）P-CSCF向用户前转会话发起协议请求或响应消息；

（4）P-CSCF支持检测紧急会话建立请求并进行相应的处理功能；

（5）P-CSCF建立并维护和UE之间的安全偶联；

（6）P-CSCF完成对会话发起协议消息进行压缩和解压缩的功能。

1.6 SLF签约位置功能

SLF签约位置功能，是IMS体系结构中主要数据库之一。SLF在系统中处于交换层，主要功能是辅助CSCF实现抗毁、动态组网功能等重要功能。具体包括：

（1）SLF在交换机启动时或定期向SLF端口广播本交换机信息，完成与网络中的其他交换机的信息交互，获得交换机当前的网络环境信息，与此同时，网络中的其他交换机也获得了本交换机的信息；

（2）用户信息查询功能：SLF提供以用户号码为关键字的归属域、备份域以及挂载域信息的查询接口，现所能查到的信息包含归属域（或备份域、挂载域）域名、接入IP和端口等。

1.7 媒体服务器

异构融合网络具备提供多种媒体处理功能，包括不同编解码算法间的转换等各种资源功能、通信功能，以及管理维护功能等。由MRS根据不同业务需求提供信号音的产生和发送、录音通知的发送、混音等，具体功能如下：

（1）来自服务会话控制设备和应用服务器的会话发起协议消息，或来自应用服务器的H.248消息，经过MRS解析，由MRS完成控制相关资源的功能；

（2）MRS具备双音多频（Dual Tone Multi-Frequency，DTMF）信号的采集和解码功能；

（3）完成信号音的产生和发送功能；

（4）完成特定音资源的发送功能；

（5）可以根据会话发起协议消息中包含的资源URI信息从其他地方获取相关的音频资源信息并完成发送；

（6）MRS支持对媒体流进行处理，包括混合入媒体流、编解码转换等。

1.8 DNS服务器

DNS服务器完成域名查询服务功能，代理会话控制设备、服务会话控制设备等可以查询域名系统获得被叫或注册UE归属域的查询会话控制功能的地址。

1.9 统一用户管理

UUM服务器统一存储异构融合网络域内和UE相关信息和业务相关信息等用户数据，包含用户签约数据、策略数据等，提供用户签约数据访问、位置登记等，具体功能分为以下4种。

（1）存储UE信息和业务信息，包括UE的公有标识、用户私有标识和寻址信息，UE的安全信息，UE的位置信息，UE的业务签约信息，透明的应用数据。

（2）与查询会话控制设备（I-CSCF）交互，指派服务会话控制（S-CSCF），获取为公共业务标识（Public Service Identity，PSI）服务的应用服务器等相关信息。

（3）生成认证向量信息，与S-CSCF交互，完成用户认证，获取用户注册信息，并向S-CSCF设备传送相关用户信息以及业务信息。

（4）与AS交互，响应AS的业务信息查询；接收AS定制数据变更通知；接收AS将业务数据同步到HSS上。

2 无感切换流程

基于统一通信的异构多网无感切换的主要流程包括用户注册流程、用户呼入流程、用户呼出流程、多网切换控制流程等，其中用户注册流程如图2所示，用户呼入流程如图3所示，用户呼出流程如图4所示，多网切换控制流程见图5，下面进行详细分析。

2.1 用户注册（开通多网切换功能）流程

步骤1～步骤2：多网用户设备UE（开通多网切换功能）通过统一号码向CSCF进行注册，CSCF回复200 ok。

步骤3～步骤4：CSCF查询用户信息，发现UE开启多网切换功能，将注册信息触发至MNHC，MNHC回复200 ok表示已处理该注册消息。

步骤5～步骤6：MNHC通过CSCF向UE发送监测请求。

步骤7～步骤8：UE收到监测请求后回复监测响应。

步骤9～步骤12：MNHC在每经过监测周期T后会再次与UE进行监测交互，若UE状态正常，MNHC会收到来自UE的监测响应。

2.2 用户呼入流程

步骤1～步骤2：UE2呼叫UE1（A网、B网）共同的虚号（公有标识），CSCF将呼叫触发至MNHC。

步骤3～步骤4：MNHC查询用户信息，获取虚号对应的实际用户号码（私有标识），然后下发对用户号码的呼叫。

步骤5～步骤6：CSCF将呼叫下发至UE1（A网、B网）。

步骤7～步骤8：UE1（B网）接听呼叫。

步骤9～步骤10：MNHC拆除到UE1（A网）的呼叫。

步骤11～步骤12：MNHC回复200 ok给主叫方，UE2与UE1（B网）建立通话。

2.3 用户呼出流程

步骤1～步骤2：UE1呼叫UE2，CSCF将呼叫触发至MNHC。

步骤3：MNHC查询用户信息，获取UE1所在多模通的虚号，然后将主叫信息修改为虚号，然后转发呼叫。

步骤4：CSCF将呼叫UE2。

步骤5～步骤8：UE2接听呼叫，UE1与UE2建立通话。

2.4 多网间无感切换

步骤1～步骤2：MNHC检测到UE1出现B网网络中断异常，A网监测正常。

步骤3～步骤4：MNHC拆除UE1（B网）的呼叫。

步骤5～步骤6：MNHC发起到UE1（A网）的呼叫。

步骤7～步骤8：UE1（A网）接听呼叫。

步骤9～步骤12：MNHC修改UE2的媒体属性，使UE1（A网）与UE2建立通话。

3 结 语

随着网络信息技术的快速发展，为了满足用户实时直播和虚拟现实业务的迅速普及的需求，未来的信息网络将是融合了固定、无线等不同技术体制的异构融合网络。由于不同的网络（包括固定网络、多种移动网络等）在传播特性、带宽、时延、覆盖范围等方面具有不同的性能，目前仍没有单一的接入通信手段或网络能够同时满足高可靠、带宽高、覆盖广、移动性高并且时延低的要求。需要研究不同网络之间的无感切换继续保证通信的可靠和不间断进行，在未来的综合接入网络中，多种异构无线/固定接入网络之间的无感切换仍然是研究热点领域。本文探讨了统一通信架构下在应用控制层进行用户无感切换的技术机制，基于统一通信的接入无关特性，提出一种基于统一通信架构的多网无感切换解决方案，在现有标准的统一通信架构基础上，创新性增加多网无感切换功能实体，具有与接入网络无关的优点，为用户提供复杂多网接入环境下跨异构网络的选择和切换，有利于解决网络层误切换等问题，提高数据传输可靠性。