反向SRVCC切换控制技术研究

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许摇钞1,罗国明1,史摇军2
(1. 解放军理工大学通信工程学院,江苏南京210007;2. 武警8660 部队,新疆伊宁835000)
摘摇要:随着LTE/ SAE 移动网络的发展,VoLTE 将成为下一代全IP 移动网络和业务融合的关键。
如何保证语音业务在LTE 和已有网络之间的连续性,已经成为一个亟需解决的问题。rSRVCC 作为
SRVCC 技术的补充方案,主要用于解决从UTRAN/ GERAN 到E-UTRAN 的语音切换问题。在比较
3GPP 提出的多种rSRVCC 技术方案基础上,重点对基于IMS 的ATCF 媒体锚定方案的控制流程进
行了分析和研究。最后,结合终端的支持情况对ACTF 方案存在的问题提出了解决思路和系统优化
方案。
关键词:长期演进摇单无线语音呼叫连续性摇反向SRVCC摇IP 多媒体子系统
0摇引摇言
为实现VoLTE 与2G/3G 网络电路交换(CS)域
之间的无缝语音切换,3GPP 提出了SRVCC(Single
Radio Voice Call Continuity)方案[1] ,该方案较好地
解决了全IP 移动网与传统电路网络的语音连续性
问题。但考虑到LTE 网络在初期仅部署在热点、密
集地区,远小于2G/3G 网络的覆盖,原有电路域语
音业务不需要切换到LTE 网络,因此SRVCC 方案
在提出时仅考虑了从E-UTRAN 到UTRAN/ GERAN
的单向切换流程,并未给出从UTRAN/ GERAN 到E
-UTRAN 反方向的语音业务切换。
随着LTE 网络规模的不断发展,新业务的不断
开发应用,从用户角度来看,为了获得更好的业务体
验,一旦用户发现有可连接的LTE 网络,便需要从
2G/3G 网络切换到LTE 网络[2] ;运营商也希望将业
务转移到全新的网络,从而减少对传统网络的投入,
加大LTE 网络的部署和研发。因此需要对SRVCC
方案进行补充和完善,3GPP 在R11 版本中提出了
反向SRVCC 方案[3] ,即rSRVCC(Reverse SRVCC),
目前针对该方案还没有形成统一的标准,仅提出了
几个解决方案以供参考,文中在分析rSRVCC 架构
及要求上,对提出的方案进行对比分析,并介绍主要
信令流程。
1摇rSRVCC 设计思路
SRVCC 技术的基本思路是[4-7] :用户终端UE
在LTE 网络中采用IMS 呼叫控制建立语音呼叫,且
该呼叫必须锚定在IMS 域的SCC AS(Service Cen鄄
tralization and Continuity Application Server) 上。在
切换过程中,允许UE 的IP 地址重新分配。MSC
Server 会代替终端发起SRVCC 切换请求(同时,UE
与MSC 之间的CS 域连接也会建立),与IMS 中的
SCC AS 之间建立一个新的本端呼叫路径,提供一个
新的UE 媒体地址给SCC AS,SCC AS 通过会话持续
过程重新建立通话两端的媒体连接,从而完成LTE
到2G/3G 网络的切换。
作为SRVCC 技术的补充方案,rSRVCC 的基本
思路与之相似:UE 在建立呼叫时将语音媒体锚定在
IMS 上[8] ,当接收到切换请求时,执行接入转移准备
过程,进行相关实体的准备及目标接入资源的分配。
在UE 切换到目标接入网后,当前存在的语音媒体
面被指向目标接入网,SCC AS 执行会话持续性过
程,重新建立与远端媒体面的连接,从而完成2G/
3G 到LTE 的语音切换。
为了尽可能的增强网络重复利用率,rSRVCC
沿用SRVCC 的架构,UE 和网络的相关功能实体需
支持rSRVCC 功能[9] 。如图1 所示,对MSC Server
进行增强,增强后的MSC Server 应能够处理从BSC/
RNC 通过Sv 参考点传递来的语音部分重定位准备
过程请求,为语音切换做好准备。
图1摇rSRVCC 网络架构
Fig. 1摇rSRVCC network architecture
完整的rSRVCC 实现方案包括以下4 种场景:
1)支持分组切换的UTRAN/ GERAN 到E-UT鄄
RAN 的SRVCC;
2)不支持双传输模式(DTM)的GERAN 到EUTRAN
的SRVCC;
3)支持分组切换的UTRAN/ GERAN 到UTRAN
(HSPA)的SRVCC;
4)不支持双传输模式(DTM)的GERAN 到UT鄄
RAN(HSPA)的SRVCC。
考虑到通用性,本文以第一种场景为背景进行
分析。
从网络演进和运营的角度看,在SRVCC 的基础
上,rSRVCC 的设计应考虑到以下因素[10] :
1)新版本应对R10 版本提出的SRVCC 机制的
改动尽可能小;
2)为了提高服务质量,应尽量减少掉话率和业
务中断时延,且中断时延不应长于300 ms;
3)应适用UTRAN/ GERAN 分组域(PS)不能提
供IMS 语音业务的情况;
4)无线网络/ 域选择的改变应该由网络发起和
处于网络控制下;
5)从UTRAN/ GERAN CS 域到E-UTRAN PS 域
转移后,应能支持会话回到UTRAN/ GER-AN CS
域;
6)应支持在切换失败时UE 能返回到源BSS/
RAN,且不应造成语音业务的中断等。
2摇rSRVCC 实现方案
2. 1摇现存方案对比
针对UTRAN/ GERAN 到E - UTRAN 的
rSRVCC,3GPP 在R11 阶段专门对此问题进行了讨
论,给出了多种解决方案。这些方案从实现手段上
看,其原理大致可以分为以下三类:
1)从E-UTRAN 发起会话转移:源RNS/ BSS 根
据测量报告决定发起rSRVCC 切换,与目标MME 和
eNodeB 交互信息以预留资源,UE 根据源RNS/ BSS
的切换命令切换到E-UTRAN,并发送Forward Relo鄄
cation Complete message 通知相关实体切换已经完
成。UE 通过E-UTRAN 发送SIP INVITE 消息到
IMS(SCC AS)执行标准的会话转移过程并对远端媒
体进行更新,最后,IMS 释放CS 接入支路资源,完成
rSRVCC 过程。
2)将媒体流锚定在拜访网络:新增加一对功能
实体ATCF(Access Transfer Control Functionality,接
入转移控制功能) 和ATGW(AccessTransfer Gate鄄
way,接入转移网关),呼叫建立时将话音呼叫锚定
在ATCF 和ATGW,分别作为会话控制面和媒体面
锚定点,这样在会话转移时只要修改主叫用户到锚
定点之间的支路,而不需修改锚定点到远端用户之
间的支路,避免对远端媒体的更新过程,以缩短会话
转移时延。
3)本地锚定的间接会话转移:呼叫建立时将话
音呼叫锚定在本地SGW 和PGW 上,收到切换请求
后,SGW 建立间接的数据前转通道,与eNodeB 建立
PS 承载,在UE 切换至E-UTRAN 后,通过SGW 和
PGW 间接转发策略实现媒体承载的转接。切换完
成后,删除该通道。
表1 对3 类方案分别从切换时延、对网络架构
的影响、对网元功能的影响、是否存在本地迂回、是
否需要拜访地支持等几个方面进行简单比较分析。
表1摇3 类rSRVCC 实现方案的比较
Table 1Comparison on 3 kinds of rSRVCC scheme
比较项目
方案种类
第一类
方案
第二类
方案
第三类
方案
切换时延
不能满足
要求
能够满足要求能够满足要求
对网络
的影响
无
增加ATCF 与
MSC Server 和
I/ S-CSCF 的接口
无
对网元
的影响
需增强
MSC Server 功能
增强MSC
Server、SCC AS、
P-CSCF、SGSN 功能
需增强MSC
Server、SGW、
PGW 等功能
本地迂回不存在不存在
存在本地话路迂
回,影响用户体
验,占用资源多
拜访地
支持
需要需要需要
从表1 比较可以看出:
1)从E-UTRAN 发起的会话转移的第一类方案
对网络架构影响小,容易部署,但由于UE 的切换过
程、会话转移过程以及远端媒体的更新是相继发生
的,该方案不能保证整个切换时延满足300 ms的性
能要求,特别是用户处于漫游场景下,切换时延
更长;
2)拜访地锚定的第二类方案需要增加新的功
能实体和接口,对网络架构和接口影响较大,但因为
切换发生在拜访地网络,占用资源少,切换性能是最
优的;
3)本地锚定的第三类方案实现最容易,只需在
会话建立时期进行媒体面锚定,信令控制简单,但该
方案不论是否发生切换,所有会话都必须锚定回本
地,资源消耗较大,且媒体的迂回影响话音质量。
综合以上因素,考虑到与SRVCC 方案的兼容
性,3GPP 提出了基于拜访地锚定的综合方案,并将
该方案命名为“基于ATCF 的拜访地媒体锚定方
案冶,推荐作为正式标准。
2. 2摇基于ATCF 的拜访地媒体锚定方案
该方案的一个先决条件是用户已经在IMS 网
络注册,并至少有一个PS 承载且控制面使用SIP 信
令。其参考架构如图2 所示。
ATCF 位于主叫用户服务网络的控制平面,在
实际部署时可与P-CSCF 或MSC Server 合设。
图2摇基于ATCF 的rSRVCC 参考架构
Fig. 2 Reference architecture based on ATCF for rSRVCC
其功能主要包括:在向MSC Server 注册时,将
ATCF 置于相关CS 和PS 注册中;做出是否需要媒
体锚定的决定;将UE 发起的会话转移过程和MSC
Server 关联起来;如果在会话建立阶段媒体已经锚
定,则不需要更新远端支路即执行接入转移和更新
ATGW 到PS 侧的媒体接入支路。ATGW 主要是配
合ATCF 完成媒体面的接入转移,在实际部署时可
与P-GW 或CS-MGW 合设。此外,还需增强SCC
AS、P-CSCF、MSC Server、SGSN、UE、HSS、MME 等相
关实体的功能。
UE 在注册时发送" rSRVCC capability indica鄄
tion"消息分别附着到UTRAN/ GERAN 和E-UTRAN
网络上,告知网络该UE 是带有rSRVCC 能力的UE。
此外,在会话建立过程中,MSC Server 应设置一个"
rSRVCC possible indication" 消息,表示该会话可以
执行rSRVCC。
为了执行rSRVCC,网络必须知道UE 在PS 域
上接收语音流的IP 地址和端口号,新的SGSN 和旧
MME 的标识。UE 需要知道ATGW 的IP 地址、端口
号和媒体编码方式,以便将媒体流发送至ATGW
(在媒体锚定时)或远端(没有媒体锚定时)。
在UE 发起IMS 初始注册过程中,如果ATCF
处于会话中,会动态分配一个STN - SR ( Session
Transfer Number for SRVCC),SCC AS 通过第三方注
册程序获得此STN-SR 后发送给MSC Server,MSC
Server 发起重注册过程到指定的ATCF,建立MSC
Server 与ATCF 的联系。与普通IMS 会话建立不同
的是,此时SCC AS 还会动态分配C-MSISDN 和
ATU - STI 给ATCF, 同时分配STI - rSR ( Session
Transfer Identifier for rSRVCC) 给UE。其中ATUSTI
、STI -rSR 是一个指向SCC AS 的路由地址。
ATCF 基于这些信息,决定是否将该会话进行锚定,
如果决定锚定,则为语音媒体分配ATGW 资源,并
将其锚定在ATGW 上。
2. 3摇rSRVCC 主要信令流程
图3 给出的是媒体流锚定在ATGW 与未锚定
时rSRVCC 的主要步骤,MSC Server 在收到切换请
求后触发接入转移准备过程,通过相关信令的交互
完成目标接入资源的分配,UE 根据切换命令接入到
目标网络,执行会话持续性过程,此时可分为锚定的
媒体通路和未锚定的媒体通路两种情况。
图3摇rSRVCC 主要流程
Fig. 3 Main flow for rSRVCC
图4 给出的是rSRVCC 接入转移准备过程在双
传输模式下的信令流程。MSC Server 发送接入转移
通知给ATCF,指示ATCF 为媒体转移至PS 域做准
备,ATCF 按照指示分配ATGW 的端口号和媒体编
码信息,并将该信息响应给MSC Server。MSC Server
在与MME 交互后向UE 发出切换命令,指令中包含
ATGW 的IP 地址、端口号和选定的媒体编码信息,
同时向ATCF 发送接入转移准备请求。在媒体锚定
状态下,ATCF/ ATGW 将媒体路径切换到UE 切入
的目标网络的IP 地址和端口号;若没有锚定,则建
立ATCF/ ATGW 和MSC Server/ MGW 之间的媒体路
径。UE 切换完成后,按照默认的媒体编码发送语音
媒体,执行会话持续性过程建立端到端的媒体承载
后,选定的媒体编码发送语音媒体。
图4摇rSRVCC 接入转移准备过程
Fig. 4 Access transfer preparation for rSRVCC
图5 和图6 所示分别是rSRVCC 媒体锚定和未
锚定的会话持续性过程,该过程可以通过发送接入
转移完成请求到IMS 来完成。如果媒体锚定在AT鄄
GW 上(见图5),在接入转移准备过程完成后,
ATCF 指示ATGW 转换媒体路径到PS 支路。此时,
UE 可以已协商好的端口接收信息,并通过P-CSCF
根据动态分配的STI -rSR 路由该请求到ATCF,
ATCF 接收到请求后将UE 已经切入目标网络的消
息通知SCC AS,最后SCC AS 释放源接入支路。如
果媒体没有锚定在ATGW 上(见图6),ATCF 会预
留ATGW 与MSC Server/ MGW 之间的媒体资源,
ATCF 在收到接入转移完成请求时直接前转至SCC
AS,由SCC AS 通知远端进行媒体更新。此时,整个
切换过程完成。
对比图5 和图6,最根本的区别在于是否进行
远端媒体更新。若没有进行媒体锚定,则必须进行
远端媒体更新过程,重新选择语音编码和建立会话,
因此,未锚定状态下的连续性操作将增加切换时延。
图5摇rSRVCC 会话持续过程(已锚定状态下)
Fig. 5 Session continuity procedure for rSRVCC
3摇rSRVCC 存在问题与相关策略研究
3. 1摇UE 的E-UTRAN 功能未开启时的解决方案
对于支持E-UTRAN 功能的UE 来说,E-UT鄄
RAN 功能可能因为终端长期处于2G/3G 网络环境
或在前次的切换中被关闭,此时,UE 一旦进入EUTRAN
网络,由于缺乏来自E-UTRAN 切入网络的
小区列表信息,UE 将无法执行rSRVCC 切换,从而
丧失业务的连续性。
针对上述问题,文中提出如图7 所示的解决方
案。该方案要求增强2G/3G 与LTE 的协同,在UT鄄
RAN/ GERAN 网络的广播信息中加入特定字段信
息,以指示附近存在支持IMS VoIP 的E-UTRAN 小
区,由SGSN 向UE 发送提示信息以便提前开启EUTRAN
功能,并向目标网络发送RAU(路由区更
新)信号。
图7摇E-UTRAN 功能未开启时的解决方案
Fig. 7 Not-enabled solution for E-UTRAN
3. 2摇UE 在丢失IMS 注册时的解决方案
即在切换期间,由于UE 在IMS 网络的注册时
间过长,因现有系统缺乏注册信息的更新机制,从而
导致用户UE 在IMS 网络的信息丢失,这样UE 切入
LTE 网络时将难以实现rSRVCC 的情况。
针对这种情况,文中提出如图8 所示的解决方
案。由MSC Server 向SCC AS 发送订阅信息以查询
UE 在IMS 网络的注册状态,若IMS 返回的UE 注册
信息出现丢失,则可由MSC Server 通知BSC/ RNC
取消本次切换,从而避免切换失败,影响业务的连
续性。
图8摇UE 丢失IMS 注册时的解决方案
Fig. 8 Solution to UE loss of IMS registration
3GPP 关于rSRVCC 的推荐方案还处于研究和
论证阶段,除以上问题外,还有其它方面需要进行研
究和完善。如rSRVCC 的切换号码管理问题;UE 切
入目标网络时,在GERAN 不支持DTM 的情况下如
何恢复已经挂起的PS 承载;或在UE 切入目标网络
时,因为缺少无线资源而建立会话失败时应如何处
理等都还需要进一步研究。
4摇结摇语
目前,SRVCC 技术作为VoLTE 语音业务连续性
的目标解决方案, 已受到通信界的广泛关注,
rSRVCC 作为补充方案也已在3GPP 的标准化研究
中提上了日程,但这些方案都尚未得到实际应用和
规模验证。文中在分析3GPP SRVCC 和rSRVCC 的
基础上,针对语音连续性在不同状态下的控制过程
及存在的问题进行了研究,并提出了系统优化方案。
从网络部署角度看,语音连续性问题是移动网实现
全IP 化的关键,这些问题的解决除需要在全网部署
IMS 外,还需要解决终端设备、无线接入网和核心网
的全面支持和优化等问题。
参考文献:
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