喬木, 王晶

（1 北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876；2 東信北郵信息技術(shù)有限公司，北京 100191)

1 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展和智能終端功能的不斷強(qiáng)大，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)承載更高速、更豐富、更便捷分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力的要求越來越強(qiáng)烈。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)正從2G、3G向4G時(shí)代演進(jìn)，LTE（Long Term Evolution，長(zhǎng)期演進(jìn)）以其高速、寬帶、低時(shí)延等特性，被作為4G時(shí)代的移動(dòng)通信制式。目前LTE下的話音解決方案有多模雙待、CSFB（Circuit Switched FallBack，電路域回落）以及VoLTE（Voice over LTE），其中VoLTE是業(yè)界公認(rèn)的LTE網(wǎng)絡(luò)下的目標(biāo)話音解決方案。

彩鈴業(yè)務(wù)是一項(xiàng)由被叫用戶定制，為主叫用戶提供一段悅耳的音樂或一句問候語來替代普通回鈴音的業(yè)務(wù)。其作為傳統(tǒng)的電信增值業(yè)務(wù)，市場(chǎng)滲透率和覆蓋率已經(jīng)非常高，2G、3G技術(shù)也相對(duì)成熟，彩鈴業(yè)務(wù)一直以來也是運(yùn)營(yíng)商增值業(yè)務(wù)收入的主要來源之一。因此，實(shí)現(xiàn)彩鈴業(yè)務(wù)在4G網(wǎng)絡(luò)下平滑演進(jìn)是至關(guān)重要的。此外，基于VoLTE場(chǎng)景下的多媒體彩鈴業(yè)務(wù)，音質(zhì)將有很大的提升，甚至可以支持高清音頻、視頻播放，顯著提高了用戶體驗(yàn)的滿意度。VoLTE的發(fā)展，將給彩鈴基于“黃金15 s”的富媒體業(yè)務(wù)帶來新的生機(jī)。

2 業(yè)務(wù)背景

VoLTE是基于IMS網(wǎng)絡(luò)的話音解決方案，其將LTE網(wǎng)絡(luò)作為話音的接入承載，通過IMS網(wǎng)絡(luò)為話音呼叫提供信令控制和話務(wù)路由。由于彩鈴平臺(tái)位于IMS域，處于較高的業(yè)務(wù)層面，信令和媒體承載嚴(yán)格分離，當(dāng)同一無線網(wǎng)絡(luò)下大量用戶同時(shí)發(fā)起呼叫時(shí)，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)無線鏈路上資源不足問題，進(jìn)而出現(xiàn)信令平面接通的情況下，媒體平面上連接失敗的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致主被叫之間無法進(jìn)行話音交互，這將嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)。因此設(shè)計(jì)出一種具有QoS保障的VoLTE彩鈴實(shí)現(xiàn)方案是至關(guān)重要的。

本文所討論的是VoLTE場(chǎng)景下具有資源預(yù)留機(jī)制的彩鈴實(shí)現(xiàn)方案。建立媒體傳輸通道的過程叫做資源預(yù)留，方案實(shí)現(xiàn)的原則是：在被叫摘機(jī)之前，通過特殊的資源預(yù)留信令結(jié)合QoS設(shè)置，在空中接口預(yù)留住本次通話的媒體資源，從而保證用戶的通話質(zhì)量。

方案將整個(gè)會(huì)話過程分為播放彩鈴和用戶通話兩個(gè)階段，每個(gè)階段均采用SDP（Session Description Protocol, 會(huì)話描述協(xié)議）提議/應(yīng)答（offer/answer）機(jī)制，進(jìn)行主被叫媒體協(xié)商，通過媒體協(xié)商，主被叫雙方就本次通話的媒體類型和編解碼方案達(dá)成一致。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)QoS保證，方案采用資源預(yù)留機(jī)制，在通話之前，主被叫分別預(yù)留出本次通話的空中接口資源，以期保證媒體會(huì)話成功建立。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 VoLTE系統(tǒng)組網(wǎng)

VoLTE為標(biāo)準(zhǔn)LTE話音解決方案，它采用IMS 系統(tǒng)作為業(yè)務(wù)控制層，采用EPC （Evolved Packet Core）作為承載層。EPC網(wǎng)絡(luò)不具備話音和多媒體業(yè)務(wù)的呼叫控制功能，因此VoLTE借助IMS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)呼叫控制和話務(wù)路由。

VoLTE網(wǎng)絡(luò)主要分為以下3個(gè)部分：無線接入側(cè)Access，EPC核心網(wǎng)側(cè)以及控制側(cè)Control[1]，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

（1） 無線接入側(cè)主要由eNode B組成，eNode B具有3G網(wǎng)絡(luò)中Node B功能和大部分RNC（Radio Network Controller）功能。

（2） EPC核心網(wǎng)主要由MME（Mobility Management Entity）、S-GW（Serving Gateway）、P-GW（PDN Gateway）3個(gè)實(shí)體組成：

MME：移動(dòng)性管理實(shí)體，它是原3G網(wǎng)絡(luò)中的SGSN網(wǎng)元演進(jìn)而來的，主要負(fù)責(zé)EPC核心控制功能。

S-GW：服務(wù)網(wǎng)關(guān)，它提供用戶面功能，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分組路由和轉(zhuǎn)發(fā)，并支持終端移動(dòng)性切換用戶數(shù)據(jù)功能。

P-GW：分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，它主要負(fù)責(zé)終端和外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。

（3） 控 制 側(cè) 網(wǎng) 絡(luò) 主 要 由IMS、HSS（Home Subscriber Server） 和PCRF（Policy and Charging Rules Function）組成[2]。

HSS： 負(fù)責(zé)存儲(chǔ)IMS 用戶的相關(guān)信息及其相關(guān)業(yè)務(wù)信息。

PCRF：主要與IMS系統(tǒng)接入節(jié)點(diǎn)P-CSCF互通，負(fù)責(zé)檢查、控制應(yīng)用側(cè)所需的媒體資源的分配。

IMS：IMS包含多種AS（Application Server)，其中包括VoLTE彩鈴AS。

含有VoLTE彩鈴平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 VoLTE系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 包含彩鈴AS的VoLTE組網(wǎng)架構(gòu)

3.2 彩鈴業(yè)務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

VoLTE彩鈴平臺(tái)屬于IMS網(wǎng)元中的一個(gè)AS，位于IMS業(yè)務(wù)層之上。其按功能邏輯可分為6大部分，如圖3所示，分別為SIP前臺(tái)，AS，MS，鈴音資源服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫，Portal。在實(shí)際組網(wǎng)中，這些邏輯部分可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)或多個(gè)物理實(shí)體上，多個(gè)SIP前臺(tái)與多個(gè)AS之間以及多個(gè)AS與多個(gè)MS之間可以交叉相連[3]。各功能實(shí)體的描述如下：

（1） SIP前臺(tái)：負(fù)責(zé)對(duì)外來SIP信令以及外出SIP信令進(jìn)行控制和管理，負(fù)責(zé)超時(shí)重發(fā)SIP消息以及攔截重發(fā)消息。

（2） AS：負(fù)責(zé)呼叫過程中IMS域彩鈴業(yè)務(wù)控制，通過SIP前臺(tái)與S-CSCF交互。AS與S-CSCF交互以實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)的呼叫控制，并執(zhí)行彩鈴的業(yè)務(wù)邏輯。

（3） MS：MS根據(jù)AS的指示與主叫進(jìn)行媒體協(xié)商，并根據(jù)媒體協(xié)商結(jié)果播放被叫定制的鈴音。MS與主叫之間直接通過IP網(wǎng)絡(luò)傳送多媒體流，采用的協(xié)議為RTP（Real-time Transport Protocol, 實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議）。

（4） 鈴音資源服務(wù)器：其負(fù)責(zé)存儲(chǔ)媒體文件，并通過NFS/TFTP協(xié)議接收MS的請(qǐng)求并將媒體文件傳送給MS。

（5） Portal：Portal是VoLTE彩鈴的門戶網(wǎng)站，VoLTE彩鈴用戶可以使用WWW瀏覽器通過Web接口登錄門戶網(wǎng)站，訂制并設(shè)置彩鈴的播放規(guī)則。比如用戶可以新建群組，并且給該群組設(shè)置指定鈴音，針對(duì)不同用戶以及不同的時(shí)間段設(shè)置個(gè)性化鈴音等。

（6） DB（Data Base）：用戶信息數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，其余網(wǎng)元通過數(shù)據(jù)庫訪問接口可以訪問用戶信息數(shù)據(jù)庫。

3.3 信令流程

圖3 VoLTE彩鈴平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

VoLTE彩鈴為被叫側(cè)業(yè)務(wù)，當(dāng)主叫IMS域發(fā)起的INVITE消息送至被叫IMS域S-CSCF后，被叫S-CSCF通過用戶的IFC（Initial Filter Criteria）簽約信息，觸發(fā)到彩鈴平臺(tái)，彩鈴平臺(tái)進(jìn)行主被叫的資源預(yù)留過程，為主叫播放高清彩鈴。當(dāng)被叫接聽后，彩鈴平臺(tái)需要作為B2BUA角色通過SIP信令將被叫和主叫的通話媒體做端到端的協(xié)商，這里會(huì)出現(xiàn)主叫終端在播放彩鈴后改變本地媒體端口的情況，本流程考慮此情況，設(shè)計(jì)出一種能夠保證主被叫在通話階段更新主被叫媒體信息的方案，從而保證主被叫的通話暢通。具體流程如圖4所示。

VoLTE彩鈴信令流程描述如下：

步驟1～6：主叫發(fā)出初始INVITE，被叫IMS域的彩鈴AS收到INVITE消息，彩鈴AS透?jìng)髦鞅唤邢?，完成主被叫資源預(yù)留；

步驟7～8：被叫返回180，到達(dá)被叫歸屬域彩鈴AS；

步驟9!12：彩鈴AS向主叫域update彩鈴的SDP（其中current status的local為sendrecv，remote為none，攜帶conf要求），主叫根據(jù)自身狀態(tài)回復(fù)200 update（攜帶SDP，其current status的local為none，remote為sendrecv），后續(xù)待主叫資源預(yù)留成功后，發(fā)送update（攜帶SDP，其current status的local為sendrecv，remote為sendrecv），彩鈴AS回復(fù)200 udpate（攜帶彩鈴SDP，其current status的local為sendrecv，remote為sendrecv）；

注：主叫可能根據(jù)自身狀態(tài)，在步驟10的SDP中將local標(biāo)識(shí)為sendrecv，此時(shí)后續(xù)無步驟11、12；

步驟13：彩鈴AS在確認(rèn)主叫的資源預(yù)留完成后，向主叫播放彩鈴，并轉(zhuǎn)發(fā)180消息；

圖4 VoLTE彩鈴信令流程圖

步驟14～15：被叫UE摘機(jī)回復(fù)200 OK，經(jīng)被叫TAS、I/S-CSCF傳遞到彩鈴AS，彩鈴AS停止彩鈴播放；

步驟16：彩鈴AS向主叫UE發(fā)送Update，攜帶步驟6中收到B用戶SDP，其中l(wèi)ocal標(biāo)識(shí)為sendrecv，攜帶conf要求；

若主叫媒體、端口不變化，則進(jìn)行以下步驟，

步驟17～19：主叫側(cè)回復(fù)200 Update（攜帶SDP，其中l(wèi)ocal標(biāo)識(shí)為none。注：若local標(biāo)識(shí)為sendrecv，則無步驟18、19），后續(xù)主叫資源預(yù)留成功，發(fā)起update（攜帶SDP，其中l(wèi)ocal標(biāo) 識(shí) 為sendrecv）。彩 鈴AS比對(duì)步驟5、18（若無18步，則選步驟17）中的SDP的媒體能力、端口無變化。向主叫回復(fù)200 Update（攜帶步驟6中收到B用戶SDP，local為sendrecv，remote為sendrecv）；

步驟20～21：彩鈴AS向主叫發(fā)送初始invite的200 OK，并轉(zhuǎn)發(fā)主叫的Ack至被叫，完成主被叫的通話協(xié)商。

若主叫媒體、端口發(fā)生變化，則進(jìn)行以下步驟：

步驟17～30：主叫側(cè)回復(fù)200 Update（攜帶SDP，其中l(wèi)ocal標(biāo)識(shí)為none。注：若local標(biāo)識(shí)為sendrecv，則無步驟18、28），后續(xù)主叫資源預(yù)留成功，發(fā)起Update（攜帶SDP，其中l(wèi)ocal標(biāo)識(shí)為sendrecv）。彩鈴AS比對(duì)步驟5、18（若無18步，則選步驟17）中的SDP的媒體能力、端口有變化。彩鈴AS向被叫發(fā)送Ack。通過Update機(jī)制向被叫更新主叫側(cè)媒體、端口變化，完成被叫側(cè)資源預(yù)留。彩鈴AS將被叫側(cè)完成資源預(yù)留的SDP通過200 Update（若無28步，則通過Update機(jī)制向主叫側(cè)同步信息)更新至主叫側(cè)。彩鈴AS向主叫側(cè)回復(fù)針對(duì)初始INVITE的200 OK，主叫回復(fù)Ack至彩鈴AS。主被叫進(jìn)行通話。

3.4 資源預(yù)留機(jī)制

由于VoLTE是基于IMS提供話音業(yè)務(wù)的，所以主被叫之間的會(huì)話建立是通過SIP信令協(xié)商的，而 SIP本身不支持媒體協(xié)商，因此本方案采用在SIP消息中攜帶SDP描述來達(dá)到媒體協(xié)商目的。方案利用媒體協(xié)商和資源預(yù)留機(jī)制，在呼叫建立之前，在主被叫側(cè)分別完成資源預(yù)留。

本節(jié)將闡述如何實(shí)現(xiàn)資源預(yù)留（precondition）機(jī)制[4]。如圖5所示，A表示主叫用戶，B表示被叫用戶。首先A發(fā)起初始INVITE請(qǐng)求，該請(qǐng)求將攜帶表示主被叫均沒有完成資源預(yù)留的預(yù)置信息。此信息將通知被叫B，告知B：在雙方均沒有完成資源預(yù)留前，B不能振鈴。此時(shí)B返回183消息表示同意A的請(qǐng)求，此時(shí)B開始資源預(yù)留。A收到B的回復(fù)也開始資源預(yù)留。此過程中，如果B先完成資源預(yù)留，B仍不能振鈴，因?yàn)楦鶕?jù)之前的協(xié)商必須保證雙方都已資源預(yù)留成功，才能夠振鈴。當(dāng)A資源預(yù)留成功后，將馬上發(fā)送UPDATE消息給被叫B，通知B主叫端已經(jīng)資源預(yù)留成功。此時(shí)B回復(fù)200（OK），表示雙方資源預(yù)留都已經(jīng)成功，這時(shí)B才可以對(duì)初始INVITE請(qǐng)求發(fā)出SIP 180（振鈴）響應(yīng)，會(huì)話建立完成。

為了實(shí)現(xiàn)上述機(jī)制，主被叫在SDP offer/answer的協(xié)商過程中需要交換預(yù)置條件[5]。

如下例所示：

m=audio 20002 RTP/AVP 0

a=curr:qos local sendrecv

a=curr:qos remote none

a=des:qos mandatory local sendrecv

a=des:qos none remote sendrecv

在A發(fā)送給B的消息中將攜帶此信息。其中，倒數(shù)第二行：

a=des:qos mandatory local sendrecv

這一行指出了主叫用戶端（local）想要的（des）服務(wù)質(zhì)量（QoS）預(yù)置條件。主叫用戶需要在發(fā)送和接收兩個(gè)方向（sendrecv）預(yù)留資源，因?yàn)橐纛l流（audio）是雙向的。它還聲明如果主叫用戶不能成功預(yù)留資源，會(huì)話將不會(huì)建立（mandatory）。

最后一行：

a=des:qos none remote sendrecv

指出了被叫用戶端（remote）想要的（des）服務(wù)質(zhì)量（QoS）預(yù)置條件。由于主叫和被叫用戶終端彼此之間沒有直接連接，因此主叫終端不知道對(duì)方終端以哪種方式附著到網(wǎng)絡(luò)，如果此時(shí)被叫端是通過CS電話網(wǎng)絡(luò)接入，因而并不需要進(jìn)行任何資源預(yù)留，因此主叫側(cè)只能要求如果對(duì)端需要資源預(yù)留的話，應(yīng)該同時(shí)在收和發(fā)兩個(gè)方向上進(jìn)行預(yù)留（sendrecv）。但是主叫側(cè)當(dāng)前并不知道真的需要進(jìn)行預(yù)留才能建立起媒體會(huì)話（none）。

a=curr:qos local none

a=curr:qos remote none

這兩行表示目前（curr）無論主叫方（local）還是被叫方（remote）都還沒有（none）實(shí)現(xiàn)任何和服務(wù)質(zhì)量（qos）有關(guān)的預(yù)置條件。a=des的行能夠用于為本地和對(duì)方用戶設(shè)置預(yù)置條件，a=curr的行用于指示目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了的那些預(yù)置條件。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的2G、3G彩鈴已經(jīng)取得了很大的成功，目前VoLTE建設(shè)還處于初期階段，4G網(wǎng)絡(luò)下的VoLTE彩鈴如果想繼續(xù)很好地發(fā)展和創(chuàng)新，必須解決在VoLTE網(wǎng)絡(luò)下為用戶提供可靠彩鈴業(yè)務(wù)的問題。

本文提出了一種VoLTE場(chǎng)景下彩鈴AS實(shí)現(xiàn)彩鈴業(yè)務(wù)的資源預(yù)留方案，方案可以解決SIP信令和媒體流同步傳輸問題，為彩鈴會(huì)話提供服務(wù)質(zhì)量保障，進(jìn)而能夠?yàn)橛脩籼峁┯斜Ｕ系牟殊彿?wù)。本文論述了VoLTE彩鈴業(yè)務(wù)的組網(wǎng)、彩鈴平臺(tái)總體設(shè)計(jì)和主要信令流程，通過本文希望能夠給從事VoLTE業(yè)務(wù)開發(fā)人員一些參考。

[1]Miikka Poikselka, Harri Holma, Jukka Hongisto.VOICE OVER LTE[M].Hoboken:John Wiley&Sons, 2012.

[2]韓健.VoLTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)論述[J].科技視界, 2014（9).

[3]黃順，李煒.基于IMS多媒體彩像業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)模式的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電信技術(shù)，2010（10).

[4]RFC 3312.Integration of resource management and session initiation protocol （SIP)[S].2002.

[5]波克申科.IMS:IP多媒體概念和服務(wù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.