VoLTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)論述

韓 健

（東北大學(xué)秦皇島分校 網(wǎng)絡(luò)中心，河北 秦皇島 066000）

0 概述

2004年11月，3GPP（the third generation partnership project）標(biāo)準(zhǔn)化組織通過了“3G 長期演進(jìn)”，即LTE（Long Term Evolution）移動通信網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目。近些年，隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，運(yùn)營商現(xiàn)有的2G/3G 網(wǎng)絡(luò)將無法滿足移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，從而驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)快速向LTE 演進(jìn)。2009年3月，3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了R8 系統(tǒng)版本技術(shù)規(guī)范，該規(guī)范定義了整個EPC 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。同年12月，TeliaSonera 公司部署世界上第一個LTE 商用網(wǎng)絡(luò)。迄今為止，根據(jù)GSA 發(fā)布的研究報告，截至今年7月底，全球商用LTE 增加到200 張。全世界總計已有76 個國家正式部署商用LTE 網(wǎng)絡(luò)。在我國，TD-LTE 示范網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)搭建成功，TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)即將在國內(nèi)正式商用。

1 VoLTE 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 總覽

VoLTE 網(wǎng)絡(luò)包括許多的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，為簡便描述，在本文中將VoLTE 網(wǎng)絡(luò)分為三個主要的部分：無線接入側(cè)Access、LTE 核心網(wǎng)側(cè)Evolved packet core 以及控制側(cè)Control。

其中，LTE 核心網(wǎng)側(cè)主要包括三個功能實(shí)體：移動管理實(shí)體MME（Mobility Management Entity），服務(wù)網(wǎng)關(guān)SGW（Serving Gateway）以 及PDN 網(wǎng) 關(guān)（Packet data network gateway）。MME 是 由GPRS 網(wǎng) 絡(luò) 中SGSN 實(shí)體演進(jìn)而來，主要提供EPC 部分核心控制功能。SGW 提供用戶面的控制功能，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，并支持終端移動性切換用戶數(shù)據(jù)功能。PGW 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，在VoLTE 網(wǎng)絡(luò)中，PGW 分配終端IP 地址并提供EPC 部分到IMS 部分的接入。

1.2 LTE 無線接入側(cè)ENodeB

隨著3G 網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，EnodeB 具有3G 網(wǎng)絡(luò)中NodeB 功能和大部分RNC（Radio Network Controller）功能，包括物理層功能HARQ（hybrid automatic repeat request），MAC、RCC、調(diào)度、無線接入控制、移動性管理功能等。LTE 無線接入側(cè)節(jié)點(diǎn)EnodeB 架構(gòu)。

EnodeB 架構(gòu)分為物理接入層、MAC 層（Media Access Control）、RLC 層（Radio Link Control）、PDCP 層（Packet data convergence protocol）以及RRC 層（Radio Resource Control）。其中，EnodeB 通過S1_MME 接口與MME 通信，用于控制信令；通過S1_U 接口與SGW通信，負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)的傳輸。而不同EnoceB 之間的通訊則采用X2 接口，主要用于移動終端在不同的EnodeB 之前切換時，快速實(shí)現(xiàn)用戶資源管理以及數(shù)據(jù)遷移。

1.3 核心網(wǎng)EPC 架構(gòu)

核心網(wǎng)EPC 部分主要包括MME、SGW 以及PGW 三個實(shí)體。MME 是由GPRS 網(wǎng)絡(luò)中SGSN 節(jié)點(diǎn)演進(jìn)而來的。MME 是LTE 接入網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)空閑模式下用戶設(shè)備的跟蹤和尋呼控制，其中包括用戶設(shè)備的注冊與注銷過程，同時幫助用戶選擇不同SGW，以完成LTE 系統(tǒng)內(nèi)核心網(wǎng)（CN）節(jié)點(diǎn)切換。通過與用戶歸屬服務(wù)器（HSS）的通信，MME 完成移動用戶在EPC 部分鑒權(quán)功能。SGW 主要負(fù)責(zé)用戶面處理，負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，同時也負(fù)責(zé)用戶終端在EnodeB 之間和LTE 與其他3GPP 技術(shù)之間移動時的用戶面數(shù)據(jù)交換。

1.4 控制側(cè)IMS 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

VoLTE 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，控制側(cè)主要包括三個部分：PCRF、HSS 以及IMS 系統(tǒng)。PCRF 主要負(fù)責(zé)計費(fèi)以及基于會話媒體的策略控制功能。PCRF 主要與IMS 系統(tǒng)接入節(jié)點(diǎn)P-CSCF 互通，檢查、控制應(yīng)用側(cè)所需的媒體資源的分配，例如媒體類型、IP 地址以及媒體通訊端口等。HSS（Home Subscriber Server）主要負(fù)責(zé)存儲用戶數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。HSS 包含IMS 功能、PS 域、CS 域內(nèi)HLR（home location register）功能以及鑒權(quán)功能。用戶終端在附著在LTE 網(wǎng)絡(luò)時，EPC 部分會通過HSS 獲取EPC 部分鑒權(quán)向量，MME 完成終端用戶在EPC 部分的鑒權(quán)；在該用戶在IMS 系統(tǒng)注冊時，IMS 系統(tǒng)服務(wù)器SCSCF（Server CSCF）會再次向HSS 獲取IMS 內(nèi)部鑒權(quán)向量，對用戶再次進(jìn)行鑒權(quán)，保證用戶的有效性。

IMS 系統(tǒng)中AS（Application Server）可以提供多種業(yè)務(wù)，如PSTN網(wǎng)絡(luò)中的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)、會議、彩鈴彩像等。這些用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)也同樣保存在HSS 之中。IMS（IP Multimedia Subsystem），IP 多媒體子系統(tǒng)，是由3GPP 組織為移動網(wǎng)絡(luò)定義的。經(jīng)過R5、R6 兩個版本，現(xiàn)在IMS 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日趨穩(wěn)定。在3GPP 的R6 版本中，IMS 已經(jīng)被定義為支持所有IP接入網(wǎng)的多媒體業(yè)務(wù)核心網(wǎng)，可以支持任何一種移動的或固定的、有線的或無線的IP_CAN，同時意味著支持傳統(tǒng)2G/3G 網(wǎng)絡(luò)接入。

2 VoLTE 網(wǎng)絡(luò)端到端信令流程

（1）LTE 終端在LTE 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)附著，用戶終端通過EnodeB 附著在LTE 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)；

（2）EnodeB 將用戶信息傳送到EPC 部分，MME 對該用戶終端進(jìn)行鑒權(quán)，鑒權(quán)向量來自于HSS 節(jié)點(diǎn)，MME 節(jié)點(diǎn)通過SG 接口獲取該用戶鑒權(quán)向量；

（3）用戶終端鑒權(quán)通過后，SGW 分配給該用戶相關(guān)媒體資源，PGW分配用戶終端相應(yīng)的IP 地址，并將IMS 系統(tǒng)接入節(jié)點(diǎn)P-CSCF 地址通知用戶終端；

（4）LTE 終端收到P-CSCF 地址后，使用PGW 分配的IP 地址作為源地址，P-CSCF 地址作為目的地址，發(fā)送IMS 系統(tǒng)注冊請求消息到達(dá)P-CSCF；

（5）PCSCF 將用戶注冊消息轉(zhuǎn)發(fā)到IMS 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，SCSCF 通過HSS 獲取IMS 系統(tǒng)鑒權(quán)向量，并對該用戶進(jìn)行IMS 內(nèi)部鑒權(quán)。鑒權(quán)通過后，該用戶IMS 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部注冊成功，S-CSCF 發(fā)送成功響應(yīng)消息給用戶終端。注冊流程順利完成；

（6）用戶終端附著LTE 網(wǎng)絡(luò)并在IMS 系統(tǒng)成功注冊后，終端發(fā)起對2G/3G 用戶語音會話。該會話請求經(jīng)過LTE 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到P-CSCF節(jié)點(diǎn)。P-CSCF 經(jīng)過與PCRF 協(xié)商，決定該會話的媒體資源，并將會話請求發(fā)送到IMS 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部；同時，相關(guān)的計費(fèi)信息發(fā)送到計費(fèi)服務(wù)器中；

（7）S-CSCF 處理會話請求，經(jīng)過相應(yīng)號碼分析后，將消息傳遞給MGCF，MSC 節(jié)點(diǎn)，即2G/3G 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)入口節(jié)點(diǎn)。MGCF 將SIP 消息轉(zhuǎn)化為ISUP 消息，該請求轉(zhuǎn)發(fā)到2G/3G 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)LTE 用戶與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的互通。

［1］房鼎益，羅景仁.網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的分析[J].1991.

［2］家智，徐潔.服務(wù)元網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和微通信元系統(tǒng)構(gòu)架[J].電子學(xué)報，2004.

［3］謝希仁.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].5 版.電子工程出版社，2009.