同步SRVCC方案的設計與性能仿真

許 鈔,羅國明,鄒仕祥

(解放軍理工大學通信工程學院,南京210007)

同步SRVCC方案的設計與性能仿真

許 鈔,羅國明,鄒仕祥

(解放軍理工大學通信工程學院,南京210007)

將基于IP多媒體子系統(IMS)的單一無線語音呼叫連續性(SRVCC)技術應用于長期演進(LTE)部署的初中期階段,以實現LTE和2G/3G CS域的語音切換連續性,被業界一致認為是網絡共存期間LTE語音業務的經典提供方案。然而,3GPP制定的關于SRVCC相關方案不能滿足語音業務實時性的要求,IMS核心網側媒體更新時間過長。為此,提出一種基于歸屬域控制的遠端媒體優化的同步SRVCC方案。分析SRVCC技術特點和存在問題,通過會話集中和持續性應用服務器的媒體選擇功能減少遠端媒體的更新時間,并在MSC Server中設定計時器,同步UE的切換時間和遠端媒體更新時間,以達到減少中斷時延的目的。仿真結果表明,在不增加網絡實體的情況下,該方案能滿足3GPP中斷時延小于300 ms的要求。

長期演進;單一無線語音呼叫連續性;IP多媒體子系統;同步;媒體更新

1 概述

為適應全球移動通信市場競爭、滿足移動寬帶的發展,3GPP提出了長期演進 (Long Term Evolution,LTE)和系統架構演進(System Architecture Evolution,SAE)[1-2]計劃,LTE/SAE是第三代移動通信系統向全IP方案演進的重要發展階段。在LTE網絡部署初中期,運營商主要在熱點地區、密集城區和數據業務需求大的區域引入LTE網絡,因此,將同時與2G、3G以及其他多種制式的無線網絡共存。作為支持全IP的移動網絡,LTE/EPC并不提供CS功能,而現有的2G/3G都是基于CS域提供語音業務,如何實現LTE和現有移動網絡在語音業務上的無縫連接,自VoLTE分組語音技術提出以來就一直是研究和探討的熱點問題[3]。

3GPP在 R7提出了 IP多媒體子系統(IP Multimedia Subsystem,IMS)/VCC[4-5]方案,以解決分組語音業務的持續性問題。該方案中UE同時駐留在IMS和2G/3G網絡中,在需要切換時選擇一種網絡作為終結域完成語音呼叫,但該方案存在的一個關鍵問題是支持LTE和GSM/UMTS的雙模手機很難實現雙模雙待,不能同時附著到LTE和GSM/ UMTS系統進行數據收發或者語音通話,從而限制了VCC技術的應用。CS FallBack[6]方案是3GPP在R8提出的技術標準,主要采用將終端回落到2G/ 3G網絡中完成所有電路域業務,該技術并未從本質上解決LTE提供語音業務的問題,在進行模式轉換時,用戶在LTE網絡下的業務都需要中斷、切換或掛起,影響用戶的業務體驗。為此,在VCC方案的基礎上,3GPP R8提出了 Single Radio VCC即SRVCC[7]技術,用以實現雙模單待用戶在LTE和2G/3G間語音業務的連續性。本文在上述研究的基礎上,提出一種基于歸屬域控制的遠端媒體優化的同步SRVCC方案。

2 SRVCC實現方案及改進思路

2.1 SRVCC切換控制流程

SRVCC的基本思路是:UE在LTE網絡中采用IMS呼叫流程建立語音呼叫,在建立過程中呼叫被錨定在IMS/會話集中和持續性應用服務器(Service Centralization and Continuity Application Server,SCC AS)[8]上。當終端移動到LTE邊緣,MSC Server代替終端發起SRVCC切換請求(同時,UE與MSC之間的CS域連接也會建立),并與IMS/SCC AS之間建立新的本端呼叫路徑,提供CS域的媒體信息給SCC AS,SCC AS通過會話持續性過程重新建立通話兩端的媒體層連接,從而完成LTE到GERAN/ UTRAN的切換。

SRVCC切換過程包括承載層的PS-CS切換和業務層的IMS域切換兩部分,這兩部分切換處理相互獨立,保證了語音業務在切換中的持續性。主要控制流程如圖1所示,其中,重疊的框表示同時進行。

圖1 SRVCC切換控制流程

由于IMS域執行會話持續性控制(步驟6)和本端UE端切換過程(步驟10)是相對獨立的,這對于本端UE來說能夠避免切換指令被延遲發送,從而減少用戶由于離開LTE覆蓋區發生掉話現象。但對于遠端UE來說,兩者缺乏同步機制[9],則很可能造成用戶面業務中斷,導致話音丟失。且UE端的切換過程通常都要比 IMS側會話持續性過程快(IMS側需要到遠端終端做媒體面更新),若本端UE完成切換,IMS側遠端更新還未完成,則遠端UE仍會把RTP媒體發向LTE側,出現用戶面業務中斷現象。此時,對遠端UE,可能有一段時間聽不到對方的話音,降低了遠端UE用戶的業務體驗和服務質量。在切換時延上[10],由于IMS側需要對遠端終端媒體進行更新,因此SRVCC切換時延主要是IMS側導致的,而且切換時延也較長,通常超過300 ms[11],若考慮遠端UE的漫游和網絡狀態,則時延可能更長。

2.2 對SRVCC切換過程的改進思路

通過以上分析可以得知,在對SRVCC方案進行優化時,可從解決切換時延和用戶面業務中斷兩方面入手[12]。目前,業界已經提出多種方案用于優化SRVCC,總的來說,包括2種類型[13]。第1種類型是協調本端UE和IMS側的切換時間,使2個切換過程時間同步,以減少業務中斷時間,包括讓MSC Server協調IMS會話轉移時間,以及在發給遠端UE的INVITE消息中不帶SDP信息,或者先進行遠端媒體更新,再進行切換的方法。這類方案雖能達到同步效果,但會增加更多處理時延,整體效果不佳;第2種類型是將媒體流錨定到某一功能實體,避免遠端媒體的更新,包括將媒體流錨定在拜訪網絡的MGW,或增加ATGW/ATCF網元的eSRVCC[14]方案等,這種方案對時延的改善比較明顯,但需增加新的網元,對網絡改動比較大。

3 遠端媒體優化的同步SRVCC方案

3.1 優化方案的設計及相關信令流程

本文在對上述方案分析的基礎上,綜合2.2節2種類型的特點,提出了對遠端媒體優化的同步SRVCC方案,通過仿真分析,該方案能夠降低業務中斷時延,提升SRVCC整體切換性能。該方案的核心思路是利用SCC AS進行媒體選擇,對遠端媒體更新進行優化,以降低更新時間;MSC Server管理一個計時器,同步會話轉移過程和切換過程而引起的信息流中斷,從而達到降低整體語音中斷時間的效果。

為節約成本和對現網改造的考慮,該方案不改變原有SRVCC網絡架構,僅需要增強歸屬域IMS側SCC AS的功能,對于拜訪網絡和接入網絡僅對MSC Server進行功能增強,這對于數量龐大的接入網絡來說無疑是最佳的方案。

在考慮本節所述實體功能增強基礎上,還需考慮如下問題:

(1)MSC Server需預定義一個與切換相關聯的MSC Server到本地UE的平均時間跨度;在域轉移過程中計算從MSC Server到SCC AS的延遲;啟動和管理計時器,用于同步會話轉移過程和切換過程。

(2)SCC AS能夠在語音會話建立階段測量遠端的信令延遲;在域轉移過程將延遲返回給MSC Server;選擇遠端UE和MGW共有的媒體類型,并將選擇的媒體類型分別發送給遠端 UE和 MSC Server。

體現上述方案的信令流程如圖2所示,其中,虛線箭頭表示該步為可選步驟。

圖2 優化SRVCC信令的流程

對圖2中的信令流程描述如下:

在步驟1之前,SCC AS在會話建立階段已經測量出遠端的信令延遲,記為P1。

步驟1～步驟9:與R8 SRVCC流程相同。

步驟10:MSC Server發送包含STN-SR、MGW SDP的INVITE消息到IMS/SCC AS。此外,MSC Server發送INVITE請求時,存儲發送時間。

步驟11～步驟15可能和步驟16～步驟21同時發生。

步驟11:SCC AS向MSC Server返回遠端的信令延遲。

步驟12:當MSC Server收到遠端的信令延遲,計算出從MSC Server向SCC AS發送的SIP信令及響應的持續時間,記該持續時間的一半為P2(從MSC Server到SCC AS的信令延遲)。此外,假設MSC Server預定義與CS切換相關聯的MSC Server到本地UE的平均時間跨度為P3。如2.2節分析,P1明顯長于P2、P3,且P1大于P2+P3。在MSC Server啟動一個持續時間為P1-P3-P2的計時器。在計時器超時后,MSC Server將執行步驟13。如果P1不大于P3+P2,MSC Server不啟動定時器,并立即執行步驟13。

步驟13～步驟15:與R8 SRVCC流程相同。

步驟16:SCC AS存儲MGW SDP信息并發送不包含SDP的re-INVITE媒體更新信息到遠端。

步驟17:遠端響應包含遠端SDP信息的200 OK給SCC AS,其中,包含正在使用的SDP信息和所有遠端支持的媒體格式。

步驟18:收到響應消息,SCC AS對比MGW SDP和遠端SDP的媒體類型,選擇共同并最適合的媒體類型。

步驟19:SCC AS響應包含遠端SDP的200 OK到目標MSC。

步驟20:SCC AS發送包含MGW SDP信息的ACK請求到遠端。

步驟21:釋放源IMS接入。步驟22:UE切換到CS域。步驟23～步驟31:與原SRVCC流程相同。

3.2 優化SRVCC的性能分析

由于在信令流程中,圖2中步驟1～步驟9和步驟23～步驟31與原方案相同,步驟10只是在MSC Server中執行存儲時間,不影響整個時延,故本方案主要考慮步驟11～步驟22的信令延遲。3GPP R8中SRVCC方案語音媒體流中斷時間分析如圖3所示。

圖3 3GPP R8中SRVCC媒體流中斷時間分析

分別計算上下行語音媒體流中斷時間,得:

上行:上行語音媒體流中斷在步驟a2或步驟b2后,并在步驟b3和步驟a4完成后恢復。因此,上行語音媒體流的中斷時間是:Tu=max(Ta1+Ta2+Ta3+Ta4-Tb1-Tb2,Tb3)。

下行:下行語音媒體流中斷在步驟b2后,并在步驟后b3和步驟a4完成后恢復。因此,下行語音媒體流的中斷時間是:Td=max(Ta1+Ta2+Ta3+Ta4-Tb1-Tb2,Tb3)。

步驟b1和步驟b2發生在UE當前附著的網絡,所以,有理由假設(Tb1+Tb2)遠小于(Ta1+Ta2+Ta3+Ta4),Td和Tu可表示為:Tu=MAX(Ta1+Ta2+Ta3+Ta4,Tb3);Td=max(Ta1+Ta2+Ta3+Ta4,Tb3)。

優化SRVCC語音媒體流中斷時間的流程如圖4所示。

圖4 優化SRVCC語音媒體流中斷時間的流程

其中,P1=Ta2+Ta3+Ta5,P2=Ta1=Ta4,P3=Tb1+Tb2,則MSC Server設定的計時器時間為Tm=P1-P2-P3=Ta2+Ta3+Ta5-Ta1-Tb1-Tb2。

分別計算上下行語音媒體流中斷時間,得:

上行:上行語音媒體流中斷在步驟b2后,并在步驟b3和步驟a5完成后恢復。因此,上行媒體流的中斷時間是:Tu=Tb3

下行:在步驟a5中一旦遠端接收到ACK應答,或SRVCC UE執行步驟b3則下行語音媒體流中斷。直到完成2個步驟a5和步驟b3后恢復。因此,下行語音媒體流中斷時間可以分為以下3種情形:

(1)Td=Ta5-(Ta4+Tb1+Tb2),當步驟b3在步驟a5前完成,即Ta5＞Ta4+Tb1+Tb2+Tb3,此時,P1不大于P2+P3,不啟動計時器。

(2)Td=(Ta4+Tb1+Tb2+Tb3)-Ta5-Tm=2(Ta1-Ta5+Tb1+Tb2)+Tb3-Ta2-Ta3,當步驟b3在步驟a5后完成,即Ta4+Tb1+Tb2＞Ta5。

(3)Td=Tb3,當步驟b3與步驟a5同時完成,此時,P1不大于P2+P3,不啟動計時器。

對比2種方案,主要取決于Tb3的時間長度,即UE執行PS到CS的切換時長,而Tb3一般小于300 ms,且通常為100 ms左右,也小于(Ta1+Ta2+Ta3+Ta4)。對于上行鏈路,優化SRVCC的中斷時間為Tb3,明顯小于原方案中的中斷時間。對于下行鏈路,雖然增加了步驟a5,但降低了遠端媒體的更新過程,相比原方案也有所減少,并在最好的情況下與Tb3相同。

3.3 系統建模與仿真分析

為了驗證本文提出的SRVCC優化方案的可行性,在OPNET環境下下進行建模仿真[15]。由于同一網絡網元間的傳輸時延非常小,可忽略不記,因此,對仿真場景進行了簡化,將多個網元的功能集中到一個結點。根據經驗值,遠端媒體更新的時延可設為200 ms～500 ms的隨機值。

圖5是UE速度為5 km/h、20 km/h、60 km/h時根據不同隨機種子數測得的中斷時延,切換全部成功。最小時延約為235 ms,最長時延約為282 ms,平均時延259 ms,可以看出,在典型速度下,中斷時延波動較大,這是由于遠端網絡的不穩定性造成的。圖6是一次成功切換中不同基站吞吐率的對比,切換發生在594 s左右。從圖中可以看出,切換后, BSC相比于切換前eNB的吞吐率有明顯下降;切換發生相對滯后,這是因為在切換策略中加入了切換滯后差值(5 s)。

圖5 不同速度下的中斷時延

圖6 切換前后基站吞吐率對比

4 結束語

本文在分析LTE與2G/3G網絡共存情況下,語音業務的現有解決方案SRVCC的基礎上,提出一種改進的采用SCC AS進行媒體選擇,并對切換和會話持續過程進行同步的SRVCC方案。通過對語音鏈路媒體流中斷時延的分析與仿真,結果證明,中斷時延達到了3GPP對中斷時延的要求。同時,該方案對現有網絡改動較小,且接續控制過程完全在IMS歸屬域中完成,方便部署和實現。目前,SRVCC技術切換時需要多網協調,信令過程復雜,切換性能遠不如電路域切換,并且SRVCC只能實現LTE到2G/3G的單向切換,反向切換標準還未制定,同時,如何在切換時也能進行分組數據切換,這些問題都將在以后做更加深入的研究。

[1] 龐韶敏,李亞波.3G UMTS與4G LTE核心網——CS, PS,EPC,IMS[M].北京:電子工業出版社,2010.

[2] 3GPP.TS 36.133-2012 Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Requirements for Support of Radio Resource Management(Release 11)[S].2012.

[3] Vaishali P.Seamless Voice over LTE[C]//Proceedings of the 4th IEEE International Conference on Internet Multimedia Services Architecture and Application. Bangalore,India:IEEE Press,2010:1-5.

[4] 3GPP.TS 23.228-2008 IP MultimediaSubsystem (IMS);Stage2(Release 8)[S].2008.

[5] 3GPP.TS 23.206-2007 Voice Call Continuity(VCC) Between Circuit Switched(CS)and IP Multimedia Subsystem(IMS);Stage 2(Release 7)[S].2007.

[6] 徐德平,耿魯靜.淺析LTE系統 CSFB話音解決方案[J].電信工程技術與標準化,2013,(1):55-59.

[7] 3GPP.TS 23.216-2012 SingleRadio VoiceCall Continuity(SRVCC);Stage 2(Release 11)[S].2012.

[8] 3GPP.TS 23.237-2009 IP Multimedia Subsystem(IMS) Service Continuity;Stage 2(Release 10)[S].2009.

[9] 劉 晨.SRVCC優化方案研究及改進[D].北京:北京郵電大學,2010.

[10] Koshimizu T,Tanaka I.Improvement on the VoLTE (Voice Over LTE)Domain Handover with Operator’s Vision[C]//Proceedings of World Telecommunications

[3] Begen A C,Akgul T,Baugher M.Watching Video over the Web:Part 1:Streaming Protocols[J].IEEE Internet Computing,2011,15(2):54-63.

[4] Akhshabi S,Begen A C,Dovrolis C.An Experimental Evaluation of Rate-adaptation Algorithms in Adaptive Streaming over Http[C]//Proceedings of the 2nd Annual ACM Conference on Multimedia Systems.[S.l.]:ACM Press,2011:157-168.

[5] Swaminathan V,Sheng Wei.Low Latency Live Video Streaming using HTTP Chunked Encoding[C]// Proceedings of MMSP’11.Hangzhou,China:[s.n.], 2011:1-6.

[6] Roverso R,El-Ansary S,H?gqvist M.On HTTP Live Streaming in Large Enterprises[C]//Proceedings of SIGCOMM’13.Hong Kong,China:[s.n.],2013:489-490.

[7] 全國廣播電影電視標準化技術委員會.GY/T258-2012下一代廣播電視網(NGB)視頻點播系統技術規范[S].2012.

[8] Li Jun,ChenJun,LiMingzhe,etal.A Multi-core Architecture for Video Streaming[EB/OL].(2010-11-21). http://www.scientific.net/AMM.411-414.960.

[9] Erbad A,Hutchinson N C,Krasic C.DOHA:Scalable Realtime Web ApplicationsThroughAdaptiveConcurrent Execution[C]//Proceedings of the 21stInternational Conference on World Wide Web.Lyon,France:ACM Press,2012:161-170.

[10] Wang Xin.TechnicalAnalysis ofHigh-capacity and Concurrency Server Groups[C]//Proceedings of ICEEE’10.Zhengzhou,China:[s.n.],2010:1-4.

[11] Kimpe D,Carns P,Harms K,et al.Aesop:Expressing Concurrency in High-performance System Software[C]// Proceedings of NAS’12.[S.l.]:IEEE Press,2012: 303-312.

[12] Anderson J A,Head T J.Automata Theory with Modern Applications[M].New York,USA:Cambridge University Press,2006.Congress.Miyazaki,Japan:[s.n.],2012:1-5.

編輯 劉 冰

[11] 3GPP.TR 25.913-2010 Requirements for E-UTRA and E-UTRAN(Release 9)[S].2010.

[12] Namakoye J,Olst R V.Performance Evaluation of a Voice Call Handover Scheme between LTE and UMTS[C]// Proceedings of IEEE AFRICON’11.Livingstone,Zambia: IEEE Press,2011:1-4.

[13] 許慕鴻.SRVCC增強技術分析[J].電信網技術, 2010,(12):10-16.

[14] 3GPP.TR 23.856-2010 Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC)Enhancements:Stage 2(Release 10)[S].2010.

[15] 劉 靜.LTE系統中的切換與切換自優化方法研究[D].西安:西安電子科技大學,2009.

編輯 劉 冰

Design and Performance Simulation of Synchronous SRVCC Scheme

XU Chao,LUO Guoming,ZOU Shixiang
(College of Communication Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,China)

Single Radio Voice Call Continuity(SRVCC)based on IP Multimedia Subsystem(IMS)is implemented to realize the voice continuity between Long Term Evolution(LTE)and 2G/3G in CS domain during the middle stage of LTE deployments.It is voted by the industry as the target solution to provide LTE voice service during network convergence.But related programs about SRVCC developed by 3GPP can not meet the requirements of real-time voice service.The main problem is the media update time for too long at IMS core network side.On the basis of the analysis of the characteristics and problems of SRVCC,it proposes the remote media optimization and synchronous scheme of SRVCC under the domain control.The scheme reduces the update time of remote end by Service Centralization and Continuity Application Server(SCC AS)media selection function,and sets the timer in the MSC Server to synchronous UE switching time and remotes media update time in order to achieve the purpose of reducing interrupt delay.Simulation results show that,this scheme can meet the requirements of 3GPP to interrupt delay in the case without increasing the network entity.

Long Term Evolution(LTE);Single Radio Voice Call Continuity(SRVCC);IP Multimedia Subsystem (IMS);synchronous;media update

1000-3428(2015)01-0251-05

A

TP37

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.01.047

許 鈔(1985-),男,碩士研究生,主研方向:網絡多媒體技術;羅國明,教授;鄒仕祥,講師。

2014-01-20

2014-03-14 E-mail:glorde@qq.com

中文引用格式:許 鈔,羅國明,鄒仕祥.同步SRVCC方案的設計與性能仿真[J].計算機工程,2015,41(1):251-255.

英文引用格式:Xu Chao,Luo Guoming,Zou Shixiang.Design and Performance Simulation of Synchronous SRVCC Scheme[J].Computer Engineering,2015,41(1):251-255.