異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中多網(wǎng)無感切換技術(shù)研究*

章廣梅，王煒發(fā)，郭水平，張 潔

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

0 引 言

以移動通信為代表的無線通信網(wǎng)絡(luò)從單個獨立建設(shè)，逐步向多元化和綜合化發(fā)展，各種無線網(wǎng)絡(luò)包括蜂窩移動接入、寬帶無線接入等無線網(wǎng)必將與固定網(wǎng)融合接入基于IP的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)。在這種日益復雜的異構(gòu)融合的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由于不同的接入網(wǎng)絡(luò)具有不同技術(shù)體制，覆蓋不同范圍，具有不同的網(wǎng)絡(luò)性能，在當前用戶實時直播和虛擬現(xiàn)實業(yè)務(wù)的迅速普及需求場景下[1-2]，單一通信網(wǎng)絡(luò)越來越難以滿足人們對于網(wǎng)絡(luò)通信高可靠、高帶寬和低時延的需求。因此，研究異構(gòu)融合多個網(wǎng)絡(luò)之間的無感切換，為用戶提供復雜多網(wǎng)接入環(huán)境下跨網(wǎng)絡(luò)的選擇和切換，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性，并最大化網(wǎng)絡(luò)資源利用率，必然是多網(wǎng)融合通信技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。

現(xiàn)有業(yè)界的技術(shù)解決方案中[3-4]，一般根據(jù)移動終端所處區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)絡(luò)的信號強度等多種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，在網(wǎng)絡(luò)層來進行垂直切換控制。但是，在這種網(wǎng)絡(luò)層切換技術(shù)方案中，當移動終端進入到某個區(qū)域內(nèi)[5]，且該區(qū)域內(nèi)的若干網(wǎng)絡(luò)信號強度產(chǎn)生劇烈變換時，容易出現(xiàn)用戶終端在各個網(wǎng)絡(luò)中頻繁切換所引起的切換準確率不高、切換效率低，甚至誤切換等一系列的問題。然而，如果通過上層應用層進行控制切換，由于涉及到固定網(wǎng)絡(luò)、移動網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)，以及上層業(yè)務(wù)信令控制，機制較為復雜。但考慮到從上層應用進行控制，可以屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)無關(guān)性，因此基于統(tǒng)一通信的應用層切換控制具有獨特的優(yōu)勢。

綜上所述，本文重點研究基于統(tǒng)一通信在應用業(yè)務(wù)控制層的無感切換機制，探討屏蔽底層的多種接入網(wǎng)絡(luò)；從應用控制層進行業(yè)務(wù)無感切換研究，提出一種與底層網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的無感切換解決方案；創(chuàng)新性引入多網(wǎng)絡(luò)切換控制（Multi-Network Handover Control，MNHC）功能實體，并詳細闡述了無感切換流程；根據(jù)統(tǒng)一用戶管理的信息，從應用控制層監(jiān)測多個接入網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，進行控制面信令用戶無感知切換控制，避免網(wǎng)絡(luò)層切換的弊端，可以有效解決多網(wǎng)切換問題。

1 多網(wǎng)切換架構(gòu)研究

統(tǒng)一通信把計算機技術(shù)與通信技術(shù)融合一體，讓人們無論任何時間、任何地點，都可以通過任何設(shè)備、任何網(wǎng)絡(luò)，獲得數(shù)據(jù)、圖像和聲音的通信連接。典型的統(tǒng)一通信架構(gòu)組成包括實現(xiàn)電話、傳真、數(shù)據(jù)傳輸、音視頻會議、呼叫中心、即時通信等眾多應用服務(wù)在一個網(wǎng)絡(luò)平臺上。其本質(zhì)上是以互聯(lián)網(wǎng)作為物理依托，將傳統(tǒng)通信融合進入互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字環(huán)境，并且同時對互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的現(xiàn)代化數(shù)字通信工具實現(xiàn)支持，架設(shè)起不同通信工具之間的信息通路，同步信息的發(fā)送與獲取，使其成為一個有機整體。從總體發(fā)展的角度看，統(tǒng)一通信隨著基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)融合而呈現(xiàn)出強大的生命力，突出表現(xiàn)在無縫連接、高集成以及連續(xù)服務(wù)3個技術(shù)層面上。

統(tǒng)一通信架構(gòu)是一個通過標準化接口連接的功能的集合，其典型組成由歸屬用戶服務(wù)器（Home Subscriber Server，HSS）、簽約位置功能（Subscription Locator Function，SLF）、呼叫/會話控制功能（Call Session Control Function，CSCF）、 應 用 服務(wù)器（Application Server，AS）以及媒體資源功能（Multimedia Resource Function，MRF）等組成。本文在統(tǒng)一通信無縫連接架構(gòu)基礎(chǔ)上，增加多網(wǎng)切換控制MNHC功能，對位于不同網(wǎng)絡(luò)的終端分配不同的私有標識號碼，并且不同終端組成一個組，該組具有統(tǒng)一的用戶號碼（公有標識），在應用層監(jiān)控各終端的網(wǎng)絡(luò)連通情況，當某個網(wǎng)絡(luò)中斷時，不需要重新建立呼叫，即可切換到其他可用網(wǎng)絡(luò)終端。

如圖1所示，基于統(tǒng)一通信的異構(gòu)多網(wǎng)無感切換系統(tǒng)從體系架構(gòu)上分為多網(wǎng)接入層、應用控制層、服務(wù)應用層。其中：多網(wǎng)接入層包括了多種接入網(wǎng)絡(luò)，涵蓋固定寬帶接入、WiFi（Wireless Fidelity）接入以及移動通信網(wǎng)，此處的移動網(wǎng)主要是指以5G為代表的移動通信網(wǎng)；服務(wù)應用層也是應用實體，主要包括實時直播、虛擬現(xiàn)實業(yè)務(wù)、電話、傳真、音/視頻會議、呈現(xiàn)業(yè)務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)管理信息服務(wù)等應用；應用控制層主要由用戶狀態(tài)服務(wù)器、多網(wǎng)切換MNHC模塊、查詢會話控制、服務(wù)會話控制、代理會話控制、簽約位置功能、媒體服務(wù)器（Multimedia Resource Server，MRS）、域名系統(tǒng)（Domain Name System，DNS）以及統(tǒng)一用戶管理（Unified User Management，UUM）等功能模塊組成。這里主要對本文涉及到的應用控制層的功能實體進行分析。

1.1 呈現(xiàn)服務(wù)器

負責接收、存儲和分發(fā)用戶呈現(xiàn)（Presence）信息，并對用戶的呈現(xiàn)信息進行管理。主要功能包括：

（1）接收用戶的狀態(tài)通知，并通知其相應的白名單對象；

（2）接收用戶的訂閱請求，并根據(jù)被訂閱用戶的黑白名單決定其請求是否被批準；

（3）收集其他呈現(xiàn)業(yè)務(wù)實體發(fā)來的用戶狀態(tài)信息；

（4）接收資源列表訂閱請求并發(fā)送資源列表狀態(tài)信息。

1.2 多網(wǎng)切換MNHC功能

MNHC根據(jù)統(tǒng)一用戶管理的信息，從應用控制層監(jiān)測多個接入網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，對被叫為統(tǒng)一用戶管理的呼叫進行處理，重新下發(fā)對組內(nèi)所有用戶號碼的呼叫。此外MNHC還會對主叫為統(tǒng)一用戶管理內(nèi)的號碼的呼叫進行處理，將主叫修改為統(tǒng)一用戶管理的虛號（組號）。

（1）用戶狀態(tài)監(jiān)控功能：在收到CSCF的用戶注冊通知時，若是開通多網(wǎng)切換功能的用戶，則與用戶建立網(wǎng)絡(luò)鏈路監(jiān)控。

（2）多網(wǎng)切換功能：開通多網(wǎng)切換功能的用戶在通話中時出現(xiàn)鏈路斷開等網(wǎng)絡(luò)惡化情況時，MNHC選擇統(tǒng)一用戶管理內(nèi)連接正常的優(yōu)先級最高的真實號碼，進行多網(wǎng)切換，保證呼叫的正常進行。

（3）呼叫回切功能：在優(yōu)先級較高的鏈路斷開的終端回復連接后，將呼叫切回到原有用戶鏈路。

1.3 查詢會話控制功能

查詢會話控制功能（Interrogating Call Session Control Function，I-CSCF）實體是本系統(tǒng)融合網(wǎng)絡(luò)域的入口功能節(jié)點，當用戶需要獲得異構(gòu)多網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)域提供的服務(wù)時，先經(jīng)過由查詢會話控制功能實體完成的查詢會話控制，具體分為以下兩個功能。

（1）當多網(wǎng)的用戶設(shè)備（User Equipment，UE）申請注冊時，由I-CSCF為用戶分配服務(wù)會話控制功能。

（2）當用戶在會話階段，I-CSCF完成從歸屬用戶服務(wù)器獲取服務(wù)會話控制（Serving Call Session Control Functiong，S-CSCF）的地址的功能；從而相應S-CSCF完成前轉(zhuǎn)會話發(fā)起協(xié)議的請求或響應消息。

1.4 服務(wù)會話控制功能

服務(wù)會話控制為UE提供注冊服務(wù)、會話控制，以及選路，具有維持UE間會話狀態(tài)信息的功能。多網(wǎng)用戶UE發(fā)送和接收的會話發(fā)起協(xié)議（Session Initiation Protocol，SIP）消息經(jīng)過S-CSCF，并根據(jù)初始觸發(fā)規(guī)則確定和業(yè)務(wù)應用平臺之間的交互。具體功能分為以下兩個階段。

1.4.1 UE注冊階段

（1）作為注冊服務(wù)器，對來自用戶設(shè)備UE的注冊請求消息進行處理；

（2）通過與HSS交互，完成對UE的認證和鑒權(quán)，更新HSS上用戶的注冊狀態(tài)信息；

（3）如果認證通過，S-CSCF從HSS下載用戶的相關(guān)信息；

（4）完成維持用戶的注冊狀態(tài)功能，并且在UE注冊狀態(tài)發(fā)生變化時，向UE發(fā)送相應的通知消息。

1.4.2 UE會話階段

（1）為UE提供會話控制功能，可以工作在代理模式（Proxy）或者用戶代理模式（User Agent，UA）。

（2）支持完成與業(yè)務(wù)應用平臺交互的功能。

（3）根據(jù)會話需要或者業(yè)務(wù)需要，完成控制MRS向UE發(fā)送特定音頻資源等功能。

（4）完成控制功能，比如：確定為被叫UE提供服務(wù)的I-CSCF，并轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)會話發(fā)起協(xié)議請求和響應消息；處理由業(yè)務(wù)應用平臺觸發(fā)的始發(fā)請求；和電話號碼映射（Elephone Number Mapping，ENUM）服務(wù)器進行交互獲取和被叫統(tǒng)一資源標志（Uniform Resource Identifier，URI）對應的統(tǒng)一IP多媒體子系統(tǒng)（IP Multimedia Subsystem，IMS）核心網(wǎng)中可路由SIP URI等。

（5）提供終結(jié)會話控制相關(guān)功能，主要包括：向固定或移動的代理呼叫會話控制功能實體轉(zhuǎn)發(fā)會話發(fā)起協(xié)議請求和響應消息；當UE為未注冊用戶而需提供服務(wù)時，收到該未注冊UE的請求消息后，如果S-CSCF上沒有用戶業(yè)務(wù)清單等相關(guān)信息，C-CSCF和HSS交互下載相關(guān)信息。

1.5 代理呼叫會話控制功能功能

代理會話控制功能（Proxy Call Session Control Function，P-CSCF）是為用戶多網(wǎng)接入提供服務(wù)的入口節(jié)點，主要功能如下：

（1）P-CSCF前轉(zhuǎn)從用戶收到的會話發(fā)起協(xié)議注冊請求，根據(jù)用戶的歸屬域名確定下一個入口節(jié)點；

（2）P-CSCF向會話發(fā)起協(xié)議服務(wù)器前轉(zhuǎn)從UE收到的會話發(fā)起協(xié)議消息，通過注冊過程P-CSCF獲得該會話發(fā)起協(xié)議服務(wù)器的地址信息；

（3）P-CSCF向用戶前轉(zhuǎn)會話發(fā)起協(xié)議請求或響應消息；

（4）P-CSCF支持檢測緊急會話建立請求并進行相應的處理功能；

（5）P-CSCF建立并維護和UE之間的安全偶聯(lián)；

（6）P-CSCF完成對會話發(fā)起協(xié)議消息進行壓縮和解壓縮的功能。

1.6 SLF簽約位置功能

SLF簽約位置功能，是IMS體系結(jié)構(gòu)中主要數(shù)據(jù)庫之一。SLF在系統(tǒng)中處于交換層，主要功能是輔助CSCF實現(xiàn)抗毀、動態(tài)組網(wǎng)功能等重要功能。具體包括：

（1）SLF在交換機啟動時或定期向SLF端口廣播本交換機信息，完成與網(wǎng)絡(luò)中的其他交換機的信息交互，獲得交換機當前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境信息，與此同時，網(wǎng)絡(luò)中的其他交換機也獲得了本交換機的信息；

（2）用戶信息查詢功能：SLF提供以用戶號碼為關(guān)鍵字的歸屬域、備份域以及掛載域信息的查詢接口，現(xiàn)所能查到的信息包含歸屬域（或備份域、掛載域）域名、接入IP和端口等。

1.7 媒體服務(wù)器

異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)具備提供多種媒體處理功能，包括不同編解碼算法間的轉(zhuǎn)換等各種資源功能、通信功能，以及管理維護功能等。由MRS根據(jù)不同業(yè)務(wù)需求提供信號音的產(chǎn)生和發(fā)送、錄音通知的發(fā)送、混音等，具體功能如下：

（1）來自服務(wù)會話控制設(shè)備和應用服務(wù)器的會話發(fā)起協(xié)議消息，或來自應用服務(wù)器的H.248消息，經(jīng)過MRS解析，由MRS完成控制相關(guān)資源的功能；

（2）MRS具備雙音多頻（Dual Tone Multi-Frequency，DTMF）信號的采集和解碼功能；

（3）完成信號音的產(chǎn)生和發(fā)送功能；

（4）完成特定音資源的發(fā)送功能；

（5）可以根據(jù)會話發(fā)起協(xié)議消息中包含的資源URI信息從其他地方獲取相關(guān)的音頻資源信息并完成發(fā)送；

（6）MRS支持對媒體流進行處理，包括混合入媒體流、編解碼轉(zhuǎn)換等。

1.8 DNS服務(wù)器

DNS服務(wù)器完成域名查詢服務(wù)功能，代理會話控制設(shè)備、服務(wù)會話控制設(shè)備等可以查詢域名系統(tǒng)獲得被叫或注冊UE歸屬域的查詢會話控制功能的地址。

1.9 統(tǒng)一用戶管理

UUM服務(wù)器統(tǒng)一存儲異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)域內(nèi)和UE相關(guān)信息和業(yè)務(wù)相關(guān)信息等用戶數(shù)據(jù)，包含用戶簽約數(shù)據(jù)、策略數(shù)據(jù)等，提供用戶簽約數(shù)據(jù)訪問、位置登記等，具體功能分為以下4種。

（1）存儲UE信息和業(yè)務(wù)信息，包括UE的公有標識、用戶私有標識和尋址信息，UE的安全信息，UE的位置信息，UE的業(yè)務(wù)簽約信息，透明的應用數(shù)據(jù)。

（2）與查詢會話控制設(shè)備（I-CSCF）交互，指派服務(wù)會話控制（S-CSCF），獲取為公共業(yè)務(wù)標識（Public Service Identity，PSI）服務(wù)的應用服務(wù)器等相關(guān)信息。

（3）生成認證向量信息，與S-CSCF交互，完成用戶認證，獲取用戶注冊信息，并向S-CSCF設(shè)備傳送相關(guān)用戶信息以及業(yè)務(wù)信息。

（4）與AS交互，響應AS的業(yè)務(wù)信息查詢；接收AS定制數(shù)據(jù)變更通知；接收AS將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)同步到HSS上。

2 無感切換流程

基于統(tǒng)一通信的異構(gòu)多網(wǎng)無感切換的主要流程包括用戶注冊流程、用戶呼入流程、用戶呼出流程、多網(wǎng)切換控制流程等，其中用戶注冊流程如圖2所示，用戶呼入流程如圖3所示，用戶呼出流程如圖4所示，多網(wǎng)切換控制流程見圖5，下面進行詳細分析。

2.1 用戶注冊（開通多網(wǎng)切換功能）流程

步驟1～步驟2：多網(wǎng)用戶設(shè)備UE（開通多網(wǎng)切換功能）通過統(tǒng)一號碼向CSCF進行注冊，CSCF回復200 ok。

步驟3～步驟4：CSCF查詢用戶信息，發(fā)現(xiàn)UE開啟多網(wǎng)切換功能，將注冊信息觸發(fā)至MNHC，MNHC回復200 ok表示已處理該注冊消息。

步驟5～步驟6：MNHC通過CSCF向UE發(fā)送監(jiān)測請求。

步驟7～步驟8：UE收到監(jiān)測請求后回復監(jiān)測響應。

步驟9～步驟12：MNHC在每經(jīng)過監(jiān)測周期T后會再次與UE進行監(jiān)測交互，若UE狀態(tài)正常，MNHC會收到來自UE的監(jiān)測響應。

2.2 用戶呼入流程

步驟1～步驟2：UE2呼叫UE1（A網(wǎng)、B網(wǎng)）共同的虛號（公有標識），CSCF將呼叫觸發(fā)至MNHC。

步驟3～步驟4：MNHC查詢用戶信息，獲取虛號對應的實際用戶號碼（私有標識），然后下發(fā)對用戶號碼的呼叫。

步驟5～步驟6：CSCF將呼叫下發(fā)至UE1（A網(wǎng)、B網(wǎng)）。

步驟7～步驟8：UE1（B網(wǎng)）接聽呼叫。

步驟9～步驟10：MNHC拆除到UE1（A網(wǎng)）的呼叫。

步驟11～步驟12：MNHC回復200 ok給主叫方，UE2與UE1（B網(wǎng)）建立通話。

2.3 用戶呼出流程

步驟1～步驟2：UE1呼叫UE2，CSCF將呼叫觸發(fā)至MNHC。

步驟3：MNHC查詢用戶信息，獲取UE1所在多模通的虛號，然后將主叫信息修改為虛號，然后轉(zhuǎn)發(fā)呼叫。

步驟4：CSCF將呼叫UE2。

步驟5～步驟8：UE2接聽呼叫，UE1與UE2建立通話。

2.4 多網(wǎng)間無感切換

步驟1～步驟2：MNHC檢測到UE1出現(xiàn)B網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中斷異常，A網(wǎng)監(jiān)測正常。

步驟3～步驟4：MNHC拆除UE1（B網(wǎng)）的呼叫。

步驟5～步驟6：MNHC發(fā)起到UE1（A網(wǎng)）的呼叫。

步驟7～步驟8：UE1（A網(wǎng)）接聽呼叫。

步驟9～步驟12：MNHC修改UE2的媒體屬性，使UE1（A網(wǎng)）與UE2建立通話。

3 結(jié) 語

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速發(fā)展，為了滿足用戶實時直播和虛擬現(xiàn)實業(yè)務(wù)的迅速普及的需求，未來的信息網(wǎng)絡(luò)將是融合了固定、無線等不同技術(shù)體制的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)。由于不同的網(wǎng)絡(luò)（包括固定網(wǎng)絡(luò)、多種移動網(wǎng)絡(luò)等）在傳播特性、帶寬、時延、覆蓋范圍等方面具有不同的性能，目前仍沒有單一的接入通信手段或網(wǎng)絡(luò)能夠同時滿足高可靠、帶寬高、覆蓋廣、移動性高并且時延低的要求。需要研究不同網(wǎng)絡(luò)之間的無感切換繼續(xù)保證通信的可靠和不間斷進行，在未來的綜合接入網(wǎng)絡(luò)中，多種異構(gòu)無線/固定接入網(wǎng)絡(luò)之間的無感切換仍然是研究熱點領(lǐng)域。本文探討了統(tǒng)一通信架構(gòu)下在應用控制層進行用戶無感切換的技術(shù)機制，基于統(tǒng)一通信的接入無關(guān)特性，提出一種基于統(tǒng)一通信架構(gòu)的多網(wǎng)無感切換解決方案，在現(xiàn)有標準的統(tǒng)一通信架構(gòu)基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性增加多網(wǎng)無感切換功能實體，具有與接入網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的優(yōu)點，為用戶提供復雜多網(wǎng)接入環(huán)境下跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的選擇和切換，有利于解決網(wǎng)絡(luò)層誤切換等問題，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。