移動通信中的IP實現技術

2019-11-03 08:59:20

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供稿：網友

王東輝

解放軍信息工程大學鄭州450002

　　摘要隨著各種Voip技術的出現，電信業的業務已不僅僅局限于傳統電話和移動電話，二者與Internet的融合已經逐漸開始。另外，由于便攜式終端的不斷發展，在IP網絡中實現對移動性的支持變得越來越重要。在移動通信的IP研究領域，IETF和ITU都在提出相應的解決方法，并取得很多成果。本文討論了ITU提出的H.323實現方式和IETF提出的SIP實現方式。

　　關鍵詞 H.323 SIP 3GPP 移動通信

　　1 H.323用戶和業務移動性建議

　　ITU起初制定H.323協議，主要考慮固定網中的用戶和業務，隨著移動網對IP技術的需求，要求支持固定網和移動網的綜合以及公眾網和專網的綜合。基于這樣的考慮，ITU-T SG16在研究移動性技術的基礎上，制定了H.323附件H:H.323的用戶和業務移動性建議。

　　H.323移動性建議主要考慮的是網絡技術，其核心問題是解決移動終端的地址解析。該建議的目標是：

　　a. 定義H.323移動性的功能要求；

　　b. 確定支持移動性是否需要定義新的H.323消息或信息單元；

　　c. 研究H.323移動網絡和非H.323網絡的互通。

　　為了達到此目標，需要解決以下問題：

　　a. 移動性管理，解決登記、呼叫建立、漫游和切換操作；

　　b. 解決移動業務中的認證和安全性問題。

　　（1）網絡結構

　　H.323移動IP網絡主要由四大部分組成：H.323移動終端、H.323無線接入單元、網閘和網關。

　　H.323移動終端在物理層支持第三代移動通信系統使用的無線技術，在原先一般移動終端的基礎上加載H.323協議，并根據SIM卡進行識別。H.323移動終端應支持常用的語音和視頻壓縮編碼，支持多種數據應用協議。

　　無線接入單元由無線收發信機和基站控制器組成。無線收發信機提供穩定可靠的無線鏈路，負責信號的收發；基站控制器處理無線信道的管理（建立、跳頻和切換）。

　　由于涉及IP在移動業務和固定業務中的使用，需要提供網閘系統。根據網閘功能的不同，可以分為移動服務網閘和訪問網閘。移動服務網閘存儲其管轄范圍內登記的所有用戶的信息和當前位置。移動H.323系統通過其提供的信令地址進行選路操作。訪問網閘存儲當前其正在控制的范圍內的所有用戶的部分信息（從移動服務網閘獲取），支持呼叫控制和終端登記業務。

　　由于通過IP提供多媒體業務，移動網絡中還應提供媒體網關和媒體網關控制器，用于和固定網的互通。移動H.323網絡除提供與固定H.323網絡相同的結構外，加裝無線媒體網關，支持普通的GSM、CDMA手機。

　　目前使用的GSM和CDMA手機可以采用兩種方式與移動H.323網絡連接：一是通過無線媒體網關直接接入；二是走原移動網絡，經無線基站控制站和媒體網關適配后接入。為了支持兩種接入，可以將媒體網關和無線媒體網關集成在一個設備中，由媒體網關控制器統一管理。

　　移動IP網絡中的各個設備通過IP協議進行通信。

　　（2）功能描述

　　H.323移動網絡應支持目前H.323協議提供的服務：語音業務、視頻業務、數據業務、話帶數據業務、三類傳真業務、移動特定業務和H.450補充業務。為了在全網范圍提供以上業務，移動網必須具備無線資源管理、移動性管理和連接管理等三大功能。

　　與H.323移動性相關的網絡功能包括：無線資源層切換和位置更新。

　　無線資源層切換

　　無線資源層針對移動IP的要求，必須在呼叫通話過程中提供動態分配無線鏈路的功能，保證移動用戶在不同小區和信道間進行切換。切換包括內部切換和外部切換。內部切換在同一個無線接入單元（WAU）中進行，在切換中由WAU管理，完成后報告給網閘；外部切換涉及不同WAU或網閘，故由網閘進行控制，如果在不同網閘間的小區進行，原網閘稱為主持網閘，新網閘稱為中繼網閘，控制由主持網閘負責。

　　切換時機算法有兩種。一種為“按功率預算”算法：它直接考慮切換，當信號降低到一定程度后，直接啟動切換過程，這樣可以減少同頻干擾，避免小區越界，缺點是算法比較復雜；另一種為“按最低性能”算法：它首先考慮功率控制，一旦信號降低到一定程度，直接增加移動終端的功率，如果效果不行，才啟動切換過程。該算法簡單，使用廣泛，缺點是由于采用分步處理，常常使得終端在進入另一小區很長距離才進行切換。

　　在H.323協議支持的多種媒體下，如果保證都能獲得移動網絡的支持，切換會更加頻繁和復雜，多個信道切換會涉及質量估測、QoS控制、資源利用、切換流程控制等多項功能，如何根據業務需要，最大程度提供最佳服務，在實際的切換中應給予考慮。

　　位置更新

　　移動系統必須及時獲取開機移動終端的位置信息，以保證呼叫和接聽的完成。在H.323移動系統中，為執行位置更新和呼叫選路需要網閘和HZR、VZR兩個位置登記寄存器。

　　當移動終端開機后，就向網絡登記，確定位置。通常情況下，用戶向新的訪問網閘和VZR發送位置更新信息，由VZR記錄位置信息，然后向用戶所屬的移動服務網閘和HZR發送定位信息，即新的VZR的IP地址。HZK根據用戶權限確定提供服務或拒絕。如果允許，就向新的訪問網閘和VZR發送用戶信息，并向原訪問網閘和VZR發刪除老的登記信息的命令。為了提高位置信息的可靠性，系統允許啟動定時更新位置信息的過程，及時更新數據。這在系統故障恢復時很重要。

　　認證和安全功能

　　為了保證IP移動系統的安全，網絡必須提供認證和安全功能。

　　由于IP網絡的開發性，導致其易受攻擊，隱私性易受破壞，為此，ITU專門制定了關于H.323系統的安全保護協議——H.235協議。

　　H.235協議定義了相應標準方法，用于保護H.323數據流和協議流，包括終端身份認證、媒體數據流完整性保護、數據加密和信令加密。在IP移動系統的網閘和網關中都可以建立相應的安全機制，保護系統免遭侵害。

　　（3）H.323信令處理過程

　　針對用戶的移動屬性，對于H.323移動系統，必須提供H.323自動漫游信令和切換信令的處理能力。

　　H.323自動漫游信令

　　對于移動的有線或無線終端，在進入異地時都會涉及新用戶登記、數據下載、入呼叫選路等過程。

　　用戶登記包括9種情況：

　　·終端開機：開機后自動登記；

　　·終端關機：關機后自動去除登記；

　　·定時登記：定時到后自動登記；

　　·基于距離登記：當前基站和上次登記的基站間的距離超過閥值時自動登記；

　　·基于管理區登記：進入新的管理區后自動登記；

　　·參數改變：當某些存儲參數發生改變時，終端自動登記；

　　·強迫登記：基站強迫終端登記；

　　·信道登記：WAU查詢已分配信道的終端，自動完成登記；

　　·隱含登記：移動終端主動或被動進行呼叫處理時進行登記。

　　H.323移動終端的自動漫游信令處理主要包括四部分：

　　a. H.323移動終端在新的訪問管理區登記時的信令處理；

　　b. H.323移動終端在訪問子網登記時的信令處理；

　　c. H.323移動終端的入呼叫信令處理；

　　d. H.323固定終端在訪問IP移動網時登記的信令處理。

　　H.323切換信令

　　H.323切換信令過程主要包括兩種形式：H.323管理區內切換信令過程和H.323管理區間切換過程。

　　H.323移動性管理和切換過程主要利用RAS協議實現。RAS信令過程保持不變，但需要相關消息增加一些新的參數，涉及的RAS消息主要有：GRO/GCF/GRJ、URO/UCF/URJ、DRQ/DCF/DRJ、RRQ/RCF/RRJ和ARQ/ACF/ARJ。另外，切換中使用的快速啟動H.225.0消息SETUP和CONNET也需要增加新的信息單元。

　　2 SIP用戶和業務移動性建議

　　SIP協議是由IETF提出的一套基于TCP或者UDP的應用層控制協議，用來建立、修改或終止多媒體會話。這種多媒體會話可以包含音頻數據流（如IP電話），也可以包含視頻數據流（如網絡會議）。SIP既支持單播，也支持組播。由于網絡環境以及相關多媒體技術的不足，SIP協議首次提出時僅僅針對各種文本應用。隨著Internet的飛速發展及多媒體技術的成熟，SIP協議也不斷發展，很好地解決了移動終端由于移動性而帶來的技術問題：登記與定位、三角路由、安全性等問題。第三代移動通信伙伴項目（3GPP，ThirdGeneration Partnership PRoject）己確定將SIP作為第三代移動通信全IP網絡的核心協議，制定了基于SIP的IP多媒體子系統(IMS)體系標準。

　　（1）系統結構

　　SIP系統采用客戶機/服務器工作方式。SIP網絡系統包含兩類組件:用戶代理（UA，User Agent）和網絡服務器（Network Server）。

　　用戶代理（UA）是一個用于和用戶交互的SIP實體，又稱為SIP終端。根據它們在會話中扮演角色的不同又可分為用戶代理客戶機（UAC，User Agent Client）和用戶代理服務器（UAS，User Agent Server）兩種。其中前者用于發送呼叫請求，后者用于響應呼叫請求。SIP終端通常需要包括UAC和UAS。

　　網絡服務器的主要功能為地址解析和用戶定位，分為代理服務器（Proxy Server）、重定向服務器（Redirect Server）和注冊服務器（RegisterServer）三種。

　　SIP代理服務器

　　SIP代理服務器既是客戶機又是服務器，主要用于路由選擇。負責將SIP用戶請求和響應轉發到相應的下一跳。SIP代理服務器又分為有狀態的( Stateful)和無狀態的(Stateless)兩類，有狀態的Proxy會記錄經其轉發的呼叫的狀態信息，而無狀態的Proxy一旦將消息轉發后就丟棄其狀態信息。因為通常核心Proxy需要處理大量的呼叫，不保留呼叫狀態可大大提高系統的處理能力。

　　SIP重定向服務器

　　SIP重定向服務器主要用于地址解析。其功能是通過響應告訴客戶下一跳服務器的地址，然后由客戶根據此地址向下一跳服務器重新發送請求。與代理服務器不同，重定向服務器并不產生自己的請求。

　　SIP注冊服務器

　　SIP注冊服務器接收終端的注冊請求，記錄終端的SIP URI和IP地址。注冊服務器通常與代理服務器或重定向服務器位于同一物理實體中。用戶終端在啟動后向SIP注冊服務器注冊，用于記錄其當前位置信息，這種基于注冊服務器的轉發特性是實現用戶移動性的基礎。

　　在C/S網絡結構中，代理服務器和重定向服務器在確定下一跳時都會使用一種服務器——定位服務器（Location Server）。定位服務器用于提供定位服務，幫助SIP重定向和代理服務器獲得被叫方可能的位置信息，但是定位服務器并不屬于SIP服務器范疇，在定位服務器和SIP網絡服務器之間并不使用SIP協議。

　　（2）功能描述

　　SIP作為移動多媒體通信和控制協議體系中的信令協議，支持多媒體通信的五種信令功能:

　　用戶定位：確定參與通信的終端用戶

　　用戶通信能力的協商：確定通信的媒體類型和參數

　　用戶意愿的交互：確定被叫是否愿意參與通信

　　會話建立：在主叫方和被叫方中建立會話參數

　　會話管理：包括呼叫轉移和終止、修改會話參數和調用服務等

　　RFC 3261描述了SIP協議的核心，也就是協議的基本操作。一些SIP的擴展功能在其它的RFC和Internet草案中已作了定義。

　　（3）移動技術

　　基于SIP的移動通信主要指解決終端的移動問題。不論終端設備移動到那個子網中，SIP應確保其始終能夠被找到，并且保持子網切換時會話的連續性。終端移動分為會話前和會話中兩種情況，下面分別予以說明。

　　會話前的終端移動

　　理想的移動通信對用戶是透明的。主叫用戶只需輸入被叫用戶的號碼（可以是普通電話號碼，也可以是SIP地址），不需要知道被叫在哪里，也不需要知道通過那條線路可以找到被叫，更不需要知道用什么方式與其通信。這就稱之為號碼移動。為了實現號碼移動，服務器需要在會話建立之前知道終端移動的位置。通過SIP的REGISTER請求消息，很容易實現會話建立前的終端移動。終端每次移動之后，將會獲得一個新IP地址，它只需向重定向服務器發送一個REGISTER請求消息即可完成號碼的移動。

　　會話中的終端移動

　　隨著無線設備的發展，會話中的終端移動逐漸成為一個重要問題。解決這個問題的辦法有兩個。

　　第一種辦法是移動的一方不經過代理服務器，直接向對方發送一個新的INVITE請求消息，告知對方自己的新地址，即可保持會話的連續性。這里所說的連續性是相對的，對于寬帶用戶來說，地址切換引起的會話中斷可能只有幾毫秒，不會對用戶產生影響，但對于窄帶用戶來說，影響將非常大。

　　第二種辦法是使用代理服務器和RTP轉發器。代理服務器可以將信令消息轉發給被叫，而RTP服務器則負責轉發數據流。并且，RTP轉發器可以用緩沖區對接收到的數據流進行整理，丟棄重復的數據包。

　　分層注冊

　　如果終端的移動過于頻繁，或者網絡中同時有很多終端在移動，就會產生類似于路由表爆炸的問題，服務器的負擔將會非常重，甚至崩潰。為了避免這種情況發生，SIP采取分層注冊的方式。

　　分層注冊機制可以有效地減少注冊消息的數量，從而大大減輕服務器的負荷，也減小了網絡故障的概率，使網絡更加穩定、安全。

　　3 小結與展望

　　目前，移動通信正處于日新月異的時代。為了滿足日益激增的對移動通信非話業務的需求，電信設備供應商和運營商正在對現有的第二代移動通信網絡進行技術上的革新和改造。另一方面，以ITU，IETF，3GPP,3GPP2和CWTS為代表的眾多國際組織和機構，正繼續致力于第三代移動通信系統的標準制定和研究開發。事實上，也只有采用革命性的第三代移動通信系統，才能真正解決在移動通信中同時對話音、數據、圖像等多種業務的支持，滿足人們日益增長的對無線多媒體數據通信的需要。

　　
----《中國數據通信》