同步SRVCC方案的设计与性能仿真

许 钞,罗国明,邹仕祥

(解放军理工大学通信工程学院,南京210007)

同步SRVCC方案的设计与性能仿真

许 钞,罗国明,邹仕祥

(解放军理工大学通信工程学院,南京210007)

将基于IP多媒体子系统(IMS)的单一无线语音呼叫连续性(SRVCC)技术应用于长期演进(LTE)部署的初中期阶段,以实现LTE和2G/3G CS域的语音切换连续性,被业界一致认为是网络共存期间LTE语音业务的经典提供方案。然而,3GPP制定的关于SRVCC相关方案不能满足语音业务实时性的要求,IMS核心网侧媒体更新时间过长。为此,提出一种基于归属域控制的远端媒体优化的同步SRVCC方案。分析SRVCC技术特点和存在问题,通过会话集中和持续性应用服务器的媒体选择功能减少远端媒体的更新时间,并在MSC Server中设定计时器,同步UE的切换时间和远端媒体更新时间,以达到减少中断时延的目的。仿真结果表明,在不增加网络实体的情况下,该方案能满足3GPP中断时延小于300 ms的要求。

长期演进;单一无线语音呼叫连续性;IP多媒体子系统;同步;媒体更新

1 概述

为适应全球移动通信市场竞争、满足移动宽带的发展,3GPP提出了长期演进 (Long Term Evolution,LTE)和系统架构演进(System Architecture Evolution,SAE)[1-2]计划,LTE/SAE是第三代移动通信系统向全IP方案演进的重要发展阶段。在LTE网络部署初中期,运营商主要在热点地区、密集城区和数据业务需求大的区域引入LTE网络,因此,将同时与2G、3G以及其他多种制式的无线网络共存。作为支持全IP的移动网络,LTE/EPC并不提供CS功能,而现有的2G/3G都是基于CS域提供语音业务,如何实现LTE和现有移动网络在语音业务上的无缝连接,自VoLTE分组语音技术提出以来就一直是研究和探讨的热点问题[3]。

3GPP在 R7提出了 IP多媒体子系统(IP Multimedia Subsystem,IMS)/VCC[4-5]方案,以解决分组语音业务的持续性问题。该方案中UE同时驻留在IMS和2G/3G网络中,在需要切换时选择一种网络作为终结域完成语音呼叫,但该方案存在的一个关键问题是支持LTE和GSM/UMTS的双模手机很难实现双模双待,不能同时附着到LTE和GSM/ UMTS系统进行数据收发或者语音通话,从而限制了VCC技术的应用。CS FallBack[6]方案是3GPP在R8提出的技术标准,主要采用将终端回落到2G/ 3G网络中完成所有电路域业务,该技术并未从本质上解决LTE提供语音业务的问题,在进行模式转换时,用户在LTE网络下的业务都需要中断、切换或挂起,影响用户的业务体验。为此,在VCC方案的基础上,3GPP R8提出了 Single Radio VCC即SRVCC[7]技术,用以实现双模单待用户在LTE和2G/3G间语音业务的连续性。本文在上述研究的基础上,提出一种基于归属域控制的远端媒体优化的同步SRVCC方案。

2 SRVCC实现方案及改进思路

2.1 SRVCC切换控制流程

SRVCC的基本思路是:UE在LTE网络中采用IMS呼叫流程建立语音呼叫,在建立过程中呼叫被锚定在IMS/会话集中和持续性应用服务器(Service Centralization and Continuity Application Server,SCC AS)[8]上。当终端移动到LTE边缘,MSC Server代替终端发起SRVCC切换请求(同时,UE与MSC之间的CS域连接也会建立),并与IMS/SCC AS之间建立新的本端呼叫路径,提供CS域的媒体信息给SCC AS,SCC AS通过会话持续性过程重新建立通话两端的媒体层连接,从而完成LTE到GERAN/ UTRAN的切换。

SRVCC切换过程包括承载层的PS-CS切换和业务层的IMS域切换两部分,这两部分切换处理相互独立,保证了语音业务在切换中的持续性。主要控制流程如图1所示,其中,重叠的框表示同时进行。

图1 SRVCC切换控制流程

由于IMS域执行会话持续性控制(步骤6)和本端UE端切换过程(步骤10)是相对独立的,这对于本端UE来说能够避免切换指令被延迟发送,从而减少用户由于离开LTE覆盖区发生掉话现象。但对于远端UE来说,两者缺乏同步机制[9],则很可能造成用户面业务中断,导致话音丢失。且UE端的切换过程通常都要比 IMS侧会话持续性过程快(IMS侧需要到远端终端做媒体面更新),若本端UE完成切换,IMS侧远端更新还未完成,则远端UE仍会把RTP媒体发向LTE侧,出现用户面业务中断现象。此时,对远端UE,可能有一段时间听不到对方的话音,降低了远端UE用户的业务体验和服务质量。在切换时延上[10],由于IMS侧需要对远端终端媒体进行更新,因此SRVCC切换时延主要是IMS侧导致的,而且切换时延也较长,通常超过300 ms[11],若考虑远端UE的漫游和网络状态,则时延可能更长。

2.2 对SRVCC切换过程的改进思路

通过以上分析可以得知,在对SRVCC方案进行优化时,可从解决切换时延和用户面业务中断两方面入手[12]。目前,业界已经提出多种方案用于优化SRVCC,总的来说,包括2种类型[13]。第1种类型是协调本端UE和IMS侧的切换时间,使2个切换过程时间同步,以减少业务中断时间,包括让MSC Server协调IMS会话转移时间,以及在发给远端UE的INVITE消息中不带SDP信息,或者先进行远端媒体更新,再进行切换的方法。这类方案虽能达到同步效果,但会增加更多处理时延,整体效果不佳;第2种类型是将媒体流锚定到某一功能实体,避免远端媒体的更新,包括将媒体流锚定在拜访网络的MGW,或增加ATGW/ATCF网元的eSRVCC[14]方案等,这种方案对时延的改善比较明显,但需增加新的网元,对网络改动比较大。

3 远端媒体优化的同步SRVCC方案

3.1 优化方案的设计及相关信令流程

本文在对上述方案分析的基础上,综合2.2节2种类型的特点,提出了对远端媒体优化的同步SRVCC方案,通过仿真分析,该方案能够降低业务中断时延,提升SRVCC整体切换性能。该方案的核心思路是利用SCC AS进行媒体选择,对远端媒体更新进行优化,以降低更新时间;MSC Server管理一个计时器,同步会话转移过程和切换过程而引起的信息流中断,从而达到降低整体语音中断时间的效果。

为节约成本和对现网改造的考虑,该方案不改变原有SRVCC网络架构,仅需要增强归属域IMS侧SCC AS的功能,对于拜访网络和接入网络仅对MSC Server进行功能增强,这对于数量庞大的接入网络来说无疑是最佳的方案。

在考虑本节所述实体功能增强基础上,还需考虑如下问题:

(1)MSC Server需预定义一个与切换相关联的MSC Server到本地UE的平均时间跨度;在域转移过程中计算从MSC Server到SCC AS的延迟;启动和管理计时器,用于同步会话转移过程和切换过程。

(2)SCC AS能够在语音会话建立阶段测量远端的信令延迟;在域转移过程将延迟返回给MSC Server;选择远端UE和MGW共有的媒体类型,并将选择的媒体类型分别发送给远端 UE和 MSC Server。

体现上述方案的信令流程如图2所示,其中,虚线箭头表示该步为可选步骤。

图2 优化SRVCC信令的流程

对图2中的信令流程描述如下:

在步骤1之前,SCC AS在会话建立阶段已经测量出远端的信令延迟,记为P1。

步骤1～步骤9:与R8 SRVCC流程相同。

步骤10:MSC Server发送包含STN-SR、MGW SDP的INVITE消息到IMS/SCC AS。此外,MSC Server发送INVITE请求时,存储发送时间。

步骤11～步骤15可能和步骤16～步骤21同时发生。

步骤11:SCC AS向MSC Server返回远端的信令延迟。

步骤12:当MSC Server收到远端的信令延迟,计算出从MSC Server向SCC AS发送的SIP信令及响应的持续时间,记该持续时间的一半为P2(从MSC Server到SCC AS的信令延迟)。此外,假设MSC Server预定义与CS切换相关联的MSC Server到本地UE的平均时间跨度为P3。如2.2节分析,P1明显长于P2、P3,且P1大于P2+P3。在MSC Server启动一个持续时间为P1-P3-P2的计时器。在计时器超时后,MSC Server将执行步骤13。如果P1不大于P3+P2,MSC Server不启动定时器,并立即执行步骤13。

步骤13～步骤15:与R8 SRVCC流程相同。

步骤16:SCC AS存储MGW SDP信息并发送不包含SDP的re-INVITE媒体更新信息到远端。

步骤17:远端响应包含远端SDP信息的200 OK给SCC AS,其中,包含正在使用的SDP信息和所有远端支持的媒体格式。

步骤18:收到响应消息,SCC AS对比MGW SDP和远端SDP的媒体类型,选择共同并最适合的媒体类型。

步骤19:SCC AS响应包含远端SDP的200 OK到目标MSC。

步骤20:SCC AS发送包含MGW SDP信息的ACK请求到远端。

步骤21:释放源IMS接入。步骤22:UE切换到CS域。步骤23～步骤31:与原SRVCC流程相同。

3.2 优化SRVCC的性能分析

由于在信令流程中,图2中步骤1～步骤9和步骤23～步骤31与原方案相同,步骤10只是在MSC Server中执行存储时间,不影响整个时延,故本方案主要考虑步骤11～步骤22的信令延迟。3GPP R8中SRVCC方案语音媒体流中断时间分析如图3所示。

图3 3GPP R8中SRVCC媒体流中断时间分析

分别计算上下行语音媒体流中断时间,得:

上行:上行语音媒体流中断在步骤a2或步骤b2后,并在步骤b3和步骤a4完成后恢复。因此,上行语音媒体流的中断时间是:Tu=max(Ta1+Ta2+Ta3+Ta4-Tb1-Tb2,Tb3)。

下行:下行语音媒体流中断在步骤b2后,并在步骤后b3和步骤a4完成后恢复。因此,下行语音媒体流的中断时间是:Td=max(Ta1+Ta2+Ta3+Ta4-Tb1-Tb2,Tb3)。

步骤b1和步骤b2发生在UE当前附着的网络,所以,有理由假设(Tb1+Tb2)远小于(Ta1+Ta2+Ta3+Ta4),Td和Tu可表示为:Tu=MAX(Ta1+Ta2+Ta3+Ta4,Tb3);Td=max(Ta1+Ta2+Ta3+Ta4,Tb3)。

优化SRVCC语音媒体流中断时间的流程如图4所示。

图4 优化SRVCC语音媒体流中断时间的流程

其中,P1=Ta2+Ta3+Ta5,P2=Ta1=Ta4,P3=Tb1+Tb2,则MSC Server设定的计时器时间为Tm=P1-P2-P3=Ta2+Ta3+Ta5-Ta1-Tb1-Tb2。

分别计算上下行语音媒体流中断时间,得:

上行:上行语音媒体流中断在步骤b2后,并在步骤b3和步骤a5完成后恢复。因此,上行媒体流的中断时间是:Tu=Tb3

下行:在步骤a5中一旦远端接收到ACK应答,或SRVCC UE执行步骤b3则下行语音媒体流中断。直到完成2个步骤a5和步骤b3后恢复。因此,下行语音媒体流中断时间可以分为以下3种情形:

(1)Td=Ta5-(Ta4+Tb1+Tb2),当步骤b3在步骤a5前完成,即Ta5＞Ta4+Tb1+Tb2+Tb3,此时,P1不大于P2+P3,不启动计时器。

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

(3)Td=Tb3,当步骤b3与步骤a5同时完成,此时,P1不大于P2+P3,不启动计时器。

对比2种方案,主要取决于Tb3的时间长度,即UE执行PS到CS的切换时长,而Tb3一般小于300 ms,且通常为100 ms左右,也小于(Ta1+Ta2+Ta3+Ta4)。对于上行链路,优化SRVCC的中断时间为Tb3,明显小于原方案中的中断时间。对于下行链路,虽然增加了步骤a5,但降低了远端媒体的更新过程,相比原方案也有所减少,并在最好的情况下与Tb3相同。

3.3 系统建模与仿真分析

为了验证本文提出的SRVCC优化方案的可行性,在OPNET环境下下进行建模仿真[15]。由于同一网络网元间的传输时延非常小,可忽略不记,因此,对仿真场景进行了简化,将多个网元的功能集中到一个结点。根据经验值,远端媒体更新的时延可设为200 ms～500 ms的随机值。

图5是UE速度为5 km/h、20 km/h、60 km/h时根据不同随机种子数测得的中断时延,切换全部成功。最小时延约为235 ms,最长时延约为282 ms,平均时延259 ms,可以看出,在典型速度下,中断时延波动较大,这是由于远端网络的不稳定性造成的。图6是一次成功切换中不同基站吞吐率的对比,切换发生在594 s左右。从图中可以看出,切换后, BSC相比于切换前eNB的吞吐率有明显下降;切换发生相对滞后,这是因为在切换策略中加入了切换滞后差值(5 s)。

图5 不同速度下的中断时延

图6 切换前后基站吞吐率对比

4 结束语

本文在分析LTE与2G/3G网络共存情况下,语音业务的现有解决方案SRVCC的基础上,提出一种改进的采用SCC AS进行媒体选择,并对切换和会话持续过程进行同步的SRVCC方案。通过对语音链路媒体流中断时延的分析与仿真,结果证明,中断时延达到了3GPP对中断时延的要求。同时,该方案对现有网络改动较小,且接续控制过程完全在IMS归属域中完成,方便部署和实现。目前,SRVCC技术切换时需要多网协调,信令过程复杂,切换性能远不如电路域切换,并且SRVCC只能实现LTE到2G/3G的单向切换,反向切换标准还未制定,同时,如何在切换时也能进行分组数据切换,这些问题都将在以后做更加深入的研究。

[1] 庞韶敏,李亚波.3G UMTS与4G LTE核心网——CS, PS,EPC,IMS[M].北京:电子工业出版社,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,耿鲁静.浅析LTE系统 CSFB话音解决方案[J].电信工程技术与标准化,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] 刘 晨.SRVCC优化方案研究及改进[D].北京:北京邮电大学,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,Högqvist M.On HTTP Live Streaming in Large Enterprises[C]//Proceedings of SIGCOMM’13.Hong Kong,China:[s.n.],2013:489-490.

[7] 全国广播电影电视标准化技术委员会.GY/T258-2012下一代广播电视网(NGB)视频点播系统技术规范[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.

编辑 刘 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] 许慕鸿.SRVCC增强技术分析[J].电信网技术, 2010,(12):10-16.

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

[15] 刘 静.LTE系统中的切换与切换自优化方法研究[D].西安:西安电子科技大学,2009.

编辑 刘 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

许 钞(1985-),男,硕士研究生,主研方向:网络多媒体技术;罗国明,教授;邹仕祥,讲师。

2014-01-20

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

中文引用格式:许 钞,罗国明,邹仕祥.同步SRVCC方案的设计与性能仿真[J].计算机工程,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.