基于开源协议栈的VOLTE通信平台的研究和实现

杨存顺，蒋立兵

（中国电子科技集团公司 第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

随着移动通信技术的演进和应用场景的更新，人们对移动数据的需求也不断增长，4G已经成为现代网络的主流制式。4G网络也称为演进的分组系统（Evolved Packet System，EPS），在解决了数据问题后，对于语音问题则采取了双待手机方式（Simultaneous Voice and LTE，SVLTE）、电路回落（CS Fall Back，CSFB）以及VoLTE共3种解决方案。

SVLTE模式实质是终端同时工作在2G和4G两种网络上，2G解决语音问题，4G解决数据问题，该方案要求终端具备两种射频模块，同时对终端功耗和散热提出较高的要求。CSFB模式是指非语音状态驻留在4G网络，有语音时返回2G模式，该方案由于需要两张网络互相操作，导致主叫用户需要等待很长时间才能拨通电话，及时性和用户体验较差。VoLTE是基于4G网络叠加IMS网络实现语音通信的解决方案，可以很好地解决终端能耗和通话及时性的问题，逐渐成为4G网络语音的最佳解决方案[1-3]。

1 平台搭建

1.1 开源协议栈简介

OAI是一个基于软件无线电并遵循3GPP协议从核心网到接入网的开源LTE项目，该项目可以利用1台或多台计算机终端编译安装实现MME、PGW、HSS、UE以及eNodeB，搭建一个专业的LTE通信系统，形成较为完善的LTE核心网与基站到终端的完整解决方案。

Open IMS是由Fraunhofer Insitute FOKUS开发，基于标准协议规范架构提供的一款免费开源软件。Open IMS提供了P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF以及HSS等IMS核心架构元素，可以在一台或多台电脑上实现整个平台搭建，并利用其提供的基于3GPP的IMS服务控制接口实现IMS网络建构，如图1所示。

图1 Open IMS系统架构

1.2 平台配置

IMS核心网服务器主要由P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF以及HSS共4个功能实体组成，在整个VoLTE通信协议栈中处于中间位置，处于LTE核心网和接入网之间。其中最主要的功能实体是CSCF（包括P-CSCF、I-CSCF以及S-CSCF），用于处理注册、会话以及事务型等信息消息。下面从模拟网络的架构具体分析各实体的功能和建立。

1.2.1 P-CSCF

P-CSCF是UE在IMS网络的第一个接触点，所有的SIP消息无论是从UE发送到IMS网络还是从IMS发送给UE都必须通过P-CSCF，其主要功能是负责会话控制、处理验证请求以及SIP信息转发。该功能实体配置在一台服务器上，IP地址为192.168.11.10。

1.2.2 I-CSCF

I-CSCF提供会话控制功能，用来完成对用户的查询。UE注册流程中，可以去查询HSS确定UE的服务S-CSCF。同时由于I-CSCF是运营商内网的接触点，因此该网元还负责网络安全方面的功能，实现对网络的隐藏。该功能实体配置在一台服务器上，IP地址为192.168.11.11。

1.2.3 S-CSCF

S-CSCF是IMS网络的核心，记录用户的呼叫状态，完成呼叫控制功能。UE注册流程中，负责提供会话控制和注册请求应答。该功能实体和I-CSCF配置在同一台服务器上，IP地址为192.168.11.11。

1.2.4 IMS-HSS

IMS-HSS存储业务过滤规则（initial FilterCriteria，iFC）和在线状态，即存储用户都开通了哪些业务、开通的业务怎么触发以及给哪个AS处理等。该功能实体配置在一台服务器上，IP地址为192.168.11.12。

2 连通试验

2.1 试验网络组成

试验环境由OAI构建LTE网模块，OpenIMS构建IMS核心网模块，采用真实手机或电脑上装SIP终端软件OpenIC_Lite模拟VOLTE客户端，实验网络拓扑图如图2所示。

图2 实验网络拓扑图

2.2 LTE连通试验

该试验硬件部分由1个服务器、1块USRPB200板卡以及两台商用LTE手机组成，服务器上运行LTE核心网和ENB程序，实现LTE核心网和基站功能，发出射频信号吸引手机接入。手机是正常的通用手机，插上已写好的对应SIM卡。试验分为3步。

第一步，分别运行HSS/MME/PGW和eNodeB，使其互联互通。eNodeB启动连接上MME后，会向平台射频辐射范围内进行主信息块（Master Information Block，MIB）消息广播，广播内容包括发射基站的下行带宽、小区识别码等信息。

第二步，打开手机，进行随机接入。搜索基站频点、时间和频率同步、解码小区的系统信息以及小区选择。手机进行无线连接、进行RRC连接并进行NAS连接。

第三步，手机连接后，在手机上进行PING操作。

2.3 VoLTE连通试验

该试验是基于LTE连通试验成功以后再搭载IMS环境，试验步骤如下。

首先，分别启动P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF和HSS；

其次，两部手机连接LTE基站后，打开SIP终端，对其参数进行设置，如图3所示；

图3 注册过程

再次，使用一部手机对另外一部手机进行呼叫操作，手机连通后，进行语音通话试验，如图4所示；

图4 连通状态图

最后，使用手机进行短消息相互通信，检测是否接收到，并记录延迟时间（见图5和图6）。

图5 业务通信图

图6 通话记录图

3 结 论

通过相应的配置连通手机+OAI+OpenIMS，实现相互通信的目的。通过在手机上装载SIP客户端实现双向收发信息或语音等，达到真实无线环境下LTE数据双向通信。经测试，整机系统成功连接持续时间可以达到8 h，稳定性尚可，可以为VOLTE通信技术研究提供参考。