基于VoLTE的多媒体彩铃业务的设计与实现*

乔木, 王晶

（1 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室，北京 100876；2 东信北邮信息技术有限公司，北京 100191)

1 引言

随着移动互联网产业的高速发展和智能终端功能的不断强大，移动通信网络承载更高速、更丰富、更便捷分组数据业务能力的要求越来越强烈。移动通信网络正从2G、3G向4G时代演进，LTE（Long Term Evolution，长期演进）以其高速、宽带、低时延等特性，被作为4G时代的移动通信制式。目前LTE下的话音解决方案有多模双待、CSFB（Circuit Switched FallBack，电路域回落）以及VoLTE（Voice over LTE），其中VoLTE是业界公认的LTE网络下的目标话音解决方案。

彩铃业务是一项由被叫用户定制，为主叫用户提供一段悦耳的音乐或一句问候语来替代普通回铃音的业务。其作为传统的电信增值业务，市场渗透率和覆盖率已经非常高，2G、3G技术也相对成熟，彩铃业务一直以来也是运营商增值业务收入的主要来源之一。因此，实现彩铃业务在4G网络下平滑演进是至关重要的。此外，基于VoLTE场景下的多媒体彩铃业务，音质将有很大的提升，甚至可以支持高清音频、视频播放，显著提高了用户体验的满意度。VoLTE的发展，将给彩铃基于“黄金15 s”的富媒体业务带来新的生机。

2 业务背景

VoLTE是基于IMS网络的话音解决方案，其将LTE网络作为话音的接入承载，通过IMS网络为话音呼叫提供信令控制和话务路由。由于彩铃平台位于IMS域，处于较高的业务层面，信令和媒体承载严格分离，当同一无线网络下大量用户同时发起呼叫时，此时会出现无线链路上资源不足问题，进而出现信令平面接通的情况下，媒体平面上连接失败的现象，最终导致主被叫之间无法进行话音交互，这将严重影响用户体验。因此设计出一种具有QoS保障的VoLTE彩铃实现方案是至关重要的。

本文所讨论的是VoLTE场景下具有资源预留机制的彩铃实现方案。建立媒体传输通道的过程叫做资源预留，方案实现的原则是：在被叫摘机之前，通过特殊的资源预留信令结合QoS设置，在空中接口预留住本次通话的媒体资源，从而保证用户的通话质量。

方案将整个会话过程分为播放彩铃和用户通话两个阶段，每个阶段均采用SDP（Session Description Protocol, 会话描述协议）提议/应答（offer/answer）机制，进行主被叫媒体协商，通过媒体协商，主被叫双方就本次通话的媒体类型和编解码方案达成一致。同时，为了实现QoS保证，方案采用资源预留机制，在通话之前，主被叫分别预留出本次通话的空中接口资源，以期保证媒体会话成功建立。

3 技术实现

3.1 VoLTE系统组网

VoLTE为标准LTE话音解决方案，它采用IMS 系统作为业务控制层，采用EPC （Evolved Packet Core）作为承载层。EPC网络不具备话音和多媒体业务的呼叫控制功能，因此VoLTE借助IMS网络，实现呼叫控制和话务路由。

VoLTE网络主要分为以下3个部分：无线接入侧Access，EPC核心网侧以及控制侧Control[1]，系统架构如图1所示。

（1） 无线接入侧主要由eNode B组成，eNode B具有3G网络中Node B功能和大部分RNC（Radio Network Controller）功能。

（2） EPC核心网主要由MME（Mobility Management Entity）、S-GW（Serving Gateway）、P-GW（PDN Gateway）3个实体组成：

MME：移动性管理实体，它是原3G网络中的SGSN网元演进而来的，主要负责EPC核心控制功能。

S-GW：服务网关，它提供用户面功能，负责数据分组路由和转发，并支持终端移动性切换用户数据功能。

P-GW：分组数据网关，它主要负责终端和外部分组数据网络的数据传输。

（3） 控 制 侧 网 络 主 要 由IMS、HSS（Home Subscriber Server） 和PCRF（Policy and Charging Rules Function）组成[2]。

HSS： 负责存储IMS 用户的相关信息及其相关业务信息。

PCRF：主要与IMS系统接入节点P-CSCF互通，负责检查、控制应用侧所需的媒体资源的分配。

IMS：IMS包含多种AS（Application Server)，其中包括VoLTE彩铃AS。

含有VoLTE彩铃平台的拓扑结构如图2所示。

图1 VoLTE系统架构

图2 包含彩铃AS的VoLTE组网架构

3.2 彩铃业务平台设计

VoLTE彩铃平台属于IMS网元中的一个AS，位于IMS业务层之上。其按功能逻辑可分为6大部分，如图3所示，分别为SIP前台，AS，MS，铃音资源服务器，数据库，Portal。在实际组网中，这些逻辑部分可以实现在一个或多个物理实体上，多个SIP前台与多个AS之间以及多个AS与多个MS之间可以交叉相连[3]。各功能实体的描述如下：

（1） SIP前台：负责对外来SIP信令以及外出SIP信令进行控制和管理，负责超时重发SIP消息以及拦截重发消息。

（2） AS：负责呼叫过程中IMS域彩铃业务控制，通过SIP前台与S-CSCF交互。AS与S-CSCF交互以实现对业务的呼叫控制，并执行彩铃的业务逻辑。

（3） MS：MS根据AS的指示与主叫进行媒体协商，并根据媒体协商结果播放被叫定制的铃音。MS与主叫之间直接通过IP网络传送多媒体流，采用的协议为RTP（Real-time Transport Protocol, 实时传输协议）。

（4） 铃音资源服务器：其负责存储媒体文件，并通过NFS/TFTP协议接收MS的请求并将媒体文件传送给MS。

（5） Portal：Portal是VoLTE彩铃的门户网站，VoLTE彩铃用户可以使用WWW浏览器通过Web接口登录门户网站，订制并设置彩铃的播放规则。比如用户可以新建群组，并且给该群组设置指定铃音，针对不同用户以及不同的时间段设置个性化铃音等。

（6） DB（Data Base）：用户信息数据库，负责存储用户业务数据，其余网元通过数据库访问接口可以访问用户信息数据库。

3.3 信令流程

图3 VoLTE彩铃平台系统结构

VoLTE彩铃为被叫侧业务，当主叫IMS域发起的INVITE消息送至被叫IMS域S-CSCF后，被叫S-CSCF通过用户的IFC（Initial Filter Criteria）签约信息，触发到彩铃平台，彩铃平台进行主被叫的资源预留过程，为主叫播放高清彩铃。当被叫接听后，彩铃平台需要作为B2BUA角色通过SIP信令将被叫和主叫的通话媒体做端到端的协商，这里会出现主叫终端在播放彩铃后改变本地媒体端口的情况，本流程考虑此情况，设计出一种能够保证主被叫在通话阶段更新主被叫媒体信息的方案，从而保证主被叫的通话畅通。具体流程如图4所示。

VoLTE彩铃信令流程描述如下：

步骤1～6：主叫发出初始INVITE，被叫IMS域的彩铃AS收到INVITE消息，彩铃AS透传主被叫消息，完成主被叫资源预留；

步骤7～8：被叫返回180，到达被叫归属域彩铃AS；

步骤9!12：彩铃AS向主叫域update彩铃的SDP（其中current status的local为sendrecv，remote为none，携带conf要求），主叫根据自身状态回复200 update（携带SDP，其current status的local为none，remote为sendrecv），后续待主叫资源预留成功后，发送update（携带SDP，其current status的local为sendrecv，remote为sendrecv），彩铃AS回复200 udpate（携带彩铃SDP，其current status的local为sendrecv，remote为sendrecv）；

注：主叫可能根据自身状态，在步骤10的SDP中将local标识为sendrecv，此时后续无步骤11、12；

步骤13：彩铃AS在确认主叫的资源预留完成后，向主叫播放彩铃，并转发180消息；

图4 VoLTE彩铃信令流程图

步骤14～15：被叫UE摘机回复200 OK，经被叫TAS、I/S-CSCF传递到彩铃AS，彩铃AS停止彩铃播放；

步骤16：彩铃AS向主叫UE发送Update，携带步骤6中收到B用户SDP，其中local标识为sendrecv，携带conf要求；

若主叫媒体、端口不变化，则进行以下步骤，

步骤17～19：主叫侧回复200 Update（携带SDP，其中local标识为none。注：若local标识为sendrecv，则无步骤18、19），后续主叫资源预留成功，发起update（携带SDP，其中local标 识 为sendrecv）。彩 铃AS比对步骤5、18（若无18步，则选步骤17）中的SDP的媒体能力、端口无变化。向主叫回复200 Update（携带步骤6中收到B用户SDP，local为sendrecv，remote为sendrecv）；

步骤20～21：彩铃AS向主叫发送初始invite的200 OK，并转发主叫的Ack至被叫，完成主被叫的通话协商。

若主叫媒体、端口发生变化，则进行以下步骤：

步骤17～30：主叫侧回复200 Update（携带SDP，其中local标识为none。注：若local标识为sendrecv，则无步骤18、28），后续主叫资源预留成功，发起Update（携带SDP，其中local标识为sendrecv）。彩铃AS比对步骤5、18（若无18步，则选步骤17）中的SDP的媒体能力、端口有变化。彩铃AS向被叫发送Ack。通过Update机制向被叫更新主叫侧媒体、端口变化，完成被叫侧资源预留。彩铃AS将被叫侧完成资源预留的SDP通过200 Update（若无28步，则通过Update机制向主叫侧同步信息)更新至主叫侧。彩铃AS向主叫侧回复针对初始INVITE的200 OK，主叫回复Ack至彩铃AS。主被叫进行通话。

3.4 资源预留机制

由于VoLTE是基于IMS提供话音业务的，所以主被叫之间的会话建立是通过SIP信令协商的，而 SIP本身不支持媒体协商，因此本方案采用在SIP消息中携带SDP描述来达到媒体协商目的。方案利用媒体协商和资源预留机制，在呼叫建立之前，在主被叫侧分别完成资源预留。

本节将阐述如何实现资源预留（precondition）机制[4]。如图5所示，A表示主叫用户，B表示被叫用户。首先A发起初始INVITE请求，该请求将携带表示主被叫均没有完成资源预留的预置信息。此信息将通知被叫B，告知B：在双方均没有完成资源预留前，B不能振铃。此时B返回183消息表示同意A的请求，此时B开始资源预留。A收到B的回复也开始资源预留。此过程中，如果B先完成资源预留，B仍不能振铃，因为根据之前的协商必须保证双方都已资源预留成功，才能够振铃。当A资源预留成功后，将马上发送UPDATE消息给被叫B，通知B主叫端已经资源预留成功。此时B回复200（OK），表示双方资源预留都已经成功，这时B才可以对初始INVITE请求发出SIP 180（振铃）响应，会话建立完成。

为了实现上述机制，主被叫在SDP offer/answer的协商过程中需要交换预置条件[5]。

如下例所示：

m=audio 20002 RTP/AVP 0

a=curr:qos local sendrecv

a=curr:qos remote none

a=des:qos mandatory local sendrecv

a=des:qos none remote sendrecv

在A发送给B的消息中将携带此信息。其中，倒数第二行：

a=des:qos mandatory local sendrecv

这一行指出了主叫用户端（local）想要的（des）服务质量（QoS）预置条件。主叫用户需要在发送和接收两个方向（sendrecv）预留资源，因为音频流（audio）是双向的。它还声明如果主叫用户不能成功预留资源，会话将不会建立（mandatory）。

最后一行：

a=des:qos none remote sendrecv

指出了被叫用户端（remote）想要的（des）服务质量（QoS）预置条件。由于主叫和被叫用户终端彼此之间没有直接连接，因此主叫终端不知道对方终端以哪种方式附着到网络，如果此时被叫端是通过CS电话网络接入，因而并不需要进行任何资源预留，因此主叫侧只能要求如果对端需要资源预留的话，应该同时在收和发两个方向上进行预留（sendrecv）。但是主叫侧当前并不知道真的需要进行预留才能建立起媒体会话（none）。

a=curr:qos local none

a=curr:qos remote none

这两行表示目前（curr）无论主叫方（local）还是被叫方（remote）都还没有（none）实现任何和服务质量（qos）有关的预置条件。a=des的行能够用于为本地和对方用户设置预置条件，a=curr的行用于指示目前已经实现了的那些预置条件。

4 结束语

传统的2G、3G彩铃已经取得了很大的成功，目前VoLTE建设还处于初期阶段，4G网络下的VoLTE彩铃如果想继续很好地发展和创新，必须解决在VoLTE网络下为用户提供可靠彩铃业务的问题。

本文提出了一种VoLTE场景下彩铃AS实现彩铃业务的资源预留方案，方案可以解决SIP信令和媒体流同步传输问题，为彩铃会话提供服务质量保障，进而能够为用户提供有保障的彩铃服务。本文论述了VoLTE彩铃业务的组网、彩铃平台总体设计和主要信令流程，通过本文希望能够给从事VoLTE业务开发人员一些参考。

[1]Miikka Poikselka, Harri Holma, Jukka Hongisto.VOICE OVER LTE[M].Hoboken:John Wiley&Sons, 2012.

[2]韩健.VoLTE网络架构及关键技术论述[J].科技视界, 2014（9).

[3]黄顺，李炜.基于IMS多媒体彩像业务网关模式的设计与实现[J].电信技术，2010（10).

[4]RFC 3312.Integration of resource management and session initiation protocol （SIP)[S].2002.

[5]波克申科.IMS:IP多媒体概念和服务[M].北京：机械工业出版社，2011.