移动通信中的IP实现技术

王东辉

解放军信息工程大学 郑州450002

　　摘 要 随着各种VoIP技术的出现，电信业的业务已不仅仅局限于传统电话和移动电话，二者与Internet的融合已经逐渐开始。另外，由于便携式终端的不断发展，在IP网络中实现对移动性的支持变得越来越重要。在移动通信的IP研究领域，IETF和ITU都在提出相应的解决方法，并取得很多成果。本文讨论了ITU提出的H.323实现方式和IETF提出的SIP实现方式。

　　关键词 H.323 SIP 3GPP 移动通信

　　1 H.323用户和业务移动性建议

　　ITU起初制定H.323协议，主要考虑固定网中的用户和业务，随着移动网对IP技术的需求，要求支持固定网和移动网的综合以及公众网和专网的综合。基于这样的考虑，ITU-T SG16在研究移动性技术的基础上，制定了H.323附件H:H.323的用户和业务移动性建议。

　　H.323移动性建议主要考虑的是网络技术，其核心问题是解决移动终端的地址解析。该建议的目标是：

　　a. 定义H.323移动性的功能要求；

　　b. 确定支持移动性是否需要定义新的H.323消息或信息单元；

　　c. 研究H.323移动网络和非H.323网络的互通。

　　为了达到此目标，需要解决以下问题：

　　a. 移动性管理，解决登记、呼叫建立、漫游和切换操作；

　　b. 解决移动业务中的认证和安全性问题。

　　（1）网络结构

　　H.323移动IP网络主要由四大部分组成：H.323移动终端、H.323无线接入单元、网闸和网关。

　　H.323移动终端在物理层支持第三代移动通信系统使用的无线技术，在原先一般移动终端的基础上加载H.323协议，并根据SIM卡进行识别。H.323移动终端应支持常用的语音和视频压缩编码，支持多种数据应用协议。

　　无线接入单元由无线收发信机和基站控制器组成。无线收发信机提供稳定可靠的无线链路，负责信号的收发；基站控制器处理无线信道的管理（建立、跳频和切换）。

　　由于涉及IP在移动业务和固定业务中的使用，需要提供网闸系统。根据网闸功能的不同，可以分为移动服务网闸和访问网闸。移动服务网闸存储其管辖范围内登记的所有用户的信息和当前位置。移动H.323系统通过其提供的信令地址进行选路操作。访问网闸存储当前其正在控制的范围内的所有用户的部分信息（从移动服务网闸获取），支持呼叫控制和终端登记业务。

　　由于通过IP提供多媒体业务，移动网络中还应提供媒体网关和媒体网关控制器，用于和固定网的互通。移动H.323网络除提供与固定H.323网络相同的结构外，加装无线媒体网关，支持普通的GSM、CDMA手机。

　　目前使用的GSM和CDMA手机可以采用两种方式与移动H.323网络连接：一是通过无线媒体网关直接接入；二是走原移动网络，经无线基站控制站和媒体网关适配后接入。为了支持两种接入，可以将媒体网关和无线媒体网关集成在一个设备中，由媒体网关控制器统一管理。

　　移动IP网络中的各个设备通过IP协议进行通信。

　　（2）功能描述

　　H.323移动网络应支持目前H.323协议提供的服务：语音业务、视频业务、数据业务、话带数据业务、三类传真业务、移动特定业务和H.450补充业务。为了在全网范围提供以上业务，移动网必须具备无线资源管理、移动性管理和连接管理等三大功能。

　　与H.323移动性相关的网络功能包括：无线资源层切换和位置更新。

　　无线资源层切换

　　无线资源层针对移动IP的要求，必须在呼叫通话过程中提供动态分配无线链路的功能，保证移动用户在不同小区和信道间进行切换。切换包括内部切换和外部切换。内部切换在同一个无线接入单元（WAU）中进行，在切换中由WAU管理，完成后报告给网闸；外部切换涉及不同WAU或网闸，故由网闸进行控制，如果在不同网闸间的小区进行，原网闸称为主持网闸，新网闸称为中继网闸，控制由主持网闸负责。

　　切换时机算法有两种。一种为“按功率预算”算法：它直接考虑切换，当信号降低到一定程度后，直接启动切换过程，这样可以减少同频干扰，避免小区越界，缺点是算法比较复杂；另一种为“按最低性能”算法：它首先考虑功率控制，一旦信号降低到一定程度，直接增加移动终端的功率，如果效果不行，才启动切换过程。该算法简单，使用广泛，缺点是由于采用分步处理，常常使得终端在进入另一小区很长距离才进行切换。

　　在H.323协议支持的多种媒体下，如果保证都能获得移动网络的支持，切换会更加频繁和复杂，多个信道切换会涉及质量估测、QoS控制、资源利用、切换流程控制等多项功能，如何根据业务需要，最大程度提供最佳服务，在实际的切换中应给予考虑。

　　位置更新

　　移动系统必须及时获取开机移动终端的位置信息，以保证呼叫和接听的完成。在H.323移动系统中，为执行位置更新和呼叫选路需要网闸和HZR、VZR两个位置登记寄存器。

　　当移动终端开机后，就向网络登记，确定位置。通常情况下，用户向新的访问网闸和VZR发送位置更新信息，由VZR记录位置信息，然后向用户所属的移动服务网闸和HZR发送定位信息，即新的VZR的IP地址。HZK根据用户权限确定提供服务或拒绝。如果允许，就向新的访问网闸和VZR发送用户信息，并向原访问网闸和VZR发删除老的登记信息的命令。为了提高位置信息的可靠性，系统允许启动定时更新位置信息的过程，及时更新数据。这在系统故障恢复时很重要。

　　认证和安全功能

　　为了保证IP移动系统的安全，网络必须提供认证和安全功能。

　　由于IP网络的开发性，导致其易受攻击，隐私性易受破坏，为此，ITU专门制定了关于H.323系统的安全保护协议——H.235协议。

　　H.235协议定义了相应标准方法，用于保护H.323数据流和协议流，包括终端身份认证、媒体数据流完整性保护、数据加密和信令加密。在IP移动系统的网闸和网关中都可以建立相应的安全机制，保护系统免遭侵害。

　　（3）H.323信令处理过程

　　针对用户的移动属性，对于H.323移动系统，必须提供H.323自动漫游信令和切换信令的处理能力。

　　H.323自动漫游信令

　　对于移动的有线或无线终端，在进入异地时都会涉及新用户登记、数据下载、入呼叫选路等过程。

　　用户登记包括9种情况：

　　·终端开机：开机后自动登记；

　　·终端关机：关机后自动去除登记；

　　·定时登记：定时到后自动登记；

　　·基于距离登记：当前基站和上次登记的基站间的距离超过阀值时自动登记；

　　·基于管理区登记：进入新的管理区后自动登记；

　　·参数改变：当某些存储参数发生改变时，终端自动登记；

　　·强迫登记：基站强迫终端登记；

　　·信道登记：WAU查询已分配信道的终端，自动完成登记；

　　·隐含登记：移动终端主动或被动进行呼叫处理时进行登记。

　　H.323移动终端的自动漫游信令处理主要包括四部分：

　　a. H.323移动终端在新的访问管理区登记时的信令处理；

　　b. H.323移动终端在访问子网登记时的信令处理；

　　c. H.323移动终端的入呼叫信令处理；

　　d. H.323固定终端在访问IP移动网时登记的信令处理。

　　H.323切换信令

　　H.323切换信令过程主要包括两种形式：H.323管理区内切换信令过程和H.323管理区间切换过程。

　　H.323移动性管理和切换过程主要利用RAS协议实现。RAS信令过程保持不变，但需要相关消息增加一些新的参数，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，切换中使用的快速启动H.225.0消息SETUP和CONNET也需要增加新的信息单元。

　　2 SIP用户和业务移动性建议

　　SIP协议是由IETF提出的一套基于TCP或者UDP的应用层控制协议，用来建立、修改或终止多媒体会话。这种多媒体会话可以包含音频数据流（如IP电话），也可以包含视频数据流（如网络会议）。SIP既支持单播，也支持组播。由于网络环境以及相关多媒体技术的不足，SIP协议首次提出时仅仅针对各种文本应用。随着Internet的飞速发展及多媒体技术的成熟，SIP协议也不断发展，很好地解决了移动终端由于移动性而带来的技术问题：登记与定位、三角路由、安全性等问题。第三代移动通信伙伴项目（3GPP，ThirdGeneration Partnership Project）己确定将SIP作为第三代移动通信全IP网络的核心协议，制定了基于SIP的IP多媒体子系统(IMS)体系标准。

　　（1）系统结构

　　SIP系统采用客户机/服务器工作方式。SIP网络系统包含两类组件:用户代理（UA，User Agent）和网络服务器（Network Server）。

　　用户代理（UA）是一个用于和用户交互的SIP实体，又称为SIP终端。根据它们在会话中扮演角色的不同又可分为用户代理客户机（UAC，User Agent Client）和用户代理服务器（UAS，User Agent Server）两种。其中前者用于发送呼叫请求，后者用于响应呼叫请求。SIP终端通常需要包括UAC和UAS。

　　网络服务器的主要功能为地址解析和用户定位，分为代理服务器（Proxy Server）、重定向服务器（Redirect Server）和注册服务器（RegisterServer）三种。

　　SIP代理服务器

　　SIP代理服务器既是客户机又是服务器，主要用于路由选择。负责将SIP用户请求和响应转发到相应的下一跳。SIP代理服务器又分为有状态的( Stateful)和无状态的(Stateless)两类，有状态的Proxy会记录经其转发的呼叫的状态信息，而无状态的Proxy一旦将消息转发后就丢弃其状态信息。因为通常核心Proxy需要处理大量的呼叫，不保留呼叫状态可大大提高系统的处理能力。

　　SIP重定向服务器

　　SIP重定向服务器主要用于地址解析。其功能是通过响应告诉客户下一跳服务器的地址，然后由客户根据此地址向下一跳服务器重新发送请求。与代理服务器不同，重定向服务器并不产生自己的请求。

　　SIP注册服务器

　　SIP注册服务器接收终端的注册请求，记录终端的SIP URI和IP地址。注册服务器通常与代理服务器或重定向服务器位于同一物理实体中。用户终端在启动后向SIP注册服务器注册，用于记录其当前位置信息，这种基于注册服务器的转发特性是实现用户移动性的基础。

　　在C/S网络结构中，代理服务器和重定向服务器在确定下一跳时都会使用一种服务器——定位服务器（Location Server）。定位服务器用于提供定位服务，帮助SIP重定向和代理服务器获得被叫方可能的位置信息，但是定位服务器并不属于SIP服务器范畴，在定位服务器和SIP网络服务器之间并不使用SIP协议。

　　（2）功能描述

　　SIP作为移动多媒体通信和控制协议体系中的信令协议，支持多媒体通信的五种信令功能:

　　用户定位：确定参与通信的终端用户

　　用户通信能力的协商：确定通信的媒体类型和参数

　　用户意愿的交互：确定被叫是否愿意参与通信

　　会话建立：在主叫方和被叫方中建立会话参数

　　会话管理：包括呼叫转移和终止、修改会话参数和调用服务等

　　RFC 3261描述了SIP协议的核心，也就是协议的基本操作。一些SIP的扩展功能在其它的RFC和Internet草案中已作了定义。

　　（3）移动技术

　　基于SIP的移动通信主要指解决终端的移动问题。不论终端设备移动到那个子网中，SIP应确保其始终能够被找到，并且保持子网切换时会话的连续性。终端移动分为会话前和会话中两种情况，下面分别予以说明。

　　会话前的终端移动

　　理想的移动通信对用户是透明的。主叫用户只需输入被叫用户的号码（可以是普通电话号码，也可以是SIP地址），不需要知道被叫在哪里，也不需要知道通过那条线路可以找到被叫，更不需要知道用什么方式与其通信。这就称之为号码移动。为了实现号码移动，服务器需要在会话建立之前知道终端移动的位置。通过SIP的REGISTER请求消息，很容易实现会话建立前的终端移动。终端每次移动之后，将会获得一个新IP地址，它只需向重定向服务器发送一个REGISTER请求消息即可完成号码的移动。

　　会话中的终端移动

　　随着无线设备的发展，会话中的终端移动逐渐成为一个重要问题。解决这个问题的办法有两个。

　　第一种办法是移动的一方不经过代理服务器，直接向对方发送一个新的INVITE请求消息，告知对方自己的新地址，即可保持会话的连续性。这里所说的连续性是相对的，对于宽带用户来说，地址切换引起的会话中断可能只有几毫秒，不会对用户产生影响，但对于窄带用户来说，影响将非常大。

　　第二种办法是使用代理服务器和RTP转发器。代理服务器可以将信令消息转发给被叫，而RTP服务器则负责转发数据流。并且，RTP转发器可以用缓冲区对接收到的数据流进行整理，丢弃重复的数据包。

　　分层注册

　　如果终端的移动过于频繁，或者网络中同时有很多终端在移动，就会产生类似于路由表爆炸的问题，服务器的负担将会非常重，甚至崩溃。为了避免这种情况发生，SIP采取分层注册的方式。

　　分层注册机制可以有效地减少注册消息的数量，从而大大减轻服务器的负荷，也减小了网络故障的概率，使网络更加稳定、安全。

　　3 小结与展望

　　目前，移动通信正处于日新月异的时代。为了满足日益激增的对移动通信非话业务的需求，电信设备供应商和运营商正在对现有的第二代移动通信网络进行技术上的革新和改造。另一方面，以ITU，IETF，3GPP,3GPP2和CWTS为代表的众多国际组织和机构，正继续致力于第三代移动通信系统的标准制定和研究开发。事实上，也只有采用革命性的第三代移动通信系统，才能真正解决在移动通信中同时对话音、数据、图像等多种业务的支持，满足人们日益增长的对无线多媒体数据通信的需要。

----《中国数据通信》