VoLTE学习笔记0410-0520

一、网络架构VoLTE中，可以理解为IMS相当于核心控制，一个统一的控制平台，其他CS、PS等都相当于接入网，CS和PS的核心网地位下降了。VoLTE以IMS作为核心控制层网，EPC作为接入层。IMS本身有一个特点就是接入无关，适合全业务运营商使用。VoLTE是将手机接入到IMS网络，手机需要移动，就需要EPC来管理用户的移动性。在IMS看来，EPC是一个接入设备；在EPC看来，IMS是一个外部数据网。IMS的接入边界是SBC，EPC的外联边界是PGW，所以VoLTE中EPC的PGW要与PSBC连接，然后接入IMS。VoLTE一个新特点是有QOS的，实现此功能的是PCRF，它也联系着两个网络。1、IMS网络结构IMS网络各网元按照功能分为三类，第一类是负责接入的网元：SBC、P-CSCF、I-CSCF，第二类是负责核心控制的网元：S-CSCF，第三类是数据库类网元：HSS，第四类是负责业务的网元AS，AS专门负责业务，这就体现了控制和业务分离。（1）PSBC：VoLTE的PSBC是一个集SBC、P-CSCF、ATCF、ATGW于一身的合设网元。作为SBC网元时，它连接IMS核心网/软交换网络与外部用户接入区域，完成IMS/软交换用户的业务接入、实现不同网络环境下用户业务的互通、保障IMS/软交换网络安全、支持QoS管理、CAC话务控制、媒体管理、CDR媒体呼叫详单等功能。内置P-CSCF网元时，P-CSCF作为IMS拜访域控制平面统一的入口点，将来自拜访域接入网络的SIP消息，包括注册、会话、Presence等消息，代理转发到其归属域的S-CSCF或I-CSCF。内置ATCF/ATGW网元时，通过设置ATCF/ATGW功能实体于P-CSCF与I-CSCF/S-CSCF之间，对于可能发生eSRVCC切换的呼叫，将媒体流锚定到ATGW。这样后续在发生eSRVCC切换时，只需要更新ATGW上的媒体信息，不需要更新远端（UE）的媒体信息，使整个eSRVCC切换时间更短。（2）I-CSCF：（3）S-CSCF：（4）ASAS为合设网元，兼具MMTELAS和SCCAS的功能。AS通过S-CSCF带上来的ac字段区分AS身份，route字段里，ac=vccas时，实现SCCAS功能，ac=mmtel时实现MMTELAS功能。SCCAS在最靠近用户位置触发。为了避免HLR重复SRI和预选过程，SCCAS支持获取CSRN号码，SCCAS在预选至CS时返回给S-CSCF的消息里带着CSRN。2、EPC网络架构EPC网络的网元分为三类，第一类是负责信令面的MME，第二类是负责承载面的SGW和PGW，第三类是负责策略的PCRF。R7PS增加directtunnel功能，Sv接口用GTP协议。GPRSTunnellingProtocol。跟MME打交道的都是信令面，不会有用户面。跟HSS和PCRF连接的使用的都是Diameter协议为了实现可靠性和实时性，除了GTP外，信令面传输层都SCTP，SCTP是用户进入网络后就先建立连接，有消息就发，没消息就空闲，不像TCP每次发消息都三次握手建立连接，发完释放。GTP消息本身就是一去一回的消息，成对出现，超时未收到重传。所以可以用UDP，传输层无需再进行可靠性实现，因为作为上层，GTP实现了。2）MME纯控制实体，只负责信令。不能再进行计费。PS按照流量计费的，数据包不通过MME。有用户数据库，存放移动性和会话管理，承载的信息存放在MME里。3）S-GWMME和S-GW合在一起相当于SGSN。MME和S-GW没有直接的关系，多对多的关系，需要的时候MME去选择相应的S-GW给用户提供服务（S-GW就近接入），S5/8接口都用公网地址，MME和S-GW间都用私网地址。MME选择S-GW：终端所在TAI信息报告给DNS，DNS根据TAI回送一组S-GW的信息，MME根据情况去选择S-GW。手机附着或位置更新后，位置不变，同一时间就一直附着在同一个S-GW。4）P-GWP-GW相当于GGSN。功能是分配终端的IP，向PCRF去要策略，计费。由MME选择，选择原则也是去DNS上查，P-GW按需接入。首先考虑用户需求，看用户要做什么业务，即APN（accesspointname）。MME拿到一组P-GW后，需要根据运营商的规划（对不同业务使用同一个还是不同，一般是不同P-GW）。手机附着上来后，如果进行多个业务，可能同时用多个P-GW。位置改变，S-GW会变，P-GW不变。S-GW与位置是否变化有关，P-GW与业务变化有关。5）PCRF（负责QoS，policyandchargingrulefunction）PCRF也是根据业务需求选择用还是不用。从P-CSCF获取与业务相关的信息，从HSS获取与策略控制计费相关的用户签约信息，从PGW获取与承载网络相关的信息（如IP-CAN类型和用户的位置信息）。PGW按照PCFR下发的PCC规则中的TFT模板对业务数据流进行过滤。达量限速，PCRF主要是为了给数据业务进行灵活限速用的，只不过VoLTE用它做了建立专载。6）HSSDiameter协议核心还是七号信令，MAP协议，只不过现在VoLTE后带宽够用，加了很多Diameter协议的开销。用户服务P-GW信息管理。这些网元要各司其职，齐心协力才能保证用户的各项业务，他们通信靠SIP协议和Diameter协议、H.248协议（放音MRFP），与CS互通时还涉及BICC协议。3、无线侧1）eNB无线侧物理层：上行使用SC-FDMA，下行采用OFDMA。OFDM解决多径问题，拉长了符号，每个符号前加了保护，不使用均衡器，降低算法复杂度，提高了效率。功耗高，PAPR高（峰均比）。SC-FDMA可以降低峰均比，但是没有OFDMA的其他优点。目前空口可以采用很多种技术提高带宽利用率，CA（carrieraggregation）、MIMO、多点协同（coordinatemultipoint，把相邻扇区的数据解调出来不作为干扰，提高信噪比）、中继（Relay，电磁波传播难点是收发端要对齐，用中继解决）、异构网（Heterogeneousnetworks），应用最广泛的是载波聚合。载波聚合技术使用户可以使用多个20M，手机需要支持。目前基本上是三载波聚合，达到330M但是手机支持的较少，三星支持，小米NOTE支持（高通810后芯片）4G经历了R8-R9-R10，LTE第一个版本R8,2008年；2011年R10完成，引入了载波聚合技术。R10才是真正的4G，空口带宽达到1G以上。R10版本后可达到高速移动100M，低速1G，。目前TD-LTE空口上行最大20Mbps，下行就只有80Mbps，20M带宽的使用配比：使用配置1，即2：S：2，配置2----3：S：1，传输块儿速率，物理层和数据链路层之间，物理层还要加冗余，校验等，速率和这个不一样。LTE-FDD，下行150M，上行50M；TD-LTE，下行110M，上行10M。eNB上4G多了接入层面security。4G后采用的安全的手段：鉴权（2/3/4G）、加密（2/3/4G，针对信令和用户数据都可以，可选）、完整性保护（一致性校验，3/4G中才用，只对信令数据，规范要求必做，但是参数可控是否做）：检查是否被篡改，消息发出去之前先计算出一个校验值，接收方把接收到的做一个同样的运算得出一个值，比较两个值是否一致。2G的加密分别在CS和PS核心网，3G统一到RNC上进行加密，空口不做；4G加强了安全防护，手机和MME间发送的NAS消息要进行加密和完整性保护，手机和eNB之间空口增加了接入层面的security，RRC层可以单独协商加密和完整性保护，NAS消息属于RRC的高层，封装在RRC消息里，手机发往MME的消息协商完加密和完整性保护后，封装在RRC里，如果eNB和手机间也协商要加密和完整性保护，需要再做一遍，共做两次加密。4G加密算法EEAEPSencryptionalgorithmEIA。二、流程典型流程就是注册流程和呼叫流程。注册流程目的是使用户的手机能接入IMS网络，以便后续进行业务。VoLTE提供的是永远在线的服务。这里的永远在线指的是核心网侧，无线空口资源是要按定时器设置在无业务交互时释放的。因为空口资源永远是比较稀缺的，是网络带宽和速率的瓶颈所在。用户注册成功后，过一段时间无线侧定时器超时，eNB发起S1释放，为了节约空口资源。以后用户发起业务时要用业务请求（servicereq）流程将UE和MME的状态从ECM-idle迁移到ECM-CONNECTED状态。ECM空闲态和连接态：空闲态时UE和MME间没有NAS信令连接存在，MME保存UE的TAlist级别位置信息，UE和MME间的上下文不同步；连接态时UE与MME间有信令连接包括RRC连接和S1-MME连接，MME保存小区ID级别的位置信息，UE与MME间的上下文同步。EMM-用户的移动性管理，ECM关注用户和EPC网络的连接。EMM：Attach，TAU，detach；ECM：S1连接释放，业务请求。二者彼此独立。TAU流程不跨SGW，更新的是eNB和S1之间的承载，SGW和PGW间的不变，TAU过程就是将无线侧更改的告诉核心网，所以是modifybearer消息。SGW更改的TAU要重新createsession消息。手机状态：idle，空闲态：eNB上inactivitytimer：发送或者接受一条与手机有关的消息，就计时。Connected，连接态，只要有RRC连接，手机就认为自己是连接态，只要有S1-AP，MME就认为自己是连接态。Paging发生在空闲态，handover发生在连接态，servicereq发生在空闲态，TAU发生在空闲态和连接态都有可能，发生在空闲态至单纯发生TAU过程，发生在连接态在TAU之前一定发生了handover。1、注册流程分为两个阶段：EPC注册和IMS注册。注册的目的是为了把核心网承载建起来，并给用户分配一个IP地址，让用户的号码和IP地址绑定，使用户想用的时候能立即连上网络。（1）EPC侧注册UEeNB新MME旧MMESGWPGWUEeNB新MME1、RRC2、NASattachreq旧MMEHSS/AUCDNSS-GWP-GW3、DNS查询，携带旧GUMMEI4、DNS查询，携带旧MME对应的S10接口地址5、ID请求(携带旧GUTI，TAI，完整的消息2)6、ID请求响应(携带未用完的鉴权数据，当前正在用的鉴权数据)7、ID请求8、ID请求响应9、鉴权数据请求（IMSI）10、鉴权数据请求响应（RAND，XRES，Kasme，AUTH）11、鉴权请求（RAND，AUTH）12、鉴权请求响应（XRES’）13、安全模式命令（加密算法，完整性保护算法，针对NAS）14、安全模完成命令（从这条消息开始就加密了）15、ESM信息请求16、ESM信息回复（APN）17、位置更新请求（带着IMSI，MME信息）18、cancellocation（IMSI，删除类型）19、cancellocationACK20、位置更新请求回复（手机签约EPS数据）2）NASattachreq：1、EMM部分：attach类型：如果是EPSattach（只做4G附着），带着旧GUTI；如果是联合附着（做4G和2/3G附着），带着旧GUTI，TMSI，TAI，手机能力（支持的加密算法等），2、ESM部分：PDN连接请求，携带ESMinformationflag=0/1，如果为0，代表MME可以按照核心网设置建立默认承载，如果为1，代表告诉MME后续消息会发送关于承载的要求。attach消息和TAU消息不加密。5）去要IMSI，其中带了2），涉及完整性保护等6）中带了正在用的鉴权数据后，有的厂家MME就不会再做鉴权了。所以有时候抓的消息里没有鉴权。一般本省DNS不做外省MME与S10的对应地址，制作本省的，或者相邻省交界处的。或者新MME向旧MME要不到IMSI，所以就找不到HSS要数据了。8）