一种实现LTE智能车载终端通信业务的整体思路

     作者：郑晓蒙

    基于LTE/Ev-Do混合组网的车载智能终端通信业务的解决方案内容简介。

    1  引言

    10年前，3G的引入促生了大量车载移动应用，尤其在导航领域，但3G带宽还不足以支持诸如视频、游戏等数据密集型应用。LTE数十倍于3G的上行带宽，使得汽车业对这一技术所带来的多种可能性和机遇跃跃欲试，许多著名的汽车企业早已开始部署LTE智能车载终端的研发。业界普遍认为，LTE真正将汽车带入了移动互联网时代，极速的流媒体享受、精准的导航体验、安全的驾驶保障，将成为LTE智能车载终端区别于以往车载终端的显著标志。

    在LTE智能车载终端中，很重要的一项特征就是其通信模块所提供的基于LTE接入的通话功能，不同于现有3G车载通信系统，LTE下的车载终端通信功能将获得大大延伸，比如通话功能将由原来的语音通话延伸为多媒体通话，通话对象也由汽车客服中心延伸为普通公众客户，通话质量也会向高清迈进。可以说，LTE智能车载终端通信业务的高质量要求对运营商提出了很高的要求，包括无线接入网络和核心交换网络．而在LTE部署初期必然会存在LTE覆盖不足的情况，因此将会带来4G和2G/3G之间的切换，在如此复杂的网络环境下，设计完备的网络方案已经成为电信运营商和汽车厂商共同的研发目标。本文以LTE/Ev-Do混合组网环境为例，介绍了一种可行的LTE智能车载终端通信业务解决方案。

    2  LTE车载终端通信业务架构

    LTE车载智能通信系统的普遍业务需求主要包括：基于LTE的数据承载业务及基于运营商网络的语音及视频通信、短信业务，并要求数据及通信业务能够并发，通信、短信业务可与运营商固网用户、手机用户互通。

    基于以上通信业务需求，考虑将车载终端定位于车联网的数据应用，语音和视频通信亦作为数据应用的一部分。语音视频通信方案采用VoLTE，以IMS构建业务控制层进行车载通信系统的通信业务提供。在LTE覆盖不足的偏远区域，应用回退到升级后的Ev-Do网络（即eHPRD网络），在发生切换时语音视频通话也将切换到eHPRD网络承载。

    总体业务架构如图1所示。

    架构关键点说明如下。

    ·车载终端的语音通信终端通过EPC经BAC接人IMS核心网：在LTE覆盖区域，终端由eNode B接入EPC；在LTE覆盖不足区域，终端由HRPD BTS经eHRPD接人EPC。PGW完成SIP会话信令的传递，PCRF完成策略控制信息的传递。

    ·对VoLTE方案．LTE车载终端语音为实质承载在IMS的VoIP，终端经EPC PGW接入IMS BAC，会话控制由CSCF实现，业务信息存储由IMS HSS实现，车载通信系统的终端业务控制由客服中心专有平台实现（不同类型用户的呼叫权限、时长、呼叫及短信不可达终端的情况下转接至客服中心等），与固网用户和手机用户的语音业务互通由MGCF/IM-MGW实现。

    ·对于短信业务，同样基于IMS网络实现，由IMSSMC（短信中心）提供终端收发短信业务，与CDMA网、GSM网的短信互通，则通过IMS SMGW（短信网关）实现。

    ·鉴于车载终端的移动特性，应为其分配移动号码，为便于路由寻址尽量选择独立号段，码号资源不足的情况下，亦可与2G/3G移动网用户混合放号，此时要考虑车载通信系统做被叫时需要将寻呼由2G网络路由到IMS网络进行终端寻址。

    3 LTE车载终端通信业务实现

    3.1 lMS网络发现和注册

    车载终端通信业务解决方案中，关键在于通信业务提供网络-IMS网络的发现和注册，在完成向IMS的注册之后，就可以基于IMS进行通信业务的使用。

IMS网络的发现与注册流程如图2所示。

    主要流程说明如下。

    (1)处于ECM-idle和EMM-deregistered状态的车载终端开机．RRC连接建立，终端向LTE网络发起网络附着请求，其中NAS消息是attach request (IMSI): eNode B向MME发起SIAP ir Iitial LTE消息，携带attach request(1MSI)，Sl连接建立，进入ECM-connected态

    (2)MME收到attach request消息后向HSS发送authentication informatiori request  (IMSI), HSS  响应authentication information answer消息，携带EPC安全向量（RAND、XRES和AUTN、KASME），其中KASME由CK和IK经过运算生成．

    (3)MME发起鉴权流程，向UE发送authenticationrequest消息，携带RAND和AUTN参数，UE回送authentication answer消息，携带RES参数。MME比对鉴权向量组中的XRES参数和UE返回的RES参数，相同则用户合法，鉴权成功。MME向UE发出securit，modecommand．该消息启动安全模式控制流程，并给出E-UTRAN可用的加密（如果有）和完整性保密算法。UE根据UE/UTRAN的能力，从中选择合适的算法：然后向MME回送security mode complete消息，并启动加密设备（如果适用）和完整性保护。

    (4)MME向HSS发送upciate location request消息更新位置信息，HSS响应update location answer，该消息包含了签约数据。

    (5)MME利用DNS功能解析出一张可服务于该UE位置的SGW的地址列表，完成SGW的选择；MME利用HSS提供的用户签约信息和LTE提供的专用于VoLTE承载的IMS APN接入请求，发起PGW选择，并根据DNS解析获得APN对应的PDN GW的IP地址。MME发送create session request消息给SGW，请求建立该APN的默认承载，SGW将此消息转发至对应PCW。

    (6)PGW发起IP CAN会话建立流程，要求进行PCC认证，请求认证允许的业务和PCC规则信息。PCRF将决定（包括选择的IP-CAN承载建立模式）发送给PGW，PGW执行这些决定。PCRF可以提供默认的计费方式以及如下信息：用于激活的PCC规则和需要上报的事件触发器。PCC规则允许执行和IP-CAN会话相关的策略，包括：每个数据业务流SDF的QCI、ARP、CBR、MBR及TFT；事件触发器用于指示PGW哪些事件需要上报给PCRF。

    (7)PGW发送create session response消息响应SGW送来的会话建立请求，并发送给MME。MME发送initial context setup request消息给eNode B，里面携带attach accept消息，该消息中包含了activate default EPS bearer context request消息，要求建立默认承载。eNode B返回initial context setup response消息，默认承载建立。UE返回attach complete消息给MME。MME向SGW发送modify bearer request消息更新eNode B地址和TEID，SGW响应，回送成功消息。IMS APN默认承载建立，附着成功，终端处于EMM-registered和ECM-connected态。

    (8)PGW根据其路由数据配置，将车载终端的IMS注册请求register消息发送到BAC，完成在IMS中的注册。

    3.2 lMS网络呼叫处理流程

    LTE智能车载终端完成了IMS网络的注册之后，即可以使用基于IMS的通信业务功能，如发起会话或接收会话，此时需要建立用于媒体数据流的专有承载。以车载终端之间的呼叫为例，呼叫处理流程如图3所示，

    具体介绍如下。

    (1)主叫车载终端发起语音呼叫请求．SIP invite消息经过BAC、P-CSCF、S-CSCF，并触发到客服中心平台，然后寻址到被叫车载终端。

    (2)被叫振铃，返回180 ringing响应。

    (3)被叫接听，返回200 0K响应。

    (4)主叫P-CSCF向主叫EPC网络请求建立传递主叫侧语音流的专用承载。

    (5)被叫 P-CSCF向被叫EPC网络请求建立传递被叫侧语音流的专用承载。

    (6)VoLTE呼叫建立，用户在有QoS保障的专用承载上进行语音通话。

    (7)用户挂机，发送SIP bye消息。

    (8)P-CSCF向PCRF发送Diameter STR消息，包含“Flow Status=Removed”参数，表示语音流终止。PCRF向PGW发送Diameter RAR消息，请求拆除主叫侧和被叫侧的专用承载。专用承载拆除后，PGW向PCRF返回Diameter RAA消息，PCRF向P-CSCF返回Diameter STA消息。

    (9)车载终端之间的呼叫结束。

    3.3混合放号时的被叫处理流程

    车载终端作为主叫时，其呼叫处理流程与普通IMS用户一致，但车载终端与2G/3G普通手机用户混合放号时，在车载终端做被叫时就需要一些特殊的路由处理。例如固网、CDMA网或GSM网用户呼叫车载终端，会出现呼叫首先到达2G/3G网络，然后再由2G网络路由到IMS网络的情况。具体呼叫流程如图4所示，

    具体介绍如下。

    (1)假设主叫为CDMA网cdma2000 lx语音用户，发起向车载终端的呼叫，呼叫到达MSC。

    (2)~(3)MSC查询HLR，HLR返回被叫号码过网路由签约信息。

    (4)~(5)MSC触发至过网路由SCP，SCP返回被叫号码前加插了过网号的呼叫。

    (6)MSC根据过网号将呼叫路由到MGCF。

    (7)MGCF删除过网号并将呼叫到IMS网内。

    (8)~(9)到客服中心平台完成被叫业务。

    (10)呼叫路由至车载终端。

    3.4无线承载切换方案

    采用VoLTE方式在PS域承载语音，在LTE覆盖不足的区域将会发生从LTE网络向Ev-Do网络的回退。目前，LTE向Ev-Do的切换方案有两种：非优化切换和优化切换。

    非优化切换方案中，终端检测到LTE信号弱而eHRPD信号良好，将中断LTE连接，并接入eHRPD继续数据业务。该方案的优点是无需升级现网设备，缺点是非无缝切换，会导致2～8 s的数据丢失。

    优化切换方案中，终端在LTE网络附着后会立刻通过Sl01接口向eHPRD进行预注册，在终端检测到LTE信号弱而eHRPD信号良好后，会马上通过Sl01接口发起切换流程，同时在S103接口中传输下行数据。待切换完成后，再释放LTE侧资源。该方案利用了与现网间的新增接口，可提供无损数据业务切换，并把切换时延减少到1 s以内。该方案对网络改造较大，会带来时间和成本上的增加。

    4  LTE车载终端通信业务QoS方案

    LTE EPS(EPC+eNode B+UE)系统定义了承载级、APN级、UE级3个粒度的QoS参数，并依据各自特性定义相关QoS参数，规定了各参数的网络设备执行点。HSS仅签约与默认承载相关的QoS参数，专有承载QoS参数由PGW及PCRF动态决策生成。其中最关键的参数QCI具体描述了不同业务的QoS要求，见表1。

    针对车载终端的通信业务，为IMS注册、呼叫建立等信令配置的QoS等级为QCI5，可建立默认承载或专用承载；为语音流配置的QoS等级为QCI1，需建立专用承载。车载终端的QoS控制流程包括默认承载QoS控制和专用承载的QoS控制。

    默认承载QoS控制中，用户网络附着即建立默认承载，QoS参数由HSS签约提供，PCRF可以对其进行修改。车载终端通信业务默认承载QoS控制流程如下。

    (1)车载终端发起LTE网络附着。

    (2)MME向HSS获取车载终端的签约QoS参数，包括默认承载QCI、ARP、UE-AMBR、APN-AMBR。

    (3)MME请求SGW建立默认承载，并携带签约QCI、ARP．APN-AMBR。

    (4)SGW与PCRF交互，并携带获取的QoS参数，PCRF可根据策略修改该参数。

    (5)SGW回复建立承载请求，并将PCRF下发的QoS参数返回给MME。

    (6) MME根据从SGW处获取的APN-AMBR和签约UE-AMBR，计算用户的UE-AMBR，将LTE-AMBR、QCI、ARP、TFT等发给eNode B建立无线承载，将APN-AMBR.QCI、TFT等发给车载终端。此时，默认承载建立，车载终端基于此默认承载向IMS网络发送信令消息，完成注册。

    车载终端通信业务专有承载QoS控制流程与默认承载QoS控制类似，与默认承载不同的是：专用承载的QoS参数由PGW或PCRF决定；专用承载的QoS参数传递发生在专用承载建立的过程中。专用承载QoS控制流程如下。

    (1)车载终端发起或接收呼叫时，其所在P-CSCF向PCRF发送Diameter AAR消息，包含主叫侧语音媒体信息。PCRF向PGW发送Diameter RAR消息，请求建立传递主叫侧语音流的专用承载．

    (2)PGW发起专用承载建立，向SGW发送create session request消息，该消息包含了IMSI、QoS和LBI参数。SGW将create session request消息转发给MME。MME再通过eNode B将专用承载建立的请求转发给UE．包含了activate dedicated EPS bearer context request消息。UE发送direct transfer消息给eNode B，eNode B发送uplink NAS transport消息给MME，包含了activate dedicated EPS bearer context accep消息。MME收到eNode B和UE的成功响应后，向SGW发送成功的create session response消息，scw将create session response消息转发给PGW，建立专用承载成功：

    (3)专用承载建立成功后，PGW向PCRF返回Diameter RAA消息，PCRF向P-CSCF返回Diameter AAA消息，通知IMS网络无线资源预留成功，从而使用户在有QoS保障的专用承载上进行语音通话。

    在发生LTE向eHPRD的切换时，由HSGW与PCRF交互，进行PCC认证及PCC规则的传递，此时HSGW相当于上述默认承载QoS控制的SAE GW，其控制流程一致。

    5结束语

    移动车联网已被看作4G发展的重要方向和典型应用。作为车载终端基础功能的通信业务，在LTE时代也提出了质量更高、媒体更丰富的多种要求，因此设计完备的通信业务解决方案已经成为LTE车载智能系统领域迫切需要开展的一项重要工作，对车联网中车载终端的通信功能实现方案进行了详细阐述，为运营商和车载终端厂商提供了建设性的技术建议，具有很强的现实意义和驱动力。

    6评述：

    探讨了LTE智能车载终端通信业务的实现，对智能车载终端通信业务实现的网络架构、业务流程、网络切换及QoS保证等关键问题进行了分析，并提出了具体的技术实现方案。该方案为运营商和车载终端厂商提供了建设性的技术建议，具有很强的现实意义和驱动力。