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CN101057453A - Sip网络和蜂窝通信系统之间的切换 - Google Patents

Sip网络和蜂窝通信系统之间的切换 Download PDF

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CN101057453A
CN101057453A CNA2005800313683A CN200580031368A CN101057453A CN 101057453 A CN101057453 A CN 101057453A CN A2005800313683 A CNA2005800313683 A CN A2005800313683A CN 200580031368 A CN200580031368 A CN 200580031368A CN 101057453 A CN101057453 A CN 101057453A
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CN
China
Prior art keywords
sip
equipment
cdma
wireless terminal
network
Prior art date
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Pending
Application number
CNA2005800313683A
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English (en)
Inventor
萨默尔·兹雷伊克
巴鲁克·埃鲁奇伊莫维奇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qualcomm Inc
Original Assignee
Qualcomm Inc
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Publication date
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Abstract

本发明提供了无线SIP网络和蜂窝通信系统之间的切换。设计了一种系统，以便向支持SIP的设备提供包括语音在内的移动蜂窝服务。

Description

SIP网络和蜂窝通信系统之间的切换
根据35 U.S.C.§119的优先权要求
本专利申请要求2004年7月20日提交的、题目是“AUTHENTICATION OF AN IP-ONLY DEVICE INTO A CDMANETWORK”的临时申请No.60/589,821的优先权，该申请已转让给本申请的受让人，并特此通过引用将其并入此处。
技术领域
本发明总体上涉及无线通信。尤其是，本发明涉及会话发起协议(session initiation protocol，SIP)网络和蜂窝通信系统之间的切换。
背景技术
表1总结了简称和缩写。
                    表1：简称和缩写
AP        接入点
AKEY      认证密钥
BS        基站
CDMA      码分多址
CFSCNM    候选频率搜索控制消息
CFSRSM    候选频率搜索响应消息
CFSRQM    候选频率搜索请求消息
ESN       电子序列号
EVRC      增强型可变速率编解码器
FA        外地代理
FFS       供进一步研究
GPS       全球定位系统
GW     网关
HLR    归属位置寄存器
HW     硬件
IETF   因特网工程任务组
IMSI   国际移动用户识别码
IOS    互操作规范或服务器
IP     因特网协议
LAN    局域网
MAC    媒体接入控制
MAD    移动台寻址消息(mobile addressed message)
MGW    媒体网关
MIB    管理信息库
MIN    移动识别号
MIP    移动因特网协议
MO     移动台发起(mobile originated)
MS     移动台
MSC    移动交换中心
MT     移动台终止(mobile terminated)
NGLAN  下一代LAN
OAM    运行管理维护
OAM&P  运行管理维护和配置
OCS    Obiwan蜂窝服务器
PPP    点对点协议
QOS    服务质量
RFC    请求注解
RLP    无线链路协议
SGW    信令网关
SIP    会话发起协议
SNMP   简单网络管理协议
SS     辅助业务
SS7    7号信令
SW     软件
TCH    业务信道
TCP    传输控制协议
UDP    用户数据报协议
VoIP   IP语音
VOPS   语音最优化节能
WAN    广域网
WSS    无线软交换
纯SIP设备没有蜂窝识别码(cellular identity)，而没有蜂窝识别码就不能被授权蜂窝接入。于是，需要纯SIP设备和蜂窝网络的网际互联。
一种解决方案是，为计划接入蜂窝网络的每个纯SIP设备静态分配一个蜂窝识别码。这是一种非标准的解决方案，其需要改变SIP设备中的标准的SIP协议。
在另一种解决方案中，当SIP设备呼叫蜂窝设备的时候，该呼叫能够经由公共电话网(PSTN)进行路由，并且在PSTN中，该呼叫被路由到蜂窝网络。这种解决方案引入了额外的信令和业务开销，影响了呼叫的语音质量。由于呼叫被经由PSTN进行路由，而PSTN运营商对该呼叫收费，因此这种解决方案还会引入额外的付费。
于是，需要一种解决方案，其不需要改变标准的SIP协议并且不涉及额外的信令和业务开销。
附图说明
图1是根据一个实施例的一般系统体系结构；
图2示出根据一个实施例的切换呼叫流程；
图3示出根据一个实施例的服务移动台和候选基站之间的交互；
图4示出根据一个实施例的移动台发起的呼叫建立；
图5示出根据一个实施例的移动台终止的呼叫建立；
图6示出切换过程的一连串事件；
图7示出根据一个实施例的移动台发起的SMS(没有呼叫)；
图8示出根据一个实施例的移动台终止的SMS(没有呼叫)；
图9示出根据一个实施例的移动台发起的SMS(在呼叫过程中)；
图10示出根据一个实施例的移动台终止的SMS(在呼叫过程中)。
具体实施方式
在一个实施例中，提供了SIP网络和蜂窝通信系统之间的切换。
在一个实施例中，无线单元是会话发起协议(SIP)设备。无线单元也可以被称作用户站、用户单元、移动台、手机、远程站、远程终端、接入终端、用户终端、用户代理或用户设备。无线单元可以是个人数字助理(PDA)、具有无线连接能力的手持设备或者被连接到无线调制解调器上的其它处理设备。
体系结构
根据一个实施例，使用被称作SIP/IOS网关的专用基站(或网关)，IP(SIP)网络被连接到蜂窝(CDMA)网络上。
混合蜂窝移动设备(也支持SIP)能够在IP网络中被授权服务，而SIP/IOS GW在SIP和CDMA协议之间进行转换，并且在两种网络之间传送信息。这样的混合设备拥有使蜂窝网络能够对这些设备进行认证的蜂窝编号(IMSI和ESN)以及安全参数。
在这种解决方案中，纯SIP设备以“真实的”蜂窝设备出现在蜂窝网络。当这样的设备接入蜂窝网络时，SIP/IOS GW和AAA服务器共同为那个设备分配一个蜂窝识别码(IMSI、ESN和安全参数)，并且把该蜂窝识别码传送到蜂窝网络。
图1示出根据一个实施例的一般系统体系结构。图1表示根据一个实施例的IP-BSC交互工作体系结构100的全景。这些启用的功能包括重用CDMA签约(subscription)、系统选择、单一认证机制、呼叫路由和服务接入、以及终端用户计费。
在SIP域106中示出的SIP电话102和混合802.11/CDMA电话104经由SIP 110、112与SIP代理/注册服务器108无线地进行通信。SIP 102还用于通过因特网协议语音(VoIP)与媒体网关120进行通信。下一代LAN(NGLAN)是描述连接到蜂窝运营商上的SIP网络106的另一个名称。
经由SIP 116，SIP代理/注册服务器108与IP/CDMA网关114无线地进行通信。特别地，SIP代理/注册服务器与IP/CDMA网关114的SIP/IOS网关118无线地进行通信。
根据一个实施例，SIP/IOS网关118经由MGCP 112与媒体网关120进行通信。SIP/IOS网关118经由IOS/SIGTRAN 126与信令网关124进行通信。SIP/IOS网关118经由RADIUS 136与归属AAAIMSI/ESN池134进行通信。
根据一个实施例，媒体网关120经由PCM/E1 130与IS-41 MSC128进行通信。信令网关124经由IOS/SS7 132与IS-41 MSC 128进行通信。对本领域的技术人员将显而易见的是，MSC 128可以是另一种CDMA MSC而不限于IS-41 MSC。
当SIP用户使用纯SIP设备102登陆该系统时，AAA 134通过用户名和密码对该用户的帐户进行认证。根据一个实施例，在某些SIP用户(例如VIP用户)登陆/注册时，GW 114和AAA 134可以为其分配静态蜂窝识别码，而当其它SIP用户试图呼叫蜂窝网络时，可以为这些用户动态分配蜂窝识别码。
当为某些用户分配了静态ID时，使用他们的静态蜂窝编号，(来自蜂窝网络的)移动台终止的呼叫可最终到达这些用户。
根据一个实施例，SIP提供商(例如，能够是一家企业)可以从蜂窝运营商这里购买包含有规定数目的蜂窝识别码的“服务包”。蜂窝运营商使用SIP运营商所服务的、并且将被授权接入该蜂窝网络的用户帐户来对AAA 134进行配置。还使用将被(如上所述，动态地或静态地)分配给SIP用户的蜂窝识别码对AAA 134进行配置。AAA服务器134对蜂窝运营商将向SIP运营商提供的SIP帐户的活动进行记录，以便于记账。
切换
在一个实施例中，蜂窝编号在CDMA网络或NGLAN上起作用。核心网络足以灵活到在NGLAN上或在CDMA网络上传送服务。
在一个实施例中，切换发生在空闲模式或活动模式中。在空闲模式中，当移动台在网络之间移动时，核心网络知道怎样联系到该移动台。活动模式支持从NGLAN到CDMA的切换。
在一个实施例中，存在用于两个网络的两个编号。一个编号用于CDMA网络，而一个编号用于NGLAN。能够同时监视NGLAN和CDMA网络。
使用NGLAN传送NGLAN服务。在一个实施例中，外发服务被配置为使用一个优选接入。
在一个实施例中，在CDMA域内为内部(native)IP设备动态分配ID。当每个内部IP设备试图向CDMA设备发起呼叫时，从诸如归属AAA服务器134这样的中央服务器管理的池中为其分配IMSI和ESN。也为SIP呼叫分配ID。来自于同一个发起者的多个呼叫是有效的。用发起者的SIP URL和SIP呼叫ID来标识他们自己。
在一个实施例中，在CDMA域内为内部IP设备静态分配ID。当每个IP域内的设备(或部分设备)在SIP域内注册时，为其分配IMSI和ESN。IP设备用它们的SIP URL标识自己。从SIP设备到CDMA网络的多个呼叫是无效的。
对本领域的技术人员将显而易见的是，可以将SIP和任何其它信令协议互换。
实现SIP到CDMA的切换，并不需要改变802.11 PHY和MAC层。账单记录与蜂窝一致。AKEY、ESN和IMSI用于认证。RADIUS用于数据认证。
保留了SMS集成和辅助服务支持的感观。由于同时监视SIP网络和CDMA网络这两个网络，因此可提供无缝服务。
在一个实施例中，支持切换触发和目标选择。在一个实施例中，切换发生在80秒内，而切换的目标在20毫秒内确定。
在一个实施例中，协调802.11和CDMA之间的休眠模式。
图2示出根据一个实施例的切换呼叫流程。图2示出SIP 252上的一个呼叫和CDMA 1×254上的一个呼叫。仅仅示出了一个移动台(MS)256、一个源基站(BS)258、一个移动交换中心(MSC)260、和一个目标BS 262。
MS 256向源BS 258发送消息201，指示MS 256处于覆盖之外。然后，在MS 256和源BS 258之间发生切换握手201a。
源BS 258向MSC 260发送切换需求消息202。MSC 260向目标BS 262发送切换请求消息203。目标BS 206进行业务信道(TCH)建立204。
从目标BS 262向MS 256发送空前向业务帧205。从目标BS 262向MSC 260发送切换请求确认206。从MSC 260向源BS 258发送切换命令207。从源BS 258向MS 256发送更新的切换指示消息(UHDM)208。从MS 256向源BS 258发送MS确认指令209。从源BS 258向MSC 260发送切换开始消息210。根据一个实施例，MS 256调谐到1×211。从MS 256向目标BS 262发送反向业务帧212。
MS 256向目标BS 262发送切换完成消息(HCM)213。目标BS262向MSC 260发送切换完成214。MSC 260向源BS 258发送清除命令215。源BS向MSC 260发送清除完成216。
图3示出根据一个实施例，在服务MS和候选基站之间的切换握手期间的交互。从BS向MS 222发送搜索参数消息(CFSRQM)201。从MS 222向候选基站220发送接受消息(CFSRSM)202。
CFSRQM是候选频率搜索请求消息，其中基站向MS通知：
●候选频率相邻列表(CFNL)
●候选频率搜索集(CFSS)，CFNL的一个子集
●频带和信道编号
●周期性搜索的搜索周期
●门限(MS Rx功率和总导频Ec/I0等)
●可以指定对AMPS的搜索(可以添加其他格式)
●可选地，能够在MS和BS之间同步时序
CFSRQM也能够开始一个搜索。
CFSRSM是候选频率响应消息，其中MS对CFSRQM作出应答：
●搜索整个CFSS(前向和反向)的空载时间(dead time)
●每次访问候选频率(前向和反向)的空载时间
在一个实施例中，能够以帧来规定空载时间，在另一个实施例中，以1.25ms的时隙来规定空载时间。
不需要从BS向服务MS 222发送搜索指令(CFSCNM)。CFSCNM是用来开始和停止(周期性的或单次)搜索的候选频率搜索控制消息。服务MS 222与候选基站220进行通信。
服务MS 222向候选基站220发送报告(CFSRPM)。CFSRPM是候选频率搜索报告消息，其中MS在服务频率上向BS报告：
●候选频率上的MS Rx功率
●导频增加门限(T_Add)
●只有候选频率搜索集的总Ec/I0是超过门限，才在周期性的搜索中发送
●所有的导频测量必须在报告的0.8秒内完成。
一般切换指示消息(GHDM)被发送到服务MS 222，GHDM包括指定硬切换(HHO)失败时的处理过程的标志。
呼叫建立
图4示出根据一个实施例的移动台发起的呼叫建立。
图5示出根据一个实施例的移动台终止的呼叫建立。
图6示出根据一个实施例的注册过程。
SMS
对于支持的SMS的混合设备，在SIP扩展消息中对SMS消息进行报文封装(tunneling)。对于内部SIP设备，IP/CDMA网关用作SMS代理。IP/CDMA网关处理SMS协议并且以SIP消息发送文本。
图7示出根据一个实施例的移动台发起的SMS(没有呼叫)。
图8示出根据一个实施例的移动台终止的SMS(没有呼叫)。
图9示出根据一个实施例的移动台发起的SMS(在呼叫期间)。
图10示出根据一个实施例的移动台终止的SMS(在呼叫期间)。
在一个实施例中，SIP/IOS网关是特定种类的BSC，例如，其支持标准的互操作规范(IOS)4.2 A1和A2接口。SIP/IOS网关被部署在运营商的网络中，并且向无线单元中的客户机提供支持以提供蜂窝服务。
SIP/IOS网关负责在SIP协议和IOS协议之间转换。对于无线单元，其起到SIP服务器的作用，而对于MSC，其起到CDMA BSC的作用。SIP注册服务器用于对SIP/WLAN域内的用户进行注册。对于SIP/WLAN域中的每个用户，SIP注册服务器维护IMSI/ESN和IP地址之间的转换。
媒体网关(MGW)和信令网关(SGW)受SIP/IOS网关控制，并且被用来对于信令，使用A1/SS7/T1/E1与MSC进行信令通信，而对于语音传送，在A2/T1/E1上与MSC进行通信。信令网关在SIGTRAN(IP)和SS7之间进行转换，而媒体网关包括声码器，并且在EVRC/RTP和PCM/T1/E1之间进行转换。
该网络包括一种MSC(软交换)以便向SIP/WLAN模式下的无线终端提供服务。该MSC支持与MGW的标准IOS A1和A2接口。该MSC还连接到IS-41网络以便切换到CDMA无线网络。
在一个实施例中，SIP/IOS网关118(和SGW)204在SIP/IOS和IOS/SS7协议之间进行转换。
签约管理
首先，蜂窝签约将用来对服务进行管理。这意味着，将使用蜂窝ESN和IMSI以及AKEY。
当在WLAN环境下工作时，支持SIP的终端对于呼叫处理信令将使用SIP。它将使用SIP信令基础结构来对蜂窝签约进行封装。
在一个实施例中，IP/CDMA GW 114将在持久性冗余存储器中存储因特网地址(TCP/IP地址与端口或UDP/IP地址与端口)和蜂窝签约之间的映射。
切换触发
当无线终端和SIP/IOS GW 118之间的链路质量不适合的时候，发生切换。注意，触发不是总是导致切换。切换结果取决于搜索阶段。
搜索：无线终端将搜索新的接入点(AP)，并且将选择信号强度最强的AP。接入点是基站或网关。
如果这个AP优于当前AP多于一个滞后级(这是为了防止乒乓效应)，将开始切换。注意，通过构造候选AP列表(与IP/CDMA GW的数据库协同工作)，可以在切换触发前发生部分搜索阶段。
完成：无线终端和新AP建立连接。这包括802.11认证、802.11关联和上层功能。
像在802.11系统中那样，AP间切换是由移动台控制的(与在蜂窝越区切换中通常使用的移动台辅助切换相反)。
切换中的一个步骤是切换触发的产生，该切换触发实质上表示出当前链路的质量不适合。基于切换触发，执行向CDMA网络或另一个AP的切换。切换执行本身取决于在无线终端上维护的候选AP列表。切换的最后一步是执行切换，其包括建立新的语音路径、以及终止旧的语音路径。
切换执行
通话模式的切换执行：基于每个候选的条目，对候选AP列表进行排序。如果列表顶部的AP的信号强度足够，则尝试切换到列表顶部的该AP。如果切换失败，无线终端试着与候选列表中的下一个AP建立连接，并且继续这个处理过程直到定时器期满，或直到已进行了最大数目的切换尝试。
空闲模式的切换执行
无线终端退出802.11节能模式，并且扫描所有对操作管理域有效的信道以构建候选AP列表，并且按照在中给出的规则对该列表进行排序。如果切换失败，该无线终端试着与该候选列表中的下一个AP建立连接，并且继续这个处理过程直到定时器期满，或直到已进行了最大数目的切换尝试。在完成每个切换后，该无线终端发送一个保持激活消息(keep alive)。这个保持激活消息包括切换完成的时刻，并且其被IP/CDMA GW用来刷新它的数据库。完成切换(与IP/CDMA GW成功互换消息)之后，该无线终端转回802.11节能模式。切换的精确机制取决于在WLAN部署中实现的安全级别。
不安全的切换
首先考虑最简单的情况，其中不使用安全设置或仅使用WEP安全设置。对于这些简单的情况，切换处理过程包括以下步骤
发送认证请求，得到认证响应。这是这样一个阶段，其中如果分配了WEP密匙，则使用该密钥。无线终端从IP/CDMA GW数据库或无线终端的本地数据库得到WEP密匙。
发送关联请求，得到关联响应。
使用AP间协议向旧AP通知从它的列表中删除无线终端。
使用SNAP向AP子网上的交换机通知把无线终端的分组发送到新AP。
安全的切换
使用规定了802网络上EAP(扩展认证协议)的操作的802.1x标准来实现安全性。
语音模式下的802.11到1x的切换
活动状态切换以从802.11工作模式到内部1xRTT模式的切换为特征。
在AP间切换和CDMA切换之间的决定
在当前AP信号强度很低时，我们需要决定是否切换到CDMA网络或WLAN。例如，根据一个实施例，在家庭WLAN(只有一个AP)中，尝试切换到替换的AP将导致附加的时延，而根据一个实施例，一旦WLAN链路降级，就尝试切换到CDMA网络。另一方面，在企业部署中，可能存在许多AP，在尝试切换到CDMA网络之前应该尝试切换到替换的AP。
如果在呼叫期间(或呼叫开始之前)执行的扫描指示没有其它AP可用，则在WLAN和CDMA之间的决策是很清楚的，而且必须切换到CDMA。然而，当有其它AP存在时，我们需要决定是切换到WLAN还是切换到CDMA。这个决策很重要，因为：
●切换到WLAN使空闲频谱利用最大化
●如果需要获得新的IP地址、或者如果WLAN部署导致过量时延，那么切换到WLAN可能引起过量时延。
IP/CDMA GW数据库帮助无线终端决定应该切换到WLAN还是应该切换到CDMA。如果存在对于WLAN到CDMA的切换的触发，或者如果没有信号强度超过门限的、可靠性等级为4的AP，则尝试进行通话模式的WLAN到CDMA的切换。
WLAN到CDMA的切换基础
在切换之前，用户终端在信令平面使用802.11协议栈上的IP上的SIP，而在业务平面使用VoIP栈。完成切换过程之后，用户终端在信令平面使用内部IS-2000 1xRTT信令协议栈，而在业务平面使用内部IS-2000 1xRTT语音处理。
目标CDMA BTS、目标CDMA BSC和目标IS-41 MSC是标准组件。在整个切换过程中，IP/CDMA GW和IS-41 MSC的交互遵守IS-41和IOS规范。仅仅允许和需要在IP/CDMA GW和用户终端进行开发。
在802.11工作模式的语音呼叫过程中，无线终端应该监视两个网络(802.11、CDMA)。如果802.11的接收功率下降到低于某个门限，该无线终端应该向IP/CDMA GW报告这两个网络的接收功率。然后，IP/CDMA GW可以调用到CDMA的系统间切换过程。因此，这个切换过程是移动台辅助的。作为这个过程的一部分，IP/CDMA GW应该把从IS-41 MSC接收到的越区切换命令转发到用户终端。然后，用户终端应该终止它在802.11模式中的操作，调谐到1xRTT模式，将其CDMA协议栈启动入活动模式，并且与目标基站一起执行标准的CDMA切换序列。
在以下的两种情况下，能够发生从WLAN到CDMA的切换：当存在WLAN到CDMA的切换的触发时，或者当AP间切换失败、导致请求切换到CDMA网络时。
满足以下任意一个条件时，生成从WLAN到CDMA的切换的触发。
●在切换超时门限(Handoff_Timeout_Threshold)内，在下行链路上没有接收到分组
●下行数据流中的分组丢失部分超过切换分组丢失门限(Handoff_PacketLoss_Threshold)。
对于每种工作模式(802.11、CDMA)，用户终端将使用独立的RF链和固件。在802.11呼叫期间，用户终端应该使用独立的硬件周期性地监视802.11和CDMA网络。无线终端应该尝试捕获CDMA系统的导频信道。在捕获第一导频信道之后，无线终端还应该捕获相关的同步和寻呼信道，以获得时序信息、SID和NID对、相邻列表消息和CDMA系统的BASE_ID。随后，无线终端应该停留在时隙周期标号为零的CDMA空闲状态，并且当需要时执行到相邻小区的空闲模式切换。无线终端应该维护一个列表，其中包含4个接收到的最强导频信道和它们相关的PN偏移、接收功率和BASE_ID。
IP/CDMA GW可以存在于远程位置而不是存在于用于切换的目标CDMA小区内。结果，不像内部CDMA，仅基于PN偏移，IP/CDMAGW不能确定目标CDMA小区的唯一识别码。因此，无线终端应该捕获目标小区的寻呼信道并且从系统参数消息中获得BASE_ID。为了重用标准的CDMA设计和实现，无线终端应该停留在上述空闲状态。这可能引起对电池消耗的很小浪费，但是显著地简化了实现。

Claims (5)

1、一种用于为会话发起协议(SIP)设备分配蜂窝识别码的方法，包括：
确定设备是否为SIP设备；
对所述SIP设备进行认证；以及
基于所述认证，为所述SIP设备分配蜂窝识别码。
2、一种用于进行从会话发起协议(SIP)设备到CDMA网络的无线通信的方法，包括：
确定设备是否为SIP设备；
对所述SIP设备进行认证；
基于所述认证，为所述纯SIP设备分配蜂窝识别码；以及
在SMS消息内对SIP文本进行报文封装。
3、一种用于将无线终端从会话发起协议(SIP)网络切换到CDMA网络的方法，包括：
确定设备是否为SIP设备；
对所述SIP设备进行认证；以及
基于所述认证，为所述SIP设备分配蜂窝识别码；
确定已部分地基于无线终端链路的质量而触发了切换触发；以及
在SMS消息内对SIP文本进行报文封装。
4、一种无线终端，包括：
用于确定设备是否为SIP设备的模块；
用于对所述SIP设备进行认证的模块；
用于基于所述认证，为所述SIP设备分配蜂窝识别码的模块；
用于确定已部分地基于无线终端链路的质量而触发了切换触发的模块；以及
用于在SMS消息内对SIP文本进行报文封装的模块。
5、包含有指令程序的计算机可读介质，所述指令可由程序执行以实现一种用于将无线终端从会话发起协议(SIP)网络切换到CDMA网络的方法，包括：
确定设备是否为SIP设备；
对所述SIP设备进行认证；
基于所述认证，为所述SIP设备分配蜂窝识别码；
确定已部分地基于无线终端链路的质量而触发了切换触发；以及
在SMS消息内对SIP文本进行报文封装。
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