VoLTE技術(shù)方案研究及跟蹤

包瑯允　徐愛華　朱鳳娟

摘 要：為了應(yīng)對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代OTT 業(yè)務(wù)的挑戰(zhàn)，國內(nèi)電信運(yùn)營商已將LTE語音解決方案的商用部署提上日程。文章在對(duì)比分析了三種LTE語音解決方案的基礎(chǔ)上，提出了目標(biāo)方案—VoLTE，并通過VoLTE架構(gòu)的部署分析，提出了IMS、核心網(wǎng)、無線網(wǎng)等相關(guān)的改造需求，期望為運(yùn)營商的VoLTE網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和建設(shè)提供指導(dǎo)意見。

關(guān)鍵詞：VoLTE；IMS；CSFB；SRVCC

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）10-00-03

0 引 言

LTE是由3GPP組織制定的UMTS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長期演進(jìn)，于2004年12月在3GPP多倫多會(huì)議上正式立項(xiàng)并啟動(dòng)。對(duì)應(yīng)FDD-LTE和TD-LTE兩種制式，即頻分雙工LTE系統(tǒng)和時(shí)分雙工LTE系統(tǒng)，TD-LTE是中國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的4G國際標(biāo)準(zhǔn)。

2013年12月4日，工信部向中國移動(dòng)、中國電信和中國聯(lián)通頒發(fā)“LTE/第四代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信業(yè)務(wù)（TD-LTE）”經(jīng)營許可，至此，我國移動(dòng)通信正式進(jìn)入4G時(shí)代。2015年2月27日，工信部向中國電信和中國聯(lián)通頒發(fā)“LTE/第四代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信業(yè)務(wù)（LTE FDD）”經(jīng)營許可，從而使我國移動(dòng)通信全面進(jìn)入4G規(guī)模商用時(shí)代。

LTE采用端到端全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，空中接口只有數(shù)據(jù)通道，沒有語音通道，在向用戶提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的同時(shí)，如何保障語音業(yè)務(wù)的延續(xù)性，是各運(yùn)營商重點(diǎn)考慮的問題之一。

1 LTE語音解決方案簡析

目前，LTE語音解決方案主要有SVLTE（LTE與語音網(wǎng)同步支持，即多模雙待終端方案）、CSFB（電路域回落）和VoLTE（基于LTE的語音呼叫）這三種方案。

SVLTE方案是通過在終端配置兩套獨(dú)立的發(fā)射接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)在LTE網(wǎng)絡(luò)和2G/3G網(wǎng)絡(luò)的并發(fā)工作，由LTE網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，由2G/3G網(wǎng)絡(luò)提供語音業(yè)務(wù)。該方案對(duì)網(wǎng)絡(luò)沒有特殊要求，完全依賴多模雙待終端。

CSFB方案通過在終端配置兩套獨(dú)立的接收機(jī)和一套發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)終端在LTE網(wǎng)絡(luò)和2G/3G網(wǎng)絡(luò)的雙待機(jī)。但某一時(shí)刻終端只能接入LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)或接入2G/3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行語音業(yè)務(wù)，且語音業(yè)務(wù)優(yōu)先。CSFB 方案無需網(wǎng)絡(luò)側(cè)新增網(wǎng)元和接口，對(duì)2G/3G網(wǎng)絡(luò)無改動(dòng)，但LTE核心網(wǎng)網(wǎng)元需支持?jǐn)U展業(yè)務(wù)的請求消息、承載掛起和恢復(fù)消息。

VoLTE方案是由LTE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)接入、由IMS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)控制、由PCC架構(gòu)提供QoS保障的語音解決方案。在LTE無線網(wǎng)絡(luò)未實(shí)現(xiàn)全覆蓋之前，為保證語音業(yè)務(wù)的連續(xù)性，采用SRVCC（單一無線語音呼叫連續(xù)性）技術(shù)實(shí)現(xiàn)語音業(yè)務(wù)在LTE網(wǎng)絡(luò)與2G/3G網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行切換，以保障語音業(yè)務(wù)不中斷。三種LTE語音解決方案比較詳見表1。

中國移動(dòng)TD-LTE牌照獲取已超過一年時(shí)間，LTE網(wǎng)絡(luò)已初具規(guī)模，目前已經(jīng)在杭州、廣州、南京、福州、長沙這五個(gè)城市完成了VoLTE通話技術(shù)的鋪設(shè)，預(yù)計(jì)2015年底之前實(shí)現(xiàn)VoLTE網(wǎng)絡(luò)的正式商用。中國電信和中國聯(lián)通LTE-FDD牌照獲取時(shí)間不久，暫時(shí)以SVLTE和CSFB方案為用戶提供語音業(yè)務(wù)。

2 VoLTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于IMS的VoLTE架構(gòu)涉及LTE網(wǎng)絡(luò)、IMS網(wǎng)絡(luò)及PCC架構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。UE從LTE網(wǎng)絡(luò)接入，由IMS網(wǎng)絡(luò)提供呼叫控制功能，并借助PCC架構(gòu)，為VoLTE提供QoS保障。

圖1 VoLTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.1 IMS網(wǎng)絡(luò)

IMS網(wǎng)絡(luò)是VoLTE業(yè)務(wù)系統(tǒng)的核心控制網(wǎng)絡(luò)，主要包括BAC、P-CSCF和S-CSCF/I-CSCF、HSS、MMTEL AS及ENUM/DNS等網(wǎng)元。

BAC 位于VoLTE電話業(yè)務(wù)系統(tǒng)的邊緣，作為代理網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)隔離公網(wǎng)及公眾用戶與IMS核心網(wǎng)元。P-CSCF是VoLTE的入口節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)SIP信令的代理；S-CSCF/I-CSCF負(fù)責(zé)為VoLTE業(yè)務(wù)提供注冊服務(wù)、會(huì)話控制，并維持會(huì)話狀態(tài)信息。MMTEL AS是SIP應(yīng)用服務(wù)器，提供語音補(bǔ)充業(yè)務(wù)，并負(fù)責(zé)在語音通信的過程中控制媒體資源服務(wù)器進(jìn)行錄音通知的播放等。HSS 負(fù)責(zé)存儲(chǔ)VoLTE電話用戶的相關(guān)用戶信息及其相關(guān)業(yè)務(wù)信息，與S-CSCF配合完成用戶的鑒權(quán)、認(rèn)證。ENUM/DNS 包括ENUM服務(wù)器和DNS服務(wù)器，ENUM服務(wù)器負(fù)責(zé)接收會(huì)話控制服務(wù)器的查詢，將VoLTE呼叫中的Tel URI地址翻譯成可以路由的SIP URI。DNS主要提供VoLTE業(yè)務(wù)系統(tǒng)內(nèi)各網(wǎng)元的域名/地址解析。

2.2 LTE網(wǎng)絡(luò)

LTE網(wǎng)絡(luò)是VoLTE業(yè)務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)，UE通過LTE網(wǎng)絡(luò)接入，并通過P-CSCF發(fā)現(xiàn)機(jī)制接入IMS網(wǎng)絡(luò)。LTE網(wǎng)絡(luò)主要包括eNodeB、MME、SAE-GW及EPC-HSS等網(wǎng)元。

eNodeB是LTE UE設(shè)備無線接入點(diǎn)，MME處理NAS信令及對(duì)VoLTE用戶進(jìn)行接入安全驗(yàn)證、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理及SAE-GW選擇等。SAE-GW兼S-GW及P-GW的功能，協(xié)助完成移動(dòng)性管理、會(huì)話管理及進(jìn)行數(shù)據(jù)路由及轉(zhuǎn)發(fā)；為VoLTE用戶分配IP地址 ；為VoLTE提供P-CSCF入口地址；能支持本地配置的PCC規(guī)則，為VoLTE業(yè)務(wù)提供QoS保障，并完成計(jì)費(fèi)功能。

2.3 PCC架構(gòu)

VoLTE業(yè)務(wù)的QoS保障，依賴于PCC架構(gòu)。P-CSCF在VoLTE業(yè)務(wù)媒體協(xié)商完成后，依據(jù)媒體類型通過Rx接口向PCRF提出承載需求；PCRF通過與SAE-GW間的Gx接口，向SAE-GW下發(fā)VoLTE語音QoS保障策略；SAE-GW將為VoLTE業(yè)務(wù)建立專用的承載，并通知MME在無線側(cè)建立專用承載，完成VoLTE業(yè)務(wù)的QoS保障。

3 VoLTE部署對(duì)核心網(wǎng)絡(luò)的改造需求

通過對(duì)LTE 語音解決方案和網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)的描述可以發(fā)現(xiàn)，VoLTE 的部署涉及到IMS、CS、PCC 等多個(gè)系統(tǒng)，涉及到的網(wǎng)元數(shù)量較多。

3.1 對(duì)IMS網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)平臺(tái)的改造需求

VoLTE的實(shí)際業(yè)務(wù)邏輯位于MMTEl AS中，內(nèi)部處理邏輯跟固網(wǎng)有所不同。在VoLTE業(yè)務(wù)與CS域語音業(yè)務(wù)并存階段，呼入呼出業(yè)務(wù)均涉及到接入域選擇的問題，MMTEL應(yīng)支持VoLTE業(yè)務(wù)接入域選擇。目前固網(wǎng)AS的重用度不高，為了快速部署業(yè)務(wù)及不影響現(xiàn)有IMS用戶業(yè)務(wù)，VoLTE的AS較適合與固網(wǎng)分開，單獨(dú)設(shè)置TAS，用于支持VoLTE 用戶的基本話音、視頻業(yè)務(wù)和補(bǔ)充業(yè)務(wù)。

3.2 對(duì)IMS網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)元的改造需求

VoLTE業(yè)務(wù)對(duì)IMS網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)元CSCF有以下幾個(gè)方面的新增需求：

（1）國際漫游時(shí)，I/S-CSCF應(yīng)具備TRF（轉(zhuǎn)接及漫游）功能，以支持VoLTE用戶漫游時(shí)的Local Breakout（本地路由疏導(dǎo)）漫游方案。

（2）應(yīng)支持VoLTE用戶從USIM卡中的參數(shù)IMSI生成3GPP標(biāo)準(zhǔn)格式的IMPU，用于國際路由。

（3）用于處理緊急呼叫業(yè)務(wù)的E-CSCF，應(yīng)能與LRF（位置獲取功能）建立連接，LRF應(yīng)具備準(zhǔn)確提供UE位置信息，并將該信息準(zhǔn)確路由到緊急呼叫業(yè)務(wù)中的能力。

3.3 對(duì)IMS網(wǎng)絡(luò)接入邊緣網(wǎng)元的改造需求

IMS網(wǎng)絡(luò)邊緣網(wǎng)元包括BAC及P-CSCF。鑒于P-GW一般集中設(shè)置，BAC設(shè)備位于P-GW之后，原則上應(yīng)靠近P-GW?，F(xiàn)網(wǎng)IMS的BAC設(shè)備均下放設(shè)置在地市，如兼做VoLTE業(yè)務(wù)的BAC，則媒體在路由上有迂回。所以，固網(wǎng)IMS BAC不適合兼做VoLTE業(yè)務(wù)的 BAC，可采用獨(dú)立設(shè)置的方式避免現(xiàn)網(wǎng)BAC設(shè)備的升級(jí)及對(duì)現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)的影響。

如P-CSCF與UE直接支持IPSec，BAC適合與P-CSCF合設(shè)以支持IPSec。對(duì)于P-CSCF設(shè)備，提供VoLTE業(yè)務(wù)時(shí)，需支持與PCRF之間的Rx接口，協(xié)商QoS及媒體資源傳送承載需求。

3.4 對(duì)IMS HSS數(shù)據(jù)庫的改造需求

LTE階段，核心網(wǎng)有三個(gè)主要的數(shù)據(jù)庫：C/P網(wǎng)絡(luò)HLR、IMS HSS及EPC-HSS。目前在 2G/3G/LTE 融合組網(wǎng)時(shí)，已經(jīng)完成了EPC HSS/HLR的融合。當(dāng)VoLTE 話音方案部署時(shí)，IMS-HSS用戶數(shù)據(jù)與EPC-HSS和HLR有較大差別，為避免用戶換號(hào)或換卡，需要進(jìn)一步將 HLR/ EPS-HSS/IMS-HSS 三者融合。

根據(jù)業(yè)務(wù)類型，HSS與AS之間應(yīng)具備Sh、Si兩種接口。Sh接口通常用于SIP或OSA-SCS（開放業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)業(yè)務(wù)能力服務(wù)器）的情況，而當(dāng)使用基于CAMEL（移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)邏輯的客戶化應(yīng)用）的服務(wù)器時(shí)，選擇Si接口。當(dāng)存在多個(gè)可使用的HSS時(shí)，需配置數(shù)據(jù)庫SLF（簽約位置功能）用于尋找合適的HSS。

3.5 對(duì)電路域核心網(wǎng)的改造需求

在LTE無線網(wǎng)絡(luò)未實(shí)現(xiàn)全覆蓋之前，為保證語音業(yè)務(wù)的連續(xù)性，需要實(shí)現(xiàn)語音業(yè)務(wù)在LTE網(wǎng)絡(luò)與2G/3G網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行切換，目前主流技術(shù)方案是SRVCC和eSRVCC。

SRVCC是在LTE未實(shí)現(xiàn)全覆蓋的情況下，為VoLTE提供語音連續(xù)性的解決方案，即在LTE覆蓋的范圍部署VoLTE，當(dāng)用戶移動(dòng)至LTE未覆蓋的區(qū)域時(shí)，終端切換至2G/3G網(wǎng)絡(luò)，采用CS域提供語音業(yè)務(wù)，并保障語音業(yè)務(wù)不中斷。

（1）VoLTE呼叫通話——支持SRVCC的VoLTE終端在執(zhí)行（聯(lián)合）網(wǎng)絡(luò)附著、路由區(qū)/位置區(qū)更新等移動(dòng)管理操作時(shí)，向網(wǎng)絡(luò)上報(bào)相關(guān)能力；當(dāng)其作為主叫向另一IMS終端發(fā)起語音呼叫，呼叫成功并建立媒體連接后，雙方進(jìn)行通話。eNodeB要求VoLTE終端上報(bào)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的測量報(bào)告。

（2）發(fā)起SRVCC切換——當(dāng)用戶離開LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)或者用戶所在區(qū)域的LTE信號(hào)很弱時(shí)，eNodeB檢測到終端上報(bào)的信號(hào)強(qiáng)度/質(zhì)量低于預(yù)定門限，則向MME發(fā)起切換請求到2G/3G小區(qū)。

（3）2G/3G網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留——MME根據(jù)eNodeB上報(bào)的切換到目標(biāo)小區(qū)信息和配置的對(duì)應(yīng)eMSC（支持SRVCC的MSC）信息，通過Sv接口通知2G/3G網(wǎng)絡(luò)中的eMSC準(zhǔn)備切換，eMSC指示資源預(yù)留。

（4）終端切換——eMSC向MME返回資源成功預(yù)留信息，eNodeB通知終端切換到2G/3G網(wǎng)絡(luò)。

（5）遠(yuǎn)端媒體更新切換、呼叫接續(xù)——VoLTE終端成功接入eMSC后，eMSC向IMS網(wǎng)絡(luò)發(fā)起媒體更新流程，用于更新之前的媒體（語音）連接，后續(xù)遠(yuǎn)端IMS終端通過eMSC與主叫進(jìn)行語音通信。

從SRVCC終端切換到2G/3G網(wǎng)絡(luò)，eMSC需要通知用戶歸屬地的IMS網(wǎng)絡(luò)更新語音媒體流，所以會(huì)引起較長的切換延遲；在SRVCC基礎(chǔ)上，通過在拜訪地引入ATCF/ATGW設(shè)備作為媒體錨定點(diǎn)，節(jié)省遠(yuǎn)端媒體的更新時(shí)間，可將切換時(shí)延減低至300 ms以內(nèi)，這就是eSRVCC。VoLTE網(wǎng)絡(luò)與2G/3G網(wǎng)絡(luò)的SRVCC和eSRVCC切換協(xié)作分別如圖2和圖3所示。

3.6 對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的改造需求

eNodeB 需要升級(jí)支持話音、視頻業(yè)務(wù)的承載，無線資源調(diào)度和搶占；為提升VoLTE 業(yè)務(wù)質(zhì)量，eNodeB 應(yīng)支持分組頭壓縮RoHC、半持續(xù)調(diào)度SPS、TTI Bundling 等無線增強(qiáng)功能，對(duì)話音和視頻數(shù)據(jù)分組優(yōu)化和增強(qiáng)；eNodeB應(yīng)可正確識(shí)別終端SRVCC能力，并要求對(duì)具備SRVCC能力的終端測量2G/3G蜂窩的信號(hào)電平，并依據(jù)測量報(bào)告觸發(fā)切換，將需求信息傳送給MME，然后通過MME接收切換指令所需的、來自目標(biāo)接入系統(tǒng)的信息，再將切換指令發(fā)送給UE。

圖2 VoLTE網(wǎng)絡(luò)與2G/3G網(wǎng)絡(luò)的SRVCC切換協(xié)作

圖3 VoLTE網(wǎng)絡(luò)與2G/3G網(wǎng)絡(luò)的eSRVCC切換協(xié)作

4 結(jié) 語

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)盛行時(shí)期，VoLTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與應(yīng)用極大地豐富了用戶的溝通與生活，為用戶提供了更多的選擇、更優(yōu)質(zhì)的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。對(duì)電信運(yùn)營商來說，VoLTE網(wǎng)絡(luò)的投資建設(shè)與市場運(yùn)營工作將面臨很多方面的挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)規(guī)劃工作非常重要。SVLTE是純粹基于手機(jī)終端的方案，缺點(diǎn)是手機(jī)成本高、耗電高。根據(jù)終端能力，LTE中的CS語音回落和包含SRVCC功能的LTE 語音解決方案可以分階段部署，也可以同時(shí)部署。此外，還可通過IMS來提供非VoIP業(yè)務(wù)，如視頻共享、在線或即時(shí)消息。這種體系結(jié)構(gòu)能夠?yàn)殡娦胚\(yùn)營商規(guī)劃和部署LTE和IMS解決方案提供最大的靈活性。為了使工期、成本、質(zhì)量三者得到綜合優(yōu)化，前期主要的語音業(yè)務(wù)可以通過使用SVLTE、LTE中的CSFB技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。長遠(yuǎn)的看，為打好品牌、競爭、營銷三張組合牌，VoLTE是電信運(yùn)營商重點(diǎn)考慮的語音解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1] Shyam Chakraborty.基于蜂窩系統(tǒng)的IMS-融合電信領(lǐng)域的VoIP演進(jìn)[M].黃宇紅，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]Harri Holma，Antti Toskala.WCDMA for UMTS ：HSPA Evolution and LTE[M].Hoboken： John Wiley & Sons，2010.

[3]徐愛華，朱鳳娟.VoLTE技術(shù)方案研究及跟蹤[Z].課題研究，2014.

[4]鮑偉華，謝志剛.VoLTE大規(guī)模商用部署策略研究[J].互聯(lián)網(wǎng)天地，2015（2）：40-46.

[5]李寶巖，于富東.VoLTE的部署對(duì)核心網(wǎng)改造需求的研究[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2014（8）：22-26.