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[VoLTE] LTE语音解决方案比较及分析 [复制链接]

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发表于 2015-5-3 17:09:09 |显示全部楼层
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买望工业和信息化部电信研究院工程师
董原工业和信息化部电信研究院工程师
孙向前工业和信息化部电信研究院高级工程师
摘要:文章对LTE 网络下的几种语音解决方案从
应用场景、网络影响、终端设备要求等方面进行了
细致深入的比较,并对关键技术的实现进行了分
析,最后对基于IMS 的LTE 网络进行了总结和展
望。
关键词:LTE,CSFB,SVLTE,SRVCC,IMS,VoLTE
1 引言
基于LTE 标准演进及产业发展状况,LTE 对语音业
务的支持,目前存在多种技术解决方案,如CSFB(Circuit
Switched Fallback)、SVLTE(Simultaneous Voice and LTE)
以及VoLTE(Voice over LTE)等,这些不同的方案对于
LTE 网络的升级改造及终端实现均有不同程度的影响
和依赖。因此,本文会先就LTE 的这些不同语音解决方
案做一些基本的介绍,然后分别给出基于这些语音解决
方案的手机终端的实现架构,最后对这些方案的优缺点
给出分析。
2 各种语音方案介绍与分析
由于LTE 的主要设计目标是提供宽带高速业务,只
定义了PS(分组)域,并没有像2G 或者3G 制式那样为
时延敏感和带宽要求较低的语音业务定义一个专用的
基于CS(电路)域的承载。因此针对LTE 网络的各种语
音解决方案,从技术演进的角度分类,可以分为过渡阶
段语音解决方案和终极语音解决方案:CSFB 和SVLTE
属于过渡语音解决方案,VoLTE 则属于终极语音解决方
案。
2.1 CSFB 语音方案
CSFB 是CS FallBack 的简称,其基本原理是:终
端驻留在LTE 网络时,其发起或接收语音呼叫时,
需要先从LTE 回落到2G/3G 网络,由2G 或者3G
的电路域来提供语音业务服务。作为LTE 的过渡语
音解决方案,在国际上已经被一些运营商商用部署,
比如美国的AT&T、日本DoCoMo等。虽然从技术上
可以把语音业务回退到2G 或者3G的网络承载,但
是多数运营商都选择了回退到3G 的WCDMA 上,
比如DoCoMo、AT&T 等运营商都选择了回退到
WCDMA 上进行语音业务的承载。
图1 是3GPP 的相关标准中给出的关于CSFB
的网络架构,从图中直接可以看出,为了支持CSFB,
需要LTE 网络中的核心网网元设备MME 与传
统2G/3G 核心网的网元设备SGSN 和MSC 之间分
别透过S3 和SCs 接口连接起来,这就需要对2G/3G
的核心网设备进行升级。除此之外,从接入网的角度
看,也需要对LTE 小区与传统2G/3G 小区的覆盖及
邻小区配置进行优化。
对应于CFSB 语音方案,3GPP 定义的CSFB 标
准考虑了各种不同场景下的CSFB 信令流程,比如
终端在PS 空闲状态下的主叫及被叫、终端在PS 激
活状态下的主叫及被叫等。
图2 是3GPP 的标准中,针对终端在LTE 侧PS
业务进行期间收到一个CS 的被叫语音呼叫时而定
义的CSFB 的信令流程。
从上述信令流程可以看出,在软件方面,终端需
要支持CSFB 对应的协议栈软件方可与网络配合支
持CSFB 语音方案的信令流程。
图3 是CSFB 终端的射频部分硬件架构参考
图。
2.2 SVLTE 语音方案
SVLTE 又称为双待方式,该解决方案是通过终
端同时工作在LTE 和CS(2 2G/3G),前者提供数据业
务,后者提供语音业务来实现的,由于终端的CS 域
和PS 域是在两个网络上独立进
行注册,互不影响,无需网络升级
和改造,因此这是纯粹基于终端
的解决方案。3GPP标准中并未定
义此方案,也是因为此方案是一
个完全终端自主实现的方案,并
不需要网络设备的配合和改造。
2011 年,北美运营商Verzion
商用了此方案,其需求是CDMA+
LTE 的双待,语音业务基于
其CDMA 网络承载,数据业务则
基于LTE 网络承载。近期,国内
的运营商中国移动也宣布选择双
待方案作为LTE 的语音过渡阶
段方案,其需求是语音通过2G 或
者3G 承载,数据通过LTE 承载,
因此会有两种终端的实现:GSM/TD-SCDMA+
TD-LTE 或者GSM+TD-SCDMA/TD-LTE。
图4 是GSM+TD-SCDMA/TD-LTE 终端的射频
部分硬件实现架构参考图。
双待方案的优点是可以支持语音业务和数据业
务的并发,即通过传统的2G/3G 网络的CS 域支持
语音业务,PS 业务在LTE 网络上可以获得很好的高
速数据业务体验。其缺点是,由于需要同时在两个网
络上驻留,终端的待机功耗会比较高。另外,终端需
同时支持2 套Radio,也会增加终端实现的成本及复
杂度。
在LTE 网络部署的中早期,LTE
网络覆盖还不太完善、VoLTE 技术和
产品不够成熟之前,CSFB 和SVLTE
这两种方案是主要的语音解决方案。
这两种方案本质上都是依赖传统
的2G 或者3G 网络的CS 域来承载语
音业务,而LTE 只用于承载数据业务。
其主要区别是:CFSB 需要网络和终端
配合实现,而SVLTE 则完全是一个终
端自主实现的方案,不需要网络升级
改造。
VoLTE 则直接基于LTE 网络来承
载语音业务,以VoIP 的方式通过LTE
的PS 域来传输语音业务的数据包。此技术非常适合
承载基于WB-AMR(宽带自适应多速率)的高采样
速率语音服务,从而为用户带来较好体验的语音服
务。
2.3 VoLTE 语音方案
VoLTE 作为LTE 的终极语音解决方案,直接基
于LTE 网络来承载语音业务,以VoIP 的方式通过
LTE 的PS 域来传输语音业务的数据包。此技术非常
适合承载基于WB-AMR(宽带自适应多速率)的高
采样速率语音服务,从而为用户带来较好体验的语
音服务。同时,在网络演进方面,无线侧体现
为2G/3G 向LTE 发展,核心网侧则体现为从CS 向
IMS(IP Multimedia Subsystem)发展,因此VoLTE 非
常符合移动通信产业演进的方向。为了支持VoLTE,
需要在核心网部署完善的IMS 核心网网元设备来
控制语音业务的发起和呼叫,GSMA 的标准IR.92
对VoLTE 的协议栈做了详细的规定和描述。
图5 是端到端的VoLTE 协议栈架构图。由图可
见,终端侧只需要增加IMS 协议栈以及相应的
SRVCC 协议栈,可以沿用与CSFB 类似的射频硬件
部分实现;接入网需要支持对应于Voice 业务的承
载,核心网需要增加IMS Server。图6 则是对应于
VoLTE 的网络架构参考图。
由于VoLTE 涉及较多新技术,需要必要的测试
和试验,另一方面,IMS 的部署也需要一定的周期,
此阶段在LTE 网络的覆盖不完善的情况下,可以结
合SRVCC(Single Radio Voice Call Continuity)技术,
利用已有的2G/3G 网络,实现通话中的LTE 到CS
的切换,来为用户提供连续的语音服务。
图7 是VoLTE+SRVCC 一起部署的网络参考架
构。由图七可见,部署SRVCC 需要对2G/3G 核心网
网元设备MSC、SGSN、MME 等进行升级、改造,以支
持与IMS 多媒体网元设备的互联互通。
综合来看,基于IMS 的VoLTE 语音方案具有如
下优势。
第一,对于用户而言,VoLTE 能够带来更好的使
用感受和更佳的用户体验,高清语音和视频编解码
的引入将语音通话质量提升两倍以上,VoLTE 的呼
叫接续时长大幅缩短,测试表明VoLTE 比CSFB 缩
短一半以上,VoLTE 能将高清语音业务与IMS 网络
具有的其他多媒体业务(如融合消息、会议、视频共
享等)以及互联网业务进行有机融合,提供远比窄带
语音业务更为丰富的融合业务体验。
第二,VoLTE 基于LTE 承载语音,能够充分利
用LTE 无线技术高频谱利用率、抗衰落性、高带宽、
大容量的优点。同时,LTE 的核心网EPC(Evolved
Packet Core)网络在设计之初就为对时延敏感而带
宽要求较低的语音业务制定了相应的QoS 控制机
制,从而保证了在LTE 网络上提供高质量Voice 业
务的能力。
第三,VoLTE 网络性能高于现网,其接续时间相
比2G/3G 网络可提高50%以上。这一点,对于运营
商有很大的吸引力。
第四,CSFB 和双待机仍然依赖于电路域提供语
音,造成多网长期共存,网络和运营复杂度高。
VoLTE 真正实现了“端到端”IP 语音业务,符合网络
演进方向。可以说,基于IMS 的VoLTE 是无线和核
心网技术发展的必然结果。
VoLTE 在部分国家和地区已经获得商用,2012
年8 月,韩国的LGU+,SKT以及北美的MetroPCS已
宣告商用VoLTE。但是,总体来看,VoLTE 技术还处
于早期阶段,有很多问题需要
进一步总结和细化,比如终端
的功耗优化、IMS 协议的一致
性、互联互通以及持续的网络
覆盖优化等。
3 结语
以上介绍的CSFB、SVLTE
和VoLTE 方案,各有其优缺点和适用的阶段。CSFB
方案和SVLTE 语音解决方案会作为过渡阶段的语
音方案,在LTE 早期商用中通过传统的2G/3G 网络
来满足用户的语音业务需求。随着VoLTE 技术的成
熟和IMS 的部署,VoLTE 必将成为最终的语音解决
方案,语音业务也将会成为LTE 网络上PS 域的一
种承载类型。最终,LTE 网络将通过其PS 域以全IP
的方式来承载现今所有的业务类型以及后续新开发
出的基于IP 的各种新型业务。
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