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[VoLTE] LTE语音目标解决方案--VoLTE技术 [复制链接]

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发表于 2015-5-3 17:10:52 |显示全部楼层
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许慕鸿工业和信息化部电信研究院通信标准研究所高级工程师
1 引言
虽然演进的分组系统(EPS:Evolved Packet System)
最终可以为用户提供LTE 语音(VoLTE:Voice over Long
Term Evolution)业务,但是,由于各个运营商现有的网络
运行模式不同,语音业务从电路域往全IP 网络的业务
模式转变路线和时间点也将会各不相同。
对于国外有些小规模的移动运营商以及新建网络
的运营商来说,有可能直接进入EPS 网络运营阶段,采
用IP 多媒体子系统(IMS:IP Multimedia Subsystem)业务
控制系统来提供各种业务,包括实时语音业务,可以完
全实现电路域现有的全部业务。但是,对于已经部署了
成熟的2G/3G 网络的运营商,考虑到目前的电路域网络
已经能够提供高质量的语音业务、补充业务和增值业
务,而且其网络管理能力也非常完善,出于对建设和网
络成本的考虑,最大限度地重用运营商在传统网络的投
资的目的,这些运营商的网络演进过程会是阶段性的。
业界普遍认可的一种演进步骤,是在EPS 网络的初期建
设只做热点覆盖,并只给EPS 用户提供数据卡业务;随
着EPS 网络部署规模的扩大,逐渐提供各种实时语
音业务及消息类业务等。
基于以上考虑,业界对如何在EPS 网络发展的
过渡阶段实现语音业务连续性,进行了全面的分析
和技术评估,提出了电路域回落(CSFB:Circuit
Swithed Fallback)和单无线频率语音呼叫连续性
(SRVCC:Single Radio Voice Call Continuity)两种过
渡期方案。
CSFB 就是在LTE 和2G/3G 的双覆盖区域,用
户可以从LTE 系统回落到CS 域来使用电路域现有
的业务,包括话音、定位业务和补充业务等。
支持CSFB 的终端需要在EPS 和CS 域进行双
注册。当终端有语音业务的时候,由网络根据策略决
定将该终端切换到2G/3G 电路域完成语音业务。
CSFB 方案要求LTE 与2G/3G 区域重叠覆盖,这样
终端才能同时注册到LTE 和2G/3G 网络,并且随时
可以切换到2G/3G 网络执行电路域业务。
此外,在运营商的EPS 网络发展过程中,可能
会出现EPS 网络在部分地区能够提供VoIP 业务,
但不能实现VoIP业务全覆盖的场景,此时可以考虑
借用2G/3G 网络电路域的覆盖来保证业务本身的
全覆盖。在EPS 网络覆盖好的地区使用IMS 的VoIP
业务,当用户到达EPS 网络覆盖边缘却具备良
好2G/3G 网络覆盖时,可在EPS 网络控制下,将用
户正在进行的VoIP 通话接续到2G/3G 网络电路
域。为了实现两个接入系统间语音业务切换的连续
性,3GPP 提出SRVCC 方案,通过IMS 域网元对语
音业务进行信令和媒体的接续、转接。
SRVCC 实际上是个切换过程,通过IMS SRVCC
的应用服务器(AS:Application Server)和承载网络
实体(MME:Mobility Management Entity)/ 移动交换
服务器(MSC Server)的配合,实现语音业务的连续
性。语音业务的信令从IMS 向MSC Server 转接,承
载信令从MME 向MSC Server 转接,用户媒体数据
流从IMS- 媒体网关(MGW:Media Gateway)转接到
MGW。
与CSFB 方式不同的是,CSFB 是在EPS
与2G/3G 重叠覆盖区域内发生回落切换,而SRVCC
则是在LTE 网络失去覆盖的时候,才发生到2G/3G
网络电路域间的切换。
下面给出了LTE 网络可能演进的一个过程举
例。需要注意的是,各个运营商的LTE 网络演进方
式各不相同,有可能跳过以下提到的某一步,直接到
达VoLTE 目标网架构。
阶段1:最初的LTE网络规模小,终端模式简
单,双模双待机,同时驻留在LTE 网络和2G/3G 网
络,LTE 网络只提供数据业务,语音业务由2G/3G 网
络提供。
阶段2:随着网络的改造,终端功能完善,系统
提供CSFB 功能,此时终端是双模单待模式,可以接
入LTE 网络和2G/3G网络,但只能驻留在一个系统
下。一般终端都是驻留在LTE 网络下,可以执行数
据业务,一旦有语音呼叫,终端将无线接入切换
到2G/3G 系统下,即驻留到2G/3G 网络中,执行普
通的2G/3G 语音呼叫。呼叫完成后将再切换到LTE
系统下。
阶段3:如果运营商IMS 系统成熟,终端能力允
许,VoLTE 语音逐渐开展,在未覆盖LTE 区域,系统
通过SRVCC 技术,实现语音业务的切换,将用户的
语音业务从LTE 切换到2G/3G 系统中。
阶段4:LTE 全面覆盖,技术和设备完全成熟,
将全网实现VoLTE 业务,SRVCC 和CSFB 功能将不
再使用。
本文将主要对LTE 的语音目标解决方案———
VoLTE 技术进行分析。
2 VoLTE 语音方案分析
2.1 基本架构
EPS 系统在部署初期有可能只为用户提供数据
业务,在这个阶段核心网部分仅有演进的分组核心
网(EPC:Evolved Packet Core)网络就能满足对运营
商的业务需求;但随着网络的发展和演进,终将要在
EPS 系统为用户提供VoIP 业务,此时仅有EPC 网
络就无法满足需求了,需要同时部署IMS 和PCC 系
统提供业务控制和QoS 策略控制。
尽管从理论上说,用户通过EPS 分组域就可以
实现所有的业务,但如果没有独立于EPS 分组域之
上的业务层来提供业务控制,用户在业务的服务质
量(QoS)、计费等方面都将会存在问题。用分组域提
供实时多媒体业务的主要问题是网络只能尽力而为
地提供业务而不能保证业务的服务质量。例如,对于
VoIP 业务,用户在通话过程中的语音质量就可能变
化很大,可能会出现声音时好时坏的现象。跟现有的
电路域语音质量比,这样没有QoS 保证的通话是无
法让人接受的。但如果采用IMS 系统作为业务控制
层,就可以提供具有QoS 保证的实时多媒体会话控
制机制,很好地解决这个问题。因此,鉴于IMS 系统
的特点和优势,业界已倾向采用选择IMS 系统为
EPS 系统的用户提供VoIP 语音业务控制。
采用IMS 作为业务控制层系统的另一个原因
是能够合理、灵活地对多媒体会话进行计费。运营商
可以基于用户的QoS,针对用户业务的不同内容,提
供不同的资费标准。比如,需要区别是VoIP 会话还
是一次网页浏览或者是一条即时消息等不同业务进
行计费。
采用IMS 的第三个原因是运营商可以对不同
的业务进行整合。IMS 定义了为业务开发商使用的
标准接口,运营商能够在多厂商环境下提供业务,避
免绑定在单一厂商来获取新业务。
如果采用IMS 作为业务控制层系统,那么,从
整个通信系统的网络架构来看,EPS 网络其实是位
于承载层,提供通信所需的信息的传递。在实现
VoIP 业务的过程中,除了由EPS 系统提供承载,由
IMS 系统提供业务控制外,还要由策略和计费控制
(PCC:Policy and Charging Control)架构实现用户业
务QoS 控制以及计费策略的控制。EPS 系统提供
VoIP 业务的系统架构如图1 所示。
2.2 基本流程
从业务实现流程来看,一个初次签约到EPS 系
统的用户,如果要实现端到端的VoIP 业务,要经过
EPS 附着、IMS 注册、业务发起和会话控制过程(包
括专有承载和IMS 层信令交互)、资源释放过程等
几个阶段。
一般来说,用户开机就会附着到EPS 网络中,
归属用户服务器(HSS:Home Subscriber Server)里有
了用户的位置信息,MME 里也有了用户的签约信
息,同时系统还会为用户建立默认承载。但是,用户
在附着完成之后,未必马上就打电话,而只是简单地
附着在网络上。如果用户长时间没有执行业务,根据
运营商的策略,是有可能将空口和S1-U 接口的默
认承载资源释放掉的,而仅保留服务网关(S-GW:
Serving GateWay)与分组数据网网管(P-GW:Packte
Data Network-GateWay)之间的默认承载。
如果用户同时也是IMS 用户,签约了IMS 业
务,那么,在完成承载层的附着之后,通常就会进行
IMS 层的注册。此时,IMS 层的注册消息就要在附着
过程中建立好的默认承载上传递了。VoIP 的用户要
打电话的时候,IMS 层最初的INVITE 消息同样属于
呼叫控制信令,也是在默认承载上传递的。在话音建
立的过程中,一般会在主、被叫两段的资源协商好的
情况下,才建立满足话音业务QoS 需求的专用承载
资源。
下面以默认承载来传递IMS 信令为例,描述新
开机用户执行一个端到端的VoIP 业务的过程。
(1)附着过程
在附着过程中,用户设备(UE:User Equipment)
的相关位置信息、能力等将会登记到相关的网络实
体中。附着过程中还为UE 建立“永远在线”的连接,
同时为UE 分配IP地址。
附着过程完成之后,系统中用户的状态就会从
“未注册”变为“已注册”,核心网中记录了用户的位
置信息,核心网相关节点中建立了用户的上下文,为
用户提供业务做好准备。
附着过程中执行的主要操作如图2所示,包括:
用户发起附着过程,发送非接入层消息“附着请求”
给MME。MME 根据消息中所带的用户标识信息,可
判断是否要求用户先前注册的MME 对附着请求消
息进行完整性校验,并在成功后传递安全相关参数。
如果在原先的MME 中没有找到用户的上下文,
MME 还可要求用户提供其国际移动用户识别码
(IMSI:International Mobile Subscriber Identity )。
MME 可根据运营商配置发起安全过程,其中包括鉴
权和非接入层(NAS:Non-Access Stratum)安全过程
的建立。之后,MME 要求删除可能存在于其他节点
的、该用户未正确释放的资源,并与HSS 交互更新
位置信息。以上过程完成后,MME 将发起默认承载
建立的过程。默认承载建立的过程中或过程后可为
用户分配IP 地址。默认承载建立成功后,网络向用
户返回“附着接受”消息,该消息触发空中接口为用
户配置相应的承载。用户接着返回“附着完成”消息,
指示完成建立的EPS 承载以及NAS 相关信息。
在用户第一次附着到网络的过程中,网络记录
用户的位置信息,相关节点为用户建立上下文;附着
到网络后,即建立了从S-GW 到P-GW 之间的默认
连接,为用户提供默认承载;附着过程为用户分配了
IP 地址、用户驻留的跟踪区标识(TAI:Tracking Area
Identity)列表、临时标识(GUTI:Globally Unique
Temporary Identity)等会话必要的参数。
(2)IMS 注册
EPS 用户要使用IMS VoIP 业务,除了要完成上
述EPC 网络的附着过程,通过EPC 网络的安全鉴权
认证以外,在建立好默认承载之后,还要在IMS 业
务层中进行认证、鉴权和授权,以确认该用户具有使
用IMS 业务的权限。一旦用户被认证授权,就会使
用IPSec 安全关联来保护自己的会话发起协议
(SIP:Session Initiation Protocol)消息。用户的认证、授
权以及建立IPSec 安全关联都是通过IMS 层的注册
过程来实现的。IMS 层注册过程中的关键操作如图
3 所示。
在IMS 层的注册过程中,HSS 会把用户签约信
息传递给服务呼叫会话控制功能(S-CSCF:Serving
Call Session Control Function),由S-CSCF 根据用户
签约的业务信息,完成对用户的业务控制。在注册过
程中,用户和网络还会完成彼此间的双向鉴权过程。
一方面,S-CSCF 根据从HSS 下载的认证向量对用
户进行认证和授权;另一方面,用户也会对网络进行
认证,以确定自己不是在和非法网络进行通信。双向
鉴权机制提高了IMS 网络的安全性。在安全方面,
用户和代理呼叫会话控制功能(P-CSCF:Proxy Call
Session Control Function)之间建立安全关联也是注
册过程的一部分。
此外,由于IMS 系统是由归属网络来进行业务
控制,并为用户提供业务的,而用户接入IMS 系统
的第1 个网元是P-CSCF,因此,在用户作被叫的时
候,用户归属的S-CSCF需要知道用户接入到哪个
P-CSCF 了,P-CSCF 的地址就是在注册过程中通过
网元间的信息交互来传递给归属S-CSCF 的。
IMS 注册包括2 段注册过程:第1 段注册过程,
网络将鉴权参数传递给用户,同时把P-CSCF 地址
传递给S-CSCF。用户在收到鉴权参数后,实现对网
络的认证。在第2 段注册过程中,用户会将计算得出
的鉴权响应返回给S-CSCF,由S-CSCF根据该鉴权
响应,完成网络对用户的鉴权,该过程中还会将HSS
中的用户信息下载到S-CSCF上。
(3)业务发起和会话控制过程
用户发起业务的时候,有可能是处于连接状态,
也有可能是处于空闲状态。这是因为用户在附着以
后,其EPS 连接管理(ECM:EPS Connection Manage-
ment)状态模型虽然会从空闲状态变成连接状态,但
是,很多用户并不是在开机附着以后,就会马上执行
业务,而基本上是处于待机状态。在这种情况下,如
果还为用户保持着空口资源,就会对系统资源造成
极大的浪费。因此,在EPS 中,也定义了跟2G/3G 系
统类似的机制,在用户附着完成以后,仅保留S-GW
和P-GW 之间的连接,而释放空口资源和S1 接口
的资源,只在用户有业务需求的时候,才会进行空口
资源和S1 接口资源的重建。
用户的状态不同,其信令交互过程也有所不同。
如果用户是在连接状态发起业务的,那么就能直接
在默认承载上传递IMS 的SIP INVITE 消息,开始
IMS 会话建立的交互过程。在这个过程中,会伴随有
用于用户语音业务的专有承载过程的建立,专有承
载的服务质量等级标识(QCI:QoS Class Identifier)可
以为1 或者3。用户在连接状态下建立VoIP过程的
IMS 信令与EPC 信令交互如图4 所示。
需要注意的是,图4 中只包括了IMS 层的请求
消息,确认消息或响应消息限于篇幅原因,没有在图
中体现。另外,该示意图是以IMS 系统启动了资源
预留机制为例的。从图中可以看出,在被叫发出183
消息之后,就说明主、被叫两侧已经协商好资源了,
因此EPS 系统可以为主、被叫用户建立专有承载
了。准确的时机应是主叫用户在收到183 的200 OK
之后建立专有承载的,而被叫用户在发出183
的200 OK 之后建立的。
如果系统不启动资源预留机制,那么就没有图
中的183和Update过程,而是在INVITE 消息之后
以及180 消息之前,建立好主、被叫侧的EPS 层专
有承载。
上面所讲的是用户在连接状态下发起的业务过
程,如果用户是在空闲状态下发起业务的,那么在传
递IMS SIP INVITE 消息之前,必须要恢复空口资源
和S1 接口资源,这要通过EPS 的业务请求过程来
实现的。在这个过程中,除了重建无线资源和S1 资
源外,还需要将重新建立的S1资源信息告诉核心网
节点,以保证用户数据的正确传递。空闲状态的用
户,在完成无线资源和S1 接口资源重建之后,才会
继续图4 中的消息流程。一旦完成上述IMS 信令交
互以及EPS 层的专有承载建立,用户的语音业务就
能够在所建好的专有承载上进行传递了。
(4)资源释放过程
VoIP 用户在结束通话以后,系统需要释放相应
的资源。由于资源建立涉及到IMS 层和EPS 层,因
此资源释放也包括业务层和承载层的资源释放。
业务层的资源释放过程如图5 所示。用户结束
通话后,会产生BYE 消息发送给P-CSCF,随后
BYE 消息会在会话中涉及到的IMS 层的节点之间
依次传递,业务层所占用的资源也就一一释放掉了。
承载层的资源释放,首先是由P-GW 发起的。
因为P-GW 是关联业务层和承载层的节点,它通过
业务层知道用户此次与会话相关的专有承载资源需
要释放。随后,MME/S-GW/ P-GW以及无线侧设备
中的相应的专用资源都需要进行释放。如同前述建
立默认承载时的原则一样,如果在结束VoIP 业务之
后,用户在一段时间内没有进一步的业务动作,空口
与S1接口的资源也会释放,但是用户的S5 接口的
默认承载还是会继续保留的(图6)。
2.3 设备功能要求
3GPP 国际标准没有对VoLTE 业务的实现给出
详细的流程和具体的要求,运营商为了简化业务实
现流程,保证不同厂家设备间互通以及不同运营商
间的业务互通,在全球移动通信协会(GSMA:Global
System for Mobile Communications assembly)制定了一
系列与VoLTE 业务相关的标准文件,如:GSMA IR.
92(IMS 要求)、GMSA IR.94(视频呼叫)、GMSA IR.88
(LTE 漫游)等,其中对VoLTE 设备(包括:无线设
备、EPC 核心网设备、IMS 设备和PCC 设备)要求做
出了明确的定义。
(1)无线设备侧设备要求
·头压缩(ROHC:Robust Head Compression):这
是因为VoIP 是由实时传送协议(RTP)/ 用户数据包
协议(UDP)/IP 来承载的,话音的数据包很小,但是
RTP、UDP和IP 的包头控制信息很长。因此,UE 和
网络需要使用头压缩以提高传输效率。
·TTI 绑定:用以扩展VoLTE 的无线覆盖范围以
弥补因为LTE 时间非连续传输造成的链路预算损
失。
·半静态调度(SPS:Semi Persistent Scheduling):
话音数据包的产生比较规则。因此可以用SPS 来减
少调度的开销。
·无线承载:UE 需要支持SRB1 + SRB2 + 4 x
AMDRB + 1 x UMDRB 的无线承载组合。网络需要
支持SRB1 + SRB2 + 2 x AM DRB + 1 x UM DRB 的
无线承载组合。需要支持QCI=1(用于话音包传输)
的GBR 承载, QCI=5 (用于SIP 信令传输)和
QCI=8/9 的non-GBR 承载。
·非连续接收(DRX:Discontinuous Reception):
为减少UE 的耗电,基站应支持LTE 非连续接收。
?分组域切换(PSHO:PS Handover):LTE 网内的
分组域的切换。如果网络也支持VoHSPA(Voice
over HSPA),最好支持HSPA(High Speed Packet Access)
和LTE 间的分组域切换。
(2)核心网设备功能要求
·由于非保证比特率(Non-GBR:Guaranteed Bit
Rate)承载不能提供无线链路上可保证的比特速率,
所以不适用于IMS 语音业务。此外,虽然跟LTE 的
峰值速率相比,语音业务只是一个低速率的数据,但
是它却要求为语音业务建立GBR 承载的业务。
·在UE 创建用于IMS 语音的分组数据网络
(PDNacket Data Network)的连接时,需要建立一个
缺省承载来承载IMS SIP 信令,该缺省承载的QCI
值为5。
·网络必须发起专有承载创建用于传递VoLTE
的语音媒体,用于VoLTE 的专用承载的标准QCI 为
1。此外,专有承载的建立必须要由PCC 来参与创
建。
·对于VoLTE 业务,为防止路由迂回,接续时延
过长,必须采用本地疏导方式,即用户的VoLTE 业
务由用户所在地的P-GW 进行接续,并通过拜访地
P-CSCF访问IMS系统。
·为了支持国际漫游,VoLTE 业务通过全球统一
的IMS APN 接入网络,同时VoLTE 采用IMS TAS
(Telephony Application Server)作为业务服务器。
·UE 要支持SIP 资源预留,并且被叫侧UE 的
资源预留实现不依赖于主叫侧的UE。
·UE 和IMS 核心网中的用户面网元必须支持
自适应多码率(AMR:Adaptive multi-rate)语音编码,
包括所有的8 种模式,并且能够支持8 种编码模式
的所有子集。
2.4 互通技术
根据以上介绍,从LTE 用户的角度看,在LTE
网络发展的不同时期,要实现语音业务可能会采用
CSFB 技术,也可能会采用SRVCC 技术,或者采用
目标网VoLTE 技术;同时,从网络部署角度看,还会
出现各个运营商网络发展的不一致性。这两个因素
都导致LTE 用户的语音业务互通会出现多种互通
场景, 比如:VoLTE 用户间互通、VoLTE 与
CSFB/SRVCC 用户间互通等,不同的互通场景其涉
及到的互通模式也是不同的。
(1)VoLTE 与VoLTE 业务互通
如果主、被叫用户均采用VoLTE 业务,通过以
上分析可以看出,EPS 网络对于VoLTE 业务来说相
当于接入网,PCC 系统则提供资源分配的策略控制,
都不参与业务互通。真正实现运营商间的VoLTE 业
务互通的是IMS 系统,其中,信令面的互通网元是
互联边界控制功能(IBCF:Interconnection Border
Control Function),互通协议采用SIP 协议;媒体面的
互通网元是过渡网关(TrGW:Transition Gateway),互
通协议采用RTP协议。因此,也可以说,VoLTE 业务
的互通要求其实就是IMS 网间的互通要求。
(2)VoLTE 与SRVCC 业务互通
如果一侧用户网络采用VoLTE 业务,而另一侧
用户的网络采用SRVCC 技术,那么,SRVCC 用户语
音发生切换前,两侧均为VoLTE 业务,只是SRVCC
侧的网络架构中多了访问转移控制功能(ATCF)/ 访
问转移网管(ATGW)功能实体,但这两个功能实体
不是网间互通实体。因此,这种场景下的网络互通模
式和互通要求与上述VoLTE 业务间的互通场景一
致。
切换后,SRVCC 侧用户的接入从LTE 切换
到2G/3G 系统,UE 通过BSC/RNC 接入到MSC
Server/MGW,信令面,随后接入到ATCF,媒体面接
入到ATGW,依然会通过统一的业务集中和连续性
(SCC:Service Centralization and Continuity)应用服务
器(AS)控制呼叫的接续。因此,可以说用户切换后
只有接入网络部分发生了改变,业务控制和互通模
式、互通要求也未变化。
(3)VoLTE 与CSFB 业务互通
如果一侧用户采用VoLTE 业务,而另一侧用户
采用CSFB 业务,那么CSFB 的语音业务将是
在2G/3G 系统完成的,因此两者的业务互通将是
IMS 网络与2G/3G 电路域间网元的互通。其中,信令
面的互通网元是IMS 侧的媒体网关控制功能
(MGCF:Media Gateway Control Function)和2G/3G 侧
的网关移动交换中心(GMSC:Gateway Mobile
Switching Center)服务器(Server),互通协议可为
ISUP/BICC/SIP-I 协议;媒体面的互通网元是IMS 侧
的IMS-MGW 和2G/3G 侧的MGW,互通协议是
RTP协议。
3 结语
随着4G 牌照发放时间点的临近,LTE 技术商
用步伐也逐渐加快,国内运营商也加大了给LTE 用
户提供语音业务的研究和验证的力度。其中,CSFB
技术作为一种过渡技术,能够充分利用现有2G/3G
网络资源,同时也是不少国际运营商选择使用的方
案,预计未来商用的可能性比较大;SRVCC 技术相
对比较复杂,而且,仍有不少涉及到与2G/3G 网络
间互通的技术尚未有明确方案,国外已商用的LTE
网络都未采用SRVCC 技术,国内部分运营商由于网
络规模和需求的不同性,有可能会采用SRVCC 技
术;VoLTE 技术作为LTE 语音的目标解决方案,最
终将替代2G/3G 传统语音业务,被各个运营商广泛
采纳和部署。
参考文献
[1] GSMA IR.92 IMS Profile for Voice and SMS[S], 2013.
[2]辛伟,杨红梅.演进分组系统(EPS)业务应用技术[M].北京:人民邮
电出版社,2010.
[3] 姜怡华. 3GPP 系统架构演进(SAE)原理与设计(第2 版)[M].北京:
人民邮电出版社,2013.
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