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[论文与期刊] VoLTE技术方案研究及跟踪 [复制链接]

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发表于 2015-12-12 21:43:58 |显示全部楼层
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0 引 言
LTE是由3GPP组织制定的UMTS技术标准的长期演进,于2004年12月在3GPP多伦多会议上正式立项并启动。对应FDD-LTE和TD-LTE两种制式,即频分双工LTE系统和时分双工LTE系统,TD-LTE是中国具有自主知识产权的4G国际标准。
2013年12月4日,工信部向中国移动、中国电信和中国联通颁发“LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务(TD-LTE)”经营许可,至此,我国移动通信正式进入4G时代。2015年2月27日,工信部向中国电信和中国联通颁发“LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务(LTE FDD)”经营许可,从而使我国移动通信全面进入4G规模商用时代。
LTE采用端到端全IP的网络结构,空中接口只有数据通道,没有语音通道,在向用户提供高速数据业务的同时,如何保障语音业务的延续性,是各运营商重点考虑的问题之一。


1 LTE语音解决方案简析
目前,LTE语音解决方案主要有SVLTE(LTE与语音网同步支持,即多模双待终端方案)、CSFB(电路域回落)和VoLTE(基于LTE的语音呼叫)这三种方案。
SVLTE方案是通过在终端配置两套独立的发射接收机,实现同时在LTE网络和2G/3G网络的并发工作,由LTE网络提供数据业务,由2G/3G网络提供语音业务。该方案对网络没有特殊要求,完全依赖多模双待终端。
CSFB方案通过在终端配置两套独立的接收机和一套发射机,实现终端在LTE网络和2G/3G网络的双待机。但某一时刻终端只能接入LTE网络进行数据业务或接入2G/3G网络进行语音业务,且语音业务优先。CSFB 方案无需网络侧新增网元和接口,对2G/3G网络无改动,但LTE核心网网元需支持扩展业务的请求消息、承载挂起和恢复消息。
VoLTE方案是由LTE网络实现业务接入、由IMS网络实现业务控制、由PCC架构提供QoS保障的语音解决方案。在LTE无线网络未实现全覆盖之前,为保证语音业务的连续性,采用SRVCC(单一无线语音呼叫连续性)技术实现语音业务在LTE网络与2G/3G网络之间进行切换,以保障语音业务不中断。三种LTE语音解决方案比较详见表1。


LTE建网初期,各运营商普遍采用SVLTE和CSFB方案为用户提供语音业务,以快速发展LTE业务,抢占市场竞争龙头地位。随着VoLTE产业成熟,VoLTE将成为目标方案。
中国移动TD-LTE牌照获取已超过一年时间,LTE网络已初具规模,目前已经在杭州、广州、南京、福州、长沙这五个城市完成了VoLTE通话技术的铺设,预计2015年底之前实现VoLTE网络的正式商用。中国电信和中国联通LTE-FDD牌照获取时间不久,暂时以SVLTE和CSFB方案为用户提供语音业务。


2 VoLTE网络架构
基于IMS的VoLTE架构 涉及LTE网络、IMS网络及PCC架构,其结构如图1所示。UE从LTE网络接入,由IMS网络提供呼叫控制功能,并借助PCC架构,为VoLTE提供QoS保障。


2.1 IMS网络
IMS网络是VoLTE业务系统的核心控制网络,主要包括BAC、P-CSCF和S-CSCF/I-CSCF、HSS、MMTEL AS及ENUM/DNS等网元。
BAC位于VoLTE电话业务系统的边缘,作为代理网关负责隔离公网及公众用户与IMS核心网元。P-CSCF是VoLTE的入口节点,主要负责SIP信令的代理;S-CSCF/I-CSCF负责为VoLTE业务提供注册服务、会话控制,并维持会话状态信息。MMTEL AS是SIP应用服务器,提供语音补充业务,并负责在语音通信的过程中控制媒体资源服务器进行录音通知的播放等。HSS负责存储VoLTE电话用户的相关用户信息及其相关业务信息,与S-CSCF配合完成用户的鉴权、认证。
ENUM/DNS包括ENUM服务器和DNS服务器,ENUM服务器负责接收会话控制服务器的查询,将VoLTE呼叫中的Tel URI地址翻译成可以路由的SIP URI。DNS主要提供VoLTE业务系统内各网元的域名/地址解析。


2.2 LTE网络
LTE网络是VoLTE业务接入网络,UE通过LTE网络接入,并通过P-CSCF发现机制接入IMS网络。LTE网络主要包括eNodeB、MME、SAE-GW及EPC-HSS等网元。
eNodeB是LTE UE设备无线接入点,MME处理NAS信令及对VoLTE用户进行接入安全验证、移动性管理、会话管理及SAE-GW选择等。SAE-GW兼S-GW及P-GW的功能,协助完成移动性管理、会话管理及进行数据路由及转发;为VoLTE用户分配IP地址;为VoLTE提供P-CSCF入口地址;能支持本地配置的PCC规则,为VoLTE业务提供QoS保障,并完成计费功能。


2.3 PCC架构
VoLTE业务的QoS保障,依赖于PCC架构。P-CSCF在VoLTE业务媒体协商完成后,依据媒体类型通过Rx接口向PCRF提出承载需求;PCRF通过与SAE-GW间的Gx接口,向SAE-GW下发VoLTE语音QoS保障策略;SAE-GW将为VoLTE业务建立专用的承载,并通知MME在无线侧建立专用承载,完成VoLTE业务的QoS保障。


3 VoLTE部署对核心网络的改造需求
通过对LTE 语音解决方案和网络总体架构的描述可以发现,VoLTE 的部署涉及到IMS、CS、PCC 等多个系统,涉及到的网元数量较多。


3.1 对IMS网络业务平台的改造需求
VoLTE的实际业务逻辑位于MMTEl AS中,内部处理逻辑跟固网有所不同。在VoLTE业务与CS域语音业务并存阶段,呼入呼出业务均涉及到接入域选择的问题,MMTEL应支持VoLTE业务接入域选择。目前固网AS的重用度不高,为了快速部署业务及不影响现有IMS用户业务,VoLTE的AS较适合与固网分开,单独设置TAS,用于支持VoLTE用户的基本话音、视频业务和补充业务。


3.2 对IMS网络核心网元的改造需求
VoLTE业务对IMS网络核心网元CSCF有以下几个方面的新增需求:
(1)国际漫游时,I/S-CSCF应具备TRF (转接及漫游)功能,以支持VoLTE用户漫游时的Local Breakout(本地路由疏导)漫游方案。
(2)应支持VoLTE用户从USIM卡中的参数IMSI生成3GPP标准格式的IMPU,用于国际路由。
(3)用于处理紧急呼叫业务的E-CSCF,应能与LRF(位置获取功能)建立连接,LRF应具备准确提供UE位置信息,并将该信息准确路由到紧急呼叫业务中的能力。


3.3 对IMS网络接入边缘网元的改造需求
IMS网络边缘网元包括BAC及P-CSCF。鉴于P-GW一般集中设置,BAC设备位于P-GW之后,原则上应靠近P-GW。
现网IMS的BAC设备均下放设置在地市,如兼做VoLTE业务的BAC,则媒体在路由上有迂回。所以,固网IMS BAC不适合兼做VoLTE业务的BAC,可采用独立设置的方式避免现网BAC设备的升级及对现网业务的影响。
如P-CSCF与UE直接支持IPSec,BAC适合与P-CSCF合设以支持IPSec。对于P-CSCF设备,提供VoLTE业务时,需支持与PCRF之间的Rx接口,协商QoS及媒体资源传送承载需求。


3.4 对IMS HSS数据库的改造需求
LTE阶段,核心网有三个主要的数据库:C/P网络HLR、IMS HSS及EPC-HSS。目前在2G/3G/LTE 融合组网时,已经完成了EPC HSS/HLR的融合。当VoLTE话音方案部署时,IMS-HSS用户数据与EPC-HSS和HLR有较大差别,为避免用户换号或换卡,需要进一步将HLR/ EPS-HSS/IMS-HSS三者融合。根据业务类型,HSS与AS之间应具备Sh、Si两种接口。

Sh接口通常用于SIP或OSA-SCS(开放业务结构业务能力服务器)的情况,而当使用基于CAMEL(移动网络增强逻辑的客户化应用)的服务器时,选择Si接口。当存在多个可使用的HSS时,需配置数据库SLF(签约位置功能)用于寻找合适的HSS。


3.5 对电路域核心网的改造需求
在LTE无线网络未实现全覆盖之前,为保证语音业务的连续性,需要实现语音业务在LTE网络与2G/3G网络之间进行切换,目前主流技术方案是SRVCC和eSRVCC。
SRVCC是在LTE未实现全覆盖的情况下,为VoLTE提供语音连续性的解决方案,即在LTE覆盖的范围部署VoLTE,当用户移动至LTE未覆盖的区域时,终端切换至2G/3G网络,采用CS域提供语音业务,并保障语音业务不中断。
(1)VoLTE呼叫通话——支持SRVCC的VoLTE终端在执行(联合)网络附着、路由区/位置区更新等移动管理操作时,向网络上报相关能力;当其作为主叫向另一IMS终端发起语音呼叫,呼叫成功并建立媒体连接后,双方进行通话。eNodeB要求VoLTE终端上报网络信号的测量报告。
(2)发起SRVCC切换——当用户离开LTE网络覆盖区或者用户所在区域的LTE信号很弱时,eNodeB检测到终端上报的信号强度/质量低于预定门限,则向MME发起切换请求到2G/3G小区。
(3)2G/3G网络资源预留——MME根据eNodeB上报的切换到目标小区信息和配置的对应eMSC(支持SRVCC的MSC)信息,通过Sv接口通知2G/3G网络中的eMSC准备切换,eMSC指示资源预留。
(4)终端切换——eMSC向MME返回资源成功预留信息,eNodeB通知终端切换到2G/3G网络。
(5)远端媒体更新切换、呼叫接续——VoLTE终端成功接入eMSC后,eMSC向IMS网络发起媒体更新流程,用于更新之前的媒体(语音)连接,后续远端IMS终端通过eMSC与主叫进行语音通信。
从SRVCC终端切换到2G/3G网络,eMSC需要通知用户归属地的IMS网络更新语音媒体流,所以会引起较长的切换延迟;在SRVCC基础上,通过在拜访地引入ATCF/ATGW设备作为媒体锚定点,节省远端媒体的更新时间,可将切换时延减低至300ms以内,这就是eSRVCC。VoLTE网络与2G/3G网络的SRVCC和eSRVCC切换协作分别如图2和图3所示。




3.6 对无线网络的改造需求
eNodeB需要升级支持话音、视频业务的承载,无线资源调度和抢占;为提升VoLTE 业务质量,eNodeB应支持分组头压缩RoHC、半持续调度SPS、TTI Bundling等无线增强功能,对话音和视频数据分组优化和增强;eNodeB应可正确识别终端SRVCC能力,并要求对具备SRVCC能力的终端测量2G/3G蜂窝的信号电平,并依据测量报告触发切换,将需求信息传送给MME,然后通过MME接收切换指令所需的、来自目标接入系统的信息,再将切换指令发送给UE。

4 结 语
在移动互联网盛行时期,VoLTE网络的建设与应用极大地丰富了用户的沟通与生活,为用户提供了更多的选择、更优质的业务体验。对电信运营商来说,VoLTE网络的投资建设与市场运营工作将面临很多方面的挑战,网络的建设规划工作非常重要。SVLTE是纯粹基于手机终端的方案,缺点是手机成本高、耗电高。根据终端能力,LTE中的CS语音回落和包含SRVCC功能的LTE 语音解决方案可以分阶段部署,也可以同时部署。此外,还可通过IMS来提供非VoIP业务,如视频共享、在线或即时消息。这种体系结构能够为电信运营商规划和部署LTE和IMS解决方案提供最大的灵活性。为了使工期、成本、质量三者得到综合优化,前期主要的语音业务可以通过使用SVLTE、LTE中的CSFB技术来实现。长远的看,为打好品牌、竞争、营销三张组合牌,VoLTE是电信运营商重点考虑的语音解决方案。


参考文献
[1] Shyam Chakraborty.基于蜂窝系统的IMS-融合电信领域的VoIP演进[M].黄宇红,译. 北京:机械工业出版社,2008.
[2]Harri Holma,Antti Toskala.WCDMA for UMTS :HSPA Evolution and LTE[M].Hoboken:John Wiley & Sons,2010.
[3]徐爱华,朱凤娟.VoLTE 技术方案研究及跟踪[Z].课题研究,2014.
[4]鲍伟华,谢志刚.VoLTE 大规模商用部署策略研究[J].互联网天地,2015(2):40-46.
[5]李宝岩,于富东.VoLTE 的部署对核心网改造需求的研究[J].电信网技术,2014(8):22-26.


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