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[WLAN] 基于非信任域EPC接入的VoWiFi技术初探与实践 [复制链接]

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发表于 2015-12-13 00:40:42 |显示全部楼层
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杨 坚 中国移动通信集团上海有限公司

摘要:主要介绍了当前环境下运营商引入VoWiFi技术的需求背景及业界比较主流的UMA/GAN、IMS接入、非信任域EPC接入、信任域EPC接入、OTT等5种VoWiFi方案,并针对其中应用最为广泛的非信任域EPC接入VoWiFi技术的EPC附着、注册、呼叫、与VoLTE间切换流程等技术细节进行比较深入的分析。结合运营商实际搭建的非信任域接入VoWiFi测试硬件环境,对相关实践测试情况进行了说明和总结,并提出后续商用建设的一些有益建议。

1 引言
随着VoLTE网络的大规模商用,大量用户的语音业务将承载在全IP的LTE+EPC+IMS网络上,然而在2G/3G向4G演进的过程中,LTE无线网络的无缝覆盖必然是一个长期的逐渐过程,特别是针对上海这一类人口基数大、高层建筑遮挡严重、室内环境话音业务使用需求高的特大型城市。当LTE的覆盖范围尚不能达到全覆盖及室内覆盖较弱的场景下,亟需一种成本经济又能够有效快速进行覆盖补充的无线接入手段,于是基于Wi-Fi接入技术的VoWiFi(Voice over Wi-Fi)应运而生。
Wi-Fi作为一种接入速度快、建设成本低的无线接入手段已经被广泛应用于城市生活的各个方面,从家庭使用的无线路由器到公共楼宇内的接入热点,包括城市重点商业区域的i-shanghai免费Wi-Fi,还有移动已经大规模覆盖的CMCC无线接入热点,都是可以充分利用、减少LTE覆盖补盲成本的巨大现有资源。然而,对于运营商而言,如果只是照搬互联网企业已经比较成熟的OTT(Over  The  Top)式VoWiFi,建立一个类似Skype或微信电话本的纯互联网架构、无QoS保障的VoWiFi网络,无疑是以己之短攻彼之长。如何能够将VoWiFi灵活、低成本的优势与运营商现有核心网络高可靠性、端到端QoS保证的优势高效结合起来,越来越成为电信运营商值得深入研究和关注的问题。

2 VoWiFi常见实现方式及业界发展情况
2.1 VoWiFi的常见实现方式

VoWiFi作为一种用户语音末端接入技术在业界已经应用有数年,目前比较常见的接入方式有以下5种,如图1所示。


(1)UMA方式
这是基于CS电路域的一种VoWiFi方案,直接与MSC端局进行对接,T-Mobile之前曾针对CS域提出过这一VoWiFi方案,但该方案目前3GPP已经不再演进,也无法支持VoLTE的切换。
(2)直连IMS核心网方式
该方式将Wi-Fi网络直接与IMS核心网对接,主要问题在于无法保证WLAN-LTE切换前后UE终端地址的一致性,同时与VoLTE间的切换流程对UE和IMS都有一定要求,且漫游和互通的场景流程十分复杂。
(3)非可信域EPC接入方式
该方式是目前业界使用最多的一种接入方式,可通过公共非信任域Wi-Fi完成用户UE接入运营商的3GPP核心网络(S2b接口),并将PGW作为WLAN-LTE切换的锚点,避免了为实现WLAN-LTE切换而对UE终端能力提出过高要求,只要求UE额外支持IPSec以及IKEV2鉴权即可,同时在3GPP R10中已完成了规范标准化;该方式将公共Wi-Fi网络的开发性和运营商核心网网络的高可靠性、端到端QoS保证特性实现了较好地结合,并能以较低的成本实现VoWiFi和VoLTE的有效切换整合。
(4)可信域EPC接入方式
该方式通过运营商部署的WLAN网络可信地接入3GPP网络(S2a接口),也采用PGW作为WLAN-LTE切换的锚点。主要问题在于必须通过运营商部署的可靠WLAN网络接入,相关部署灵活性及成本都比非可信域EPC接入要高,同时Wi-Fi/LTE间的切换方案目前3GPP还在讨论中。
(5)OTT方式
该方式是一个完全架构在Internet上的接入方式,用户需要下载相关的APP,全程没有针对语音的QoS保证,不支持Call Waiting/Call Forwarding等特服功能,也无法保持和VoLTE/CS一致的业务体验。
通过以上的描述分析可以知道,这5种接入方式中,非可信域EPC接入方式无疑是目前最完善的方案,也是当前运营商引入VoWiFi的首选方式。


2.2  VoWiFi的业界发展情况
2013年下半年以来,由于国外的Cable运营商大规模建设公共Wi-Fi热点,并通过共享结盟方式,以“Wi-Fi第一、蜂窝Backup”的低资费、无限流量包月急剧抢占传统电信运营商的市场份额,促使包括Sprint、Republic在内的多家运营商均通过加速引入VoWiFi技术奋起反击。特别是苹果iphone6终端在IOS8版本下实现了对VoWiFi能力的支持后,高通、英特尔等芯片厂商新推出芯片对VoWiFi的支持,又带动了华为、LG、MOTO、HTC等多家终端厂商推出了多款支持VoWiFi能力的终端,VoWiFi技术在整个业界风生水起,主要动向包括:英国EE因为宏网无法进入伦敦地铁区域,租用Virgin Media的Wi-Fi网络提供Voice等业务;PCCW已计划在重要热点地区和酒店提供VoWiFi业务,分流宏网话务量和解决室内信号不好问题;瑞典HI3G配合2014年年底iphone 6上市推出了VoWiFi的打包功能,目的在于树立品牌、抢夺用户,并培养用户的VoLTE业务使用习惯。
从上述海外运营商的实践来看,VoWiFi技术确实已经日益成为整合运营商自身优势、降低覆盖成本、应对互联网/Cable运营商挑战的一把利器。

3 非信任域EPC接入VoWiFi的基本架构及相关流程
3.1 基本架构

非信任域EPC接入VoWiFi是指VoLTE用户通过Wi-Fi网络(采用Untrusted Non-3GPP标准)连接到运营商的EPC网络,并通过EPC网络连接到IMS网络中,实现语音、短信、补充业务等IMS业务的接入方式。在这一接入方式中,Wi-Fi作为LTE网络覆盖的一个补充,用户可在没有LTE网络覆盖的区域通过Wi-Fi接入EPC网络。当用户在LTE和Wi-Fi网络间移动时,网络侧又可提供LTE和Wi-Fi网络间的切换功能,以保证用户的语音业务不中断。这一接入方式的基本架构如图2所示。



其中黄色网元为针对VoWiFi接入新增加的节点,主要用于用户非信任域用户鉴权(AAA Server)和WLAN/EPC适配控制及报文转发(ePDG)。终端用户通过Wi-Fi网络接入到ePDG,ePDG通过与AAA  Server交互,完成对终端的鉴权;鉴权通过后,ePDG通过S2b接口将业务请求发送到P-GW,并完成终端在EPC网络的附着,从而在IMS完成VoWiFi用户的注册;注册完成后,用户即可发起相应的VoWiFi业务。

3.2  EPC附着
终端用户基于非信任域EPC接入VoWiFi首先必须进行EPC的附着流程,该流程中同时包含了MAPCON流程(即P-GW地址通知流程),相关的附着示意图如图3所示。



3.3  注册
终端用户基于非信任域EPC接入VoWiFi在完成了EPC的附着流程后,就要进行IMS核心网的注册,相关的示意如图4所示。



3.4  非信任域EPC接入VoWiFi的呼叫
终端用户基于非信任域EPC接入VoWiFi完成了IMS核心网的注册后便可以正常进行主被叫的使用了,这里以主叫流程为例进行说明,相关的示意如图5所示。



3.5 非信任域EPC接入VoWiFi的VoLTE间切换
在非信任域EPC接入VoWiFi作为VoLTE补盲场景时,会涉及到VoLTE向VoWiFi的无缝切换。

4 上海移动非信任域EPC接入VoWiFi测试情况
4.1  VoWiFi测试网络建设方案

基于前期的分析调研,上海移动在公司计划部的牵头协调下,在2015年3-6月,采用爱立信厂商的非信任域EPC接入VoWiFi方案,现网部分在用设备结合浦东民生测试机房新建测试设备的方式,搭建了一个VoWiFi测试网络环境,并顺利完成了多个场景的VoWiFi测试,为之后可能的大规模引入积累了一定的经验;又在MWC上进行了现场演示,取得了良好的效果。其具体方案如下。
由于是测试项目,故建设规模采用最小配置。采用爱立信厂商云平台硬件设备实现独立IMS-Core功能,并新增ePDG/PGW、AAA逻辑硬件,共两个标准机柜,与现网HSS(通过CS-CE)、MME(通过LTE-CE)、PCRF(通过PS-CE)、PTN(通过PTN-CE)互联互通;终端采用苹果公司iPhone6手机软件刷机支持VoWiFi接入(3GPP23.402协议规定的非可信接入方式),同时需要HSS支持用户的相关Non-3GPP签约数据,PGW支持MAPCON流程(即P-GW地址通知流程,不同的APN可以同时用不同无线接入技术进行接入,如IMS  APN接入Wi-Fi,同时Internet APN接入LTE)。
该项目的主要测试应用场景包括三个。
场景一:Wi-Fi Wi-Fi  (MO/MT),2个Wi-Fi Calling测试用户之间互拨的测试,涉及到的现网网元只有HSS54、PCRF1~3。其他的ePDG/PGW/AAA和IMS核心网均为测试网元。
场景二:Wi-Fi LTE(测试用户)(MO/MT),为1个Wi-Fi Calling测试用户和1个LTE测试用户之间互拨的测试。涉及到的现网网元为HSS54和MME13、PCRF1~3。在MME13为测试用户指定专用的测试PGW。其他的PDG/PGW/AAA和IMS核心网均为测试网元。
场景三:终端通话中VoLTE VoWiFi切换(测试用户)(MO/MT),为1个具备VoWiFi能力的终端在主叫/被叫通话中从LTE接入网络切换入Wi-Fi接入网络的测试。涉及到的现网网元为HSS54和MME13、PCRF1~3。在MME13为测试用户指定专用的测试PGW,其他的PDG/PGW/AAA和IMS核心网均为测试网元。


4.2 测试结果及建议计划
最终,该项目在中国移动集团层面率先实现了终端在VoLTE VoWiFi接入场景下的无缝不中断切换,并验证了“非信任域EPC接入VoWiFi”方案的双向接入安全性(完整性、鉴权方案等)及与现网HSS、MME等网元实现对接的可行性。

VoWiFi作为新业务的典型代表,可以提升室内覆盖补盲手段及有效规避国际漫游的相关问题,也是应对互联网企业OTT语音解决方案挑战(如微信电话本等)的有力手段,在经过营销策略层面的进一步分析确认后,具有很大的现网推广价值。
同时该项目已纳入了上海移动集团2015年度的《VoLTE技术方案研究测试及商用进度  》攻关课题,后续会配合集团研究院对S2b接口、SWu接口、SWm接口相关规范进行明确,并进一步对VoWiFi用户的呼叫、VoWiFi/VoLTE互切换流程进行测试验证。


结束语
虽然基于非信任域EPC接入的VoWiFi技术在流程复杂性和维护难度上都比之前的网络有所增加,但是其在面对互联网挑战和向下一代网络演进中所表现出来的技术优势却是毋庸置疑的。相信随着对这一技术的研究和现网建设运用的不断深入,一张安全可靠、高效易维的VoWiFi+VoLTE无缝网络一定是可以实现的,也必将带给运营商一片崭新而广阔的发展空间。


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