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[论文与期刊] 基于QoS保障的VoLTE网络优势分析 [复制链接]

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发表于 2015-12-19 15:16:49 |显示全部楼层
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文:殷智刚 中国移动通信集团河南有限公司

摘要:本文重点介绍了VoLTE的QoS保障机制,分析在资源共享的IP网络上,VoLTE相对OTT软件的优势,并根据网络测试情况给以验证。

VoLTE是通过LTE网络作为业务接入、IMS网络实现业务控制的话音解决方案,可实现数据与话音业务在同一网络下的统一,实现与现网2G/3G的话音互通和无缝切换。2013年6月,GTI亚洲大会上,中国移动发布VoLTE技术白皮书,随后中国移动开始积极建设VoLTE网络,VoLTE网络的建设不仅仅是话音技术的演进,更是运营商对OTT业务的反击。


1 VoLTE QoS业务逻辑
QoS是指网络通信过程中,允许用户业务在分组丢失率、延迟、抖动和带宽等方面获得可预期的服务水平。3GPP定义了不同的QCI(QoS Class Identifier),对应于不同优先级、不同属性的承载类型,根据不同业务提供不同的服务质量,实现对VoLTE呼叫的QoS保证。QCI用于决定要进行的业务类型,业务类型也就决定了对应在承载上数据传输速率,因此对应每个QCI都会有相应的GBR、MBR。

3GPP标准只定义QCI值1~9,标准QCI值和QoS参数之间的映射关系表如表1所示。



ARP主要体现为会话管理的接入控制部分,包括承载建立、更新请求中的优先级控制。GBR即保证带宽,表示一条EPC承载能够保证提供的带宽。MBR即最大带宽,表示一条EPC承载能够提供的最大带宽,系统通过限制流量通过的方式禁止数据流的比特速率超过MBR。
VoLTE的QoS业务逻辑如图1所示。



网元间的信息传递为VoLTE业务的QoS参数在SAE-HSS签约配置,UE发起VoLTE业务后,P-GW/S-GW、SBC(P-CSCF)、PCRF网元通过3GPP信令协商QoS参数(QCI、ARP、GBR和MBR)并传递到各个业务网元,各个业务网元根据QoS参数和网络资源来差异化调度。业务网元向IP承载网发送报文时根据报文的分类和报文优先级的映射配置,打上相应的IP DSCP、VLAN Pri优先级标签。IP承载网根据业务网元打的标记实施QoS队列调度、限速、整形等动作。

2 VoLTE流程分析
2.1 UE注册

UE在核心网附着,需要先建立缺省APN的缺省承载,然后再建立其它缺省承载或专有承载。IMS业务APN的缺省承载主要包括鉴权和位置更新流程、缺省承载流程。
中国移动采用IMS业务使用独立APN的方式对APN进行划分,在UE、MME和P-GW配置两个APN,注册成功后,数据APN默认承载的QCI为8或9,IMSAPN默认承载的QCI为5,用于传输IMS信令;专有承载中QCI为1用于承载话音媒体流,QCI为2用于视频媒体流。
2.2会话流程
VoLTE话音业务主叫流程主要包括话音流专有承载建立、专有承载资源修改、话音呼叫结束后专有承载释放等3个过程,如图2所示。



专有承载建立图2中网元P-CSCF收到183(Answer)(4)后下发AAR消息给PCRF开始建立专有承载。AAR包括媒体描述信息、用户标识、IMS应用层计费标识等。
PCRF收到AAR消息,通过AAR下发的用户标识和之前从PCEF得到的接入网信息关联到相应的IP-CAN会话,并定位到对应的PCEF。PCRF根据得到的业务QoS参数和用户订阅信息做策略决策,提供授权的QoS,并通过RAR消息将QoS和事件触发信息的门控策略发送至P-GW。
专有承载建立后,P-GW向PCRF发送CCR_u(12)消息,通知资源预留成功,当PCRF向P-CSCF发送RAR(13)消息,通知承载建立情况。P-CSCF前转INVITE 183(Answer)消息给UE,此时话音专有承载建立完毕,用户进行话音通话。

3 VoLTE优势分析
3.1 QoS保障下的话音业务

VoLTE通过PCC架构,为VoLTE业务设置高优先级的QoS规则,从而保障话音通信的质量。LTE采用承载级QoS保障,传输流模板(TFT)及其中的分组过滤器将上层业务数据流进行相应的EPS承载映射,最终实现用户数据的区分QoS保障。实际数据配置中,VoLTE采用QCI=1的专用承载作为话音承载,QCI=2的专有承载作为视频通话,QCI=5的默认承载作为IMS信令承载,QCI=5的优先级最高,保证了信令业务的优先,QCI=1的话音业务优先级次之,保障话音数据分组的优先资源调度和传送。
OTT话音是上层应用业务,LTE网络承载将其认定为普通数据传输,于是OTT话音将与其它普通数据分组使用相同的默认承载(QCI=8/9)。这将导致OTT话音与其它业务抢占公共带宽资源,引起OTT话音出现误码、分组丢失、时延大等一系列服务质量问题。因此,基于LTE的OTT话音业务无法得到有效的QoS保障。
与传统通信质量和OTT相比,VoLTE的话音更清晰,通话质量更好。VoLTE采用50~7000Hz的AMRWB23.85kbit/s解编码,VoLTE的话音更清晰、效果更逼真。而OTT话音通过软件在不能保证带宽的情况下,话音质量也得不到保证。从对VoLTE和OTT进行网络实测来看,VoLTE的MOS值为3.6~4.0以上,而OTT通话MOS值为2.1~3.5。
VoLTE的接通时间更短,呼叫时延是2G/3G通话的1/10。通常2G/3G通话从客户开始拨打到返回提示音平均约需6~9s,而基于VoLTE技术的4G高清通话平均等待时间仅需2s左右,未来可以控制在1s以内。
从目前网络的实测来看,VoLTE的时延在2~3s,而OTT的时延为3~8s,时延明显较大。
VoLTE提供专有承载QCI=2的视频通话,可以达到720P的视频质量,而OTT视频通话同其它网络应用共享带宽,通话质量受周围环境影响较大。从网络实测来看,VoLTE视频通话较流畅,OTT视频通话拖动明显,体验受网络波动影响很大。
在其它方面如省电省流量等,从对网络的实测来看,VoLTE比OTT应用省电30%以上,而VoLTE视频和话音占用网络带宽只有OTT应用的将近50%。VoLTE体验无论质量和稳定都要优于OTT同类应用。
3.2融合2G/3G的移动性管理
VoLTE是架构在4G网络上全IP条件下的端到端话音方案,它融合了LTE、IMS以及2G/3G网络,对UE用户有完善的移动性管理方案,用户的可用性得到有效保障,在4G没有覆盖的地区,可以有2G/3G网络保证用户的可用,同时对于4G弱覆盖地区,即使通话中的用户也可以有eSRVCC技术保证移动用户业务的连续性。同时,VoLTE替代、继承现有2G/3G用户能够享受的业务如补充业务、增值业务、智能网业务等,同时也可以与VoLTE用户、2G/3G用户、CM-IMS用户、外网用户无缝互通。
OTT话音业务是手机用户的上层应用业务,它依赖于用户数据业务的可用性,没有用户自己的移动性管理手段,而OTT应用一旦从4G网络掉到2G网络,话音通话就会中断,另外同其它业务的互通也有局限性。
另外国际漫游互通的实现。由于3GPP全球标准化,各大网络设备商以及终端设备商均投身其下,VoLTE国际漫游也将得以快速部署。
3.3 终端的习惯性应用
中国移动提出了以VoLTE为核心的“新通话”、“新消息”和“新联系”的“三新”融合通信服务,丰富了通信行业的流量经营,也为用户提供了更多更便捷的通信和网络社交选择。
新通话以VoLTE替代基本电路域话音,实现更高质量的用户体验,新消息是基于RCS,无缝对接各种格式的消息和媒体,而新联系是实名社交网络公众信息和个人服务的入口。中国移动的“三新”功能内嵌于用户的新定制终端上,无需复杂的APP安装,优化软件功能,运行效率高,更加简单易用。特别是对网络及新技术不熟悉的用户群体,更加方便。而OTT相关软件要进行手工安装,还要实时打开软件,相比传统的手机使用较复杂。
3.4 安全的网络保障
VoLTE网络是中国移动具有高可靠性及安全性的内部网络。通过IMS域、EPS域及PCC架构的联合保障,话音业务端到端时延、误码率等服务质量也都获得严格保证,网络的相对封闭也使得用户的隐私得到有效保障,另外VoLTE也是以真实手机号和实名制为前提的,信息安全更有保障。
而OTT应用建立在Internet基础之上,继承了IP网络易受攻击的先天不足。如其服务器容易遭受病毒、网上黑客等的攻击。但其中最为人所担忧的是OTT应用与传统通信相比更容易实现窃听,会造成用户通信信息的泄露。


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特殊贡献奖

发表于 2016-3-15 00:12:54 |显示全部楼层
多谢楼主分享

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发表于 2016-5-9 00:13:34 |显示全部楼层
学习了VOLTE基础,在返回来看,理解不同

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发表于 2016-11-12 17:24:55 |显示全部楼层
多谢分享! 学习了 !!

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