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[VoLTE] VoLTE核心网组网及其VPN互通研究 [复制链接]

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发表于 2015-12-29 22:12:58 |显示全部楼层
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作者:钟玮,叶卫明,赵旭凇 (中国移动通信集团设计院有限公司浙江分公司
【摘 要】首先分析了4G LTE的话音解决方案,然后阐述了VoLTE核心网的原理及组网架构,最后研究了某通信运营商VoLTE的试验网实际组网测试及其VPN互通策略,以期为VoLTE的商用部署提供积极的决策参考。

内容摘要:
1 VoLTE核心网基本原理
  1.1 LTE话音方案概述
  2014年是4G LTE商用部署的元年,LTE核心网EPC没有移动电路域,其话音方案不同于以往的任何移动通信系统。而话音目前是电信运营商的首要业务,且在未来相当长的时期内仍将是电信运营商最重要的业务之一,如何为客户提供便捷的基于LTE终端的话音业务是LTE要解决的首要问题之一。
  目前为LTE提供话音业务的方案主要有Voice over LTE和Voice over 2G/3G。其中,Voice over 2G/3G是指通过网络控制实现话音业务由2G/3G的电路域提供,主要包括CSFB(CS Fallback,电路交换域回落)和多模双通终端这2种方案;Voice over LTE是指话音由LTE的空中接口承载的方案,主要是IMS Voice over LTE(VoLTE)。VoLTE是3GPP标准定义的基于IMS网络的LTE语音解决方案,通过TD-LTE网络作为业务接入,IMS网络实现业务控制的语音解决方案。VoLTE支持高清话音和高清视频等通信业务,能够继承现有各种主要增值业务,并可通过IMS控制快速实现各类业务部署,同时通过eSRVCC技术实现4G与2G/3G覆盖区域之间的语音业务连续性。
  对电信运营商的现有网络而言,几种LTE话音技术的主要区别如表1所示。
  从技术发展和网络演进的趋势来看,随着LTE的规模应用,LTE的部署将越来越完善。VoLTE作为真正直接由LTE实现话音的技术,由于其完全符合网络发展演进的规律,将逐渐成熟并成为LTE话音的最主要的应用技术。
  VoLTE技术可无缝继承原有CS域网络提供的所有业务,包括紧急呼叫、监听等通用服务和管制类业务,实现端到端的QoS控制,保证语音通话质量。由于话音承载在IP上,可通过IMS为用户提供更多的富媒体业务,能够和OTT竞争,且充分保留用户的标识(如MSISDN等),利用运营商最大的号码资源继续挖掘业务盈利。IMS架构也是业界公认的下一代核心网络,已经有成熟的3GPP标准规范支持,充分地保证了用户的漫游和网间的互联互通。
  当前国际上已有韩国SKT和美国Verizon等运营商部署了VoLTE,但主要采用的是LTE网络内的话音实现方案,eSRVCC等技术尚未得到全面验证。中国移动于2013年6月发布了VoLTE技术白皮书,表达了中国移动对VoLTE的积极态度,并于8月开始搭建中韩VoLTE演示网,11月顺利进行了中韩之间VoLTE高清话音和高清视频的演示。同年12月开始小规模试点建设VoLTE试验网,初步验证了基于试验网环境的VoLTE网络端到端整体组网的成熟度,并检验了eSRVCC技术在解决4G与2G/3G切换的成熟度。这不仅为规模试点做了丰富的技术准备,而且为VoLTE规模商用提供了积极的参考。
  1.2 VoLTE组网基本原理
  如图1所示,VoLTE基本原理是利用LTE的EPC作为透明传送的IP通道,将LTE终端接入IMS网络,由IMS网络为其提供话音业务,PCC架构提供端到端的QoS保障。
  (1)IMS终端发送IMS APN请求,LTE/EPC为终端建立IMS承载,传送IMS信令(承载建立过程中由PCRF控制)。
  (2)P-CSCF发现:P-GW提供给IMS终端P-CSCF地址。
  (3)IMS终端发起至IMS域的“注册”(从USIM卡中导出IMPI)。
  (4)P-CSCF根据IMPI的realm寻址用户归属域的I-CSCF,I-CSCF直接(或经SLF)寻址用户归属HSS,I-CSCF根据“能力集”选择S-CSCF。
  (5)S-CSCF从用户归属HSS获取“五元组鉴权”数据,对用户鉴权。
  (6)终端返回“鉴权向量”,S-CSCF对用户“鉴权”。
(7)S-CSCF根据IMPU(终端从USIM卡中导出的“临时IMPU”)从HSS下载用户签约数据,并根据iFC触发至相应的AS的“注册”,并告知终端。
  为了解决初期LTE覆盖不足的问题,在非LTE覆盖区域保持话音业务的连续性,引入了SRVCC技术方案。SRVCC的业务实现方案如图2所示:
  图2 SRVCC的业务实现方案
  终端先在IMS域发起注册,通过ATCF(ATCF可与SBC合设)经CSCF→SCC AS(业务集中和连续性应用服务器)→HSS→MME路径,SCC AS记录用户媒体信息,并将用户路由号码(ATCF或SCC AS)发送给MME,当用户发生SRVCC时用于会话传送。
  SRVCC通话过程中移动到没有LTE覆盖的地方时,将语音切换到CS域,本质是一个切换过程。媒体的切换点是对端网络设备(如对端UE),本端接入网络发生变更后,需要将变更后的本端承载设备地址等信息发送给对端网络设备,进行承载地址的更新,重新建立端到端的信令和承载。IMS更新远端媒体,理论上会话短时中断几百毫秒。VoLTE/SRVCC需解决被叫用户域选择、QoS保障等重点问题。
  为了在漫游或者运营商互通等任意场景下减少SRVCC的切换中断时延,引入了eSRVCC技术。eSRVCC主要增强了远端会话更新流程,媒体切换点改为更靠近本端的设备,以减少变更消息传输时长。通过在ATCF/ATGW锚定信令面和媒体面的方法,来避免IMS Session Transfer流程。发生eSRVCC切换时,只需要创建UE与ATGW之间的承载通道,对端设备与ATGW之间的媒体流还是通过原承载通道传输。eSRVCC的业务实现方案如图3所示:
  图3 eSRVCC的业务实现方案
  2 VoLTE核心网组网研究
  2.1 某电信运营商VoLTE核心网第一阶段试验网组网
  某电信运营商于2013年8月开始搭建VoLTE试验网,11月与韩国SKT进行了VoLTE高清话音和高清视频的互通演示,向产业界释放积极信号。
  该VoLTE一阶段试验网组网原则:主要是快速搭建测试环境,充分利用现网设备,不新增硬件,采用新增部分网元之间接口的方式实现组网。不部署SRVCC和eSRVCC,采用LTE覆盖区定点测试的方式打通VoLTE高清话音和高清视频。
  本阶段测试主要目的是为了尽快部署VoLTE演示网,采用尽量简单的网络结构,部分接口采用专线连接的方式。本期工程通过传输专线连接省内SAE-GW与SBC,通过国际专线打通了与韩国SKT的是VoLTE演示网的路由。
  从VoLTE演示网定点测试的初步结果来看,定点演示高清视频流畅、高清话音逼真,话音接通时间基本在2s以内,初步验证了VoLTE基于全IP缩短呼叫接通时间的原理。
  2.2 VoLTE核心网第二阶段试验网组网
  在第一阶段VoLTE试验网成功演示之后,该运营商着手部署第二阶段测试环境,VoLTE二阶段测试将是验证VoLTE商用能力的重要阶段。测试区域全网具备eSRVCC能力,重点验证端到端的组网环境及厂家设备的成熟度。
  从初步测试结果来看,主被叫均在LTE网络下,话音接通时间基本在2s以内;主被叫一方在2G/3G网络或者两方都在2G/3G网络时,话音接通时间为5~8s,改善不明显。在VoLTE用户主被叫通话时进行2G/3G/4G切换,可通过eSRVCC技术基本保持话音连续,不影响用户感知。
  3 VoLTE组网中的VPN互通研究
  3.1 VoLTE核心网第一阶段试验网组网中的VPN互
  通方案
  VoLTE测试环境对现有核心网侧的PS域、CS域、IMS域等均有较高要求,需打通PS域、CS域以及IMS域等各大系统,核心网的高效连接组网将极大影响VoLTE的网络运行效率及网络质量。当前IMS、软交换、PS域、CMNET等均有独立的VPN隔离。VoLTE第一阶段测试基于对现网尽量少的改动且尽快完成改造的原则,主要新增了SBC与SAE-GW之间的SGi接口,目前采用专线连接的方式实现。VoLTE试验第一阶段VPN组网如图4所示。
  各大系统之间的VPN如表2所示。
  3.2 VoLTE核心网第二阶段试验网组网中的VPN互
  通方案
  该电信运营商第二阶段VoLTE测试要求测试区域全网具备eSRVCC能力,涉及的网元及接口如表3所示。
  对应的VPN组网如图5所示。
  由于各个VPN当前基本隔离,为了保证网络的安全性并较好地实现VoLTE组网,可采取网元网口双跨来有效解决多承载网间互通的问题。
  4 结束语
  中国移动在2011年率先启动TD-LTE扩大规模试验网建设,随着LTE各个产业链的不断成熟,LTE的大规模商用部署势在必行。如何进行LTE核心网EPC的建设和部署,如何高效地实现LTE话音业务并研究其发展演进的规律,这都迫切需要进行更详细的研究和分析。
  本文通过简要分析LTE的话音实现方案,对VoLTE的技术原理进行研究,其中重点研究了某电信运营商VoLTE第一阶段和第二阶段试验网的组网架构及演示效果,并对VoLTE核心网中各主要网元的VPN互通进行详细分析,以期为VoLTE的商用部署提供积极的决策参考。
  参考文献:
  [1] 姜怡华,许慕鸿,习建德,等. 3GPP系统架构演进(SAE)原理与设计[M]. 2版. 北京: 人民邮电出版社, 2013.
  [2] 徐德平,程日涛,张新程. VoLTE关键技术及部署策略研究[J]. 电信工程技术与标准化, 2014(2): 75-79.
  [3] 周峰,许正锋,罗俊. VoLTE业务与技术实现方案的研究与分析[J]. 电信科学, 2013(2): 31-35.
  [4] 张长青. TD-LTE终极语音技术VoLTE应用分析[J]. 移动通信, 2014(3): 52-56.
  [5] 朱斌,文涛,符刚,等. VoLTE部署关键问题研究[J]. 邮电设计技术, 2014(2): 1-5.
  作者简介
  钟玮:高级工程师,现任中国移动通信集团设计院有限公司浙江分公司总经理,长期从事移动通信核心建筑结构、通信网络的规划和研究工作,在各类一级专业刊物上发表论文多篇。
  叶卫明:高级工程师,工学硕士毕业于南京邮电学院,现任中国移动通信集团设计院有限公司浙江分公司项目经理,长期从事移动通信核心网的规划和研究工作,目前主要从事4G及VoLTE的规划研究和测试工作。
  赵旭凇:教授级高级工程师,工学硕士毕业于北京邮电大学,现任中国移动通信集团设计院有限公司浙江分公司副总经理,长期研究跟踪移动通信网络发展的新技术和新方向,著有数本TD-LTE有关技术专著,并在各类一级通信刊物上发表论文多篇。
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