LTE 核心网语音解决方案研究

LTE核心网语音解决方案研究李祥崇（中国移动辽宁公司鞍山分公司114001）摘要:本文主要介绍了各种LTE/EPC语音解决方案原理及LTE/EPC语音部署策略，比较了几种语音解决方案的优劣及演进方向，重点分析了SRVCC(SingleRadioVoiceCallContinuity)部署需要解决的关键问题，并介绍了演进的优化语音解决方案eSRVCC。关键词:EPC;LTE;CSFB;SRVCC;eSRVCC;VoLTE1.引言LTE即LongTermEvolution，即我们常说的4G技术，LTE/EPC是一个单纯的分组交换系统，不支持传统的电路交换业务，因此对传统的语音业务集成面临很多挑战，是全球运营商进行LTE/EPC网络署的焦点问题。用户对移动数据业务的需求增长以及技术的发展成熟推动了4GLTE的商用进程，全球移动设备供应商协会（GSA）的最新统计，截止到2013年9月5日，全球已部署213个LTE商用网络，预计未来几年LTE还将迎来大量部署。LTE核心网EPC是以GPRS架构为基础而演进的，是扁平化的全IP架构，电路域(CS域)不再存在，但近期内以及未来语音通信业务仍是用户的刚性需求，并且是运营商收入的主要来源，因此LTE/EPC网络部署需要考虑在不改变用户使用习惯，不影响用户使用感知的情况下，对语音业务进行接续。2.LTE语音解决方案概述目前，业界讨论较多的LTE/EPC语音解决方案大致有四种：①SVLTE解决方案（SimultaneousVoiceandLTE）②CSFB解决方案（CircuitSwitchedFallback）③VoLTE+SRVCC解决方案(SRVCC，SingleRadioVoiceCallContinuity)④OTT解决方案（OverTheTop）2.1SVLTE解决方案为了快速部署LTE/EPC网络，并减少对现网所造成的影响，目前绝大多数运营商选择在LTE/EPC商用初期独立建网，针对数据业务热点区域进行LTE覆盖并且仅部署数据业务，语音仍然由传统电路交换网络提供，该方案需要终端支持多模双待，能同时收发2G/3G和LTE信号，语音业务和消息业务使用2G/3G网络，数据业务优先使用LTE网络的解决方案。2.2CSFB解决方案在建设LTE网络初期，如果运营商已经有成熟的UTRAN/GERAN网络，出于对CS投资的保护，结合LTE网络的部署策略，运营商可以采用原有的CS域语音方案来提供语音服务，而LTE网络仅处理数据业务(包括IMS数据业务)。这种情况下，采用CSFB技术，即LTE覆盖下的UE在处理语音业务时，终端先回退到CS(电路域)网络，在CS网络处理语音业务；这样就达到了重用现有的CS域设备来为LTE网络中的用户提供传统的语音业务的目的。CSFB解决方案是3GPP定义的单待LTE终端的语音业务解决方案之一，要求驻留在LTE网络中的单待终端通过MME注册到MSC上，基于3GPP标准规定的SGs接口（EPC核心网MME与2G/3G核心网MSCServer之间接口）执行联合鉴权和位置更新操作，由HLR记录用户附着MSCServer信息；针对3GPP2定义的1xRTT网络，需升级原有MSCServer或新建IWS网元支持S102接口以完成上述功能。在需要开展语音业务时，终端执行由驻留在LTE网络至2G/3G网络的切换（重选）流程，回落至2G/3G后接入电路域核心网完成语音接续，语音结束后返回LTE网络，如图1所示。该方案需要2G/3G完全覆盖，且所有与LTE网络存在切换关系（无线覆盖范围重叠）的MSCServer均需升级改造。但是CSFB的使用是有前提条件的，那就是只有在E-UTRAN与UTRAN/GERAN的重叠覆盖区域，并且用户具有CSFB功能的时候，才能使用电路域回落。图1SRVCC网络结构及呼叫流程示意图2.3VoIMS+SRVCC解决方案VoIMS+SRVCC指的是单无线模式终端从LTE网络切换到3GPPUTRAN/GERAN时话音呼叫的业务连续性。此方案主要解决LTE网络部署语音业务时存在的问题，在LTE网络下，终端使用基于IMS的（VoLTE）VoiceoverLTE建立话音业务；当LTE没有达到全网覆盖时，随着用户的移动，正在进行的语音业务会面临离开LTE覆盖范围后语音能否连续的问题，这时，SRVCC可以将语音切换到电路域，从而保证语音通话的不中断。SRVCC方案基于IMS实现，因此网络上需要部署IMS系统以及SCCAS设备。另外，只有UTRAN/GERAN网络开通语音业务后，才会在特定场景需要使用SRVCC。SRVCC方案允许语音呼叫从LTE侧(或HSPA)的IMS呼叫切换到2G/3G的CS域。2.4OTT解决方案随着LTE在全球的大规模商用，LTE理论上可提供下行100Mbps，上行50Mbps的传输速率。这为OTT语音通信软件实现无时延、清晰实时语音通信提供了可能。OTT语音通信已经成为了运营商语音通信的重要竞争对手。基于OTT的LTE语音解决方案并不是运营商的语音解决方案，主要是SP厂商利用运营商建立的LTE网络作为承载，采用各自私有或开放的架构实现VOIP通信，例如GoogleTalk、Skype和微信等软件实现互联网语音通信。该方案对运营商的传统语音业务具有较大的冲击，即使无法保证运营商级的语音质量，但是其低廉的价格以及友好界面已吸引了越来越多的用户。运营商虽然在网络建设上投入巨额资金，结果却为OTT语音通信做了嫁衣，这已引起了运营商重视，为应对OTT语音的冲击，应该充分考虑产业链的开放合作，智能管道的运营以及用户价值的提升。3.LTE语音部署策略研究运营商级的LTE/EPC语音解决方案在标准支持、现网改造影响、业务体验及适用场景等方面均存在较大区别，比较分析情况如表1所示:表1三种LTE语音策略比较分析情况表SVLTECSFBVoIMS+SRVCC业务体验•语音和承载业务可以并发•语音体验同现网•国际漫游不受限制•双卡使用有些复杂存在耗电和干扰•可以利用已有的CS技术•语音质量有保证•不需要部署IMS•语音和数据业务可以并发•需要在有IMS部署的地方采用VoLTE•语音呼叫切换时延在R10版本中讨论优化方案•切换过程复杂，可能降低切换成功率对网络的改造要求•对现有2G/TD网络改造较小•需要全网的MSC和HLR改造支持RoamingRetry功能•需要LTE覆盖区的MSC升级支持SGs接口•需要部分MSC升级支持与LTE的切换•需要MME升级支持Sv接口（或S102接口）•需要全网HLR升级支持融合的HLR/SAEHSS/IMSHSS•需要IMS部署SCCAS适用场景•适用于LTE/EPC建网•初期，独立部署，并快速推出语音业务•适用于LTE/EPC建网初、中期，LTE网络热点地区小范围覆盖•IMS网络未部署或已部署但暂不支持ICS•适用于LTE/EPC规模商用阶段，LTE大面积连续覆盖，IMS网络部署支持与接入无关的话音业务及多媒体业务存在问题•终端待机时间短成本高，且存在射频串扰等潜在问题，用户感知差•多网并存，增加运维成本•需要多模终端的支持•只有在2G/3G网络上才能实现语音和数据的并发•呼叫时延稍长•完成IMS网络部署，支持移动语音•对现网升级改造以支持•SRVCC性能需要进一步优化验证运营商针对LTE/EPC部署时的语音解决方案选择在考虑技术本身外，还受到终端产业链支持状况、技术选择与资本投入的平衡、现网投资保护以及整体网络发展战略定位等多方面因素的影响。例如，已经部署或计划部署IMS的LTE运营商(现网有CS域)与部分不打算通过IMS提供语音业务(定位于纯管道运营，只提供数据业务)的LTE运营商对CSFB和SRVCC方案的选择具有明显的偏向性。综合考虑，“VoIMS+SRVCC方案”相比“CSFB方案”具有更强的业务能力，是LTE网络语音提供业务的目标方案，但是需要IMS网络的支持，且SRVCC方案有待进一步优化和验证。考虑不同运营商对IMS网络的投入成本、建设周期规划等因素以及SRVCC技术成熟度，语音业务部署初期可考虑多模双待方式或较易实现的“CSFB方案”，后续根据IMS网络建设情况以及SRVCC方案的成熟，适时引入该方案。另外，几种LTE语音解决方案之间也并不矛盾，可能将在一段时期内长期共存并互相作为补充。4.SRVCC解决方案4.1SRVCCUE从LTE(语音呼叫承载在GBR(GuaranteedBitRate)上，数据会话承载在非GBR上UE上语音呼叫与数据会话可能并存)切换到2G/3G时，语音呼叫按照SRVCC流程切换到CS域，而数据会话按照InterRAT(多无线技术间)切换流程切换至PS域。3GPP提出的SRVCC网络架构以及切换前后的媒体流示意如下图所示:UEE-UTRANMMEMSCServerTargetUTRAN/GERANServing/PDNGWIMSUEUm/UuIu-cs/AS3SvS11S1-MMES1-UE-UTRANUuSGiHSSS6aSGSNIu-ps/GbBearerpathbeforeHOBearerpathafterHOSIPsignalingpathbeforeHO图23GPP定义的SRVCC网络架构示意图SRVCC技术实现要求网络架构(如图2)中相关网元均需进行升级改造以支持相关流程:(1)3GPP2G/3G新增EnhancedMSCServer(简称eMSC)与MME之间增设Sv接口(基于GTPv2协议)；3GPP22G/3GMSC与MME之间新增IWS网元(互操作功能实体)，引入S102接口(基于UDP/IP协议)。Sv/S102接口用于发送LTE与2G/3G切换时的鉴权信息，执行切换发起与确认等流程。eMSC还类似于eAGCF，作为CS域在IMS核心网的接入设备。(2)EPC核心网中MME升级支持Sv(或S102接口向eMSC(或IWS)发起SRVCC切换请求，并执行VoIP和非VoIP媒体分离功能及协调PS切换与SRVCC切换。(3)IMS核心网新增SCCAS(ServiceCentralizationandContinuityAS)作为信令锚点协助完成LTE至2G/3G语音的切换。在LTE侧呼叫时，SCCAS为主叫侧第一个触发的AS，被叫侧最后一个触发的AS；SCCAS在接收切换指示消息后判断切换消息的合法性、寻找原呼叫、用新呼叫的leg更新远端leg，释放原始呼叫的近端leg。(4)EPC心网中HSS新增用于SRVCC的参数STN-SR(SessionTransferNumberSingleRadio，会话迁移号)、C-MSISDN。SRVCC简要的业务流程如下：(1)支持SRVCC功能的用户在LTE侧发起IMS注册时，SCCAS会为其分配STN-SR，更新到IMS-HSS上，并通过IMS-HSS传递给EPCHSS，EPCHSS更新至用户注册的MME。(2)终端在通话过程中，E-UTRAN根据网络状况，指示MME执行SRVCC切换。(3)MME根据当前承载业务状况决定是否分别进行语音业务的SRVCC切换和数据业务的InterRAT切换过程；SRVCC切换过程中，转发相关参数(STN-SR，C-MSISDN)给eMSC。(4)eMSC向IMS域发起SIP会话切换流程(STN-SR作为被叫号码被路由到SCCAS，然后SCCAS通过C-MSISDN关联到原呼叫，并发起到远端的媒体切换)，以及向CS域发起无线侧承载切换流程。(5)eMSC完成CS域承载资源准备后，通过Sv接口通知MME(携带了CS切换命令信息)，MME通知E-UTRAN指示UE开始切换。上述业务流程中，步骤(4)中的无线侧切换和IMS侧切换部分并发，该步骤决定了SRVCC整体切换时延和切换成功率。如果提前进行IMS侧切换，可以改善上行媒体流中断时延，但下行改善不明显且整体切换时长增加;如果先无线侧切换，再IMS侧切换，可以改善下行时延和整体切换成功率，但是整体时延加大，仍影响用户感知。针对SRVCC存在的问题，