LTE语音目标解决方案--VoLTE技术

2013年11月第11期现代电信科技ODERNSCIENCE&TECHNOLOGYOFTELECOMMUNICATIONS现代电信科技M····························摘要：文章对LTE网络下的目标语音解方案--VoLTE技术做了详细的分析，涉及VoLTE技术实现的各个层面，包括VoLTE技术的基本架构、基本业务流程、设备功能要求和互通技术等，并对几种LTE语音解决方案的应用进行了比较和总结。关键词：LTE，CSFB，SRVCC，IMS，VoLTE，互通Abstract：ThisarticleanalysesVoLTEtechnologywhichisthetargetvoicesolutionsinLTEnetworkindetail.DifferenttechnologiesforVoLTEarede原scribedhere,whichincludesthebasicarchitecture,basicprocedures,equipmentfunctionsandinter原workingschemes.Thepossibleapplicationsforsev原eralvoicesolutionsarealsomentionedintheend.Keywords:LTE,CSFB,SRVCC,IMS,VoLTE,In原terworkingLTE语音目标解决方案———VoLTE技术许慕鸿工业和信息化部电信研究院通信标准研究所高级工程师1引言虽然演进的分组系统（EPS:EvolvedPacketSystem）最终可以为用户提供LTE语音（VoLTE：VoiceoverLongTermEvolution）业务，但是，由于各个运营商现有的网络运行模式不同，语音业务从电路域往全IP网络的业务模式转变路线和时间点也将会各不相同。对于国外有些小规模的移动运营商以及新建网络的运营商来说，有可能直接进入EPS网络运营阶段，采用IP多媒体子系统（IMS：IPMultimediaSubsystem）业务控制系统来提供各种业务，包括实时语音业务，可以完全实现电路域现有的全部业务。但是，对于已经部署了成熟的2G/3G网络的运营商，考虑到目前的电路域网络已经能够提供高质量的语音业务、补充业务和增值业务，而且其网络管理能力也非常完善，出于对建设和网络成本的考虑，最大限度地重用运营商在传统网络的投资的目的，这些运营商的网络演进过程会是阶段性的。业界普遍认可的一种演进步骤，是在EPS网络的初期建设只做热点覆盖，并只给EPS用户提供数据卡业务；随33eatrues本期特稿FMSTTNovember2013····························着EPS网络部署规模的扩大，逐渐提供各种实时语音业务及消息类业务等。基于以上考虑，业界对如何在EPS网络发展的过渡阶段实现语音业务连续性，进行了全面的分析和技术评估，提出了电路域回落（CSFB：CircuitSwithedFallback）和单无线频率语音呼叫连续性（SRVCC：SingleRadioVoiceCallContinuity）两种过渡期方案。CSFB就是在LTE和2G/3G的双覆盖区域，用户可以从LTE系统回落到CS域来使用电路域现有的业务，包括话音、定位业务和补充业务等。支持CSFB的终端需要在EPS和CS域进行双注册。当终端有语音业务的时候，由网络根据策略决定将该终端切换到2G/3G电路域完成语音业务。CSFB方案要求LTE与2G/3G区域重叠覆盖，这样终端才能同时注册到LTE和2G/3G网络，并且随时可以切换到2G/3G网络执行电路域业务。此外，在运营商的EPS网络发展过程中，可能会出现EPS网络在部分地区能够提供VoIP业务，但不能实现VoIP业务全覆盖的场景，此时可以考虑借用2G/3G网络电路域的覆盖来保证业务本身的全覆盖。在EPS网络覆盖好的地区使用IMS的VoIP业务，当用户到达EPS网络覆盖边缘却具备良好2G/3G网络覆盖时，可在EPS网络控制下，将用户正在进行的VoIP通话接续到2G/3G网络电路域。为了实现两个接入系统间语音业务切换的连续性，3GPP提出SRVCC方案，通过IMS域网元对语音业务进行信令和媒体的接续、转接。SRVCC实际上是个切换过程，通过IMSSRVCC的应用服务器（AS：ApplicationServer）和承载网络实体（MME：MobilityManagementEntity）/移动交换服务器（MSCServer）的配合，实现语音业务的连续性。语音业务的信令从IMS向MSCServer转接，承载信令从MME向MSCServer转接，用户媒体数据流从IMS-媒体网关（MGW：MediaGateway）转接到MGW。与CSFB方式不同的是，CSFB是在EPS与2G/3G重叠覆盖区域内发生回落切换，而SRVCC则是在LTE网络失去覆盖的时候，才发生到2G/3G网络电路域间的切换。下面给出了LTE网络可能演进的一个过程举例。需要注意的是，各个运营商的LTE网络演进方式各不相同，有可能跳过以下提到的某一步，直接到达VoLTE目标网架构。阶段1：最初的LTE网络规模小，终端模式简单，双模双待机，同时驻留在LTE网络和2G/3G网络，LTE网络只提供数据业务，语音业务由2G/3G网络提供。阶段2：随着网络的改造，终端功能完善，系统提供CSFB功能，此时终端是双模单待模式，可以接入LTE网络和2G/3G网络，但只能驻留在一个系统下。一般终端都是驻留在LTE网络下，可以执行数据业务，一旦有语音呼叫，终端将无线接入切换到2G/3G系统下，即驻留到2G/3G网络中，执行普通的2G/3G语音呼叫。呼叫完成后将再切换到LTE系统下。阶段3：如果运营商IMS系统成熟，终端能力允许，VoLTE语音逐渐开展，在未覆盖LTE区域，系统通过SRVCC技术，实现语音业务的切换，将用户的语音业务从LTE切换到2G/3G系统中。阶段4：LTE全面覆盖，技术和设备完全成熟，将全网实现VoLTE业务，SRVCC和CSFB功能将不再使用。本文将主要对LTE的语音目标解决方案———VoLTE技术进行分析。2VoLTE语音方案分析2.1基本架构EPS系统在部署初期有可能只为用户提供数据业务，在这个阶段核心网部分仅有演进的分组核心网（EPC：EvolvedPacketCore）网络就能满足对运营商的业务需求；但随着网络的发展和演进，终将要在EPS系统为用户提供VoIP业务，此时仅有EPC网342013年11月第11期现代电信科技ODERNSCIENCE&TECHNOLOGYOFTELECOMMUNICATIONS现代电信科技M····························图1VoLTE系统架构示意络就无法满足需求了，需要同时部署IMS和PCC系统提供业务控制和QoS策略控制。尽管从理论上说，用户通过EPS分组域就可以实现所有的业务，但如果没有独立于EPS分组域之上的业务层来提供业务控制，用户在业务的服务质量（QoS）、计费等方面都将会存在问题。用分组域提供实时多媒体业务的主要问题是网络只能尽力而为地提供业务而不能保证业务的服务质量。例如，对于VoIP业务，用户在通话过程中的语音质量就可能变化很大，可能会出现声音时好时坏的现象。跟现有的电路域语音质量比，这样没有QoS保证的通话是无法让人接受的。但如果采用IMS系统作为业务控制层，就可以提供具有QoS保证的实时多媒体会话控制机制，很好地解决这个问题。因此，鉴于IMS系统的特点和优势，业界已倾向采用选择IMS系统为EPS系统的用户提供VoIP语音业务控制。采用IMS作为业务控制层系统的另一个原因是能够合理、灵活地对多媒体会话进行计费。运营商可以基于用户的QoS，针对用户业务的不同内容，提供不同的资费标准。比如，需要区别是VoIP会话还是一次网页浏览或者是一条即时消息等不同业务进行计费。采用IMS的第三个原因是运营商可以对不同的业务进行整合。IMS定义了为业务开发商使用的标准接口，运营商能够在多厂商环境下提供业务，避免绑定在单一厂商来获取新业务。如果采用IMS作为业务控制层系统，那么，从整个通信系统的网络架构来看，EPS网络其实是位于承载层，提供通信所需的信息的传递。在实现VoIP业务的过程中，除了由EPS系统提供承载，由IMS系统提供业务控制外，还要由策略和计费控制（PCC：PolicyandChargingControl）架构实现用户业务QoS控制以及计费策略的控制。EPS系统提供VoIP业务的系统架构如图1所示。2.2基本流程从业务实现流程来看，一个初次签约到EPS系统的用户，如果要实现端到端的VoIP业务，要经过EPS附着、IMS注册、业务发起和会话控制过程（包括专有承载和IMS层信令交互）、资源释放过程等几个阶段。一般来说，用户开机就会附着到EPS网络中，归属用户服务器（HSS：HomeSubscriberServer）里有了用户的位置信息，MME里也有了用户的签约信息，同时系统还会为用户建立默认承载。但是，用户在附着完成之后，未必马上就打电话，而只是简单地附着在网络上。如果用户长时间没有执行业务，根据运营商的策略，是有可能将空口和S1-U接口的默E-UTRANUESGSNGERANUTRANMMEHSSSGWPGWPCRFLTE-UuS1_US5/S8SGiS7RxCx/Dx/ShS6aS3S4S12GmP-CSCFS-CSCFI-CSCFAS35eatrues本期特稿FMSTTNovember2013····························图2附着过程认承载资源释放掉的，而仅保留服务网关（S-GW：ServingGateWay）与分组数据网网管（P-GW：PackteDataNetwork-GateWay）之间的默认承载。如果用户同时也是IMS用户，签约了IMS业务，那么，在完成承载层的附着之后，通常就会进行IMS层的注册。此时，IMS层的注册消息就要在附着过程中建立好的默认承载上传递了。VoIP的用户要打电话的时候，IMS层最初的INVITE消息同样属于呼叫控制信令，也是在默认承载上传递的。在话音建立的过程中，一般会在主、被叫两段的资源协商好的情况下，才建立满足话音业务QoS需求的专用承载资源。下面以默认承载来传递IMS信令为例，描述新开机用户执行一个端到端的VoIP业务的过程。（1）附着过程在附着过程中，用户设备（UE：UserEquipment）的相关位置信息、能力等将会登记到相关的网络实体中。附着过程中还为UE建立“永远在线”的连接，同时为UE分配IP地址。附着过程完成之后，系统中用户的状态就会从“未注册”变为“已注册”，核心网中记录了用户的位置信息，核心网相关节点中建立了用户的上下文，为用户提供业务做好准备。附着过程中执行的主要操作如图2所示，包括：用户发起附着过程，发送非接入层消息“附着请求”给MME。MME根据消息中所带的用户标识信息，可判断是否要求用户先前注册的MME对附着请求消息进行完整性校验，并在成功后传递安全相关参数。如果在原先的MME中没有找到用户的上下文，MME还可要求用户提供其国际移动用户识别码（IMSI：InternationalMobileSubscriberIdentity）。MME可根据运营商配置发起安全过程，其中包括鉴权和非接入层（NAS：Non-AccessStratum）安全过程的建立。之后，MME要求删除可能存在于其他节点的、该用户未正确释放的资源，并与HSS交互更新位置信息。以上过程完成后，MME将发起默认承载建立的过程。默认承载建立的过程中或过程后可为用户分配IP地址。默认承载建立成功后，网络向用户返回“附着接受”消息，该消息触发空中接口为用户配置相应的承载。用户接着返回“附着完成”消息，指示完成建立的EPS承载以及NAS相关信息。在用户第一次附着到网络的过程中，网络记录用户的位置信息，相关节点为用户建立上下文；附着到网络后，