VoLTE業務與技術實現方案的研究與分析

周 峰，許正鋒，羅 俊

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海200122）

1 引言

當前，LTE網絡建設與業務開展正在全球范圍內如火如荼地進行。截至2012年11月，全球已經有105個國家的電信運營商進行了360個LTE商用網絡的建設，其中，113個網絡已經投入商用。預計到2013年底，LTE用戶數量可以突破2億，發展勢頭迅猛[1]。

LTE網絡的頻譜利用率高，在20 MHz的帶寬內，可以提供下行最大100 Mbit/s，上行最大50 Mbit/s的峰值速率。在接入網方面，LTE采用了正交頻分復用（orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM）、多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）、自適應調制編碼（adaptive modulation and coding，AMC）等無線空口技術[2]。在核心網方面，LTE完全放棄了2G/3G網絡的電路域（circuit switch，CS），采用純粹的交換域（packet switch，PS）來提供各種業務。

話音業務是移動通信網為用戶提供的基礎業務之一，也是運營商最重要的業務收入來源之一。在2G/3G網絡，話音業務由核心網電路域（CS）提供支持。由于LTE只有交換域而沒有電路域，因此在LTE時代如何順利實現對話音業務的承接，成為一個重要的研究課題。

本文首先分析了LTE時代的多種話音業務方案，通過比較各種方案的特點，指出VoLTE（voice over LTE）是未來的主流方案，并給出了VoLTE的技術實現方法和業務流程。針對VoLTE網絡建設和業務部署的難點問題，本文梳理了解決這些問題的關鍵技術方案。

2 LTE話音解決方案

順利承接話音業務是LTE網絡的一項關鍵任務。圍繞LTE時代的話音業務，業界提出了多種解決方案[3]，可供商用選擇。

·SVLTE（simultaneous voice and LTE）方案，在這種方案中，終端同時駐留在2G/3G和LTE網絡中。傳統的電路域提供話音業務，LTE網絡提供數據業務，數據和話音同時并發。

·CSFB（circuit switch fallback）方案[4]，在這種方案中，LTE只提供數據業務。當用戶發起或接受話音業務時，回落到原有網絡，如GSM/UMTS/cdma2000 1x。

·VoLTE方案，在這種方案中，話音業務由LTE數據域提供支持，LTE通過IP多媒體子系統（IMS）提供基于IP數據分組的話音業務。

以上3種話音解決方案在承載方式、網絡要求、終端要求、網絡覆蓋要求、并發需求、時延等方面各有不同，歸納總結見表1。

表1 3種話音解決方案比較

VoLTE方案基于LTE的分組域進行，而其他方案如CSFB和SVLTE則通過電路域來提供話音業務。使用電路域資源提供話音業務的方案一般應用在LTE部署初期、LTE用戶數量較少的情況下，只能作為一種過渡方案。相對于電路域方案來說，使用LTE IMS提供VoLTE話音業務有以下兩個優勢：一方面，LTE具有很高的頻譜利用率；另一方面，LTE IMS能提供更好的用戶體驗，話音清晰、時延短，并且可以融合視頻多媒體等多種業務。

隨著LTE網絡的加速到來和IMS的部署，VoLTE將成為主流的話音解決方案。2012年8月8日，韓國電信運營商SK電訊、LG U+宣布商用VoLTE,成為全球首批商用VoLTE業務的運營商。SK電訊的VoLTE采用高質量話音（HD voice）技術，并將在未來提供更多的富通信業務（RCS）。此外，Metro PCS也在2012年8月通過LG智能手機推出了VoLTE服務；美國Verizon Wireless也擬在未來提供VoLTE業務，并聲稱2014年VoLTE將成為其唯一的話音服務技術。

3 VoLTE技術實現方案

隨著IMS和VoIP業務的部署，通過LTE網絡的數據域部署話音業務成為一個引發業界關注的方式。2009年11月，“One Voice”聯盟（由幾個主要的運營商和設備制造商組成）發布了與3GPP標準兼容的基于IMS的話音業務框架。基于One Voice，GSMA在2010年2月發布了LTE數據域話音業務方案，即VoLTE方案[5]。該方案基于IMS，提供全IP化的話音服務。VoLTE采用了寬帶AMR話音編碼（W-AMR）技術，音頻范圍可覆蓋50～7 000 Hz，能實現更豐富、更自然的高清話音通話。

3.1 VoLTE網絡架構

VoLTE方案基于3GPP的IMS規范[6]，已經被業界公認為解決LTE網絡中話音服務的主要方案。VoLTE方案的網絡架構如圖1所示。

其中，PCRF（policy control rule function）實現業務策略控制功能，P/I/S-CSCF（call session control function）實現IMS呼叫會話控制功能，P-CSCF負責接收請求并向后傳遞，I-CSCF負責接收來自網絡內部的任何指向寄存器的連接，S-CSCF負責處理注冊、路由、維持承載、向HSS下載用戶信息和服務配置。

3.2 VoLTE業務流程

VoLTE業務遵循IMS的話音業務流程[6]，包含漫游和非漫游場景下的起呼、被叫等。端到端的VoLTE呼叫流程如圖2所示。

在圖2中，VoIP話音業務流程主要分為LTE終端開機、VoLTE呼叫建立、VoLTE呼叫釋放3個過程。首先通過UE與eNode B的無線連接建立、EPC注冊/缺省承載建立/VoLTE支持發現，完成IMS的注冊及用戶鑒權。然后建立UE與AS間的IMS VoIP會話，建立EPS專用承載，并開始VoIP話音會話。最后在呼叫結束后，進行IMS VoIP會話和專用承載的釋放。

4 VoLTE關鍵技術

盡管VoLTE的技術標準、網絡架構及業務流程非常清晰，但在實際的VoLTE建設和業務部署中，仍然存在很多困難和挑戰。例如，LTE網絡建設初期的覆蓋連續性問題、VoLTE話音質量保障、支持VoLTE的終端不足等。本文梳理了以下幾個關鍵因素，力求尋找面對挑戰以及克服困難的方法，提高VoLTE業務的用戶體驗，加快VoLTE業務的開展。

4.1 VoLTE與2G/3G網絡互操作

在LTE網絡建設初期多采用階段性的覆蓋方式。在LTE未覆蓋的區域，需要由原有網絡提供話音業務來保證業務的連續性。3GPP在R8版本制定了SRVCC（single radio voice call continuity）方案[7]，在LTE覆蓋的邊緣區域，將LTE上的VoIP呼叫切換到1x的CS域上。

在SRVCC方案中，呼叫始終錨定在IMS上，電路域連接被當作標準的IMS會話，電路域承載被當作IMS的媒介資源。因此，IMS可以提供連續服務，而不管其接入網的類型。這個概念被稱作IMS集中式服務 （IMS centralized service，ICS）。

在CDMA網絡中通過SRVCC實現話音業務的互操作，需要新建網元1xCS IWS以及S102接口，如圖3所示。在1xRTT MSC看來，1xCS IWS是一個BSC。該“BSC”的空中接口實際上是E-UTRAN。這樣使得E-UTRAN到1xRTT的切換在1xRTT MSC看來是一個跨BSC的切換。UE和1xRTT MSC之間的信令通過EPS信令連接、S102隧道傳送。該隧道使得UE同時和EPS的核心網以及1xRTT的核心網保持聯系。即UE可以從E-UTRAN向1xRTT MSC進行預注冊和呼叫的預建立，從而使得LTE到1xRTT的切換速度大大加快。

SRVCC方案目前尚未完全成熟，在SRVCC完全成熟以后，VoLTE可以利用原有2G/3G網絡提供業務連續性支持，在LTE網絡覆蓋空洞的地方提供業務連續性支持。

表2 3GPP規定的QCI

4.2 QoS保障技術

為了在LTE網絡的數據域上提供具有與傳統網絡相似甚至更好的用戶體驗的話音業務，需要由LTE網絡提供良好的QoS保障。

首先，LTE網絡在設計之初就考慮到為不同的業務提供不同的服務質量，通過對E2E承載，配置不同的QoS參數來區分業務等級。LTE為每一個承載都對應一個QoS類別標識（QCI），見表2。

其中，QCI=1的承載，用戶時延為100 ms，分組丟失率為0.01，可以用來提供話音服務：QCI=5的承載，優先級最高，時延100 ms，分組丟失率為0.000001，可以用來傳輸SIP信令。3GPP中的QoS保障機制，是LTE網絡中提供話音服務的重要基礎。

另外，為了保障VoIP業務的QoS指標，LTE還引入了一些優化手段，包括以下幾個關鍵技術。

·半靜態調度：每隔固定的周期在相同的時頻資源位置上進行該業務數據的發送或接收。使用半靜態調度傳輸，可以充分利用話音數據分組周期性到達的特點，降低系統開銷并減少時延，提高QoS。

·TTI綁定：對于上行的連續TTI進行綁定，分配給同一用戶，在這些TTI上發送相同數據塊的不同冗余版本，接收機進行合并。TTI綁定可以提高邊緣用戶的服務質量。

·ROHC壓 縮：LTE系 統 中 規 定，PDCP子 層 支 持 由IETF定義的頑健性報頭壓縮ROHC（robust header compression）協議對IP/UDP/RTP進行報頭壓縮，這樣可以有效地提高信道利用效率。

4.3 網絡與終端要求

VoLTE的網絡建設和業務部署對網絡和終端提出了一系列的要求。

·網絡架構方面：要求新增IMS相關網元，包括IMS核心網、HSS、MGCF/MGW、媒體服務器、應用服務器。并要求IMS連通與LTE網絡PGW、PCRF、MME的接口。在與傳統網絡的互通方面，也要求與2G/3G/PSTN進行網絡的互通。

·終端方面：主要的形態包括軟終端的話音業務，即“LTE數據卡+軟終端+電腦”方式、硬終端“LTE CPE+固定話機”方式以及支持iOS、Android等操作系統為代表的智能手機。以智能手機為例，要求支持SIP協議棧、安裝VoLTE客戶端、支持QCI=1專用承載和所需編解碼方式等。要求VoLTE提供AMR-WBG高清話音編解碼，支持VoLTE、SMS、RCS等多媒體通信的無縫集成，以期提供更好的業務體驗。以實際VoLTE商用案例來看，部分開展了該業務的國外運營商也提供了有益的經驗借鑒，如GUI深度集成、設定專門的VoLTE按鍵、運營商和終端廠商深度合作定制手機等。

5 結束語

隨著智能終端的增多和LTE技術的不斷完善，LTE正加速到來。從基本的數據服務到話音、短信、多媒體等各種各樣的服務，LTE網絡正以其強大的技術優勢迅速地引領移動互聯網的發展趨勢。使用電路域資源提供話音業務的方案一般應用在LTE部署初期、用戶數量較少的情況下。而VoLTE方案在頻譜資源利用、高清話音和視頻編解碼的引入、與RCS的無縫集成等方面具有優勢，顯著提高了用戶體驗的滿意度，未來必將具有廣闊的應用前景。

1 趙訓威，林輝，張明等.3GPP長期演進（LTE）系統架構與技術規范.北京：人民郵電出版社，2010

2 3GPP TS 36.300.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN);Overall Description;Stage 2,2008

3 VoLTE的演進與部署.http://www.huawei.com/ilink/cn/abouthuawei/publications/communicate/HW_103287?dInID=42395 &dInDocName=HW_103253&relatedID=42425&relatedName=HW_103272,2011

4 3GPP TS 23.272.Circuit Switched(CS)Fallback in Evolved Packet System(EPS);Stage 2,2009

5 GSMA IR 92.V4.0.IMS Profile for Voice and SMS,2012

6 3GPP TS 23.228 V9.4.0.IP Multimedia Subsystem(IMS);Stage 2(Release 9),2010

7 3GPP TS 23.216.Technical Specification Group Services and System Aspects;Single Radio Voice Call Continuity(SRVCC);Stage 2(Release 8),2011