EPS語音解決方案探討

山東省郵電規劃設計院有限公司 濟南 250031

引言

語音業務是電信運營商賴以生存和發展的基礎電信業務之一。在傳統2G/3G移動通信網絡中，語音業務在CS域(Circuit Switched Domain，電路域)以電路交換的方式提供，數據業務在PS域(Packet Switched Domain，分組域)以分組交換的方式提供。在LTE(Long Term Evolution，長期演進)階段，鑒于LTE能夠在空中接口上提供更高速率和更低時延的無線分組數據接入，3GPP(3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃)在設計EPC(Evolved Packet Core，演進的分組核心網)時摒棄CS域而僅保留了PS域，并通過引入IMS(IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統)技術和架構完成多媒體會話類業務所必需的呼叫會話控制和管理功能，即通過VoLTE(Voice over LTE，LTE語音)為用戶提供具有電信級QoS(Quality of Service，服務質量)保證的、包括語音在內的多媒體通信業務。

1 語音業務解決方案中存在的主要問題

在LTE/EPC網絡部署和發展初期，完全通過VoLTE來提供語音業務還存在如下問題。

1) 部分運營商的IMS網絡建設滯后LTE網絡建設，無法基于IMS提供VoLTE業務。

2) LTE部署前期僅實現熱點覆蓋，當用戶在網絡覆蓋邊緣區域活動時，語音業務的提供需要LTE在2G/3G接入網絡間進行切換，并保持業務的連續性。

為實現LTE語音業務的連續覆蓋，本文主要就CSFB(Circuit Switched Fallback in Evolved Packet System，電路域回落)、SRVCC(Single Radio Voice Call Continuity，單無線語音呼叫連續性)和多模雙待終端三種主流的EPS(Evolved Packet System，演進的分組系統)語音解決方案進行探討。

2 LTE發展過程中的語音解決方案

2.1 CSFB語音解決方案

2.1.1 CSFB網絡架構

CSFB是由EPC核心網和2G/3G電路域核心網聯合作用來實現的。使用CSFB時，需在MME和MSC Server之間新增SGs接口，并利用SGs接口實現UE(User Equipment，用戶終端)的EPS和IMSI(International Mobile Subscriber Identification Number，國際移動用戶識別碼)的聯合附著、位置更新和尋呼等操作。支持CSFB的網絡架構如圖1所示。

圖1 CSFB網絡架構

2.1.2 CSFB基本流程

在CSFB方案中，UE平時駐留域LTE網絡，當需要發起語音呼叫或者檢測到有呼入請求時，回退到2G/3G網絡的電路域來處理語音通信。

以UE被動接收語音呼叫為例，CSFB的基本流程[1]如圖2所示。

當MSC接收到前往某UE的語音呼叫消息，MSC通過SGs接口向MME發送CS呼叫消息。MME首先從MSC接收到TMSI(Temporary Mobile Subscriber Identity，臨時移動用戶識別碼)找到S-TMSI(System Architecture Evolution-Temporary Mobile Subscriber Identity , 系統架構演進臨時移動用戶識別碼)、進而找到eNodeB；eNodeB在其列表小區范圍內進行尋呼，通知UE并發起一個CS呼叫流程。

UE在接到尋呼消息后執行業務請求(業務請求消息中包含一個特殊的CSFB指示符)，建立RRC連接并將業務請求發送至MME(Mobility Management Entity，移動管理實體)，并要求MME進行CS域回落。MME向eNodeB發送S1-AP消息，指示eNodeB將UE遷移到UTRAN/GERAN。

UE、eNodeB進行小區切換或改變，UE檢測新小區并建立無線連接，通過目標RAN(Radio Access Network，無線接入網絡)向MSC發送尋呼響應消息；當尋呼消息到達MSC后，正常的2G/3G終端呼叫會話建立，UE的CS呼叫被激活。

2.2 VoLTE+SRVCC語音解決方案

2.2.1 VoLTE+SRVCC網絡架構

VoLTE+SRVCC是一個基于IMS實現PS域和CS域語音業務連續性的通用方案。3GPP的SRVCC技術方案覆蓋了從EPC和HSPA VoIP切換到2G/3G CS域語音的業務場景。從E-UTRAN(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，演進的通用陸地無線接入網絡)向3GPP UTRAN(Universal Terrestrial Radio Access Network，通用陸地無線接入網絡)/GERAN(GSM EDGE Radio Access Network，GSM EDGE無線接入網)電路域切換的SRVCC架構[2]見圖3(只顯示SRVCC增強的MSC Server相關的必要模塊)，其中MME域MSC Server之間根據需要動態建立Sv接口連接，用于傳遞切換準備信令和語音業務接續號碼。

2.2.2 SRVCC基本流程

與CSFB不同，SRVCC只有在LTE網絡失去覆蓋時，才發生從EPC網絡到2G/3G網絡電路域的關聯和協作。在SRVCC方案中，UE平時在EPC網絡中使用基于IMS的VoIP業務，當移動過程中離開EPC而進入2G/3G網絡覆蓋區域時，UE在EPC核心網的控制下將當前正在進行的VoIP通話接續到2G/3G網絡的電路域來完成。

圖2 CSFB流程舉例(UE空閑狀態下的終端呼叫流程)

圖3 從E-UTRAN向3GPP UTRAN/GERAN切換的SRVCC架構

從E-UTRAN向GERAN切換的SRVCC流程[3](不支持DTM(Dual Transfer Mode，雙模傳輸))如圖4所示。

首先，UE在注冊過程中與EPC網絡交換支持的業務能力(攜帶SRVCC指示)，UE向E-UTRAN發送測量報告，基于該測量報告，源E-UTRAN決定發起面向GERAN的SRVCC切換過程。

源E-UTRAN向源MME發送切換請求消息，其中攜帶的“SRVCC HO Indication”明確指示UE在目標小區中PS業務不可用。基于語音承載相關的QCI(QoS Class Identifier，QoS參數)和“SRVCC HO Indication”，源MME將語音業務包從非語音承載中分離出來，并針對分離出的語音承載發起指向MSC Server的PS-CS的切換過程，MME向MSC Server發送SRVCC PS-CS請求消息。

MSC Server向目標MSC發送切換準備請求消息，MSC Server發起CS域MSC間的切換請求過程。目標MSC與目標BSS(Base Station Subsystem，基站子系統)交換切換請求/確認消息，在目標BSS上進行相關資源的分配。目標MSC向MSC Server回應切換準備響應消息，目標MSC和MGW之間建立電路連接。

圖4 從E-UTRAN向GERAN切換的SRVCC流程(不支持DTM)

MSC Server向IMS發起會話轉移過程，隨后會話轉移過程執行標準的IMS業務連續性過程或緊急的IMS業務連續性過程。

在執行會話轉移的過程中，使用CS接入分支的SDP(Session Description Protocol，會話描述協議)信息進行遠端的更新，此時VoIP分組的下行流轉至CS接入分支，并依據3GPP TS23.237釋放源IMS接入分支。

MSC Server向源MME發送SRVCC PS到CS響應消息。源MME向源E-UTRAN發送切換指令消息，源E-UTRAN向UE發送E-UTRAN到GERAN的切換指令消息，之后UE切換到GERAN。

UE啟動掛起過程，觸發目標SGSN向MME發送掛起通知消息。隨后，MME向目標SGSN(Serving GPRS Support Node，服務GPRS支持節點)返回一條掛起確認消息，目標BSS向目標MSC發送切換完成消息。目標MSC向MSC Server發送切換完成SES消息，此時語音電路經由MSC Server/MGW獲得連通，目標MSC使用指向MSC Server的ISUP應答消息完成建立過程。

2.3 多模雙待終端語音解決方案

多模雙待終端(即同時支持LTE和2G/3G等的終端)可同時注冊在LTE網絡和2G/3G的CS域上，使用LTE提供數據業務，使用2G/3G網絡提供語音業務。

3 EPS語音解決方案比較

通過對CSFB、VoLTE+SRVCC、多模雙待終端等在呼叫建立性能、信令開銷、語音質量和頻譜利用等方面進行分析，EPS語音各解決方案比較情況見表1。

通過表1比較，在呼叫建立時延方面，CSFB較2 G/3 G有1.5～3.3 s的時延，而多模雙待、VoLTE+SRVCC則與2G/3G相同或類似；在信令開銷方面，CSFB解決方案涉及到呼叫中的多種流程，信令開銷最高，VoLTE+SRVCC解決方案略高于多模雙待終端解決方案；在語音質量和業務提供方面，CSFB、多模雙待技術的語音質量與2/3G系統相同，VoLTE+SRVCC切換前依賴于LTE網絡所支持的QoS能力，具備提供視頻、高清語音以及高速數據業務和語音業務的并發的能力；在頻譜利用方面，VoLTE+SRVCC比現有CSFB、2G/3G的CS域效率高；在解決方案切入方面，CSFB和VoLTE+SRVCC是網絡解決方案，多模雙待終端是終端解決方案。

表1 EPS語音解決方案比較

4 不同應用場景下EPS語音解決方案與部署策略

EPS語音解決方案在標準支持、現網改造影響、對終端要求、適用場景及業務體驗等方面存在較大區別[5]，比較分析情況見表2。

通過表2的比較，在LTE 網絡部署的早中期，LTE網絡覆蓋還不太完善、VoLTE 技術和產品不夠成熟之前，CSFB 和多模雙待這兩種方案是主要的語音解決方案；多模雙待終端方案可快速推出語音業務，但需持續對2G/3G CS域進行投資，且成本高、功耗大、實現復雜，也無法解決國外LTE漫游用戶語音接入；CSFB初期不依賴完善IMS網絡，能充分利用現網2G/3G的CS域，是NGMN定義的LTE初期國際漫游的必選語音解決方案，具有較好網絡過度可行性。VoLTE+SRVCC則需要首先部署IMS系統，該方案還處于早期階段[6]，還有待進一步優化和驗證，但其是GSMA(Global System for Mobile Communications assembly，GSM協會)和NGMN(Next Generation Mobile Network, 下一代移動通信網絡聯盟)認定的LTE下唯一的、端到端的目標語音解決方案，其通過SRVCC技術能有效實現LTE與2G/3G的網絡協同，能為用戶提供視頻、高清語音和高速數據等業務，且具備為用戶提供高速數據業務和語音業務的并發提供能力，使用戶獲得更好體驗。

綜上所述，三種方案各有優缺點，適合不同的應用場景和網絡建設階段。

1)在網絡部署初期，LTE網絡一般以孤島形式覆蓋，針對已建2G/3G網絡的運營商，LTE覆蓋區域如與2G/3G網絡共同覆蓋，出于投資保護及其他部署策略，建議運營商使用CSFB語音解決方案，LTE僅用來提供高速數據業務，或短期內使用多模雙待終端語音解決方案；未部署IMS的運營商，則應考慮IMS的部署建設。2)在網絡部署中期，LTE網絡已在部分地區實現規模覆蓋，對于已建2G/3G網絡的運營商，如尚未部署完成IMS，此階段仍可繼續使用CSFB語音解決方案，但建議積極部署完成IMS，為網絡演進奠定基礎。對于已完成IMS部署的運營商，建議使用VoLTE+SRVCC語音解決方案。3)在網絡部署后期，LTE網絡將逐步擴大到全覆蓋，運營商將逐步減少使用SRVCC技術，在全網范圍內逐步使用基于IMS的VoLTE技術來提供語音業務。

根據EPS語音解決方案優缺點及網絡演進趨勢，結合2G/3G、IMS、LTE部署建設的情況，各個場景下EPS語音解決方案應用場景與部署策略見表3。

當然，運營商對EPS語音解決方案的選擇，除考慮技術本身外，還受到終端產業鏈支持狀況、技術選擇與資本投入的平衡、現網投資保護以及整體網絡發展戰略定位等多方面因素的影響，三種EPS語音解決方案之間并不矛盾，可能將在一段時期內共存并互補[7]。

表2 EPS語音解決方案部署策略對比分析

表3 不同應用場景下EPS語音解決方案與部署策略

5 結束語

在LTE/EPC網絡部署和發展初期，運營商尚不能完全通過VoLTE來實現語音業務的連續覆蓋，文章給出三種EPS語音解決方案，并分別對三種EPS語音解決方案的網絡架構和基本流程進行介紹，對各自的優缺點進行分析和比較，給出了不同場景下、不同時期EPS語音解決方案建議和部署策略，實現了LTE語音業務的連續性覆蓋。本文對網絡規劃設計人員及運營商網絡建設人員具有一定幫助，能幫助運營商有效地選擇EPS解決方案和部署策略，對LTE網絡建設指導具有一定的指導意義。

參考文獻

[1]3GPP TS 23.272.Circuit Switched(CS)fallback in Evolved Packet System(EPS);Stage2(Release 10)[S/OL].[2014-08-06].http://www.3gpp.org/Dynareport/23272.htm

[2]3GPP TS 23.216.Single Radio Voice Call Continuity(SRVCC)；Stage2(Release 8)[S/OL].[2014-08-06].http://www.3gpp.org/Dynareport/23216.htm

[3]3GPP TS 23.401.General Packet Radio Service(GPRS)enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)access(Release 12)[S/OL].[2014-08-06].2014.http://www.3gpp.org/Dynareport/23401.htm

[4]龐韶敏,李亞波.3GUMTS與4GLTE核心網-CS,PS,EPC,IMS[M].北京:電子工業出版社,2011:367-370

[5]霍龍社,王健全,周光濤等.演進的移動分組核心網架構和關鍵技術[M].北京:機械工業出版社,2013:140-155

[6]吳瓊,薛楠.網絡演進中的語音解決方案[J].郵電設計技術,2012(5):15-20

[7]周晶,葉丹.運營商LTE語音解決方案研究[J].集成技術,2013(3):79-81