VoLTE網絡架構及關鍵技術論述

韓 健

（東北大學秦皇島分校 網絡中心，河北 秦皇島 066000）

0 概述

2004年11月，3GPP（the third generation partnership project）標準化組織通過了“3G 長期演進”，即LTE（Long Term Evolution）移動通信網絡項目。近些年，隨著移動通信網絡技術的迅猛發展，運營商現有的2G/3G 網絡將無法滿足移動數據業務的發展需求，從而驅動網絡快速向LTE 演進。2009年3月，3GPP 標準化組織發布了R8 系統版本技術規范，該規范定義了整個EPC 網絡架構。同年12月，TeliaSonera 公司部署世界上第一個LTE 商用網絡。迄今為止，根據GSA 發布的研究報告，截至今年7月底，全球商用LTE 增加到200 張。全世界總計已有76 個國家正式部署商用LTE 網絡。在我國，TD-LTE 示范網絡已經搭建成功，TD-LTE 網絡即將在國內正式商用。

1 VoLTE 系統架構

1.1 總覽

VoLTE 網絡包括許多的網絡實體，為簡便描述，在本文中將VoLTE 網絡分為三個主要的部分：無線接入側Access、LTE 核心網側Evolved packet core 以及控制側Control。

其中，LTE 核心網側主要包括三個功能實體：移動管理實體MME（Mobility Management Entity），服務網關SGW（Serving Gateway）以 及PDN 網 關（Packet data network gateway）。MME 是 由GPRS 網 絡 中SGSN 實體演進而來，主要提供EPC 部分核心控制功能。SGW 提供用戶面的控制功能，負責數據包的路由和轉發，并支持終端移動性切換用戶數據功能。PGW 主要負責終端和外部分組數據網絡的數據傳輸，在VoLTE 網絡中，PGW 分配終端IP 地址并提供EPC 部分到IMS 部分的接入。

1.2 LTE 無線接入側ENodeB

隨著3G 網絡的演進，EnodeB 具有3G 網絡中NodeB 功能和大部分RNC（Radio Network Controller）功能，包括物理層功能HARQ（hybrid automatic repeat request），MAC、RCC、調度、無線接入控制、移動性管理功能等。LTE 無線接入側節點EnodeB 架構。

EnodeB 架構分為物理接入層、MAC 層（Media Access Control）、RLC 層（Radio Link Control）、PDCP 層（Packet data convergence protocol）以及RRC 層（Radio Resource Control）。其中，EnodeB 通過S1_MME 接口與MME 通信，用于控制信令；通過S1_U 接口與SGW通信，負責用戶數據的傳輸。而不同EnoceB 之間的通訊則采用X2 接口，主要用于移動終端在不同的EnodeB 之前切換時，快速實現用戶資源管理以及數據遷移。

1.3 核心網EPC 架構

核心網EPC 部分主要包括MME、SGW 以及PGW 三個實體。MME 是由GPRS 網絡中SGSN 節點演進而來的。MME 是LTE 接入網絡的關鍵控制節點，負責空閑模式下用戶設備的跟蹤和尋呼控制，其中包括用戶設備的注冊與注銷過程，同時幫助用戶選擇不同SGW，以完成LTE 系統內核心網（CN）節點切換。通過與用戶歸屬服務器（HSS）的通信，MME 完成移動用戶在EPC 部分鑒權功能。SGW 主要負責用戶面處理，負責用戶數據包的路由和轉發，同時也負責用戶終端在EnodeB 之間和LTE 與其他3GPP 技術之間移動時的用戶面數據交換。

1.4 控制側IMS 網絡架構

VoLTE 網絡架構中，控制側主要包括三個部分：PCRF、HSS 以及IMS 系統。PCRF 主要負責計費以及基于會話媒體的策略控制功能。PCRF 主要與IMS 系統接入節點P-CSCF 互通，檢查、控制應用側所需的媒體資源的分配，例如媒體類型、IP 地址以及媒體通訊端口等。HSS（Home Subscriber Server）主要負責存儲用戶數據和業務數據。HSS 包含IMS 功能、PS 域、CS 域內HLR（home location register）功能以及鑒權功能。用戶終端在附著在LTE 網絡時，EPC 部分會通過HSS 獲取EPC 部分鑒權向量，MME 完成終端用戶在EPC 部分的鑒權；在該用戶在IMS 系統注冊時，IMS 系統服務器SCSCF（Server CSCF）會再次向HSS 獲取IMS 內部鑒權向量，對用戶再次進行鑒權，保證用戶的有效性。

IMS 系統中AS（Application Server）可以提供多種業務，如PSTN網絡中的傳統業務、會議、彩鈴彩像等。這些用戶業務數據也同樣保存在HSS 之中。IMS（IP Multimedia Subsystem），IP 多媒體子系統，是由3GPP 組織為移動網絡定義的。經過R5、R6 兩個版本，現在IMS 網絡技術日趨穩定。在3GPP 的R6 版本中，IMS 已經被定義為支持所有IP接入網的多媒體業務核心網，可以支持任何一種移動的或固定的、有線的或無線的IP_CAN，同時意味著支持傳統2G/3G 網絡接入。

2 VoLTE 網絡端到端信令流程

（1）LTE 終端在LTE 網絡內附著，用戶終端通過EnodeB 附著在LTE 網絡內；

（2）EnodeB 將用戶信息傳送到EPC 部分，MME 對該用戶終端進行鑒權，鑒權向量來自于HSS 節點，MME 節點通過SG 接口獲取該用戶鑒權向量；

（3）用戶終端鑒權通過后，SGW 分配給該用戶相關媒體資源，PGW分配用戶終端相應的IP 地址，并將IMS 系統接入節點P-CSCF 地址通知用戶終端；

（4）LTE 終端收到P-CSCF 地址后，使用PGW 分配的IP 地址作為源地址，P-CSCF 地址作為目的地址，發送IMS 系統注冊請求消息到達P-CSCF；

（5）PCSCF 將用戶注冊消息轉發到IMS 網絡內部，SCSCF 通過HSS 獲取IMS 系統鑒權向量，并對該用戶進行IMS 內部鑒權。鑒權通過后，該用戶IMS 網絡內部注冊成功，S-CSCF 發送成功響應消息給用戶終端。注冊流程順利完成；

（6）用戶終端附著LTE 網絡并在IMS 系統成功注冊后，終端發起對2G/3G 用戶語音會話。該會話請求經過LTE 網絡發送到P-CSCF節點。P-CSCF 經過與PCRF 協商，決定該會話的媒體資源，并將會話請求發送到IMS 網絡內部；同時，相關的計費信息發送到計費服務器中；

（7）S-CSCF 處理會話請求，經過相應號碼分析后，將消息傳遞給MGCF，MSC 節點，即2G/3G 傳統網絡入口節點。MGCF 將SIP 消息轉化為ISUP 消息，該請求轉發到2G/3G 傳統網絡中，實現LTE 用戶與傳統網絡的互通。

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［2］家智，徐潔.服務元網絡體系結構和微通信元系統構架[J].電子學報，2004.

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