VoLTE技術方案研究及跟蹤

包瑯允　徐愛華　朱鳳娟

摘 要：為了應對移動互聯網時代OTT 業務的挑戰，國內電信運營商已將LTE語音解決方案的商用部署提上日程。文章在對比分析了三種LTE語音解決方案的基礎上，提出了目標方案—VoLTE，并通過VoLTE架構的部署分析，提出了IMS、核心網、無線網等相關的改造需求，期望為運營商的VoLTE網絡設計和建設提供指導意見。

關鍵詞：VoLTE；IMS；CSFB；SRVCC

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）10-00-03

0 引 言

LTE是由3GPP組織制定的UMTS技術標準的長期演進，于2004年12月在3GPP多倫多會議上正式立項并啟動。對應FDD-LTE和TD-LTE兩種制式，即頻分雙工LTE系統和時分雙工LTE系統，TD-LTE是中國具有自主知識產權的4G國際標準。

2013年12月4日，工信部向中國移動、中國電信和中國聯通頒發“LTE/第四代數字蜂窩移動通信業務（TD-LTE）”經營許可，至此，我國移動通信正式進入4G時代。2015年2月27日，工信部向中國電信和中國聯通頒發“LTE/第四代數字蜂窩移動通信業務（LTE FDD）”經營許可，從而使我國移動通信全面進入4G規模商用時代。

LTE采用端到端全IP的網絡結構，空中接口只有數據通道，沒有語音通道，在向用戶提供高速數據業務的同時，如何保障語音業務的延續性，是各運營商重點考慮的問題之一。

1 LTE語音解決方案簡析

目前，LTE語音解決方案主要有SVLTE（LTE與語音網同步支持，即多模雙待終端方案）、CSFB（電路域回落）和VoLTE（基于LTE的語音呼叫）這三種方案。

SVLTE方案是通過在終端配置兩套獨立的發射接收機，實現同時在LTE網絡和2G/3G網絡的并發工作，由LTE網絡提供數據業務，由2G/3G網絡提供語音業務。該方案對網絡沒有特殊要求，完全依賴多模雙待終端。

CSFB方案通過在終端配置兩套獨立的接收機和一套發射機，實現終端在LTE網絡和2G/3G網絡的雙待機。但某一時刻終端只能接入LTE網絡進行數據業務或接入2G/3G網絡進行語音業務，且語音業務優先。CSFB 方案無需網絡側新增網元和接口，對2G/3G網絡無改動，但LTE核心網網元需支持擴展業務的請求消息、承載掛起和恢復消息。

VoLTE方案是由LTE網絡實現業務接入、由IMS網絡實現業務控制、由PCC架構提供QoS保障的語音解決方案。在LTE無線網絡未實現全覆蓋之前，為保證語音業務的連續性，采用SRVCC（單一無線語音呼叫連續性）技術實現語音業務在LTE網絡與2G/3G網絡之間進行切換，以保障語音業務不中斷。三種LTE語音解決方案比較詳見表1。

中國移動TD-LTE牌照獲取已超過一年時間，LTE網絡已初具規模，目前已經在杭州、廣州、南京、福州、長沙這五個城市完成了VoLTE通話技術的鋪設，預計2015年底之前實現VoLTE網絡的正式商用。中國電信和中國聯通LTE-FDD牌照獲取時間不久，暫時以SVLTE和CSFB方案為用戶提供語音業務。

2 VoLTE網絡架構

基于IMS的VoLTE架構涉及LTE網絡、IMS網絡及PCC架構，其結構如圖1所示。UE從LTE網絡接入，由IMS網絡提供呼叫控制功能，并借助PCC架構，為VoLTE提供QoS保障。

圖1 VoLTE網絡結構圖

2.1 IMS網絡

IMS網絡是VoLTE業務系統的核心控制網絡，主要包括BAC、P-CSCF和S-CSCF/I-CSCF、HSS、MMTEL AS及ENUM/DNS等網元。

BAC 位于VoLTE電話業務系統的邊緣，作為代理網關負責隔離公網及公眾用戶與IMS核心網元。P-CSCF是VoLTE的入口節點，主要負責SIP信令的代理；S-CSCF/I-CSCF負責為VoLTE業務提供注冊服務、會話控制，并維持會話狀態信息。MMTEL AS是SIP應用服務器，提供語音補充業務，并負責在語音通信的過程中控制媒體資源服務器進行錄音通知的播放等。HSS 負責存儲VoLTE電話用戶的相關用戶信息及其相關業務信息，與S-CSCF配合完成用戶的鑒權、認證。ENUM/DNS 包括ENUM服務器和DNS服務器，ENUM服務器負責接收會話控制服務器的查詢，將VoLTE呼叫中的Tel URI地址翻譯成可以路由的SIP URI。DNS主要提供VoLTE業務系統內各網元的域名/地址解析。

2.2 LTE網絡

LTE網絡是VoLTE業務接入網絡，UE通過LTE網絡接入，并通過P-CSCF發現機制接入IMS網絡。LTE網絡主要包括eNodeB、MME、SAE-GW及EPC-HSS等網元。

eNodeB是LTE UE設備無線接入點，MME處理NAS信令及對VoLTE用戶進行接入安全驗證、移動性管理、會話管理及SAE-GW選擇等。SAE-GW兼S-GW及P-GW的功能，協助完成移動性管理、會話管理及進行數據路由及轉發；為VoLTE用戶分配IP地址 ；為VoLTE提供P-CSCF入口地址；能支持本地配置的PCC規則，為VoLTE業務提供QoS保障，并完成計費功能。

2.3 PCC架構

VoLTE業務的QoS保障，依賴于PCC架構。P-CSCF在VoLTE業務媒體協商完成后，依據媒體類型通過Rx接口向PCRF提出承載需求；PCRF通過與SAE-GW間的Gx接口，向SAE-GW下發VoLTE語音QoS保障策略；SAE-GW將為VoLTE業務建立專用的承載，并通知MME在無線側建立專用承載，完成VoLTE業務的QoS保障。

3 VoLTE部署對核心網絡的改造需求

通過對LTE 語音解決方案和網絡總體架構的描述可以發現，VoLTE 的部署涉及到IMS、CS、PCC 等多個系統，涉及到的網元數量較多。

3.1 對IMS網絡業務平臺的改造需求

VoLTE的實際業務邏輯位于MMTEl AS中，內部處理邏輯跟固網有所不同。在VoLTE業務與CS域語音業務并存階段，呼入呼出業務均涉及到接入域選擇的問題，MMTEL應支持VoLTE業務接入域選擇。目前固網AS的重用度不高，為了快速部署業務及不影響現有IMS用戶業務，VoLTE的AS較適合與固網分開，單獨設置TAS，用于支持VoLTE 用戶的基本話音、視頻業務和補充業務。

3.2 對IMS網絡核心網元的改造需求

VoLTE業務對IMS網絡核心網元CSCF有以下幾個方面的新增需求：

（1）國際漫游時，I/S-CSCF應具備TRF（轉接及漫游）功能，以支持VoLTE用戶漫游時的Local Breakout（本地路由疏導）漫游方案。

（2）應支持VoLTE用戶從USIM卡中的參數IMSI生成3GPP標準格式的IMPU，用于國際路由。

（3）用于處理緊急呼叫業務的E-CSCF，應能與LRF（位置獲取功能）建立連接，LRF應具備準確提供UE位置信息，并將該信息準確路由到緊急呼叫業務中的能力。

3.3 對IMS網絡接入邊緣網元的改造需求

IMS網絡邊緣網元包括BAC及P-CSCF。鑒于P-GW一般集中設置，BAC設備位于P-GW之后，原則上應靠近P-GW。現網IMS的BAC設備均下放設置在地市，如兼做VoLTE業務的BAC，則媒體在路由上有迂回。所以，固網IMS BAC不適合兼做VoLTE業務的 BAC，可采用獨立設置的方式避免現網BAC設備的升級及對現網業務的影響。

如P-CSCF與UE直接支持IPSec，BAC適合與P-CSCF合設以支持IPSec。對于P-CSCF設備，提供VoLTE業務時，需支持與PCRF之間的Rx接口，協商QoS及媒體資源傳送承載需求。

3.4 對IMS HSS數據庫的改造需求

LTE階段，核心網有三個主要的數據庫：C/P網絡HLR、IMS HSS及EPC-HSS。目前在 2G/3G/LTE 融合組網時，已經完成了EPC HSS/HLR的融合。當VoLTE 話音方案部署時，IMS-HSS用戶數據與EPC-HSS和HLR有較大差別，為避免用戶換號或換卡，需要進一步將 HLR/ EPS-HSS/IMS-HSS 三者融合。

根據業務類型，HSS與AS之間應具備Sh、Si兩種接口。Sh接口通常用于SIP或OSA-SCS（開放業務結構業務能力服務器）的情況，而當使用基于CAMEL（移動網絡增強邏輯的客戶化應用）的服務器時，選擇Si接口。當存在多個可使用的HSS時，需配置數據庫SLF（簽約位置功能）用于尋找合適的HSS。

3.5 對電路域核心網的改造需求

在LTE無線網絡未實現全覆蓋之前，為保證語音業務的連續性，需要實現語音業務在LTE網絡與2G/3G網絡之間進行切換，目前主流技術方案是SRVCC和eSRVCC。

SRVCC是在LTE未實現全覆蓋的情況下，為VoLTE提供語音連續性的解決方案，即在LTE覆蓋的范圍部署VoLTE，當用戶移動至LTE未覆蓋的區域時，終端切換至2G/3G網絡，采用CS域提供語音業務，并保障語音業務不中斷。

（1）VoLTE呼叫通話——支持SRVCC的VoLTE終端在執行（聯合）網絡附著、路由區/位置區更新等移動管理操作時，向網絡上報相關能力；當其作為主叫向另一IMS終端發起語音呼叫，呼叫成功并建立媒體連接后，雙方進行通話。eNodeB要求VoLTE終端上報網絡信號的測量報告。

（2）發起SRVCC切換——當用戶離開LTE網絡覆蓋區或者用戶所在區域的LTE信號很弱時，eNodeB檢測到終端上報的信號強度/質量低于預定門限，則向MME發起切換請求到2G/3G小區。

（3）2G/3G網絡資源預留——MME根據eNodeB上報的切換到目標小區信息和配置的對應eMSC（支持SRVCC的MSC）信息，通過Sv接口通知2G/3G網絡中的eMSC準備切換，eMSC指示資源預留。

（4）終端切換——eMSC向MME返回資源成功預留信息，eNodeB通知終端切換到2G/3G網絡。

（5）遠端媒體更新切換、呼叫接續——VoLTE終端成功接入eMSC后，eMSC向IMS網絡發起媒體更新流程，用于更新之前的媒體（語音）連接，后續遠端IMS終端通過eMSC與主叫進行語音通信。

從SRVCC終端切換到2G/3G網絡，eMSC需要通知用戶歸屬地的IMS網絡更新語音媒體流，所以會引起較長的切換延遲；在SRVCC基礎上，通過在拜訪地引入ATCF/ATGW設備作為媒體錨定點，節省遠端媒體的更新時間，可將切換時延減低至300 ms以內，這就是eSRVCC。VoLTE網絡與2G/3G網絡的SRVCC和eSRVCC切換協作分別如圖2和圖3所示。

3.6 對無線網絡的改造需求

eNodeB 需要升級支持話音、視頻業務的承載，無線資源調度和搶占；為提升VoLTE 業務質量，eNodeB 應支持分組頭壓縮RoHC、半持續調度SPS、TTI Bundling 等無線增強功能，對話音和視頻數據分組優化和增強；eNodeB應可正確識別終端SRVCC能力，并要求對具備SRVCC能力的終端測量2G/3G蜂窩的信號電平，并依據測量報告觸發切換，將需求信息傳送給MME，然后通過MME接收切換指令所需的、來自目標接入系統的信息，再將切換指令發送給UE。

圖2 VoLTE網絡與2G/3G網絡的SRVCC切換協作

圖3 VoLTE網絡與2G/3G網絡的eSRVCC切換協作

4 結 語

在移動互聯網盛行時期，VoLTE網絡的建設與應用極大地豐富了用戶的溝通與生活，為用戶提供了更多的選擇、更優質的業務體驗。對電信運營商來說，VoLTE網絡的投資建設與市場運營工作將面臨很多方面的挑戰，網絡的建設規劃工作非常重要。SVLTE是純粹基于手機終端的方案，缺點是手機成本高、耗電高。根據終端能力，LTE中的CS語音回落和包含SRVCC功能的LTE 語音解決方案可以分階段部署，也可以同時部署。此外，還可通過IMS來提供非VoIP業務，如視頻共享、在線或即時消息。這種體系結構能夠為電信運營商規劃和部署LTE和IMS解決方案提供最大的靈活性。為了使工期、成本、質量三者得到綜合優化，前期主要的語音業務可以通過使用SVLTE、LTE中的CSFB技術來實現。長遠的看，為打好品牌、競爭、營銷三張組合牌，VoLTE是電信運營商重點考慮的語音解決方案。

參考文獻

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