LTE終端語音解決方案現狀及下一步演進

周 晶，師 瑜

（中國聯合網絡通信有限公司研究院 北京 100032）

1 引言

據全球移動供應商協會 （GSA）統計顯示，截至2014年 9月在全球112個城市商用部署了331張LTE網絡，較2013年底增長了168張商用LTE網絡。在LTE用戶發展上，截至2014年9月全球的LTE用戶數達到3.73億戶，較2013年增長了2.1億用戶。可以看出2014年是LTE迅猛發展的一年，全球LTE網絡和用戶數都呈現出爆炸式的增加。

從全球的LTE部署情況來看，在LTE商用部署初期，由于網絡覆蓋和終端能力的限制，大部分運營商選擇LTE來承載數據業務，而語音業務仍然承載在原有的2G/3G網絡上，同時由于2G/3G網絡制式的多樣化，衍生出多種過渡時期的語音解決方案，如SV-LTE（simultaneous voice and LTE）、SR-LTE （single radio LTE）和 CSFB （CS fallback）/1xCSFB（cdma2000 1x CS fallback）。隨著LTE網絡覆蓋越來越完善，為了進一步提高語音質量、頻譜利用率及更加豐富的業務體驗，全球大部分運營商都會陸續向基于LTE的語音解決方案（VoLTE）演進。

近日，美國兩大電信運營商AT&T和Verizon共同宣布，將于2015年實現VoLTE的跨網兼容與互通，屆時兩家運營商所轄客戶將實現VoLTE端到VoLTE端的通信。在國內，中國移動正積極推進VoLTE商用服務，并于2014年12月宣布了VoLTE在部分城市的試商用。

2 現有LTE終端語音解決方案

運營商在選擇LTE語音解決方案時會充分考慮2G/3G網絡的網絡制式、終端產業鏈成熟度、網絡改造成本及用戶體驗等多方面的因素，目前運營商已商用的LTE語音解決方案見表1。

從表1可以看出，運營商在LTE網絡部署初期會充分考慮其網絡改造成本等方面的因素，從而選擇適合自身的語音解決方案，并且不管在過渡時期選擇何種語音方案，最終均會向基于全IP“端到端”的解決方案（VoLTE）演進。下面將詳細介紹現有的各種語音解決方案，并深入分析運營商采用該語音方案的背景及該方案的優劣性。

2.1 SV-LTE解決方案

SV-LTE是單卡雙待機方案中的一種，它采用兩套射頻，終端可以同時待機在LTE和2G/3G網絡上，使用LTE提供數據業務，使用CDMA提供語音業務或數據業務，從而實現語音和數據業務的并發。此方案無需進行網絡改造，旨在通過終端實現方案來解決LTE數據業務和CDMA語音雙通問題。

采用此方案的運營商基本都是2G/3G網絡為CDMA的運營商。從網絡演進趨勢看，CDMA網絡不太可能同LTE網絡長期共存，運營商也不愿意再對CDMA網絡進行大規模的改造，因此這些運營商更愿意采用實現成本更小、用戶體驗更好的終端實現方案。SV-LTE終端實現方案如圖1所示。

2.2 SG-LTE解決方案

SG-LTE是由中國移動提出的單卡雙待機方案，它和SV-LTE的實現方式完全一樣，唯一的區別在于雙待機采用的模式是LTE和GSM/TD-SCDMA，而不是CDMA。

2.3 SR-LTE解決方案

圖1 SV-LTE終端實現方案

SR-LTE是另一種單卡雙待機方案，不同于SV-LTE的是，SR-LTE只采用一套射頻，終端可以同時待機在LTE和2G/3G網絡上，但是無法實現LTE數據與2G/3G語音的并發。當SR-LTE終端正在進行2G/3G語音通話時，無法使用LTE數據業務；當SR-LTE終端正在進行LTE數據業務時，需要定期監聽 2G/3G CS（circuit switched，電路交換）域的尋呼消息，這樣有可能會漏聽尋呼。

此方案不需要對網絡進行硬件改造，但是需要軟件升級 ，要求 LTE/EPC（evolved packet core）網絡支持ESR，承載掛起/恢復功能。SR-LTE終端實現方案如圖2所示。

圖2 SR-LTE終端實現方案

表1 運營商已商用的LTE語音解決方案

2.4 CSFB解決方案

CSFB是3GPP提出的LTE多模單待終端語音解決方案，此類終端只有一套射頻芯片，同一時間只能待機在一個網絡上。CSFB終端應同時注冊LTE網絡和傳統CS域網絡，當用戶發起語音業務或有被叫語音業務時，由LTE網絡指示用戶回落到目標CS域網絡，然后在目標CS域網絡發起或接收語音呼叫，在語音回落的同時需要對LTE網絡中正在進行的PS（packet switch，分組交換）業務做正確處理。CSFB已經被業內的主流LTE運營商作為LTE過渡時期語音方案，同時被業界公認為跨網漫游或者為國際漫游用戶提供語音業務的首選方案。

采用CSFB的語音解決方案，LTE網絡和傳統電路域網絡間需要增加互通接口，通過LTE網絡隧道傳遞CS域網絡的消息，使得終端技術駐留在LTE網絡時仍可以收到CS域網絡的消息，進行CS域的語音主/被叫業務以及短信業務。

2.5 1xCSFB解決方案

1xCSFB與CSFB相同，也是LTE多模單待終端語音解決方案，不同的是CSFB主要針對2G/3G網絡為GSM（global system for mobile communication，全球移動通信系統）或 UMTS（universal mobile telecommunications system，通用移動通信系統）的情況，而1xCSFB主要針對2G/3G網絡為CDMA的情況。此方案同樣涉及2G/3G的網絡改造。

2.6 VoLTE with SRVCC解決方案

VoLTE也是3GPP提出的LTE多模單待終端語音解決方案，此類終端在同一時刻只能待機在一種網絡模式上，在支持VoLTE的LTE網絡覆蓋區，數據和語音業務均承載在LTE網絡上，在通話過程中離開LTE覆蓋區進入2G/3G網絡，由SRVCC保證其語音業務的連續性。

2.7 現有過渡方案的比較

現有過渡方案的綜合比較見表2。VoLTE不僅在技術上較其語音方案有較大的優勢，在業務的提供上VoLTE也給傳統電信運營商提供了新思路。后續將詳細介紹VoLTE終端技術特點及其業務實現，并剖析未來VoLTE終端在運營中的技術難點。

3 VoLTE終端技術特點及業務實現

VoLTE語音解決方案的核心思想是采用IMS（IP multimedia subsystem，IP多媒體子系統）作為業務控制層系統，LTE的無線側和核心網僅作為承載層，借助IMS不僅能夠實現語音呼叫控制等功能，還能夠合理、靈活地對多媒體會話進行計費。從全球范圍來講，VoLTE技術的推廣對于運營商來說有3個核心驅動力：LTE的高頻譜利用率可以降低運營成本；以高質量的語音/視頻業務和豐富的業務體驗吸引用戶；加速IMS網絡的建設，從而促進固移融合，加強運營商的掌控能力。

3.1 技術特點

在VoLTE部署之前，OTT VoIP技術是一種成本低、方便快捷的語音方案。從某種程度而言，VoLTE和OTT VoIP由于語音都是通過IP分組來傳輸，因此原理都是使用VoIP技術。但是從控制層面來說，VoLTE基于IMS的業務控制使運營商能夠提供高級別的控制和管理，而不像OTT VoIP只是把語音IP分組以一種“盡力而為”的態度從源端點高效地傳送到某個目的端點，而端到端的可靠性、低時延和時延抖動、低分組丟失率等QoS參數則不能保障。與其他無線接入技術相比，LTE的高頻譜利用率和無線層增強技術對VoIP數據分組的優化也是運營商選擇部署VoLTE的天然優勢。因此，不論是和OTT VoIP語音方案還是和2G/3G系統的CS域語音方案相比，VoLTE都將成為運營商在LTE網絡部署的最終語音方案。圖3為IMS終端與網絡協議架構，本文將從協議的角度分析VoLTE終端的技術特點。

表2 現有過渡方案的綜合比較

圖3 IMS終端、網絡協議架構

3.1.1 無線資源的高效利用

VoLTE技術中對VoIP的優化主要體現在無線側的優化技術。LTE無線協議棧包括用戶面和控制面兩部分。其中，用戶面完成業務數據流在空中接口的收發處理，協議棧包括 PDCP（packet data convergence protocol，分組數據匯聚協議）、RLC（radio link control，無線鏈路控制）層、MAC（media access control，介質訪問控制）層和 PHY（物理）層，主要完成IP頭壓縮、加密和完整性保護、分割重組、隨機接入、無線資源分配調度、混合冗余重傳、信道編碼、調制解調、MIMO（multiple-input multiple-output，多輸入多輸出）處理、功率控制等功能。LTE系統和2G/3G網絡相比，采用了不同于以往的空中接口技術，專門針對VoIP數據分組尺寸小、發送頻繁、周期固定這些特點，采用了半持續調度（semi-persistent scheduling，SPS）、傳輸時間間隔集束（TTI bundling)、不連續接收（DRX）、頑健性頭壓縮（RoHC）這幾種無線層增強技術來保證VoIP數據分組的高效傳輸和無線資源的充分利用。

3.1.2 端到端的QoS保障

為了滿足運營商對不同用戶、不同應用和不同服務質量的要求，LTE系統引入了PCC（policy control and charging,策略控制和計費）架構，使運營商可以根據運營需要，基于用戶、業務、流量等條件制定策略，進行數據流量控制及差異化服務，這是LTE在設計之初就考慮的“運營商級”的QoS處理機制。同時，由于語音/視頻等實時性較強的業務對QoS指標非常敏感，又引入了IMS，目的是對多媒體業務提供高層次的管控，如媒體類型、業務流方向、比特率、分組大小、帶寬自適應等決定QoS的關鍵參數。從VoLTE的網絡架構中不難看出，要得到端到端的QoS保障，就要使終端、LTE系統（EPS）、IMS 3部分之間的數據傳輸得到QoS的管控，因此VoLTE的QoS保障是由EPS和IMS共同完成的。

EPS是采取端到端服務且以承載的形式進行數據和信令傳輸的網絡架構，EPS中QoS控制的基本粒度是EPS承載，這就意味著相同承載上的所有數據流將獲得相同的QoS保障（如調度策略、緩沖隊列管理等），不同的EPS承載可以提供不同的QoS保障。傳輸流模板 （traffic flow template,TFT）及其中的分組過濾器將上層業務數據流映射到相應的EPS承載上，最終實現用戶數據的QoS區分保障。QCI是根據資源類型、時延、誤碼率、業務分成的9個等級的集合，見表3。VoLTE終端采用QCI=1的專用承載作為VoLTE語音承載；將QCI=2的專用承載作為VoLTE視頻承載；將QCI=8/9的承載作為連接到IP網絡的默認承載。其中，QCI=1和QCI=2的承載是GBR （guranteed bit rate）承載，意味著無論網絡資源如何緊張也能保證一定的比特率，從而使VoLTE語音和視頻業務高質量地進行。該承載隨著VoLTE業務的建立而建立、釋放而釋放。一般OTT VoIP業務采用的是QCI=8/9的non-GBR承載，意味著業務的傳輸速率可能隨著網絡資源的擁塞而降低甚至釋放，語音質量遠不如VoLTE，掉話率也較高。同時，VoLTE采用了寬帶自適應多速率編碼（AMR-WB），語音帶寬范圍和抽樣速率優于傳統2G/3G系統中使用的EFR（enhanced full rate speed encoding，增強型全速率編碼）和窄帶自適應多速率編碼（AMR-NB）。采用了23.65 kbit/s的AMR-WB編碼方式的VoLTE業務能使 MOS（mean opinion score，平均意見值）達到3.9，而采用了AMR-NB和NB EFR編碼方式的電路域語音業務的MOS只能達到2.9和2.7，因此AMR-WB編碼方式也是增強VoLTE業務QoS保障的重要因素。

表3 不同QCI的參數設置

IMS的QoS保障是由LTE系統的PCC架構，根據PCRF（policy charging and rules function，策略和計費規則功能）、PCEF（policy and charging enforcement function，策略及計費執行功能）等策略控制網元下發用戶、業務優先級和專用承載通道，確保EPS能夠根據IMS上的VoLTE業務進行資源分配和合理調度，從而實現VoLTE業務端到端的QoS保障。IMS和EPS之間的QoS保障可以通過建立IP專網承載而實現。同時，在VoLTE業務建立時，VoLTE終端通過IMS協議棧的SDP（session description protocol，會話描述協議）和 SIP（session initiation protocol，會話初始協議）為語音業務請求相應的編碼方案、媒體類型和帶寬等媒體參數。為了使用戶得到滿意的QoS，會在SIP消息中帶有precondition頭域，以保證通話雙方的資源預留，即只有在完成雙方的資源預留后通話才可以成功建立。這個機制保證了通話建立的可靠性，尤其是在網絡資源負荷重的情況下對資源進行預約，并且得到EPS的資源調度預留，使用戶得到可靠的QoS保障。

3.1.3 語音業務的連續性

考慮到現階段LTE和IMS網絡覆蓋率都較低，而2G/3G網絡的CS域網絡潛力仍可挖掘，3GPP在R8版本中提出了一種保證語音業務連續性的方案——SRVCC（single radio voice call continuity）。SRVCC旨在解決單射頻終端在LTE網絡和2G/3G網絡之間移動時，由IMS控制的VoIP語音如何向CS域語音平滑、無縫切換的問題。目前，隨著3GPP標準的演進，已經出現了 mid-SRVCC、eSRVCC、aSRVCC、rSRVCC、vSRVCC等多種針對不同場景的確保語音業務連續性的方案，3GPP對SRVCC的演進路線如圖4所示。其中，mid-SRVCC、aSRVCC、vSRVCC是針對特殊場景和特殊業務的保證語音連續的切換機制，在mid-call、alerting狀態和video業務都可以保證業務的平滑切換；rSRVCC是SRVCC的反向切換方案，是從3G的CS域語音無縫切換到由IMS控制的VoLTE業務的解決方案；而eSRVCC是針對SRVCC的一種增強型方案，其最大的意義是能將SRVCC帶來的時延減少為300 ms之內，優化了用戶體驗。

目前，中國部署的VoLTE方案都將基于eSRVCC的切換方案。因為R8版本的SRVCC在達到切換條件時，由MME（mobility management entity，移動管理實體）和 2G/3G CS域的eMSC交互觸發切換，空口切換的語音時延無法避免，約200 ms，如圖5中語音中斷時長T1所示，而之后的語音媒體和遠端IMS終端更新過程中的語音中斷時長T2較大，約800 ms，因此SRVCC的切換至少能帶來1 s左右的時延。而eSRVCC在本端增加了ATCF/ATGW（access transfer control function/acess transfer gate way）實體作為語音和信令的錨定點，相比于SRVCC，媒體切換點ATGW改為更靠近本端的設備，無論是切換前還是切換后的會話消息都要經過ATCF/ATGW轉發，如圖6所示。后續發生eSRVCC切換時，只需要創建用戶終端與ATGW之間的承載通道，遠端設備與ATGW之間的媒體還是通過原承載通道傳輸。ATGW的錨定使終端在2G/3G的CS域到本端IMS之間的時延不超過100 ms，再加上空口時延一共為300 ms，遠遠低于SRVCC的時延，這樣創建新承載通道的消息交互路徑明顯短于SRVCC方案，有效減少了切換時長，提高了客戶體驗。

因為語音業務的連續性 （voice call continuity，VCC）不僅僅是CS域和IMS域之間的語音切換，還指可以在CS域或者IMS域發起或接收呼叫，即域選擇功能。VoLTE部署初期，運營商根據模式、頻段、待機方式、卡的組合不同，對VoLTE終端進行多樣化的定制，主要區別是根據網絡建設情況選取單待機或者雙待機模式。因為支持VoLTE功能多模單待模式的終端需要支持CSFB，以保證純2G/3G網絡環境下語音業務的使用，和支持SRVCC以保證LTE到2G/3G切換的語音連續性，而多模雙待終端意味著VoLTE業務可以和CS域語音業務同時存在。多模雙待終端在發起呼叫時優先VoLTE，無VoLTE條件時采用CS域語音；當被叫域選擇時收到CS域尋呼則使用CS域語音，收到IMS域消息則使用VoLTE語音，這種終端功耗較大、成本較高，然而減少了網絡對CSFB、SRVCC的投資，適用于不能平滑演進到LTE的無線制式，如CDMA。

圖4 3GPP對SRVCC的演進路線

圖5 SRVCC的網絡結構

圖6 eSRVCC的網絡結構

圖7 VoLTE對各層的功能要求

3.2 業務實現

VoLTE的基本業務包括高清語音業務、高清視頻業務、短信業務、補充業務和緊急呼叫。VoLTE對各層的功能要求如圖7所示。對于高清語音/視頻業務，VoLTE終端應在無線層支持 SPS、RoHC、eSRVCC、DRX、TTI bundling等技術，在應用層支持SIP、IMS基本功能和編解碼要求等保證；對于短信業務，終端需支持基于SIP的IMS短信能力；對于補充業務，終端應支持XCAP（XML configuration access protocol，XML配置訪問協議），并支持通過Ut接口進行補充業務配置；對于緊急呼叫，終端需在NAS（non-access stratum，非接入層）支持多個 PDN（public data network，公用數據網）連接，其中包括緊急呼叫PDN連接。

IMS作為下一代移動網絡多媒體業務的標準解決方案，具有開放的業務接口和面向承載網絡的特有融合能力，是實現融合通信的最佳選擇。VoLTE基本業務對于運營商來說略顯單薄，為了更加有效地搶占通訊錄入口，應對移動互聯網時代用戶需求的不斷豐富、多種網絡的共存和演進、終端的智能化、互聯網業務的競爭，RCS（rich communication suite，富通信套件）和VoLTE的融合通信將是一個非常好的切入點。

RCS是電信運營商提供整套基于通訊錄的呈現，即即時通信、群聊、文件傳輸、圖片共享等在線通信應用，也是基于IMS架構的融合通信套件，能夠天然地與手機內置通訊錄綁定，確保不同運營商服務的互通。根據RCS的演進發展，RCS 5將支持基于VoLTE的高清語音/視頻業務，直接引用IR.92和IR.94中VoLTE的能力集合，實現RCS與VoLTE多媒體業務的融合通信。VoLTE高清語音、視頻、短信和eSRVCC都是獨立的業務能力，而RCS是一個包括多種能力集合的產品套件，這些能力可以不由RCS提供，但是RCS結合能力會實現得更好。并且，RCS可以利用傳統通信網絡PS域和Wi-Fi，使用戶無感知網絡切換地使用多個社交型通信業務。

圖8 API方案和B2BAU+proxy方案

VoLTE和RCS結合的關鍵問題是APN配置和芯片架構。VoLTE的IMS協議棧宜置于VoLTE終端的調制解調器中，因為智能手機架構中的調制解調器負責處理蜂窩無線、承載管理和CS電話業務，VoLTE功能實現在底層芯片的功耗將遠遠小于實現在應用處理器上的功耗，而RCS的IMS協議棧宜置于應用處理器上是考慮到RCS發展的靈活應變性和未來的擴展性，因此處于不同位置的IMS協議棧意味著RCS和VoLTE需要不同的注冊、鑒權、計費方式，這樣同時維持兩條注冊和SIP信令帶來的功耗也會較高。其他方案如果使用統一API調用同一IMS協議棧或者使用同一SIP B2BUA+proxy接入IMS接入網，因為各方面技術條件不成熟無法達成一致，也不適用于現階段部署。API方案和B2BAU+proxy方案如圖8所示。

隨著RCS和VoLTE融合通信的發展，運營商積極推進將RCS和VoLTE內嵌至終端原生撥號界面，共享通訊錄并使用相同簽約數據的方案。在RCS中，當VoLTE業務可用時優先使用VoLTE，不可用時基于CS域的語音業務和基于Wi-Fi的RCS-VoIP可作為補充。雖然IMS的單注冊方案是最終的演進方向，但是目前多數終端廠商仍使用獨立的IMS棧，因此需要整個產業鏈推進標準化工作，統一IMS協議棧的標準API，盡快制定解決RCS、VoLTE的計費方案，使VoLTE終端和RCS的融合方案達成一致。

4 VoLTE終端技術難點

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VoLTE終端設計和業務部署中仍然存在很多困難和挑戰。VoLTE技術需要終端、芯片、LTE無線側、核心網和IMS的全面支持和優化，目前全球的VoLTE處于初步部署階段，各方面實現復雜度較大。

首先，LTE網絡建設初期覆蓋不足，2G/3G網絡和LTE網絡將在較長時期內共存。雖然現在有SVLTE、CSFB等過渡性的語音解決方案，然而終端和網絡的改造量都較大，語音業務質量也不能和VoLTE技術相比。考慮到和2G/3G系統的互通和兼容，VoLTE終端在設計時必須考慮SRVCC和多模多頻等問題，當LTE網絡廣泛覆蓋時，隨著模式的減少，終端成本才可以降低。同時，VoLTE的漫游方案、計費方案、緊急呼叫方案等也需要在VoLTE終端設計之初就統一確立，然而這些問題根據國家、運營商的不同呈現出多樣化的需求，需要盡快建立統一的技術標準來促進VoLTE終端的發展。

其次，VoLTE終端中芯片層面的IMS協議棧開發較復雜。若非深度集成而采用APP方式，則實現VoLTE到2G/3G網絡的切換代價較大、信令處理效率低、高清音視頻體驗差，因此VoLTE的IMS協議棧必須在終端的調制解調器處實現。然而，考慮到運營商力推的RCS和VoLTE融合通信的需求，其解決方案較為復雜。目前RCS的IMS協議棧都在終端的應用處理器上實現，而VoLTE的IMS協議棧在調制解調器上實現。如果通過不同的APN分別注冊在IMS上，需要不同的注冊、鑒權方式，對用戶卡的要求將改變，而且同時維持兩條SIP信令的傳輸，在功耗、計費方面也有較大問題。而其他解決方案由于技術不成熟而不適宜在初期部署。因此，VoLTE相關協議棧的開發、測試和優化需要產業鏈上的芯片、終端、操作系統、網絡設備和運營商多方面共同推動標準化工作。

最后，VoLTE終端的發展依賴于IMS網絡部署情況。IMS作為一個無差別接入的多媒體業務解決方案，不僅要考慮針對VoLTE功能的支持和集成，還要考慮固網和移動網絡的融合以及企業和個人的增值業務實現。不同的運營商對IMS網絡的建設有不同的需求，部分現有的IMS網絡主要為固移融合服務，如果加入VoLTE架構，需要考慮IMS網絡是否具有通過升級就可支持數量遠大于現有固網用戶的移動用戶的能力，同時還需考慮IMS對新型服務和業務的可擴展性（如對WebRTC的支持能力）和在全球IMS建設過程中各個運營商之間VoLTE業務的互聯互通問題。

5 結束語

VoLTE是電信運營商充分利用LTE網絡在語音業務上演進的最終方案，它不但擁有LTE高效的無線資源利用率和端到端的電信級QoS保障，還能和新興的RCS業務融合發展，提供更加優質的服務質量和客戶體驗。目前，VoLTE終端的技術標準仍在發展和完善中，在IMS協議棧、RCS融合、運營商互通等關鍵問題上，需要芯片、網絡設備、操作系統、運營商等整個產業鏈來共同推進發展，完善VoLTE生態系統，加快VoLTE終端的商業化演進。

1 GSMA IR.92.V7.0.IMS Profile for Voice and SMS,2013

2 GSMA IR.94.V6.0.IMS Profile for Video Service,2013

3 中國移動通信集團公司.VoLTE技術原理.http://www.docin.com/p-727675288.html,2013

China Mobile.Technical principles of VoLTE.http://www.docin.com/p-727675288.html,2013

4 3GPP TS 23.207.End-to-End Quality of Service(QoS)Concept and Architecture,2012

5 3GPP TS 23.228.IP Multimedia Subsystem(IMS)Stage2,2013

6 3GPP TS 23.216.Technical Specification Group Service and System Aspects;Single Radio Voice Call Continuity(SRVCC);Stage 2,2013

7 3GPP TS 24.173.IMS MultimediaTelephonyServiceand Supplementary Services;Stage 3,2013

8 3GPP TS 24.229.IP Multimedia Call Control Protocol Based on Session Initiation Protocol(SIP)and Session Description Protocol(SDP);Stage 3,2012

9 謝斌.終端VoLTE和RCS的共存研究.電信技術,2013(9):71～74

Xie B.Study on coexistence of VoLTE and RCS.Telecommunications Technology,2013(9):71～74

10 李文苡.LTE語音，運營商的難題.廣東通信技術,2013(9):2～6

Li W Y.Voice solution for LTE，the problem for operators.Guangdong Communication Technology,2013(9):2～6