移動通信中基于IMS的Voice over Wi—Fi解決方案研究

方琰崴

1 引言

據GSA（Global Mobile Suppliers Association）報告預測：到2018年，語音業務仍然占運營商業務收入的50%以上。隨著LTE時代的到來，如何快速提供高質量、廣覆蓋的語音解決方案就顯得格外重要。

隨著LTE技術在國內的大規模應用，語音業務越來越多地承載在LTE網絡上。通信業界一般認為SRVCC/eSRVCC（Enhanced Single Radio Voice Call Continuity，增強的話音連續性）是比較完善的VoLTE（Voice over LTE，基于LTE的語音）解決方案，即通過引入IMS（IP MultiMedia Subsystem，IP多媒體子系統）為用戶提供基于IP的高清4G語音業務。

隨著用戶數量的快速增長和城市化建設所帶來的無線環境改變，不論是傳統的2G/3G還是LTE，要實現無線網絡的全覆蓋和不斷優化，都是需要耗費時間和資金的大工程。尤其是高層樓宇和購物中心，無線傳播環境復雜，人員流動性大，對通信質量要求更高。運營商迫切需要一種既節省投資，又快速有效的無線接入模式作為傳統無線室內覆蓋的有效補充。

隨著智能手機的普及，Wi-Fi已經被廣泛應用到生活的各個方面，不論是公交車、商業中心的接入熱點，還是個人家庭的無線路由器，都實現了廣泛的覆蓋。截止到2015年，全球的Wi-Fi熱點覆蓋超5000萬個，年均增長率超過20%，預計到2018年，全球熱點數量將達到3.4億個。據統計，接近70%的語音通話業務集中在室內，因此和VoLTE同樣基于IMS來實現的VoWiFi（Voice over Wi-Fi，基于Wi-Fi的語音）方案將成為對傳統無線覆蓋進行有效補充的首選。自802.11ac標準推出后，Wi-Fi技術得到了飛速發展，其傳輸速率在百兆以上，不遜于LTE的100MHz～150MHz帶寬。同時，Wi-Fi所采用的2.4GHz和5GHz是免費的公共頻段，部署VoWiFi也有利于降低運營商成本，這也是VoWiFi得到飛速發展的技術驅動力。

然而，VoWiFi并不等于簡單的使用缺乏QoS（Quality of Service，服務質量）保障的互聯網電話，而是要結合已部署的核心網，發揮高可靠性、端到端話音質量保證以及與傳統移動通信網絡進行無縫切換等優勢。

2 VoWiFi組網方案

根據3GPP的定義以及采用的不同移動性管理協議，VoWiFi的組網方式有三種主要方案：信任域EPC（Evolved Packet Core，演進的分組核心網）接入方案、非信任域EPC接入方案、直連IMS接入方案。具體如圖1所示：

（1）信任域EPC接入方案：運營商或者合作方的Wi-Fi熱點等信任域接入設備，通過S2a接口直接和EPC中PGW（Packet Data Network GW，分組數據網關）互通，也稱為S2a接口組網方案。需要對現有WLAN（Wireless LAN，無線接入點）設備進行增強改造，使之支持移動性要求。

（2）非信任域EPC接入方案：所有Wi-Fi熱點等非信任域設備均可以接入，通過ePDG（Evolevd Packet Data Gateway，演進型分組數據網關）接入PGW，實現和EPC的互通。由于非受信域接入網絡和EPC互通采用S2b接口，因此這種組網也稱為S2b接口組網方案。這種方案對WLAN沒有改造要求，安全性高，支持無縫切換，解決了語音、數據業務的連續性問題。

（3）直連IMS接入方案：終端和EPC網絡交互數據通過S2c接口實現透明傳輸，所有Wi-Fi熱點等設備直接連接到IMS接入，也稱為S2c接口組網方案。

三種組網方案的對比如表1所示。

如表1所示，對三種組網方案從技術方面來進行分析，尤其是從對網絡的影響和終端成熟度來看，對于已經部署大量WLAN接入點的運營商來說，采用信任域EPC接入方案，要升級改造或者直接替換全網WLAN接入點設備，施工周期長、成本高、難度大。而采用非信任域EPC接入方案，則可以結合公共Wi-Fi網絡的開放性和運營商核心網的高可靠性、QoS保證等特性，以較低成本實現語音在WLAN和LTE網絡間的無縫切換。因此，非信任域EPC接入方案將逐步取代信任域EPC接入方案，成為目前業界公認的較可行的VoWiFi方案。在該方案中，用戶終端通過非信任域Wi-Fi網絡接入到運營商的EPC網絡，認證鑒權后將呼叫請求路由到IMS進行處理，實現語音、短信、補充業務等IMS業務。

如圖2所示，在非信任域EPC接入方案中，為實現VoWiFi業務，需要新增ePDG和3GPP AAA（Authentication Authorization and Accounting，驗證、授權和記賬）網元?？紤]到簡化組網，可以通過升級PGW支持ePDG功能，升級HSS（Home Subscriber Server，歸屬用戶服務器）來支持AAA功能。而對于WLAN設備無特殊要求，也就是不需要升級替換網絡中已部署的Wi-Fi熱點設備。無論是家里的Wi-Fi網絡，還是企業、運營商的Wi-Fi網絡都可以提供非可信Wi-Fi網絡接入。

ePDG需要支持如下主要功能：

（1）與3GPP AAA進行接口完成用戶的EAP-AKA（Extensible Authentication Protocol，擴展認證協議；Authentication and Key Agreement，認證和密鑰協商）認證；

（2）與PGW開通S2b接口，完成用戶業務流與PGW之間的轉發；

（3）發布ePDG公網IP到因特網；

（4）支持IMS域中P-CSCF（Proxy-Call Session Control Function，代理呼叫會話控制功能）發現；

（5）專用承載建立和QoS映射。

3GPP AAA需要支持如下主要功能：

（1）提供與ePDG的SWm接口，完成用戶EAP-AKA認證；

（2）提供與PGW的S6b接口，完成用戶所在PGW IP地址和APN（Access Point Name，接入點名）到HSS的注冊登記，以便HSS保存用戶接入的PGW IP地址；

（3）提供與HSS的SWx接口。

此外，在EPC網絡完成支持VoLTE的改造后，為了實現非信任域EPC接入方案的要求，對EPC還要進行相應的軟件升級，包括：

（1）MME（Mobile Management Entity，移動管理實體）：支持LTE+WLAN無縫切換；

（2）PGW：支持LTE+WLAN無縫切換，提供與3GPP AAA的S6b接口，提供與ePDG的S2b接口。

（3）HLR/HSS：需支持基于IMSI（AKA）的鑒權用戶，鑒權APN，提供SWx接口。

（4）IMS應用服務器：支持VoWiFi基本業務及補充業務。

在非信任域EPC接入VoWiFi方案下，可以實現如下業務：

（1）語音業務：基本語音業務，支持AMR和AMR-WB編解碼；

（2）視頻業務：基本視頻業務，支持H.264高清視頻編碼；

（3）補充業務：主叫標識顯示，主叫標識顯示限制，被叫標識顯示，被叫標識顯示限制，無條件呼叫前轉，未注冊呼叫前轉，遇忙呼叫前轉，不可及呼叫前轉，無應答呼叫前轉，閉鎖所有出呼叫，閉鎖所有國際出呼叫，閉鎖除歸屬PLMN（Public Land Mobile Network，公共陸地移動網絡）國家外所有國際出呼叫，閉鎖所有入呼叫，當漫游出歸屬PLMN國家時閉鎖入呼叫，呼叫保持，呼叫等待，多方通話等；

（4）短消息業務：需要支持SMS over IP等多種短信方式。

3 非信任域EPC接入方案業務流程及對

終端的要求

非信任域EPC接入方案的業務流程可以分為三個步驟，具體如圖3所示：

第一步：終端執行WLAN認證，WLAN為終端分配本地IP地址。

第二步：終端通過靜態配置或者DNS機制獲取ePDG地址，發起IKEv2/EAP-AKA流程。在IKEv2過程，EAP-AKA用于對UE鑒權并且協商加密鍵，ePDG獲取終端的IMSI和APN地址。完成認證后，ePDG從3GPP AAA獲取終端的號碼和簽約數據。

第三步：ePDG和PGW之間建立GTP隧道，PGW分配遠端IP地址，并把P-CSCF IP地址通過GTP消息送給ePDG。IKEv2過程結束后，ePDG將終端的遠端IP地址發送給終端，終端獲取IP后向P-CSCF發起IMS注冊流程。

在第二步中，由于ePDG提供了公網IP地址，終端獲取ePDG的IP地址有兩種模式：通過靜態配置ePDG IP地址或者利用DNS機制獲取ePDG地址。具體如圖4所示：

模式一：終端預先配置ePDG的靜態IP地址。根據IP地址，終端直接路由訪問ePDG。在這種方案中，終端選擇固定的IP地址，因此如果終端配置的ePDG負荷較高時，會拒絕終端接入且多個ePDG也無法做到自主負荷分擔。

模式二：終端根據DNS（Domain Name System，域名系統）機制獲取ePDG地址。終端根據PLMN信息來構造FQDN（Fully Qualified Domain Name，全域名）。如ePDG.epc.mnc002.mcc460.3gppnetwork.pub.org，終端訪問互聯網DNS做域名解析或者配置ePDG.chinamobile.com.cn。互聯網DNS到EPC DNS查詢，EPC DNS返回ePDG IP地址，終端獲取ePDG IP地址進行訪問。在這種方案中，需要將運營商EPC DNS和互聯網DNS進行互通，把ePDG域名發布到互聯網DNS。由于同一個FQDN可以對應多臺ePDG設備，ePDG之間可以做到負荷分擔，避免了模式一中靜態配置的弊端，因此模式二中，終端根據DNS返回的ePDG列表選擇可用的ePDG接入。

目前的終端中，iPhone對上述兩種方案都可以支持。推薦運營商采用模式二。

終端除了要支持VoWiFi非信任域EPC接入方案、IPSec隧道建立和EAP-AKA認證外，還要保持WLAN和EPC兩套IP協議。兩套IP協議棧，底層的隧道IP地址由WLAN分配，用于傳輸核心網的語音信令和業務流，而核心網PGW分配的IP地址用于實際的VoWiFi信令和業務流。終端通過Wi-Fi網絡認證后，與ePDG建立IKEv2 IPSec隧道，建立專用承載，所建立的數據會話在PGW錨定。這也是目前各終端和解決方案提供廠商考慮的發展方向。蘋果iOS系統和安卓操作系統都實現了對VoWiFi非信任域EPC接入方案的支持。美國運營商T-Mobile和Sprint正式發布支持VoWiFi的終端類型包括蘋果、三星、LG、HTC、NOKIA等。在我國市場大規模發售的iPhone6/6 plus已經支持VoWiFi的非信任域EPC接入方案。

4 非信任域VoWiFi接入關鍵技術

非信任域EPC接入實現VoWiFi的方案主要應用于已安裝并開通WLAN寬帶接入資源的家庭或企業用戶。WLAN可以是運營商的，也可以是第三方的。固定寬帶用戶，自主通過無線路由器形成室內單點Wi-Fi部署。當用戶在室外時，接入LTE或2G/3G網絡，采用VoLTE或傳統2G/3G電路域方式建立語音呼叫。當用戶回到室內，接入Wi-Fi網絡，通過注冊到IMS網絡，采用VoWiFi方式接打電話。當用戶在室內如寫字樓、商場等較大范圍內部移動時，在WLAN網絡中不同接入點之間連續切換，也可實現2G/3G、VoLTE呼叫與VoWiFi呼叫互通以及語音連續性保障。

4.1 認證鑒權

由于支持EAP-AKA進行WLAN認證的手機較少，建議采取組合鑒權的認證方式：終端通過Web portal、WAP、WEP等方式在WLAN側進行認證，并且通過EAP-AKA認證+IPSec方式在EPC接入側進行認證。這種鑒權方式，由IPSec隧道保證WLAN側業務流的安全性，同時可充分利用多種WLAN類型，如家庭網關、免費Wi-Fi熱點等接入EPC，使用語音業務。

4.2 接入域選擇

由于用戶可能駐留在不同的語音網絡中，包括2G/3G語音、VoLTE、VoWiFi，網絡和終端都需要支持接入域和業務域的選擇功能。

終端能夠選擇語音業務發起使用的接入域和業務域。而網絡側優先使用IMS域判斷處理被叫業務域的預選，支持根據被叫用戶的接入域來選擇用戶的終呼接續域，并且能在域選失敗后快速進行二次域選，完成呼叫過程。

用戶接入網絡時，也需要對用戶進行提醒。網絡或終端可根據當前用戶使用網絡的類型，告知用戶當前是VoWiFi、VoLTE或2G/3G語音。當通過WLAN網絡接入IMS注冊和使用業務時，發送提醒信息告知用戶；當離開WLAN網絡覆蓋區域，通過宏網注冊和使用業務時也能夠發送提醒信息告知用戶。用戶在注冊和使用語音業務的過程中，將接入側的相關標識帶到IMS網絡側并且向用戶發布。這種提醒通知可以有多種呈現形式：界面UI（撥號或接聽時）、網絡標識、消息（短信/即時消息）、語音提示等。

在這個過程中，PGW維護用戶在線會話，保持業務連續。PGW為用戶在WLAN和LTE接入，分配相同的IP地址，產生計費話單。ePDG是WLAN接入EPC的IP網關，提供公網可見的IP地址，使用IPSec認證授權的移動用戶，保護用戶業務流安全。

4.4 計費

如果用戶使用數據業務，可以通過PGW計費。PGW提供WLAN計費話單和流量在線計費。如果用戶使用語音業務，則通過IMS計費，而PGW出流量話單做流量核減。建議采用VoLTE和VoWiFi統一計費包。

由于同一移動語音業務，可能在WLAN網絡和3GPP網絡接入間切換，對于IMS域、PS域（或CS域）、WLAN的計費分別進行。而IMS具有計費關聯的能力，能夠將不同接入方式下業務層、會話控制層和承載層的計費信息進行關聯。對同一語音業務，提供IMS域（或CS域）和VoWiFi的計費區分及關聯。VoWiFi的計費關聯通過IMS計費標識、接入網計費標識、IOI（Inter Operator Identifier，運營商間標識）等參數實現。這些計費關聯信息都通過SIP信令消息傳送，并被相關IMS網絡實體加入計費話單，依據這些信息進行計費關聯。

4.5 QoS服務質量

相比互聯網電話，VoWiFi通過業務QoS到承載QoS的映射，保證VoIP業務質量：

（1）PGW將語音包做DSCP（Differentiated Services Code Point，差分服務代碼點）映射，保證核心網側傳輸質量；

（2）ePGW針對下行數據包做QCI（QoS Class Identifier，QoS標識）到DSCP映射，而上行數據表固定設置QCI=1專有承載，保證傳輸質量；

（3）WLAN接入點實現DSCP/802.1p與空口的802.11e優先級映射，從而實現上下限語音數據包的優先級映射；

（4）WLAN網絡的接入點可以對語音業務做優先級調整。

對于語音業務，需要提供平均主觀值MOS>4，時延<150ms。對于視頻業務，當從正常距離觀看時，圖像在閃爍、顏色、聚焦、抖動等方面的變化要不明顯才行。

5 VoWiFi發展現狀和部署策略建議

國外運營商已經開始積極推動VoWiFi的建設。在美國，電信運營商Sprint已經為美國35家機場提供了VoWiFi服務。而T-Mobile，在2014年9月開始部署商用VoWiFi，提供無縫切換。其主要發展策略是在城市、郊區及農村，為消費者提供家庭內部VoWiFi服務，解決宏網覆蓋不足的問題。同時在城市區域為用戶提供家庭VoWiFi解決城市室內覆蓋問題。T-Mobile通過發布VoWiFi企標，采購定制化終端，如LG、三星、iPhone等智能手機廠商為其定制了VoWiFi終端。

2015年4月10日，英國最大的移動運營商EE推出了VoWiFi業務。EE在公共場所部署Wi-Fi，并向消費者提供Wi-Fi家庭網關，為用戶提供多種Wi-Fi形式下的語音業務，利用Wi-Fi網絡解決居民區3G/LTE網絡覆蓋不良的問題。EE向用戶提供的第一批終端包括三星Galaxy S6等型號。

在推出VoLTE和VoWiFi融合的創新方案上，國內運營商也一直在積極地探索。2015年，中國移動在部署RCS（Rich Communication Suite，富消息）融合通信項目時就開始部署IMS+RCS+VoWiFi+VoLTE融合業務。中國移動用戶可以通過Wi-Fi接入方式使用語音業務，實現Wi-Fi與LTE網絡的語音無縫切換。中國聯通正在全面部署VoLTE和RCS，實現基礎通信產品的互聯網化，2015年底在鄭州等多個城市進行VoLTE和VoWiFi試點。中國電信已經進行了VoLTE+VoWiFi技術驗證，也計劃在2016年開始測試并逐步商用。

擁有大量Wi-Fi熱點資源的運營商具備在公共區域良好的無線覆蓋能力。這不但能大大降低部署Wi-Fi時的設備成本，也能幫助運營商提升網絡資源的利用效率。據工信部統計，國內運營商所擁有的Wi-Fi熱點數量已經超過600萬個。對于運營商來說，在部署Wi-Fi熱點并不多的省份和地區，建議快速升級或替換Wi-Fi熱點設備以支持VoWiFi。初期低成本、快速部署信任域EPC接入方案以實現VoWiFi，今后逐步過渡到非信任域EPC接入方案。對于運營商已經大量部署Wi-Fi熱點的省份和地區，建議直接升級PGW、HSS，使其分別支持ePDG、AAA功能，快速開展非信任域EPC接入方案。

此外，我國的固定互聯網寬帶接入用戶數已經遠遠超過2億。這些用戶中有很大部分已使用Wi-Fi設備接入互聯網。針對這類Wi-Fi熱點資源，建議直接采用非信任域EPC接入方案，這能幫助運營商有效降低無線信號的室內覆蓋成本。同時由于非信任域EPC接入方案的使用限制少、成本低、范圍廣，用戶通過這種接入方式能更靈活地獲取高質量的語音服務，可極大地改善用戶的室內語音業務服務質量。

6 結束語

無論從競爭角度出發，還是為了滿足用戶業務發展多樣性的需求，國內運營商為了快速發展通信網絡，實現基礎通信網絡的互聯網化，更好地應對OTT競爭，必然要走多網融合發展之路。利用IMS，實現Wi-Fi和LTE在提供語音方面的優勢互補，可以更好地實現通信業務的發展。

建議運營商結合Wi-Fi、2G/3G、LTE等網絡的建設發展、關鍵技術、終端發展等多方面因素，綜合考慮，積極開展VoWiFi和VoLTE的融合組網試驗，為未來融合組網提供充足的技術儲備，實現多網融合的可持續性發展。

參考文獻：

[1] 3GPP TS 23.234. 3GPP system to Wireless Local Area Network （WLAN） interworking； System description （Release 10）[S]. 2014.

[2] 3GPP TS 24.302. Access to the 3GPP Evolved Packet Core （EPC） via non-3GPP access networks （Release 12）[S]. 2014.

[3] 3GPP TS 33.402. Security aspects of non-3GPP accesses （Release 12）[S]. 2014.

[4] 3GPP TS 23.228 V11.6.0. IP Multimedia Subsystem （IMS）； Stage 2[S]. 2012.

[5] 3GPP TS 23.292 V11.4.0. IP Multimedia Subsystem （IMS） centralized services； Stage 2[S]. 2012.

[6] 3GPP TS 23.237 V12.0.0. IP Multimedia Subsystem （IMS） Service Continuity； Stage 2[S]. 2012.

[7] 3GPP TS 23.216. Single Radio Voice Call Continuity （SRVCC）； Stage 2[S]. 2015.

[8] 梁鵬，劉志勇. 一種WLAN與LTE網絡融合方案[J]. 信息通信技術， 2012（3）： 42-45.

[9] 王磊. WLAN與EPC網絡融合技術研究[J]. 郵電設計技術， 2013（4）： 35-37.

[10] 蔣軍. WLAN與LTE網絡融合部署研究[J]. 郵電設計技術， 2014（11）： 30-34.

[11] 楊堅. 基于非信任域EPC接入的VoWiFi技術初探與實踐[J]. 電信技術， 2015（8）： 35-39.

[12] 王秀娟，章堅. VoLTE：4G時代的最佳語音解決方案[EB/OL]. （2014-12-08）[2016-01-15]. http：//www.cnii.com.cn/internation/2014-12/08/content_1492569.htm.

[13] 中興通訊. VoWiFi與VoLTE無縫切換[EB/OL]. （2015-08-21）[2016-01-15]. http：//www.ccidcom.com/html/zhizaoshang/201508/21-243838.html.

[14] 梁朝軍，戴國華，張婷. RCS業務部署關鍵因素分析及建議[J]. 移動通信， 2015（15）： 11-15.