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摘要：话音业务是移动通信网为用户提供的基础业务之一。在LTE时代，有多种承接2G/3G话音业务的方案，VoLTE是未来的主流方案。本文研究了VoLTE解决方案，并结合3GPP标准梳理了VoLTE网元架构和业务流程，分析了VoLTE方案如何保证业务连续性的问题，研究了VoLTE中的QoS保障关键技术以及实际商用VoLTE的网络和终端的要求，以期给运营商的VoLTE网络建设和业务开展提供一定的参考。 关键词：VoLTE，IMS，SRVCC，QoS 1 引言 当前，LTE网络建设与业务开展正在全球范围内如火如荼地进行。截至2012年11月，全球已经有105个国家的电信运营商进行了360个LTE商用网络的建设，其中，113个网络已经投入商用。预计到2013年底，LTE用户数量可以突破2亿，发展势头迅猛[1]。 LTE网络的频谱利用率高，在20 MHz的带宽内，可以提供下行最大100 Mbit/s，上行最大50 Mbit/s的峰值速率。在接入网方面，LTE采用了正交频分复用(orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)、多输入多输出(multiple-input multiple-output，MIMO)、自适应调制编码(adaptive modulation and coding，AMC)等无线空口技术[2]。在核心网方面，LTE完全放弃了2G/3G网络的电路域(circuit switch，CS)，采用纯粹的交换域(packet switch，PS)来提供各种业务。 话音业务是移动通信网为用户提供的基础业务之一，也是运营商最重要的业务收入来源之一。在2G/3G网络，话音业务由核心网电路域(CS)提供支持。由于LTE只有交换域而没有电路域，因此在LTE时代如何顺利实现对话音业务的承接，成为一个重要的研究课题。 本文首先分析了LTE时代的多种话音业务方案，通过比较各种方案的特点，指出VoLTE(voice over LTE)是未来的主流方案，并给出了VoLTE的技术实现方法和业务流程。针对VoLTE网络建设和业务部署的难点问题，本文梳理了解决这些问题的关键技术方案。 2 LTE话音解决方案 顺利承接话音业务是LTE网络的一项关键任务。围绕LTE时代的话音业务，业界提出了多种解决方案[3]，可供商用选择。 ·SVLTE(simultaneous voice and LTE)方案，在这种方案中，终端同时驻留在2G/3G和LTE网络中。传统的电路域提供话音业务，LTE网络提供数据业务，数据和话音同时并发。 ·CSFB(circuit switch fallback)方案[4]，在这种方案中，LTE只提供数据业务。当用户发起或接受话音业务时，回落到原有网络，如GSM/UMTS/cdma2000 1x。 ·VoLTE方案，在这种方案中，话音业务由LTE数据域提供支持，LTE通过IP多媒体子系统(IMS)提供基于IP数据分组的话音业务。 以上3种话音解决方案在承载方式、网络要求、终端要求、网络覆盖要求、并发需求、时延等方面各有不同，归纳总结见表1。 VoLTE方案基于LTE的分组域进行，而其他方案如CSFB和SVLTE则通过电路域来提供话音业务。使用电路域资源提供话音业务的方案一般应用在LTE部署初期、LTE用户数量较少的情况下，只能作为一种过渡方案。相对于电路域方案来说，使用LTE IMS提供VoLTE话音业务有以下两个优势：一方面，LTE具有很高的频谱利用率；另一方面，LTE IMS能提供更好的用户体验，话音清晰、时延短，并且可以融合视频多媒体等多种业务。 随着LTE网络的加速到来和IMS的部署，VoLTE将成为主流的话音解决方案。2012年8月8日，韩国电信运营商SK电讯、LG U+宣布商用VoLTE，成为全球首批商用VoLTE业务的运营商。 SK电讯的VoLTE采用高质量话音 (HD voice)技术，并将在未来提供更多的富通信业务(RCS)。此外，Metro PCS也在2012年8月通过LG智能手机推出了VoLTE服务；美国Verizon Wireless也拟在未来提供VoLTE业务，并声称2014年VoLTE将成为其唯一的话音服务技术。 3 VoLTE技术实现方案 随着IMS和VoIP业务的部署，通过LTE网络的数据域部署话音业务成为一个引发业界关注的方式。2009年11月，“One Voice”联盟(由几个主要的运营商和设备制造商组成)发布了与3GPP标准兼容的基于IMS的话音业务框架。基于One Voice，GSMA在2010年2月发布了LTE数据域话音业务方案，即VoLTE方案[5]。该方案基于IMS，提供全IP化的话音服务。VoLTE采用了宽带AMR话音编码(W-AMR)技术，音频范围可覆盖50～7 000 Hz，能实现更丰富、更自然的高清话音通话。 3.1 VoLTE网络架构 VoLTE方案基于3GPP的IMS规范[6]，已经被业界公认为解决LTE网络中话音服务的主要方案。VoLTE方案的网络架构如图1所示。 其中，PCRF(policy control rule function)实现业务策略控制功能，P/I/S-CSCF(call session control function)实现IMS呼叫会话控制功能，P-CSCF负责接收请求并向后传递，I-CSCF负责接收来自网络内部的任何指向寄存器的连接，S-CSCF负责处理注册、路由、维持承载、向HSS下载用户信息和服务配置。 3.2 VoLTE业务流程 VoLTE业务遵循IMS的话音业务流程[6]，包含漫游和非漫游场景下的起呼、被叫等。端到端的VoLTE呼叫流程如图2所示。 表1 3种话音解决方案比较 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 对1x CSFB方案，在双收双发时才可实现话音/数据并发 | | | | | | | | | |
在图2中，VoIP话音业务流程主要分为LTE终端开机、VoLTE呼叫建立、VoLTE呼叫释放3个过程。首先通过UE与eNode B的无线连接建立、EPC注册/缺省承载建立/VoLTE支持发现，完成IMS的注册及用户鉴权。然后建立UE与AS间的IMS VoIP会话，建立EPS专用承载，并开始VoIP话音会话。最后在呼叫结束后，进行IMS VoIP会话和专用承载的释放。 4 VoLTE关键技术 尽管VoLTE的技术标准、网络架构及业务流程非常清晰，但在实际的VoLTE建设和业务部署中，仍然存在很多困难和挑战。例如，LTE网络建设初期的覆盖连续性问题、VoLTE话音质量保障、支持VoLTE的终端不足等。本文梳理了以下几个关键因素，力求寻找面对挑战以及克服困难的方法，提高VoLTE业务的用户体验，加快VoLTE业务的开展。 4.1 VoLTE与2G/3G网络互操作 在LTE网络建设初期多采用阶段性的覆盖方式。在LTE未覆盖的区域，需要由原有网络提供话音业务来保证业务的连续性。3GPP在R8版本制定了SRVCC(singleradio voice call continuity)方案[7]，在LTE覆盖的边缘区域，将LTE上的VoIP呼叫切换到1x的CS域上。 图1 VoLTE网络架构 图2 VoIP话音业务流程 在SRVCC方案中，呼叫始终锚定在IMS上，电路域连接被当作标准的IMS会话，电路域承载被当作IMS的媒介资源。因此，IMS可以提供连续服务，而不管其接入网的类型。这个概念被称作IMS集中式服务(IMS centralized service，ICS)。 在CDMA网络中通过SRVCC实现话音业务的互操作，需要新建网元1xCS IWS以及S102接口，如图3所示。在lxRTT MSC看来，1xCS IWS是一个BSC。该“BSC”的空中接口实际上是E-UTRAN。这样使得E-UTRAN到1xRTT的切换在1xRTT MSC看来是一个跨BSC的切换。UE和1xRTT MSC之间的信令通过EPS信令连接、S102隧道传送。该隧道使得UE同时和EPS的核心网以及1xRTT的核心网保持联系。即UE可以从E-UTRAN向1xRTT MSC进行预注册和呼叫的预建立，从而使得LTE到1xRTT的切换速度大大加快。 SRVCC方案目前尚未完全成熟，在SRVCC完全成熟以后，VoLTE可以利用原有2G/3G网络提供业务连续性支持，在LTE网络覆盖空洞的地方提供业务连续性支持。 4.2 QoS保障技术 为了在LTE网络的数据域上提供具有与传统网络相似甚至更好的用户体验的话音业务，需要由LTE网络提供良好的QoS保障。 首先，LTE网络在设计之初就考虑到为不同的业务提供不同的服务质量，通过对E2E承载，配置不同的QoS参数来区分业务等级。LTE为每一个承载都对应一个QoS类别标识(QCI)，见表2。 其中，QCI=1的承载，用户时延为100 ms，分组丢失率为0.01，可以用来提供话音服务：QCI=5的承载，优先级最高，时延100 ms，分组丢失率为0.000001，可以用来传输SIP信令。3GPP中的QoS保障机制，是LTE网络中提供话音服务的重要基础。 图3 SRVCC方案网络架构 表2 3GPP规定的QCI | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 视频(缓存流)(如网页浏览、邮件、聊天、FTP等) | | | | | | | | |
另外，为了保障VoIP业务的QoS指标，LTE还引入了一些优化手段，包括以下几个关键技术。 ·半静态调度：每隔固定的周期在相同的时频资源位置上进行该业务数据的发送或接收。使用半静态调度传输，可以充分利用话音数据分组周期性到达的特点，降低系统开销并减少时延，提高QoS。 ·TTI绑定：对于上行的连续TTI进行绑定，分配给同一用户，在这些TTI上发送相同数据块的不同冗余版本，接收机进行合并。TTI绑定可以提高边缘用户的服务质量。 ·ROHC压缩：LTE系统中规定，PDCP子层支持由IETF定义的顽健性报头压缩ROHC(robust header compression)协议对IP/UDP/RTP进行报头压缩，这样可以有效地提高信道利用效率。 4.3 网络与终端要求 VoLTE的网络建设和业务部署对网络和终端提出了一系列的要求。 ·网络架构方面：要求新增IMS相关网元，包括IMS核心网、HSS、MGCF/MGW、媒体服务器、应用服务器。并要求IMS连通与LTE网络PGW、PCRF、MME的接口。在与传统网络的互通方面，也要求与2G/3G/PSTN进行网络的互通。 ·终端方面：主要的形态包括软终端的话音业务，即“LTE数据卡+软终端+电脑”方式、硬终端“LTECPE+固定话机”方式以及支持iOS、Android等操作系统为代表的智能手机。以智能手机为例，要求支持SIP协议栈、安装VoLTE客户端、支持QCI=1专用承载和所需编解码方式等。要求VoLTE提供AMR-WBG高清话音编解码，支持VoLTE、SMS、RCS等多媒体通信的无缝集成，以期提供更好的业务体验。以实际VoLTE商用案例来看，部分开展了该业务的国外运营商也提供了有益的经验借鉴，如GUI深度集成、设定专门的VoLTE按键、运营商和终端厂商深度合作定制手机等。 5 结束语 随着智能终端的增多和LTE技术的不断完善，LTE正加速到来。从基本的数据服务到话音、短信、多媒体等各种各样的服务，LTE网络正以其强大的技术优势迅速地引领移动互联网的发展趋势。使用电路域资源提供话音业务的方案一般应用在LTE部署初期、用户数量较少的情况下。而VoLTE方案在频谱资源利用、高清话音和视频编解码的引入、与RCS的无缝集成等方面具有优势，显著提高了用户体验的满意度，未来必将具有广阔的应用前景。
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发表于 2017-2-14 11:15:57
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