VoLTE業(yè)務(wù)與技術(shù)實現(xiàn)方案的研究與分析

周 峰，許正鋒，羅 俊

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海200122）

1 引言

當前，LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與業(yè)務(wù)開展正在全球范圍內(nèi)如火如荼地進行。截至2012年11月，全球已經(jīng)有105個國家的電信運營商進行了360個LTE商用網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，其中，113個網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)投入商用。預(yù)計到2013年底，LTE用戶數(shù)量可以突破2億，發(fā)展勢頭迅猛[1]。

LTE網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率高，在20 MHz的帶寬內(nèi)，可以提供下行最大100 Mbit/s，上行最大50 Mbit/s的峰值速率。在接入網(wǎng)方面，LTE采用了正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM）、多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）、自適應(yīng)調(diào)制編碼（adaptive modulation and coding，AMC）等無線空口技術(shù)[2]。在核心網(wǎng)方面，LTE完全放棄了2G/3G網(wǎng)絡(luò)的電路域（circuit switch，CS），采用純粹的交換域（packet switch，PS）來提供各種業(yè)務(wù)。

話音業(yè)務(wù)是移動通信網(wǎng)為用戶提供的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)之一，也是運營商最重要的業(yè)務(wù)收入來源之一。在2G/3G網(wǎng)絡(luò)，話音業(yè)務(wù)由核心網(wǎng)電路域（CS）提供支持。由于LTE只有交換域而沒有電路域，因此在LTE時代如何順利實現(xiàn)對話音業(yè)務(wù)的承接，成為一個重要的研究課題。

本文首先分析了LTE時代的多種話音業(yè)務(wù)方案，通過比較各種方案的特點，指出VoLTE（voice over LTE）是未來的主流方案，并給出了VoLTE的技術(shù)實現(xiàn)方法和業(yè)務(wù)流程。針對VoLTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和業(yè)務(wù)部署的難點問題，本文梳理了解決這些問題的關(guān)鍵技術(shù)方案。

2 LTE話音解決方案

順利承接話音業(yè)務(wù)是LTE網(wǎng)絡(luò)的一項關(guān)鍵任務(wù)。圍繞LTE時代的話音業(yè)務(wù)，業(yè)界提出了多種解決方案[3]，可供商用選擇。

·SVLTE（simultaneous voice and LTE）方案，在這種方案中，終端同時駐留在2G/3G和LTE網(wǎng)絡(luò)中。傳統(tǒng)的電路域提供話音業(yè)務(wù)，LTE網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)和話音同時并發(fā)。

·CSFB（circuit switch fallback）方案[4]，在這種方案中，LTE只提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。當用戶發(fā)起或接受話音業(yè)務(wù)時，回落到原有網(wǎng)絡(luò)，如GSM/UMTS/cdma2000 1x。

·VoLTE方案，在這種方案中，話音業(yè)務(wù)由LTE數(shù)據(jù)域提供支持，LTE通過IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）提供基于IP數(shù)據(jù)分組的話音業(yè)務(wù)。

以上3種話音解決方案在承載方式、網(wǎng)絡(luò)要求、終端要求、網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求、并發(fā)需求、時延等方面各有不同，歸納總結(jié)見表1。

表1 3種話音解決方案比較

VoLTE方案基于LTE的分組域進行，而其他方案如CSFB和SVLTE則通過電路域來提供話音業(yè)務(wù)。使用電路域資源提供話音業(yè)務(wù)的方案一般應(yīng)用在LTE部署初期、LTE用戶數(shù)量較少的情況下，只能作為一種過渡方案。相對于電路域方案來說，使用LTE IMS提供VoLTE話音業(yè)務(wù)有以下兩個優(yōu)勢：一方面，LTE具有很高的頻譜利用率；另一方面，LTE IMS能提供更好的用戶體驗，話音清晰、時延短，并且可以融合視頻多媒體等多種業(yè)務(wù)。

隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的加速到來和IMS的部署，VoLTE將成為主流的話音解決方案。2012年8月8日，韓國電信運營商SK電訊、LG U+宣布商用VoLTE,成為全球首批商用VoLTE業(yè)務(wù)的運營商。SK電訊的VoLTE采用高質(zhì)量話音（HD voice）技術(shù)，并將在未來提供更多的富通信業(yè)務(wù)（RCS）。此外，Metro PCS也在2012年8月通過LG智能手機推出了VoLTE服務(wù)；美國Verizon Wireless也擬在未來提供VoLTE業(yè)務(wù)，并聲稱2014年VoLTE將成為其唯一的話音服務(wù)技術(shù)。

3 VoLTE技術(shù)實現(xiàn)方案

隨著IMS和VoIP業(yè)務(wù)的部署，通過LTE網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)域部署話音業(yè)務(wù)成為一個引發(fā)業(yè)界關(guān)注的方式。2009年11月，“One Voice”聯(lián)盟（由幾個主要的運營商和設(shè)備制造商組成）發(fā)布了與3GPP標準兼容的基于IMS的話音業(yè)務(wù)框架?；贠ne Voice，GSMA在2010年2月發(fā)布了LTE數(shù)據(jù)域話音業(yè)務(wù)方案，即VoLTE方案[5]。該方案基于IMS，提供全IP化的話音服務(wù)。VoLTE采用了寬帶AMR話音編碼（W-AMR）技術(shù)，音頻范圍可覆蓋50～7 000 Hz，能實現(xiàn)更豐富、更自然的高清話音通話。

3.1 VoLTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

VoLTE方案基于3GPP的IMS規(guī)范[6]，已經(jīng)被業(yè)界公認為解決LTE網(wǎng)絡(luò)中話音服務(wù)的主要方案。VoLTE方案的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

其中，PCRF（policy control rule function）實現(xiàn)業(yè)務(wù)策略控制功能，P/I/S-CSCF（call session control function）實現(xiàn)IMS呼叫會話控制功能，P-CSCF負責接收請求并向后傳遞，I-CSCF負責接收來自網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的任何指向寄存器的連接，S-CSCF負責處理注冊、路由、維持承載、向HSS下載用戶信息和服務(wù)配置。

3.2 VoLTE業(yè)務(wù)流程

VoLTE業(yè)務(wù)遵循IMS的話音業(yè)務(wù)流程[6]，包含漫游和非漫游場景下的起呼、被叫等。端到端的VoLTE呼叫流程如圖2所示。

在圖2中，VoIP話音業(yè)務(wù)流程主要分為LTE終端開機、VoLTE呼叫建立、VoLTE呼叫釋放3個過程。首先通過UE與eNode B的無線連接建立、EPC注冊/缺省承載建立/VoLTE支持發(fā)現(xiàn)，完成IMS的注冊及用戶鑒權(quán)。然后建立UE與AS間的IMS VoIP會話，建立EPS專用承載，并開始VoIP話音會話。最后在呼叫結(jié)束后，進行IMS VoIP會話和專用承載的釋放。

4 VoLTE關(guān)鍵技術(shù)

盡管VoLTE的技術(shù)標準、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及業(yè)務(wù)流程非常清晰，但在實際的VoLTE建設(shè)和業(yè)務(wù)部署中，仍然存在很多困難和挑戰(zhàn)。例如，LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期的覆蓋連續(xù)性問題、VoLTE話音質(zhì)量保障、支持VoLTE的終端不足等。本文梳理了以下幾個關(guān)鍵因素，力求尋找面對挑戰(zhàn)以及克服困難的方法，提高VoLTE業(yè)務(wù)的用戶體驗，加快VoLTE業(yè)務(wù)的開展。

4.1 VoLTE與2G/3G網(wǎng)絡(luò)互操作

在LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期多采用階段性的覆蓋方式。在LTE未覆蓋的區(qū)域，需要由原有網(wǎng)絡(luò)提供話音業(yè)務(wù)來保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性。3GPP在R8版本制定了SRVCC（single radio voice call continuity）方案[7]，在LTE覆蓋的邊緣區(qū)域，將LTE上的VoIP呼叫切換到1x的CS域上。

在SRVCC方案中，呼叫始終錨定在IMS上，電路域連接被當作標準的IMS會話，電路域承載被當作IMS的媒介資源。因此，IMS可以提供連續(xù)服務(wù)，而不管其接入網(wǎng)的類型。這個概念被稱作IMS集中式服務(wù) （IMS centralized service，ICS）。

在CDMA網(wǎng)絡(luò)中通過SRVCC實現(xiàn)話音業(yè)務(wù)的互操作，需要新建網(wǎng)元1xCS IWS以及S102接口，如圖3所示。在1xRTT MSC看來，1xCS IWS是一個BSC。該“BSC”的空中接口實際上是E-UTRAN。這樣使得E-UTRAN到1xRTT的切換在1xRTT MSC看來是一個跨BSC的切換。UE和1xRTT MSC之間的信令通過EPS信令連接、S102隧道傳送。該隧道使得UE同時和EPS的核心網(wǎng)以及1xRTT的核心網(wǎng)保持聯(lián)系。即UE可以從E-UTRAN向1xRTT MSC進行預(yù)注冊和呼叫的預(yù)建立，從而使得LTE到1xRTT的切換速度大大加快。

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網(wǎng)絡(luò)提供業(yè)務(wù)連續(xù)性支持，在LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋空洞的地方提供業(yè)務(wù)連續(xù)性支持。

表2 3GPP規(guī)定的QCI

4.2 QoS保障技術(shù)

為了在LTE網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)域上提供具有與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相似甚至更好的用戶體驗的話音業(yè)務(wù)，需要由LTE網(wǎng)絡(luò)提供良好的QoS保障。

首先，LTE網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計之初就考慮到為不同的業(yè)務(wù)提供不同的服務(wù)質(zhì)量，通過對E2E承載，配置不同的QoS參數(shù)來區(qū)分業(yè)務(wù)等級。LTE為每一個承載都對應(yīng)一個QoS類別標識（QCI），見表2。

其中，QCI=1的承載，用戶時延為100 ms，分組丟失率為0.01，可以用來提供話音服務(wù)：QCI=5的承載，優(yōu)先級最高，時延100 ms，分組丟失率為0.000001，可以用來傳輸SIP信令。3GPP中的QoS保障機制，是LTE網(wǎng)絡(luò)中提供話音服務(wù)的重要基礎(chǔ)。

另外，為了保障VoIP業(yè)務(wù)的QoS指標，LTE還引入了一些優(yōu)化手段，包括以下幾個關(guān)鍵技術(shù)。

·半靜態(tài)調(diào)度：每隔固定的周期在相同的時頻資源位置上進行該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。使用半靜態(tài)調(diào)度傳輸，可以充分利用話音數(shù)據(jù)分組周期性到達的特點，降低系統(tǒng)開銷并減少時延，提高QoS。

·TTI綁定：對于上行的連續(xù)TTI進行綁定，分配給同一用戶，在這些TTI上發(fā)送相同數(shù)據(jù)塊的不同冗余版本，接收機進行合并。TTI綁定可以提高邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量。

·ROHC壓 縮：LTE系 統(tǒng) 中 規(guī) 定，PDCP子 層 支 持 由IETF定義的頑健性報頭壓縮ROHC（robust header compression）協(xié)議對IP/UDP/RTP進行報頭壓縮，這樣可以有效地提高信道利用效率。

4.3 網(wǎng)絡(luò)與終端要求

VoLTE的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和業(yè)務(wù)部署對網(wǎng)絡(luò)和終端提出了一系列的要求。

·網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面：要求新增IMS相關(guān)網(wǎng)元，包括IMS核心網(wǎng)、HSS、MGCF/MGW、媒體服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器。并要求IMS連通與LTE網(wǎng)絡(luò)PGW、PCRF、MME的接口。在與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的互通方面，也要求與2G/3G/PSTN進行網(wǎng)絡(luò)的互通。

·終端方面：主要的形態(tài)包括軟終端的話音業(yè)務(wù)，即“LTE數(shù)據(jù)卡+軟終端+電腦”方式、硬終端“LTE CPE+固定話機”方式以及支持iOS、Android等操作系統(tǒng)為代表的智能手機。以智能手機為例，要求支持SIP協(xié)議棧、安裝VoLTE客戶端、支持QCI=1專用承載和所需編解碼方式等。要求VoLTE提供AMR-WBG高清話音編解碼，支持VoLTE、SMS、RCS等多媒體通信的無縫集成，以期提供更好的業(yè)務(wù)體驗。以實際VoLTE商用案例來看，部分開展了該業(yè)務(wù)的國外運營商也提供了有益的經(jīng)驗借鑒，如GUI深度集成、設(shè)定專門的VoLTE按鍵、運營商和終端廠商深度合作定制手機等。

5 結(jié)束語

隨著智能終端的增多和LTE技術(shù)的不斷完善，LTE正加速到來。從基本的數(shù)據(jù)服務(wù)到話音、短信、多媒體等各種各樣的服務(wù)，LTE網(wǎng)絡(luò)正以其強大的技術(shù)優(yōu)勢迅速地引領(lǐng)移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢。使用電路域資源提供話音業(yè)務(wù)的方案一般應(yīng)用在LTE部署初期、用戶數(shù)量較少的情況下。而VoLTE方案在頻譜資源利用、高清話音和視頻編解碼的引入、與RCS的無縫集成等方面具有優(yōu)勢，顯著提高了用戶體驗的滿意度，未來必將具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 趙訓威，林輝，張明等.3GPP長期演進（LTE）系統(tǒng)架構(gòu)與技術(shù)規(guī)范.北京：人民郵電出版社，2010

2 3GPP TS 36.300.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN);Overall Description;Stage 2,2008

3 VoLTE的演進與部署.http://www.huawei.com/ilink/cn/abouthuawei/publications/communicate/HW_103287?dInID=42395 &dInDocName=HW_103253&relatedID=42425&relatedName=HW_103272,2011

4 3GPP TS 23.272.Circuit Switched(CS)Fallback in Evolved Packet System(EPS);Stage 2,2009

5 GSMA IR 92.V4.0.IMS Profile for Voice and SMS,2012

6 3GPP TS 23.228 V9.4.0.IP Multimedia Subsystem(IMS);Stage 2(Release 9),2010

7 3GPP TS 23.216.Technical Specification Group Services and System Aspects;Single Radio Voice Call Continuity(SRVCC);Stage 2(Release 8),2011