LTE語(yǔ)音三步走CSFB技術(shù)凸顯便捷性

工業(yè)和信息化部電信研究院 | 徐菲 楊紅梅 許慕鴻 宋愛(ài)慧

由于目前VoIP業(yè)務(wù)的性能指標(biāo)未能達(dá)到現(xiàn)有電路域語(yǔ)音業(yè)務(wù)的質(zhì)量，而且需要全網(wǎng)布署IMS，因此在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，形成了三種不同的LTE語(yǔ)音解決方案：基于雙待機(jī)終端方案、CSFB和VoLTE。CSFB和VoLTE均為3GPP定義的LTE語(yǔ)音解決方案，兩個(gè)方案在3GPP規(guī)范中均有明確定義。VoLTE需要終端、無(wú)線和核心網(wǎng)的全面支持和優(yōu)化，從目前來(lái)看實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較大。CSFB是在產(chǎn)業(yè)界未實(shí)現(xiàn)VoLTE時(shí)提出的一種相對(duì)較為簡(jiǎn)單的語(yǔ)音解決方案。

雙待機(jī)：技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單

雙待機(jī)終端可以同時(shí)待機(jī)在LTE網(wǎng)絡(luò)和3G/2G網(wǎng)絡(luò)里，而且可以同時(shí)從LTE和3G/2G網(wǎng)絡(luò)接收和發(fā)送信號(hào)，其語(yǔ)音解決方案的實(shí)質(zhì)是使用傳統(tǒng)3G/2G網(wǎng)絡(luò)，與LTE無(wú)關(guān)。

基于雙待機(jī)終端的語(yǔ)音解決方案是一個(gè)相對(duì)比較簡(jiǎn)單的方案。終端芯片可以用兩個(gè)芯片（1個(gè)3G/2G芯片和1個(gè)LTE芯片）或一個(gè)多模芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，LTE與3G/2G模式之間沒(méi)有任何互操作，終端不需要實(shí)現(xiàn)異系統(tǒng)測(cè)量，技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

CSFB：逐步趨于完善

CSFB方案的主要思想是在用戶需要進(jìn)行語(yǔ)音業(yè)務(wù)的時(shí)候，從LTE網(wǎng)絡(luò)回落到3G/2G的電路域重新接入，并按照電路域的業(yè)務(wù)流程發(fā)起或接聽(tīng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)。

為實(shí)現(xiàn)CSFB，需要在MME和3G/2G網(wǎng)絡(luò)的MSC設(shè)備之間建立SGs接口（圖1中紫色線所示）。SGs關(guān)聯(lián)在CSFB技術(shù)中起著橋梁作用，能夠?qū)蓚€(gè)不同的系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)用戶在不同系統(tǒng)間的語(yǔ)音業(yè)務(wù)連續(xù)。所謂為用戶建立了SGs關(guān)聯(lián)，就是在VLR中保存了用戶的MME的地址，而同時(shí)也在MME中保存了用戶的VLR的地址。

圖1 CSFB網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

從圖1可以看出來(lái)，CSFB技術(shù)會(huì)影響現(xiàn)有的3G/2G網(wǎng)絡(luò)，原有網(wǎng)絡(luò)的MSC需要新增與MME的SGs接口，SGSN新增與MME的S3接口。

支持CSFB的終端必須具有多模能力，既能通過(guò)E-UTRAN接入到EPC，也能通過(guò)GERAN/UTRAN接入到CS域。具有CSFB能力的終端必須能夠執(zhí)行聯(lián)合的RAU/LAU附著、位置更新和去附著程序。

原有3G/2G網(wǎng)絡(luò)中的MSC為支持CSFB功能，需要新增到MME的SGs接口，支持SGs協(xié)議棧，維護(hù)SGs關(guān)聯(lián)；并且在SGs接口和Iu/A接口并行地尋呼用戶，支持和MME的聯(lián)合移動(dòng)性管理等功能。

對(duì)于原有3G/2G網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線子系統(tǒng)（基站、基站控制器），需要增加LTE的鄰小區(qū)配置，為讓終端在CSFB到3G/2G網(wǎng)絡(luò)后的語(yǔ)音業(yè)務(wù)結(jié)束后，盡快回到LTE網(wǎng)絡(luò)，原有網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線子系統(tǒng)需要支持Fast Return功能；為了優(yōu)化終端從LTE回落到3G/2G的延遲，原有網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線子系統(tǒng)需要支持RIM功能等。

CSFB關(guān)鍵技術(shù)

CSFB的思路是在用戶需要進(jìn)行語(yǔ)音業(yè)務(wù)的時(shí)候，從LTE網(wǎng)絡(luò)回落到3G/2G的電路域?；芈涞姆绞绞窃卺尫臠TE的無(wú)線鏈接，并且在釋放消息中攜帶重定向字段，指出終端重新接入的制式和頻點(diǎn)。這種回落方式，俗稱為重定位。重定位方式的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)的改造量?。蝗秉c(diǎn)是延遲相對(duì)較大。

為了優(yōu)化重定位的性能，減少終端重新接入3G/2G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間，3GPP提出帶系統(tǒng)消息的重定位功能，在重定位字段中攜帶3G/2G網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)消息。3G/2G網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)消息是通過(guò)RIM流程從BSC/RNC、SGSN、MME傳送到LTE的eNB。這種方式的特點(diǎn)是延遲較小，但對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)的改造量較大，需要對(duì)原有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，支持RIM功能。

為了盡可能減少對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)的改造量，但同時(shí)又為了減少重新接入的時(shí)延，3GPP規(guī)范提出了DMCR功能。DMCR（Deffered Measurement Control）功能是讓UE回落到3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行呼叫期間只讀取部分系統(tǒng)消息，而不需要在呼叫建立前讀完所有的系統(tǒng)消息，從而減少呼叫建立時(shí)間。但是該功能只能用于3G網(wǎng)絡(luò)，2G網(wǎng)絡(luò)不支持DMCR功能。

用于支持終端從LTE回落到3G/2G網(wǎng)絡(luò)的另一種方法是PS域切換。這種方案延遲較小，但支持難度較大，而且現(xiàn)有終端基本不支持這種方式。

從目前技術(shù)支持、產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)、性能等方面來(lái)看，“帶系統(tǒng)消息的重定位方式”被業(yè)界廣泛接受。

CSFB呼叫流程

處于LTE網(wǎng)絡(luò)中的用戶發(fā)起語(yǔ)音呼叫的大致過(guò)程是，主叫用戶向E-UTRAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送業(yè)務(wù)請(qǐng)求，并在EPS網(wǎng)絡(luò)的幫助下切換到 2G/3G系統(tǒng)中的目的小區(qū)，用戶在重新接入到CS域中后完成后續(xù)CS業(yè)務(wù)。具體呼叫流程參見(jiàn)圖2。

VoLTE：全I(xiàn)P條件下的端到端語(yǔ)音方案

當(dāng)LTE網(wǎng)絡(luò)達(dá)到全覆蓋時(shí)， VoLTE語(yǔ)音方案將成為運(yùn)營(yíng)商的終極解決方案。 VoLTE是GSMA定義的標(biāo)準(zhǔn)LTE語(yǔ)音解決方案，其核心業(yè)務(wù)控制網(wǎng)絡(luò)是IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)，配合LTE和EPC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)端到端的基于分組域的語(yǔ)音、視頻通信業(yè)務(wù)。通過(guò)IMS系統(tǒng)的控制，VoLTE解決方案可以提供和電路域性能相當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)音業(yè)務(wù)及其補(bǔ)充業(yè)務(wù)，包括號(hào)碼顯示、呼叫轉(zhuǎn)移、呼叫等待、會(huì)議電話等。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

VoLTE解決方案中，實(shí)現(xiàn)VoIP語(yǔ)音業(yè)務(wù)時(shí)，除了由EPS系統(tǒng)提供承載，由IMS系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)控制外，通常還要由PCC架構(gòu)實(shí)現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)QoS控制以及計(jì)費(fèi)策略的控制。VoLTE業(yè)務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3中主要包括UE、eNodeB、MME、S-GW、P-GW、HSS、PCRF、IMS域（P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF、AS）、MMTtel AS等網(wǎng)元。

觀點(diǎn)

目前移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商準(zhǔn)備推出LTE服務(wù)并不需要急于部署VoLTE，LTE整體服務(wù)以及產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)問(wèn)題都還需要時(shí)間來(lái)完善。同時(shí)我們也應(yīng)該看到,VoLTE不會(huì)在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)之外提供任何引人注目的服務(wù)或商業(yè)機(jī)會(huì)。雖然VoLTE將使網(wǎng)絡(luò)效率提高并節(jié)約成本，但短期內(nèi)運(yùn)營(yíng)商應(yīng)該繼續(xù)關(guān)注LTE數(shù)據(jù)服務(wù)。

目前已經(jīng)部署VoLTE服務(wù)的運(yùn)營(yíng)商可能出于幾方面考慮：提高網(wǎng)絡(luò)效率；VoLTE不再需要一個(gè)單獨(dú)的語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò),能進(jìn)一步降低語(yǔ)音傳輸成本；整體LTE質(zhì)量和效益；新服務(wù)的可能性,例如LTE高清語(yǔ)音，以及語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的融合業(yè)務(wù)，同時(shí)豐富的通信套件(RCS)服務(wù)最經(jīng)常被引用。

不過(guò)其他運(yùn)營(yíng)商不急于發(fā)展VoLTE也是出于對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的判斷，包括服務(wù)資費(fèi)問(wèn)題、支持緊急呼叫與呼叫LTE和其他網(wǎng)絡(luò)之間的靈活交替、終端設(shè)備的支持率不高等。

我們相信,有機(jī)會(huì)獲得先發(fā)優(yōu)勢(shì)是運(yùn)營(yíng)商抵消VoLTE發(fā)展初期問(wèn)題的初衷。但對(duì)上述實(shí)質(zhì)性問(wèn)題的正視，可以幫助運(yùn)營(yíng)商在采用新技術(shù)上獲多的把握。

——OVUM

IMS域主要完成CSCF呼叫控制等功能。IMS系統(tǒng)和EPS網(wǎng)絡(luò)配合，可以提供和電路域類似的語(yǔ)音業(yè)務(wù)及其補(bǔ)充業(yè)務(wù)，包括：號(hào)碼顯示、呼叫轉(zhuǎn)移、呼叫等待、會(huì)議電話等。

VoLTE 系統(tǒng)采用專門的IMS APN來(lái)提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)，為信令和語(yǔ)音數(shù)據(jù)使用特定QCI的“承載”，從而保障給語(yǔ)音業(yè)務(wù)較高的QoS。通常，信令承載采用QCI=5的默認(rèn)承載，語(yǔ)音承載采用QCI=1的專用承載。

PCRF（策略和計(jì)費(fèi)規(guī)則功能）主要完成策略控制決策和基于流進(jìn)行計(jì)費(fèi)控制的功能。

基于IMS核心的業(yè)務(wù)控制

VoLTE語(yǔ)音解決方案的核心思想是采用IMS作為業(yè)務(wù)控制層系統(tǒng)，EPC僅作為承載層。借助IMS系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音呼叫控制等功能，還能夠合理、靈活地對(duì)多媒體會(huì)話進(jìn)行計(jì)費(fèi)。運(yùn)營(yíng)商可以基于用戶的QoS，針對(duì)用戶業(yè)務(wù)的不同內(nèi)容（比如，是VoIP會(huì)話還是一次網(wǎng)頁(yè)瀏覽或者是一條即時(shí)消息等），提供不同的資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。另外，IMS定義了為業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)商使用的標(biāo)準(zhǔn)接口，通過(guò)這些接口使得運(yùn)營(yíng)商能夠在多廠商環(huán)境下提供業(yè)務(wù)，避免綁定在單一廠商來(lái)獲取新業(yè)務(wù)。

VoLTE是全I(xiàn)P條件下端到端語(yǔ)音解決方案，涉及終端、無(wú)線、PS、IMS、CS各技術(shù)域，旨在替代電路域話音。采用VoLTE語(yǔ)音解決方案，對(duì)終端域、無(wú)線域和核心網(wǎng)有如下要求：

核心網(wǎng)需要全面部署 IMS系統(tǒng)，IMS域需要提供CSCF等呼叫控制以及HSS，MMTel AS和IP-SM-GW、MGCF/IBCF/TrGW等互通功能；需要引入LTE的設(shè)備S/P-GW、MME和為VoLTE提供承載通道和QoS控制能力。

終端域需要支持VoLTE相關(guān)特性，包括RoHC（魯棒頭壓縮）、RLC UM（無(wú)線鏈路連接非確認(rèn)模式）以及LTE DRX（非連續(xù)接收）等功能。

無(wú)線域需要引入LT E的設(shè)備eNodeB（E-UTRAN）。

業(yè)務(wù)流程

從業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)流程來(lái)看，一個(gè)EPS系統(tǒng)的用戶，如果要實(shí)現(xiàn)端到端的VoIP業(yè)務(wù)，要經(jīng)過(guò)EPS附著、IMS注冊(cè)、主叫流程和被叫流程（包括專有承載和IMS層信令交互）等幾個(gè)過(guò)程。典型的VOLTE呼叫流程如下。

LTE網(wǎng)絡(luò)附著：在LTE網(wǎng)絡(luò)下附著，UE建立信令承載（UE中配置IMS APN ）。

IMS注冊(cè)：UE根據(jù)PS附著流程中獲取的P-CSCF地址向IMS網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)；IMS網(wǎng)絡(luò)對(duì)UE進(jìn)行鑒權(quán)，UE完成注冊(cè)，網(wǎng)絡(luò)保存用戶的聯(lián)系地址，用于后續(xù)的來(lái)話尋址。

MO流程：用戶撥打被叫號(hào)碼，觸發(fā)UE通過(guò)認(rèn)證后的連接向IMS發(fā)起主叫流程；P/S-CSCF將呼叫路由到MMTel AS（電信補(bǔ)充業(yè)務(wù)的AS）處理,業(yè)務(wù)處理結(jié)束后返回到S-CSCF。

MT流程：主叫S-CSCF尋址到被叫S-CSCF；被叫S-CSCF根據(jù)簽約情況觸發(fā)被叫的服務(wù)MMTel AS，進(jìn)行業(yè)務(wù)處理；完成后返回給S-CSCF，S-CSCF經(jīng)由P-CSCF根據(jù)注冊(cè)保存的UE contact地址找到被叫UE；UE完成呼叫接續(xù)。

隨著LTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟，移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將逐步向EPS演進(jìn)，語(yǔ)音業(yè)務(wù)IP化也是語(yǔ)音業(yè)務(wù)必然的發(fā)展趨勢(shì)。但是，真正實(shí)現(xiàn)VoLTE將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。因此，電路域語(yǔ)音業(yè)務(wù)將在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)與分組域業(yè)務(wù)并存；基于雙待機(jī)終端的語(yǔ)音解決方案和基于CSFB的語(yǔ)音解決方案將在網(wǎng)路演進(jìn)過(guò)渡階段發(fā)揮重要作用。最終，隨著LTE和IMS網(wǎng)絡(luò)的全面部署基于VoLTE的語(yǔ)音解決方案將是最終的解決方案。

圖2 CSFB呼叫流程

圖3 VoLTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)