EPS語音解決方案探討

山東省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 濟(jì)南 250031

引言

語音業(yè)務(wù)是電信運(yùn)營商賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)電信業(yè)務(wù)之一。在傳統(tǒng)2G/3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，語音業(yè)務(wù)在CS域(Circuit Switched Domain，電路域)以電路交換的方式提供，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在PS域(Packet Switched Domain，分組域)以分組交換的方式提供。在LTE(Long Term Evolution，長期演進(jìn))階段，鑒于LTE能夠在空中接口上提供更高速率和更低時(shí)延的無線分組數(shù)據(jù)接入，3GPP(3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計(jì)劃)在設(shè)計(jì)EPC(Evolved Packet Core，演進(jìn)的分組核心網(wǎng))時(shí)摒棄CS域而僅保留了PS域，并通過引入IMS(IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng))技術(shù)和架構(gòu)完成多媒體會(huì)話類業(yè)務(wù)所必需的呼叫會(huì)話控制和管理功能，即通過VoLTE(Voice over LTE，LTE語音)為用戶提供具有電信級(jí)QoS(Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量)保證的、包括語音在內(nèi)的多媒體通信業(yè)務(wù)。

1 語音業(yè)務(wù)解決方案中存在的主要問題

在LTE/EPC網(wǎng)絡(luò)部署和發(fā)展初期，完全通過VoLTE來提供語音業(yè)務(wù)還存在如下問題。

1) 部分運(yùn)營商的IMS網(wǎng)絡(luò)建設(shè)滯后LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，無法基于IMS提供VoLTE業(yè)務(wù)。

2) LTE部署前期僅實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)覆蓋，當(dāng)用戶在網(wǎng)絡(luò)覆蓋邊緣區(qū)域活動(dòng)時(shí)，語音業(yè)務(wù)的提供需要LTE在2G/3G接入網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行切換，并保持業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

為實(shí)現(xiàn)LTE語音業(yè)務(wù)的連續(xù)覆蓋，本文主要就CSFB(Circuit Switched Fallback in Evolved Packet System，電路域回落)、SRVCC(Single Radio Voice Call Continuity，單無線語音呼叫連續(xù)性)和多模雙待終端三種主流的EPS(Evolved Packet System，演進(jìn)的分組系統(tǒng))語音解決方案進(jìn)行探討。

2 LTE發(fā)展過程中的語音解決方案

2.1 CSFB語音解決方案

2.1.1 CSFB網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

CSFB是由EPC核心網(wǎng)和2G/3G電路域核心網(wǎng)聯(lián)合作用來實(shí)現(xiàn)的。使用CSFB時(shí)，需在MME和MSC Server之間新增SGs接口，并利用SGs接口實(shí)現(xiàn)UE(User Equipment，用戶終端)的EPS和IMSI(International Mobile Subscriber Identification Number，國際移動(dòng)用戶識(shí)別碼)的聯(lián)合附著、位置更新和尋呼等操作。支持CSFB的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 CSFB網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1.2 CSFB基本流程

在CSFB方案中，UE平時(shí)駐留域LTE網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)需要發(fā)起語音呼叫或者檢測到有呼入請求時(shí)，回退到2G/3G網(wǎng)絡(luò)的電路域來處理語音通信。

以UE被動(dòng)接收語音呼叫為例，CSFB的基本流程[1]如圖2所示。

當(dāng)MSC接收到前往某UE的語音呼叫消息，MSC通過SGs接口向MME發(fā)送CS呼叫消息。MME首先從MSC接收到TMSI(Temporary Mobile Subscriber Identity，臨時(shí)移動(dòng)用戶識(shí)別碼)找到S-TMSI(System Architecture Evolution-Temporary Mobile Subscriber Identity , 系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)臨時(shí)移動(dòng)用戶識(shí)別碼)、進(jìn)而找到eNodeB；eNodeB在其列表小區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行尋呼，通知UE并發(fā)起一個(gè)CS呼叫流程。

UE在接到尋呼消息后執(zhí)行業(yè)務(wù)請求(業(yè)務(wù)請求消息中包含一個(gè)特殊的CSFB指示符)，建立RRC連接并將業(yè)務(wù)請求發(fā)送至MME(Mobility Management Entity，移動(dòng)管理實(shí)體)，并要求MME進(jìn)行CS域回落。MME向eNodeB發(fā)送S1-AP消息，指示eNodeB將UE遷移到UTRAN/GERAN。

UE、eNodeB進(jìn)行小區(qū)切換或改變，UE檢測新小區(qū)并建立無線連接，通過目標(biāo)RAN(Radio Access Network，無線接入網(wǎng)絡(luò))向MSC發(fā)送尋呼響應(yīng)消息；當(dāng)尋呼消息到達(dá)MSC后，正常的2G/3G終端呼叫會(huì)話建立，UE的CS呼叫被激活。

2.2 VoLTE+SRVCC語音解決方案

2.2.1 VoLTE+SRVCC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

VoLTE+SRVCC是一個(gè)基于IMS實(shí)現(xiàn)PS域和CS域語音業(yè)務(wù)連續(xù)性的通用方案。3GPP的SRVCC技術(shù)方案覆蓋了從EPC和HSPA VoIP切換到2G/3G CS域語音的業(yè)務(wù)場景。從E-UTRAN(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，演進(jìn)的通用陸地?zé)o線接入網(wǎng)絡(luò))向3GPP UTRAN(Universal Terrestrial Radio Access Network，通用陸地?zé)o線接入網(wǎng)絡(luò))/GERAN(GSM EDGE Radio Access Network，GSM EDGE無線接入網(wǎng))電路域切換的SRVCC架構(gòu)[2]見圖3(只顯示SRVCC增強(qiáng)的MSC Server相關(guān)的必要模塊)，其中MME域MSC Server之間根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)建立Sv接口連接，用于傳遞切換準(zhǔn)備信令和語音業(yè)務(wù)接續(xù)號(hào)碼。

2.2.2 SRVCC基本流程

與CSFB不同，SRVCC只有在LTE網(wǎng)絡(luò)失去覆蓋時(shí)，才發(fā)生從EPC網(wǎng)絡(luò)到2G/3G網(wǎng)絡(luò)電路域的關(guān)聯(lián)和協(xié)作。在SRVCC方案中，UE平時(shí)在EPC網(wǎng)絡(luò)中使用基于IMS的VoIP業(yè)務(wù)，當(dāng)移動(dòng)過程中離開EPC而進(jìn)入2G/3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域時(shí)，UE在EPC核心網(wǎng)的控制下將當(dāng)前正在進(jìn)行的VoIP通話接續(xù)到2G/3G網(wǎng)絡(luò)的電路域來完成。

圖2 CSFB流程舉例(UE空閑狀態(tài)下的終端呼叫流程)

圖3 從E-UTRAN向3GPP UTRAN/GERAN切換的SRVCC架構(gòu)

從E-UTRAN向GERAN切換的SRVCC流程[3](不支持DTM(Dual Transfer Mode，雙模傳輸))如圖4所示。

首先，UE在注冊過程中與EPC網(wǎng)絡(luò)交換支持的業(yè)務(wù)能力(攜帶SRVCC指示)，UE向E-UTRAN發(fā)送測量報(bào)告，基于該測量報(bào)告，源E-UTRAN決定發(fā)起面向GERAN的SRVCC切換過程。

源E-UTRAN向源MME發(fā)送切換請求消息，其中攜帶的“SRVCC HO Indication”明確指示UE在目標(biāo)小區(qū)中PS業(yè)務(wù)不可用?；谡Z音承載相關(guān)的QCI(QoS Class Identifier，QoS參數(shù))和“SRVCC HO Indication”，源MME將語音業(yè)務(wù)包從非語音承載中分離出來，并針對(duì)分離出的語音承載發(fā)起指向MSC Server的PS-CS的切換過程，MME向MSC Server發(fā)送SRVCC PS-CS請求消息。

MSC Server向目標(biāo)MSC發(fā)送切換準(zhǔn)備請求消息，MSC Server發(fā)起CS域MSC間的切換請求過程。目標(biāo)MSC與目標(biāo)BSS(Base Station Subsystem，基站子系統(tǒng))交換切換請求/確認(rèn)消息，在目標(biāo)BSS上進(jìn)行相關(guān)資源的分配。目標(biāo)MSC向MSC Server回應(yīng)切換準(zhǔn)備響應(yīng)消息，目標(biāo)MSC和MGW之間建立電路連接。

圖4 從E-UTRAN向GERAN切換的SRVCC流程(不支持DTM)

MSC Server向IMS發(fā)起會(huì)話轉(zhuǎn)移過程，隨后會(huì)話轉(zhuǎn)移過程執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的IMS業(yè)務(wù)連續(xù)性過程或緊急的IMS業(yè)務(wù)連續(xù)性過程。

在執(zhí)行會(huì)話轉(zhuǎn)移的過程中，使用CS接入分支的SDP(Session Description Protocol，會(huì)話描述協(xié)議)信息進(jìn)行遠(yuǎn)端的更新，此時(shí)VoIP分組的下行流轉(zhuǎn)至CS接入分支，并依據(jù)3GPP TS23.237釋放源IMS接入分支。

MSC Server向源MME發(fā)送SRVCC PS到CS響應(yīng)消息。源MME向源E-UTRAN發(fā)送切換指令消息，源E-UTRAN向UE發(fā)送E-UTRAN到GERAN的切換指令消息，之后UE切換到GERAN。

UE啟動(dòng)掛起過程，觸發(fā)目標(biāo)SGSN向MME發(fā)送掛起通知消息。隨后，MME向目標(biāo)SGSN(Serving GPRS Support Node，服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn))返回一條掛起確認(rèn)消息，目標(biāo)BSS向目標(biāo)MSC發(fā)送切換完成消息。目標(biāo)MSC向MSC Server發(fā)送切換完成SES消息，此時(shí)語音電路經(jīng)由MSC Server/MGW獲得連通，目標(biāo)MSC使用指向MSC Server的ISUP應(yīng)答消息完成建立過程。

2.3 多模雙待終端語音解決方案

多模雙待終端(即同時(shí)支持LTE和2G/3G等的終端)可同時(shí)注冊在LTE網(wǎng)絡(luò)和2G/3G的CS域上，使用LTE提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，使用2G/3G網(wǎng)絡(luò)提供語音業(yè)務(wù)。

3 EPS語音解決方案比較

通過對(duì)CSFB、VoLTE+SRVCC、多模雙待終端等在呼叫建立性能、信令開銷、語音質(zhì)量和頻譜利用等方面進(jìn)行分析，EPS語音各解決方案比較情況見表1。

通過表1比較，在呼叫建立時(shí)延方面，CSFB較2 G/3 G有1.5～3.3 s的時(shí)延，而多模雙待、VoLTE+SRVCC則與2G/3G相同或類似；在信令開銷方面，CSFB解決方案涉及到呼叫中的多種流程，信令開銷最高，VoLTE+SRVCC解決方案略高于多模雙待終端解決方案；在語音質(zhì)量和業(yè)務(wù)提供方面，CSFB、多模雙待技術(shù)的語音質(zhì)量與2/3G系統(tǒng)相同，VoLTE+SRVCC切換前依賴于LTE網(wǎng)絡(luò)所支持的QoS能力，具備提供視頻、高清語音以及高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)的并發(fā)的能力；在頻譜利用方面，VoLTE+SRVCC比現(xiàn)有CSFB、2G/3G的CS域效率高；在解決方案切入方面，CSFB和VoLTE+SRVCC是網(wǎng)絡(luò)解決方案，多模雙待終端是終端解決方案。

表1 EPS語音解決方案比較

4 不同應(yīng)用場景下EPS語音解決方案與部署策略

EPS語音解決方案在標(biāo)準(zhǔn)支持、現(xiàn)網(wǎng)改造影響、對(duì)終端要求、適用場景及業(yè)務(wù)體驗(yàn)等方面存在較大區(qū)別[5]，比較分析情況見表2。

通過表2的比較，在LTE 網(wǎng)絡(luò)部署的早中期，LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋還不太完善、VoLTE 技術(shù)和產(chǎn)品不夠成熟之前，CSFB 和多模雙待這兩種方案是主要的語音解決方案；多模雙待終端方案可快速推出語音業(yè)務(wù)，但需持續(xù)對(duì)2G/3G CS域進(jìn)行投資，且成本高、功耗大、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，也無法解決國外LTE漫游用戶語音接入；CSFB初期不依賴完善IMS網(wǎng)絡(luò)，能充分利用現(xiàn)網(wǎng)2G/3G的CS域，是NGMN定義的LTE初期國際漫游的必選語音解決方案，具有較好網(wǎng)絡(luò)過度可行性。VoLTE+SRVCC則需要首先部署IMS系統(tǒng)，該方案還處于早期階段[6]，還有待進(jìn)一步優(yōu)化和驗(yàn)證，但其是GSMA(Global System for Mobile Communications assembly，GSM協(xié)會(huì))和NGMN(Next Generation Mobile Network, 下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟)認(rèn)定的LTE下唯一的、端到端的目標(biāo)語音解決方案，其通過SRVCC技術(shù)能有效實(shí)現(xiàn)LTE與2G/3G的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，能為用戶提供視頻、高清語音和高速數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)，且具備為用戶提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)的并發(fā)提供能力，使用戶獲得更好體驗(yàn)。

綜上所述，三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，適合不同的應(yīng)用場景和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)階段。

1)在網(wǎng)絡(luò)部署初期，LTE網(wǎng)絡(luò)一般以孤島形式覆蓋，針對(duì)已建2G/3G網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營商，LTE覆蓋區(qū)域如與2G/3G網(wǎng)絡(luò)共同覆蓋，出于投資保護(hù)及其他部署策略，建議運(yùn)營商使用CSFB語音解決方案，LTE僅用來提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，或短期內(nèi)使用多模雙待終端語音解決方案；未部署IMS的運(yùn)營商，則應(yīng)考慮IMS的部署建設(shè)。2)在網(wǎng)絡(luò)部署中期，LTE網(wǎng)絡(luò)已在部分地區(qū)實(shí)現(xiàn)規(guī)模覆蓋，對(duì)于已建2G/3G網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營商，如尚未部署完成IMS，此階段仍可繼續(xù)使用CSFB語音解決方案，但建議積極部署完成IMS，為網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)奠定基礎(chǔ)。對(duì)于已完成IMS部署的運(yùn)營商，建議使用VoLTE+SRVCC語音解決方案。3)在網(wǎng)絡(luò)部署后期，LTE網(wǎng)絡(luò)將逐步擴(kuò)大到全覆蓋，運(yùn)營商將逐步減少使用SRVCC技術(shù)，在全網(wǎng)范圍內(nèi)逐步使用基于IMS的VoLTE技術(shù)來提供語音業(yè)務(wù)。

根據(jù)EPS語音解決方案優(yōu)缺點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)趨勢，結(jié)合2G/3G、IMS、LTE部署建設(shè)的情況，各個(gè)場景下EPS語音解決方案應(yīng)用場景與部署策略見表3。

當(dāng)然，運(yùn)營商對(duì)EPS語音解決方案的選擇，除考慮技術(shù)本身外，還受到終端產(chǎn)業(yè)鏈支持狀況、技術(shù)選擇與資本投入的平衡、現(xiàn)網(wǎng)投資保護(hù)以及整體網(wǎng)絡(luò)發(fā)展戰(zhàn)略定位等多方面因素的影響，三種EPS語音解決方案之間并不矛盾，可能將在一段時(shí)期內(nèi)共存并互補(bǔ)[7]。

表2 EPS語音解決方案部署策略對(duì)比分析

表3 不同應(yīng)用場景下EPS語音解決方案與部署策略

5 結(jié)束語

在LTE/EPC網(wǎng)絡(luò)部署和發(fā)展初期，運(yùn)營商尚不能完全通過VoLTE來實(shí)現(xiàn)語音業(yè)務(wù)的連續(xù)覆蓋，文章給出三種EPS語音解決方案，并分別對(duì)三種EPS語音解決方案的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和基本流程進(jìn)行介紹，對(duì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析和比較，給出了不同場景下、不同時(shí)期EPS語音解決方案建議和部署策略，實(shí)現(xiàn)了LTE語音業(yè)務(wù)的連續(xù)性覆蓋。本文對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)人員及運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)人員具有一定幫助，能幫助運(yùn)營商有效地選擇EPS解決方案和部署策略，對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)指導(dǎo)具有一定的指導(dǎo)意義。

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