一種VoWiFi 業(yè)務(wù)平臺建設(shè)方案簡介

［陳震 董佐君 林祥通］

1 概述

從三大電信運(yùn)營商截止近期的運(yùn)營數(shù)據(jù)顯示，5G 套餐用戶數(shù)已超過10 億戶，5G 呈現(xiàn)業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展之勢[1]。中國電信持續(xù)提升5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋，用戶規(guī)模穩(wěn)步提升，在家庭業(yè)務(wù)方面，智慧家庭業(yè)務(wù)持續(xù)攀升[1]。在網(wǎng)絡(luò)覆蓋持續(xù)提升的同時，作為運(yùn)營商基礎(chǔ)業(yè)務(wù)的移動語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，卻始終不能提供讓用戶滿意的業(yè)務(wù)體驗。室內(nèi)覆蓋導(dǎo)致的信號弱，客戶感知差，投訴多。5G 網(wǎng)絡(luò)使用的頻點(diǎn)高，基站覆蓋范圍減小，造成網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及運(yùn)營成本大幅增加，傳統(tǒng)的社區(qū)覆蓋解決方案存在優(yōu)化難、造價高、居民不配合等難點(diǎn)，因室內(nèi)覆蓋盲區(qū)，語音通話質(zhì)量差，信號差等引起用戶投訴的問題解決率低，嚴(yán)重影響了用戶忠誠度[2]?；诖髷?shù)據(jù)定位技術(shù)、WiFi 共享技術(shù)，橫向打通電信多張網(wǎng)絡(luò)，為手機(jī)及固定電話提供跨移動網(wǎng)、固定寬帶網(wǎng)、固定電話網(wǎng)的融合通信平臺，利用多網(wǎng)融合解決4G 與5G 移動網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)問題，解決用戶移動語音業(yè)務(wù)/數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)質(zhì)差的問題，快速提升用戶感知，節(jié)省移動網(wǎng)覆蓋成本。

2 VoWiFi 方案

在解決居民區(qū)室內(nèi)覆蓋方案的對比中，有大網(wǎng)優(yōu)化、mRRU、皮基站、WiPhone、VoWiFi 等方案[3]，隨著電信智慧家庭業(yè)務(wù)的持續(xù)發(fā)展，在當(dāng)前“智慧家庭業(yè)務(wù)”加強(qiáng)WIFI 覆蓋背景下，VoWiFi 在解決居民區(qū)室內(nèi)信號盲區(qū)提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋具有明顯優(yōu)勢。

針對中國電信家庭寬帶用戶場景，結(jié)合產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展情況，擬采用S2b 非授信（ePDG，enhanced Packet Data Gateway）的VoWiFi 方案來提供現(xiàn)階段的語音/短信業(yè)務(wù)[4]。5G SA 用戶在電信部署的家庭網(wǎng)關(guān)下，通過WIFI共享解決方案使用VoWiFi 業(yè)務(wù)，為信號弱覆蓋區(qū)域的外來訪客提供免密的VoWiFi 能力，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，解決5G用戶移動語音業(yè)務(wù)覆蓋不足的問題。

在實現(xiàn)5G SA 手機(jī)支持VoWiFi 的同時，實現(xiàn)VoWiFi用戶精準(zhǔn)定位，滿足工信部電信業(yè)務(wù)的監(jiān)管要求。VoWiFi用戶精準(zhǔn)定位，采用ePDG 基于Local IP+端口號向固網(wǎng)寬帶接入認(rèn)證系統(tǒng)/溯源系統(tǒng)查詢對應(yīng)的家庭網(wǎng)關(guān)其VoWiFi 業(yè)務(wù)可用性并獲取用戶位置信息，并將用戶位置信息與Local IP+端口號傳遞給移動核心網(wǎng)與IMS 網(wǎng)絡(luò)，來實現(xiàn)VoWiFi用戶基于精準(zhǔn)定位的緊急呼叫與安全溯源。

2.1 總體方案

總體方案包括ePDG/3GPP AAA 接入5GC、VoWiFi 業(yè)務(wù)鑒權(quán)和VoWiFi 用戶位置精準(zhǔn)定位[6-10]，業(yè)務(wù)組網(wǎng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 VoWiFi 業(yè)務(wù)組網(wǎng)架構(gòu)

主要實現(xiàn)步驟如下。

用戶發(fā)起EPC 附著時，先對用戶進(jìn)行VoWiFi 業(yè)務(wù)鑒權(quán)；再由ePDG 通過新增的SWf 接口與固網(wǎng)寬帶接入認(rèn)證系統(tǒng)/溯源系統(tǒng)交互對家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行VoWiFi 業(yè)務(wù)鑒權(quán)并獲得用戶位置信息，ePDG 通過S2b-C 接口將用戶位置信息上傳到SMF+PGW-C。

用戶發(fā)起VoWiFi 呼叫時，P-CSCF/BAC 通過Rx 接口向PCF 發(fā)起位置查詢，PCF 再通過N7 接口查詢SMF+PGW-C 獲得用戶位置信息。

2.2 主要流程

2.2.1 業(yè)務(wù)開通

終端5G SA 用戶需要在融合UDM/HSS 中開通VoWiFi業(yè)務(wù)。依據(jù)3GPP TS 29.273 的定義[11]，使用Non-3GPPUser-Data.RAT-Type 作為VoWiFi 的簽約參數(shù)。該參數(shù)包含不允許的接入技術(shù)類型，對應(yīng)3GPP TS 23.008 定義的Restricted RAT Types 參數(shù)[12]。該參數(shù)不包含WLAN，則表示簽約VoWiFi 業(yè)務(wù)；包含WLAN，則表示未簽約VoWiFi業(yè)務(wù)。

家庭網(wǎng)關(guān)用戶需要在固網(wǎng)寬帶接入認(rèn)證系統(tǒng)中開通VoWiFi 業(yè)務(wù)。

2.2.2 業(yè)務(wù)鑒權(quán)

圖2 是VoWiFi 用戶的EPC 附著流程[5]，在步驟a1之后，增加用戶VoWiFi 業(yè)務(wù)鑒權(quán)過程。HSS 根據(jù)用戶簽約信息，對Non-3GPP-User-Data.RAT-Type 進(jìn)行判斷：如果Non-3GPP-User-Data.RAT-Type 不包含WLAN，則用戶VoWiFi 業(yè)務(wù)鑒權(quán)成功，繼續(xù)后續(xù)步驟；如果Non-3GPP-User-Data.RAT-Type 包含WLAN，則用戶VoWiFi 業(yè)務(wù)鑒權(quán)失敗，HSS 在MAR 響應(yīng)消息中通過Experimental-Result AVP 返回DIAMETER_ERROR_RAT_TYPE_NOT_ALLOWED。ePDG 在應(yīng)答UE 的IKE_AUTH Answer 消息中返回RAT_TYPE_NOT_ALLOWED。

圖2 用戶附著流程

如果用戶VoWiFi 業(yè)務(wù)鑒權(quán)成功，在步驟13 之后，增加家庭網(wǎng)關(guān)VoWiFi 業(yè)務(wù)鑒權(quán)過程。ePDG 與固網(wǎng)寬帶接入認(rèn)證系統(tǒng)/溯源系統(tǒng)交互，檢查家庭網(wǎng)關(guān)是否開通了VoWiFi業(yè)務(wù)，鑒權(quán)成功則繼續(xù)后續(xù)步驟；鑒權(quán)失敗ePDG在應(yīng)答UE的IKE_AUTH Answer消息中返回NETWORK_FAILURE 和BACKOFF_TIMER 定時器。

2.2.3 用戶精準(zhǔn)定位

用戶位置信息包括“行政區(qū)號+國家碼+本地網(wǎng)區(qū)號+運(yùn)營商標(biāo)識+組網(wǎng)模式”、用戶Local IP 及端口號、用戶終端接入的AP MAC 地址、用戶終端最近一次接入的蜂窩網(wǎng)cell-id 等字段。

在VoWiFi 用戶的EPC 附著流程中，ePDG 與固網(wǎng)寬帶接入認(rèn)證系統(tǒng)/溯源系統(tǒng)的交互，完成家庭網(wǎng)關(guān)VoWiFi業(yè)務(wù)鑒權(quán)。同時，固網(wǎng)寬帶接入認(rèn)證系統(tǒng)/溯源系統(tǒng)返回家庭網(wǎng)關(guān)的位置信息“行政區(qū)號+國家碼+本地網(wǎng)區(qū)號+運(yùn)營商標(biāo)識+組網(wǎng)模式”，用以代表VoWiFi 用戶當(dāng)前的位置信息。

終端在VoWiFi 注冊或呼叫流程中上傳用戶位置信息，終端在REGISTER 或INVITE 消息中，通過PANI頭域的access-type 和access-info 攜帶用戶終端接入的AP MAC 地址，通過Cellular-Network-Info 頭域攜帶用戶終端最近一次接入的蜂窩網(wǎng)cell-id。

ePDG 在EPC 附著流程中上傳用戶位置信息，在發(fā)送到融合SMF+PGW-C的Create Session Request消息中，通過WLAN Location Information（使用Civic Address Information 信元存放“行政區(qū)號+國家碼+本地網(wǎng)區(qū)號+省份標(biāo)簽+運(yùn)營商標(biāo)識+組網(wǎng)模式”）、UE Local IP Address 和UE UDP Port 參數(shù)攜帶用戶位置信息。

VoWiFi 注冊或呼叫流程中，P-CSCF/BAC 通過Rx 接口向PCF 發(fā)起的位置查詢過程同VoLTE。PCF 再通過N7接口向融合SMF+PGW-C 進(jìn)行查詢。

3 業(yè)務(wù)平臺建設(shè)方案

VoWiFi 業(yè)務(wù)平臺基于大數(shù)據(jù)的多網(wǎng)融合創(chuàng)新項目，是基于大數(shù)據(jù)定位、WIFI 共享等技術(shù)，為手機(jī)及固定電話提供業(yè)界領(lǐng)先的跨移動網(wǎng)、固定寬帶網(wǎng)和固定電話網(wǎng)的融合通信創(chuàng)新產(chǎn)品。本項目基于VoWiFi、同振和室內(nèi)定位等技術(shù)，設(shè)計開發(fā)一整套的從終端用戶側(cè)訂購開通業(yè)務(wù)，使用業(yè)務(wù)，到電信運(yùn)營人員運(yùn)營運(yùn)維完整的閉環(huán)支撐系統(tǒng)。提供終端用戶側(cè)的Portal認(rèn)證界面，用于用戶VoWiFi 登錄認(rèn)證，以實現(xiàn)VoWiFi 通話業(yè)務(wù)。提供一系列后臺程序，實現(xiàn)支撐VoWiFi，同振的業(yè)務(wù)實現(xiàn)。提供后臺管理系統(tǒng)，用于電信管理、運(yùn)營和運(yùn)維人員查詢業(yè)務(wù)的發(fā)展和使用情況。

3.1 主要功能模塊

業(yè)務(wù)平臺的系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

①信號補(bǔ)盲自動控制平臺

通過數(shù)據(jù)分析無線基站的信號強(qiáng)度及地理位置數(shù)據(jù)確定無線網(wǎng)絡(luò)信號弱覆蓋和無覆蓋地理區(qū)域網(wǎng)格，并通過寬帶系統(tǒng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)出區(qū)域內(nèi)中的家寬光貓終端。

信號補(bǔ)盲自動控制平臺通過相關(guān)OSS 系統(tǒng)完成對所有選定光貓終端的共享WiFi SSID 數(shù)據(jù)的新增配置，原有寬帶的SSID 保持不變，仍用于家庭用戶的上網(wǎng)和語音；新開的SSID 用于共享訪客的語音和上網(wǎng)業(yè)務(wù)。

② OSS 系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)

完成對應(yīng)光貓終端數(shù)據(jù)配置、區(qū)域PON 接入網(wǎng)絡(luò)的配置、完成EPC/5GC 網(wǎng)絡(luò)、VOLTE 網(wǎng)絡(luò)和寬帶網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)配置，搭建語音和數(shù)據(jù)通道。

③共享無線接入網(wǎng)絡(luò)

以上2 個模塊完全計算和配置之后，區(qū)域內(nèi)配置了共享SSID 的所有光貓形成一張WiFi 共享網(wǎng)絡(luò)，用于訪客的通信需求接入。

④ 用戶終端

開通VOIP 功能，完成Portal 認(rèn)證，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)和語音業(yè)務(wù)的通信。

⑤ 應(yīng)用與門戶

對外提供業(yè)務(wù)管理門戶進(jìn)行業(yè)務(wù)管理、系統(tǒng)管理和運(yùn)維管理。

3.2 對ePDG 網(wǎng)元的要求

ePDG 網(wǎng)元需要支持與固網(wǎng)接入認(rèn)證系統(tǒng)/溯源系統(tǒng)交互獲得用戶位置信息，以及判斷該家庭網(wǎng)關(guān)是否開通了VoWiFi 業(yè)務(wù)，并反饋相應(yīng)的失敗碼給UE。支持通過自定義的Diameter QLR/QLA 消息與固網(wǎng)寬帶接入認(rèn)證系統(tǒng)/溯源系統(tǒng)交互。支持通過S2b 接口將用戶位置信息上傳到融合SMF+PGW-C。支持通過WLAN Location Information、UE Local IP Address 和UE UDP Port 傳遞位置信息[15]。

3.3 對EPC 網(wǎng)元的要求

3GPP AAA 需要支持將從SWx 接口獲得的5G SA 用戶簽約信息（APN-Configuration.Interworking-5GS-Indicator），通過SWm 接口傳遞給ePDG。

3.4 對5GC 的要求

融合HSS/UDM 需要支持SWx 接口。支持使用Non-3GPP-User-Data.RAT-Type作為VoWiFi的簽約參數(shù)，根據(jù)該參數(shù)判斷用戶是否開通了VoWiFi 業(yè)務(wù)，并反饋相應(yīng)的失敗碼給3GPP AAA。支持向3GPP AAA 傳遞SMF+PGW-C 地址信息，以保證從5G 接入切換到WLAN接入的IP 地址連續(xù)性。

融合SMF+PGW-C 需要支持S6b 接口（或者由N10接口替代）和S2b-C 接口。支持VoWiFi 呼叫位置查詢時，通過N7 接口上報用戶位置信息。支持通過UserLocation.N3gaLocation.twapId.civicAddress、UserLocation.N3gaLocation.ueIpv4Addr（或ueIpv6Addr）和UserLocation.N3gaLocation.portNumber 參數(shù)傳遞位置信息。

融合UPF+PGW-U 需要支持S2b-U 接口。

融合PCRF/PCF 需要支持VoWiFi 呼叫位置查詢時，上報用戶位置信息。支持通過TWAN-Identifier、UE-Local-IP-Address 和UDP-Source-Port 參數(shù)傳遞位置信息。

3.5 對IMS 網(wǎng)元的要求

P-CSCF/BAC支持Rx接口通過TWAN-Identifier AVP、UE-Local-IP-Address AVP 和UDP-Source-Port AVP參數(shù)返回的位置信息[13-14]。支持根據(jù)從終端和網(wǎng)絡(luò)獲取的用戶位置信息，生成新的PANI 頭域。

3.6 對終端的要求

終端需要支持VoWiFi 功能。支持用戶VoWiFi 業(yè)務(wù)鑒權(quán)失敗后，網(wǎng)絡(luò)側(cè)返回的AUTHORIZATION_REJECTED或RAT_TYPE_NOT_ALLOWED 失敗碼。

支持家庭網(wǎng)關(guān)VoWiFi 業(yè)務(wù)鑒權(quán)失敗后，網(wǎng)絡(luò)側(cè)返回的NETWORK_FAILURE 失敗碼和BACKOFF_TIMER 定時器，并在定時器超時后嘗試重新附著。

支持在SIP REGISTER 和INVITE 消息中，通過PANI頭域的access-type和access-info攜帶用戶終端接入的AP MAC 地址。

支持在SIP REGISTER 和INVITE 消息中，通過Cellular-Network-Info 頭域攜帶用戶終端最近一次接入的蜂窩網(wǎng)cell-id。

3.7 對IT 支撐系統(tǒng)的改造要求

建設(shè)VoWiFi 業(yè)務(wù)平臺，還需要對以下IT 側(cè)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)等系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的升級改造，滿足VoWiFi 業(yè)務(wù)平臺的需求。

3.7.1 對網(wǎng)廳/CRM 系統(tǒng)的要求

CRM 系統(tǒng)需要支持對VoWiFi 業(yè)務(wù)進(jìn)行用戶訂購、修改用戶狀態(tài)、修改用戶屬性和用戶退訂等操作的相關(guān)接口。

3.7.2 對服務(wù)開通系統(tǒng)的要求

服務(wù)開通系統(tǒng)需要支持融合HSS/UDM 的Non-3GPPUser-Data.RAT-Type 參數(shù)激活和修改。

3.7.3 對固網(wǎng)寬帶接入認(rèn)證系統(tǒng)/溯源網(wǎng)關(guān)的要求

寬帶用戶通過PPPoE 或Portal 等方式拔號上網(wǎng)，固網(wǎng)寬帶接入認(rèn)證系統(tǒng)接收MSE 認(rèn)證請求進(jìn)行認(rèn)證操作，記錄在線信息。固網(wǎng)寬帶接入認(rèn)證系統(tǒng)或溯源網(wǎng)關(guān)提供對VoWiFi 業(yè)務(wù)進(jìn)行IP 端口反查詢寬帶帳號、根據(jù)寬帶帳號查詢位置等相關(guān)接口。

3.7.4 對ACC 平臺的要求

運(yùn)營平臺需要對接省ACC 系統(tǒng)，實現(xiàn)管理員帳號統(tǒng)一管理和授權(quán)，其中對接使用了重定向認(rèn)證技術(shù)。ACC平臺需要對VoWiFi 業(yè)務(wù)提供重定向認(rèn)證、重定向單點(diǎn)登錄、重定向退出/注銷和重定向令牌認(rèn)證/注銷等操作的相關(guān)接口。

3.7.5 對定位平臺的要求

定位平臺需要對VoWiFi 業(yè)務(wù)提供UE 位置信息查詢、區(qū)域UE 位置查詢、UE 位置信息訂閱和EU 位置信息通知等操作的相關(guān)接口，滿足定位需求。運(yùn)營平臺與定位平臺采用HTTP/JSON 方式傳輸數(shù)據(jù)。

3.7.6 對同振網(wǎng)元的要求

呼叫系統(tǒng)以AS 的方式與IMS 的S-CSCF 對接。需要啟用該業(yè)務(wù)的手機(jī)號以被叫方式簽約，呼叫進(jìn)入S-CSCF后，根據(jù)icf 的簽約信息，把呼叫路由到同振系統(tǒng)。S-CSCF向HSS 獲取iFC 觸發(fā)規(guī)則，S-CSCF 根據(jù)該信息把呼叫路由到同振平臺。

4 小結(jié)

本文提出的VoWiFi 業(yè)務(wù)平臺方案，在信號盲區(qū)試點(diǎn)中驗證了技術(shù)方案的可行性，VoWiFi 語音通話質(zhì)量與現(xiàn)網(wǎng)VoLTE 良好區(qū)域相當(dāng)，VoWiFi 和VoLTE 的切換時延用戶基本無感，用戶感知測試達(dá)到預(yù)期。

通過WIFI 共享和5G 融合解決室內(nèi)覆蓋項目，攻克VoWiFi 用戶精準(zhǔn)位置溯源的難題，形成VoNR、VoLTE 與VoWiFi 連續(xù)覆蓋的基礎(chǔ)語音網(wǎng)絡(luò)，可以有效解決家庭場景下的城市居民住宅、邊遠(yuǎn)農(nóng)村等區(qū)域蜂窩網(wǎng)絡(luò)弱覆蓋導(dǎo)致的語音質(zhì)量問題。

在本項目的試點(diǎn)過程中，通過方案的落實，為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的完善提供了參考意見，推動了網(wǎng)絡(luò)與終端設(shè)備研發(fā)和完善設(shè)備功能，推進(jìn)商用版本落地。