基于溯源的5G SA VoWiFi解決方案研究

張 芳，莊恒全，李虓江，陶偉宜（.中國電信股份有限公司浙江分公司，浙江杭州 3000；.華信咨詢設計研究院有限公司，浙江杭州 3005）

0 前言

根據統計，當前運營商的家庭小區(qū)覆蓋類投訴占比在60%以上，其中VoLTE 語音投訴占比40%左右。VoWiFi 作為室內覆蓋環(huán)境下移動語音類投訴的解決方案，可有效降低家庭語音、短信投訴等的賠補費用。

2017 年國內運營商曾進行過VoWiFi 的部署測試驗證，測試結果表明，在一定的網絡條件下VoWiFi 能給用戶帶來良好的業(yè)務體驗。但由于當時的解決方案不能解決用戶的溯源問題，比如用戶撥打緊急電話時，無法準確提供位置信息，網絡如果無法追溯到Vo-WiFi 電話的撥出地點，則后續(xù)的緊急救援就無法開展。因此，VoWiFi功能一直未能在網絡上部署應用。

隨著國內運營商5G 網絡陸續(xù)部署在2.6 GHz、3.5 GHz、4.8 GHz 等高頻段，其信號穿透能力較弱，語音業(yè)務從VoLTE 演進到VoNR 后，對VoWiFi 的訴求越來越強烈。中國電信自研了帶有溯源功能的網關，可實現VoWiFi的溯源功能。

1 基于溯源的VoWiFi解決方案

3GPP 明確了基于IMS 提供語音業(yè)務，4G、5G 均可作為IMS 語音業(yè)務的一種IP 接入方式。5G 網絡建設初期，采用從5G 回落到4G 網絡的VoLTE 語音解決方案；在5G 網絡發(fā)展到成熟階段后，采用VoNR 作為5G網絡的目標語音解決方案。無論網絡發(fā)展到什么階段，VoWiFi 都可以作為運營語音業(yè)務的有效補充，在無線網絡覆蓋不足的室內區(qū)域，利用Wi-Fi 網絡的覆蓋解決用戶的語音呼叫問題。

1.1 4G VoWiFi解決方案

4G VoWiFi 主流采用3GPP 標準的非可信任域接入S2b 方案，采用3GPP TS 23.402 中的VoWiFi 網絡架構，沿用VoLTE 的組網，在網絡中新增ePDG 作為非可信任域Wi-Fi 接入EPC 的網關；VoWiFi 與VoLTE 共用核心網，采用原生態(tài)的終端，選擇同一個PGW 作為業(yè)務切換的錨點，實現VoWiFi 與VoLTE 之間的無縫切換，可保證語音連續(xù)性。系統中主要增加了3 個主要接口。非可信任域Wi-Fi接入VoWiFi網絡架構如圖1所示。

圖1 非可信任域Wi-Fi接入VoWiFi網絡架構圖

a）ePDG 與UE間的SWu接口：SWu接口在控制面使用IKEv2消息，用戶面封裝在IPSec隧道中。

b）ePDG 與P-GW間的S2b接口：S2b接口采用GTP隧道協議。

c）ePDG 與3GPP AAA 間的SWm 接口：SWm 接口采用Diameter消息。

1.2 5G用戶基于溯源的VoWiFi解決方案

為了解決終端的溯源問題，中國電信基于運營商家寬的應用場景，結合家庭網關位置信息，在5G SA組網下，基于4G VoWiFi 架構基礎，新增ePDG 到融合SMF+PGW-C 的S2b-C 接 口、到 融 合UPF+PGW-U 的S2b-U 接口；3GPP AAA 到融合SMF+PGW-C 的S6b 接口、到融合HSS+UDM 的SWx 接口；新增部署溯源網關，并增加其到ePDG的SWf接口、到固網AAA/溯源系統的PI接口，以實現5G SA用戶的帶溯源功能的VoWiFi業(yè)務。帶溯源的VoWiFi網絡架構如圖2所示。

帶溯源的VoWiFi具體實現機制如下。

a）VoWiFi 用戶附著流程中，新增的VoWiFi 溯源網關與ePDG、固網AAA/溯源系統交互，完成家庭網關VoWiFi業(yè)務鑒權，并獲取位置信息。

b）VoWiFi溯源網關與ePDG使用Diameter協議對接，進行位置查詢。

c）VoWiFi 溯源網關與固網AAA/溯源系統對接，通過用戶Local IP 和端口號（即家庭網關的出口IP 地址和端口號）查詢用戶關聯的賬號、BRAS設備IP、PVC信息，并通過用戶賬號查詢用戶位置信息。

d）ePDG 從VoWiFi 溯源網關處獲得用戶位置信息，并將信息傳遞到UPF+PGW-U和SMF+PGW-C。

e）PCRF/PCF 在VoWiFi 呼叫進行位置查詢時，通過N7接口從SMF+PGW-C獲得用戶位置信息。

f）P-CSCF/BAC 通過Rx 接口從PCRF/PCF 獲得位置信息，將從終端和網絡獲取的用戶位置信息，生成新的PANI頭域。

基于以上實現機制，網絡可以精準溯源到終端發(fā)起VoWiFi呼叫時所處的家庭位置信息。

2 基于溯源網關的VoWiFi業(yè)務網絡驗證部署

2.1 現場試點組網架構

本研究采用的VoWiFi 試點網絡涉及網元如圖3所示，藍色部分為現網4G EPC 核心網設備，黃色部分為現網5GC 在網設備，綠色部分為測試新建設備。新建設備中，溯源網關為中國電信自研設備，PCF/PCRF、SMF/GW-C、ePDG、3GPP AAA 與5GC 為同廠家設備。由于ePDG 有公網暴露面，為保障網絡安全需要隔離，到ePDG 的訪問先經過防火墻，在防火墻上配置白名單，僅允許測試AP接入。

圖3 帶溯源VoWiFi試點網絡邏輯架構圖

網元部署資源池規(guī)劃如圖4所示。為避免對現網業(yè)務有影響，在現網資源池中新建PaaS 來部署新建的PCF/PCRF 和SMF/GW-C；ePDG 和3GPP AAA 部署在新建資源池中，采用獨立HA部署的方式。

圖4 資源池部署規(guī)劃圖

試點VoWiFi 組網架構如圖5 所示。在現網5GC資源池內新增部署SMF和PCF；新增資源池部署ePDG和3GPP AAA，DCGW 旁掛防火墻以隔離公網暴露面，與現網5GC 資源池共用5GC CE 出口；新增溯源網關則部署在同機房的業(yè)務平臺資源池內。

圖5 試點VoWiFi組網架構圖

2.2 現場試點測試情況

2.2.1 溯源流程測試

溯源網關通過SWf 接口和PI 接口實現用戶溯源。其中，ePDG 與溯源網關間的SWf接口通過Diameter 協議交互位置溯源信息，溯源網關與固網AAA/溯源系統間的PI 接口通過HTTP/HTTPS 協議交互位置溯源信息。本研究通過信令跟蹤的方式來分析溯源全過程是否完整。

a）ePDG 通過SWf 接口向溯源網關發(fā)送Query-Location-Request（QLR）消息，攜帶用戶Local IP 和端口號（即家庭網關的出口IP 地址和端口號），查詢用戶位置信息。

b）溯源網關通過PI接口向固網AAA/溯源系統發(fā)送HTTP/HTTPS GET 請求，攜帶用戶Local IP 和端口號，查詢用戶當前接入的家庭網關是否開通VoWiFi業(yè)務及用戶位置信息編碼、家庭寬帶賬號等信息。溯源網關應支持基于用戶Local IP 的判斷，生成運營商與組網模式標識。

場景1：家庭網關溯源成功，固網AAA/溯源系統返回200消息，表示查詢成功，并攜帶用戶位置信息編碼、家庭寬帶賬號等信息。溯源網關據此向ePDG 返回查詢成功的Query-Location-Answer（QLA）消息，攜帶用戶位置信息。

場景2：家庭網關未能成功溯源，固網AAA/溯源系統返回404 消息，表示查詢失敗。溯源網關據此向ePDG返回查詢失敗的QLA消息。

c）ePDG 收到固網AAA/溯源系統發(fā)送的位置信息后，在發(fā)送到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+本地網區(qū)號+省份標簽’+運營商標識+組網模式），UE Local IP Address，UE UDP Port”參數攜帶用戶位置信息。

d）融合SMF+PGW-C 支持IMS 呼叫流程中的位置查詢，通過UserLocation.N3gaLocation.ueIpv4Addr（或ueIpv6Addr），UserLocation.N3gaLocation.portNumber 和UserLocation.N3gaLocation.twapId返回用戶位置信息。

e）PCF 支持IMS 呼叫流程中的位置查詢，支持融合 SMF+PGW-C 通 過 UserLocation.N3gaLocation.ueIpv4Addr（或ueIpv6Addr），UserLocation.N3gaLocation.portNumber 和UserLocation.N3gaLocation.twapId 返回的用戶位置信息，并支持通過UE-Local-IPAddress AVP、UDP-Source-Port AVP 和 TWANIdentifier AVP將用戶位置信息傳遞給P-CSCF/BAC。

f）P-CSCF/BAC 從網絡和終端獲取用戶位置信息后，填寫P-Access-Network-Info 頭域并傳遞至其他IMS 網元。IMS 網元在接收到包含Wi-Fi 接入位置信息的PANI頭域的消息時，按需對Wi-Fi接入位置信息進行相應的處理或直接透傳。

基于上述現場測試情況判斷，溯源結果實現了全流程精準傳遞。

2.2.2 家庭網關場景下切換測試

本次溯源的方案主要基于家庭網關提供位置信息來實現整個業(yè)務，因此本研究對家庭網關環(huán)境下進行了切換模擬測試驗證。

a）關閉移動數據開關，終端從Wi-Fi 路由器1 移動到Wi-Fi 路由器2。終端從Wi-Fi 路由器1 切換到4G 再切換到Wi-Fi 路由器2，通過抓包分析判斷在切入到切出4G的過程中通話有一小段中斷。

b）關閉移動數據開關，接通VoWiFi 后切斷Wi-Fi路由器上聯鏈路。VoWiFi 通話先出現無聲音的情況，然后通話中斷。

c）接通VoWiFi后打開移動數據開關，從Wi-Fi路由器1移動到Wi-Fi路由器2。終端上網從Wi-Fi路由器1 移動到Wi-Fi 路由器2。終端語音通話未中斷，通過抓包分析判斷VoWiFi 通話在移動數據開關打開后即直接切換到了VoLTE，即使移動到信號非常好的Wi-Fi路由器2也沒有切回VoWiFi。

d）接通VoWiFi 后打開移動數據開關，通話過程中切斷Wi-Fi 路由器上聯鏈路，之后恢復Wi-Fi 路由器上聯。終端上網從Wi-Fi 路由器切換到4G，之后再切回Wi-Fi 路由器。終端語音通話未中斷，通過抓包分析判斷VoWiFi 通話在移動數據開關打開后直接切換到了VoLTE，后續(xù)Wi-Fi 路由器上聯鏈路切斷及恢復語音通話都一直保持在VoLTE下。

總體判斷，家庭環(huán)境下無線信號良好的情況下，語音將一直保持在VoLTE 下；在無線信號惡劣，Wi-Fi信號良好的情況下，通話切換到VoWiFi 后，能保證良好的用戶業(yè)務體驗。

在以上模擬測試驗證的基礎上，本研究還選取無覆蓋、弱覆蓋、高層信號雜亂3 類場景的6 個家庭進行了測試，發(fā)現在VoWiFi 開通后，家庭可通話面積明顯增加，等效覆蓋率從53%提升至97%；語音質量MOS值從2.49 提升至3.77；且在家庭Mesh Wi-Fi 情況下，VoWiFi漫游切換幾乎無感。

2.2.3 VoWiFi語音質量測試

本次現場試驗還重點測試了Wi-Fi 網絡質量對VoWiFi 用戶體驗的影響。對于影響用戶體驗的VoWiFi語音通話質量、接通時間、切換時延等進行了測量。VoWiFi 語音質量測試記錄如表1 所示，VoWiFi ?VoLTE切換測試記錄如表2所示。

表1 VoWiFi語音質量測試記錄表

表2 VoWiFi?VoLTE切換測試記錄表

從上述測試結果，可以判斷：

a）在Wi-Fi 網絡質量良好的情況下，VoWiFi 語音質量用戶體驗良好。

b）LTE 和Wi-Fi 網絡質量均好的情況下，會優(yōu)先選擇VoLTE完成語音業(yè)務。

c）LTE 網絡質量弱且Wi-Fi 網絡質量好的情況下，會從VoLTE切換到VoWiFi。

根據綜合分析，認為上述測試結果符合預期。

2.2.4 切換門限測試

在滿足通話質量的前提下應盡可能減少通話中的切換，需要合理設置切換門限。本報告還對影響Wi-Fi 網絡質量的接收電平RSSI（Received Signal Strength Indication）值以及影響LTE 網絡質量的參考信號接收功率RSRP（Reference Signal Receiving Power）與業(yè)務使用過程中的感知指標（語音MOS 值）之間的關系進行了測試。VoWiFi 語音質量與RSSI 關系測試記錄如表3 所示。VoLTE 語音質量與RSRP 關系測試記錄如表4所示。

表3 VoWiFi語音質量與RSSI關系測試記錄表

表4 VoLTE語音質量與RSRP關系測試記錄表

基于上述現場測試情況看，為了保證用戶良好的業(yè)務體驗，切換門限的設置基于以下考慮。

a）切出門限設置。在滿足通話質量的前提下盡可能減少通話中的切換。

（a）設置Wi-Fi RSSI 切出門限至-81 dBm。Wi-Fi RSSI 低于-86 dBm 時語音質量在3 分左右，考慮到家庭場景Wi-Fi信號跳變，為防止掉話，切出門限預留5 dB的余量。

（b）設置LTE RSRP 切出門限至-112 dBm。LTE RSRP 低于-117 dBm 時存在較高丟包率甚至掉話現象，考慮到LTE 信號跳變，為防止掉話，切出門限預留5 dB的余量。

b）切入門限和切出門限相差6～7 dB 以避免乒乓切換，從而設置LTE RSRP 切入門限至-105 dBm，Wi-Fi切入門限至-75 dBm。

c）終端處于空閑態(tài)時，由于對切換時延不敏感，為了保證終端盡量待機在最優(yōu)的網絡下，空閑態(tài)切出門限建議比業(yè)務態(tài)時抬高3～4 dB。

3 總結

隨著5G 網絡部署的逐漸推進，5G NR 將逐步實現連續(xù)覆蓋，由VoLTE 過渡到采用VoNR 方案實現語音、數據在5G網絡的端到端承載，這對高層建筑等場景下的家庭語音帶來更加嚴峻的挑戰(zhàn)。在某些區(qū)域室內弱覆蓋無法通過無線基站建設得到明顯改善的時候，通過Wi-Fi 網絡接入來給室內用戶提供良好的VoWiFi語音是一個經濟又高效的方案。

根據現場測試情況看，基于運營商家庭網關的溯源VoWiFi 解決方案能滿足室內弱覆蓋場景下的語音業(yè)務需求。建議運營商在5G SA 網絡部署推進過程中，盡早考慮帶溯源VoWiFi 業(yè)務的部署，并持續(xù)跟進VoWiFi 終端的進展；同時加強用戶宣傳，運用家庭Wi-Fi網絡進行語音業(yè)務承載。