LTE語音三步走CSFB技術凸顯便捷性

工業和信息化部電信研究院 | 徐菲 楊紅梅 許慕鴻 宋愛慧

由于目前VoIP業務的性能指標未能達到現有電路域語音業務的質量，而且需要全網布署IMS，因此在現有網絡基礎上，形成了三種不同的LTE語音解決方案：基于雙待機終端方案、CSFB和VoLTE。CSFB和VoLTE均為3GPP定義的LTE語音解決方案，兩個方案在3GPP規范中均有明確定義。VoLTE需要終端、無線和核心網的全面支持和優化，從目前來看實現復雜度較大。CSFB是在產業界未實現VoLTE時提出的一種相對較為簡單的語音解決方案。

雙待機：技術實現簡單

雙待機終端可以同時待機在LTE網絡和3G/2G網絡里，而且可以同時從LTE和3G/2G網絡接收和發送信號，其語音解決方案的實質是使用傳統3G/2G網絡，與LTE無關。

基于雙待機終端的語音解決方案是一個相對比較簡單的方案。終端芯片可以用兩個芯片（1個3G/2G芯片和1個LTE芯片）或一個多模芯片來實現，LTE與3G/2G模式之間沒有任何互操作，終端不需要實現異系統測量，技術實現簡單。

CSFB：逐步趨于完善

CSFB方案的主要思想是在用戶需要進行語音業務的時候，從LTE網絡回落到3G/2G的電路域重新接入，并按照電路域的業務流程發起或接聽語音業務。

為實現CSFB，需要在MME和3G/2G網絡的MSC設備之間建立SGs接口（圖1中紫色線所示）。SGs關聯在CSFB技術中起著橋梁作用，能夠將兩個不同的系統聯系起來，實現用戶在不同系統間的語音業務連續。所謂為用戶建立了SGs關聯，就是在VLR中保存了用戶的MME的地址，而同時也在MME中保存了用戶的VLR的地址。

圖1 CSFB網絡架構圖

從圖1可以看出來，CSFB技術會影響現有的3G/2G網絡，原有網絡的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E-UTRAN接入到EPC，也能通過GERAN/UTRAN接入到CS域。具有CSFB能力的終端必須能夠執行聯合的RAU/LAU附著、位置更新和去附著程序。

原有3G/2G網絡中的MSC為支持CSFB功能，需要新增到MME的SGs接口，支持SGs協議棧，維護SGs關聯；并且在SGs接口和Iu/A接口并行地尋呼用戶，支持和MME的聯合移動性管理等功能。

對于原有3G/2G網絡的無線子系統（基站、基站控制器），需要增加LTE的鄰小區配置，為讓終端在CSFB到3G/2G網絡后的語音業務結束后，盡快回到LTE網絡，原有網絡的無線子系統需要支持Fast Return功能；為了優化終端從LTE回落到3G/2G的延遲，原有網絡的無線子系統需要支持RIM功能等。

CSFB關鍵技術

CSFB的思路是在用戶需要進行語音業務的時候，從LTE網絡回落到3G/2G的電路域。回落的方式是在釋放LTE的無線鏈接，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。這種回落方式，俗稱為重定位。重定位方式的特點是實現簡單，對原有網絡的改造量小；缺點是延遲相對較大。

為了優化重定位的性能，減少終端重新接入3G/2G網絡的時間，3GPP提出帶系統消息的重定位功能，在重定位字段中攜帶3G/2G網絡的系統消息。3G/2G網絡的系統消息是通過RIM流程從BSC/RNC、SGSN、MME傳送到LTE的eNB。這種方式的特點是延遲較小，但對原有網絡的改造量較大，需要對原有無線網絡進行改造，支持RIM功能。

為了盡可能減少對原有網絡的改造量，但同時又為了減少重新接入的時延，3GPP規范提出了DMCR功能。DMCR（Deffered Measurement Control）功能是讓UE回落到3G網絡進行呼叫期間只讀取部分系統消息，而不需要在呼叫建立前讀完所有的系統消息，從而減少呼叫建立時間。但是該功能只能用于3G網絡，2G網絡不支持DMCR功能。

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

從目前技術支持、產業實現、性能等方面來看，“帶系統消息的重定位方式”被業界廣泛接受。

CSFB呼叫流程

處于LTE網絡中的用戶發起語音呼叫的大致過程是，主叫用戶向E-UTRAN網絡發送業務請求，并在EPS網絡的幫助下切換到 2G/3G系統中的目的小區，用戶在重新接入到CS域中后完成后續CS業務。具體呼叫流程參見圖2。

VoLTE：全IP條件下的端到端語音方案

當LTE網絡達到全覆蓋時， VoLTE語音方案將成為運營商的終極解決方案。 VoLTE是GSMA定義的標準LTE語音解決方案，其核心業務控制網絡是IMS（IP多媒體子系統）網絡，配合LTE和EPC網絡實現端到端的基于分組域的語音、視頻通信業務。通過IMS系統的控制，VoLTE解決方案可以提供和電路域性能相當的語音業務及其補充業務，包括號碼顯示、呼叫轉移、呼叫等待、會議電話等。

網絡架構

VoLTE解決方案中，實現VoIP語音業務時，除了由EPS系統提供承載，由IMS系統提供業務控制外，通常還要由PCC架構實現用戶業務QoS控制以及計費策略的控制。VoLTE業務的系統架構如圖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等網元。

觀點

目前移動運營商準備推出LTE服務并不需要急于部署VoLTE，LTE整體服務以及產業鏈供應問題都還需要時間來完善。同時我們也應該看到,VoLTE不會在數據業務之外提供任何引人注目的服務或商業機會。雖然VoLTE將使網絡效率提高并節約成本，但短期內運營商應該繼續關注LTE數據服務。

目前已經部署VoLTE服務的運營商可能出于幾方面考慮：提高網絡效率；VoLTE不再需要一個單獨的語音網絡,能進一步降低語音傳輸成本；整體LTE質量和效益；新服務的可能性,例如LTE高清語音，以及語音和數據的融合業務，同時豐富的通信套件(RCS)服務最經常被引用。

不過其他運營商不急于發展VoLTE也是出于對現實問題的判斷，包括服務資費問題、支持緊急呼叫與呼叫LTE和其他網絡之間的靈活交替、終端設備的支持率不高等。

我們相信,有機會獲得先發優勢是運營商抵消VoLTE發展初期問題的初衷。但對上述實質性問題的正視，可以幫助運營商在采用新技術上獲多的把握。

——OVUM

IMS域主要完成CSCF呼叫控制等功能。IMS系統和EPS網絡配合，可以提供和電路域類似的語音業務及其補充業務，包括：號碼顯示、呼叫轉移、呼叫等待、會議電話等。

VoLTE 系統采用專門的IMS APN來提供語音業務，為信令和語音數據使用特定QCI的“承載”，從而保障給語音業務較高的QoS。通常，信令承載采用QCI=5的默認承載，語音承載采用QCI=1的專用承載。

PCRF（策略和計費規則功能）主要完成策略控制決策和基于流進行計費控制的功能。

基于IMS核心的業務控制

VoLTE語音解決方案的核心思想是采用IMS作為業務控制層系統，EPC僅作為承載層。借助IMS系統，不僅能夠實現語音呼叫控制等功能，還能夠合理、靈活地對多媒體會話進行計費。運營商可以基于用戶的QoS，針對用戶業務的不同內容（比如，是VoIP會話還是一次網頁瀏覽或者是一條即時消息等），提供不同的資費標準。另外，IMS定義了為業務開發商使用的標準接口，通過這些接口使得運營商能夠在多廠商環境下提供業務，避免綁定在單一廠商來獲取新業務。

VoLTE是全IP條件下端到端語音解決方案，涉及終端、無線、PS、IMS、CS各技術域，旨在替代電路域話音。采用VoLTE語音解決方案，對終端域、無線域和核心網有如下要求：

核心網需要全面部署 IMS系統，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相關特性，包括RoHC（魯棒頭壓縮）、RLC UM（無線鏈路連接非確認模式）以及LTE DRX（非連續接收）等功能。

無線域需要引入LT E的設備eNodeB（E-UTRAN）。

業務流程

從業務實現流程來看，一個EPS系統的用戶，如果要實現端到端的VoIP業務，要經過EPS附著、IMS注冊、主叫流程和被叫流程（包括專有承載和IMS層信令交互）等幾個過程。典型的VOLTE呼叫流程如下。

LTE網絡附著：在LTE網絡下附著，UE建立信令承載（UE中配置IMS APN ）。

IMS注冊：UE根據PS附著流程中獲取的P-CSCF地址向IMS網絡注冊；IMS網絡對UE進行鑒權，UE完成注冊，網絡保存用戶的聯系地址，用于后續的來話尋址。

MO流程：用戶撥打被叫號碼，觸發UE通過認證后的連接向IMS發起主叫流程；P/S-CSCF將呼叫路由到MMTel AS（電信補充業務的AS）處理,業務處理結束后返回到S-CSCF。

MT流程：主叫S-CSCF尋址到被叫S-CSCF；被叫S-CSCF根據簽約情況觸發被叫的服務MMTel AS，進行業務處理；完成后返回給S-CSCF，S-CSCF經由P-CSCF根據注冊保存的UE contact地址找到被叫UE；UE完成呼叫接續。

隨著LTE網絡技術的日益成熟，移動通信系統的網絡架構將逐步向EPS演進，語音業務IP化也是語音業務必然的發展趨勢。但是，真正實現VoLTE將是一個漫長的過程。因此，電路域語音業務將在很長一段時間內與分組域業務并存；基于雙待機終端的語音解決方案和基于CSFB的語音解決方案將在網路演進過渡階段發揮重要作用。最終，隨著LTE和IMS網絡的全面部署基于VoLTE的語音解決方案將是最終的解決方案。

圖2 CSFB呼叫流程

圖3 VoLTE網絡架構