TD—LTE終極語音技術VoLTE應用分析

【摘 要】分析了IMS體系架構，并對基于IMS系統的VoLTE技術進行了研究，最后總結了VoLTE技術在TD-LTE系統中從初建到普及的基本過程，同時對運營商網絡建設和營銷策略等方面提出了分階段發展和重點區域應用的建議，可為TD-LTE網絡建設及VoLTE語音應用提供一些參考。

【關鍵詞】LTE IMS VoLTE

中圖分類號：TN929.53 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-03-0052-05

1 概述

IP技術是互聯網主導技術，可方便靈活地提供各種信息服務，還能根據客戶需求快捷創建新的服務。但在電信級語音方面只支持固定接入，安全性和計費控制等不盡如意。傳統的基于電路交換的移動網絡，如GSM，雖具有接入的靈活性，可隨時隨地語音交換，卻不支持IP技術，只能形成一種垂直的業務展開方式；橫向的不同業務應用只能分別進行業務接入、網絡搭建、業務控制和應用開發，像業務計費等主要網絡單元也須建立獨立的運營系統。利用GPRS雖能使GSM用戶接入IP，卻是一種電路域與分組域完全分離、彼此獨立的補充性應用，網速低、性能差，還存在語音和數據對無線資源的爭用問題。

將IP技術引入到移動電信級語音通信領域，不僅要考慮電路域與分組域的靈活接入性，還要考慮運營商現有網絡資源的續用。根據GSMA IR.92的定義，VoLTE（Voice over LTE，語音LTE）是一種基于IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統）的語音技術，可保障較高的QoS（Quality of Serivce，服務質量）和用戶體驗，解決數據互通和漫游問題，還能在給用戶帶來電信級語音質量的同時，實現在IMS框架下的語音、視頻、數據、緊急呼叫等業務的融合，因而成為TD-LTE系統的終極語音解決方案。

2 IMS體系架構

IMS是一組全IP核心網絡技術規范，是一種基于IP電話和多媒體服務業務融合的下一代網絡開放式體系架構。IMS實現了在IP基礎上對語音、數據、視頻和移動網絡等技術的相融，支持多種接入方式，具有豐富的多媒體業務，并可完成移動電話、固定電話和互聯網等通信模式的整合，配合LTE核心網絡實現VoLTE端到端的基于分組域的語音和視頻的電信通信業務。由于VoLTE采用了高清語音和視頻編碼，可顯著提高語音通信質量，又因采用了SIP（Session Initiation Protocol，會話發起協議）進行端到端呼叫控制，使呼叫接續時長僅為CS（Circuit Seitch，電路交換）域的一半，其QoS技術的應用也使語音體驗明顯優于CS。

IMS體系可分為三層，其中應用層由各種服務器和Web業務組成，用戶可通過IP或傳統電話方式訪問這些語音和非語音業務，所以IMS應用層的作用是負責為用戶提供IMS多媒體業務；控制層也叫信令控制層，負責管理呼叫或會話設置、修改和釋放，所有IP多媒體業務的信令控制都在這一層完成，是IMS的核心網；傳送接入層也叫承載層，是一個IP分組交換網，可通過SIP信令建立會話，并提供承載服務，專門負責IMS SIP會話接入和傳輸。IMS體系架構如圖1所示：

圖1 IMS體系架構

3 基于IMS的VoLTE技術分析

VoLTE語音業務由LTE網絡數據域提供支持，而借助IMS系統，不僅可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。IMS定義了為業務開發商使用的標準接口，通過這些接口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獲取新業務。由于LTE系統只有PS域，所以在LTE上承載語音只能用VoIP（Voice over IP，語音IP）技術，要想在LTE網絡中應用VoLTE語音業務，還需要用IMS作為會話類業務的控制網絡，需要在LTE/EPC網絡基礎上疊加IMS網絡來提供呼叫控制和業務功能。所以，VoLTE語音業務是以IMS網絡作為業務控制層，以LTE網絡作為業務承載層的VoIP語音業務。

2011年11月中興通訊宣布成功地完成了業界首個VoLTE語音互通測試，在中德兩地遠距離測試站點中，驗證了在廠商測試環境下，基于LTE/EPC/IMS技術的VoLTE接口的互聯互通、全球漫游和全IP技術下的VoLTE語音通信。在測試場景提供的端到端的網絡方案中，IMS核心網中包括了CSCF、HSS和IMS應用服務器MMTel AS等，LTE網絡中包括了eNodeB、MME、S-GW、P-GW、PCRF等，DRA（Diameter Routing Agents，Diameter路由代理）模塊起到了將兩個核心網絡連接的作用，如圖2所示：

圖2 基于IMS系統的VoLTE網絡架構

由圖1、圖2可以看出，將LTE接入IMS體系，DRA模塊起到了決定性的作用。作為Diameter路由代理，DRA可實現歸屬網絡和被訪網絡間的互聯與控制，完成各主機間的LTE漫游。引入Diameter信令，則可實現LTE用戶的鑒權、位置更新和計費管理。所以，DRA節點的引入，可負責LTE Diameter信令目的地地址翻譯和轉接，為LTE提供漫游服務，保證全網MME-HSS之間、PCRF-PCRF之間的全IP連接關系。當然，歸屬地HSS、PCRF等網元也需要通過IMS索引和路由。

VoLTE技術透過LTE網絡的空中接口來傳輸語音流量，使用傳統互聯網語音技術VoIP和以IMS體系為基礎的核心網絡，提供包括視頻電話在內的語音服務，語音業務流程如圖3所示，可簡單地分解為開機、呼叫建立和呼叫釋放等三個過程。開機過程是LTE終端UE附著過程，即所謂永久在線建立過程，與所有LTE終端附著不同的是，因加入IMS系統，終端需要申請VoLTE語音會話建立和IMS鑒權與注冊；呼叫建立過程是VoLTE語音呼叫過程中的主被叫鏈路的建立，該鏈路一旦建立，主被叫之間就可進行VoLTE語音通話；釋放過程是使主叫回到開機過程中的附著狀態，一旦發起呼叫，則可快速連接被叫，大大縮短了起呼時間。endprint

圖3 VoLTE語音業務流程

LTE終端在執行VoLTE語音業務時，在LTE網絡和IMS網絡中，主要經歷的網元有eNodeB、MME、S-GW、P-GW、HSS、PCRF、CSCF和AS。從圖2中可以看出，LTE網絡不僅要完成語音業務的空中傳輸，還要負責通話終端間的EPS注冊、IMS注冊、用戶鑒權和EPS專用信道的建立，雖然IMS網絡也需要輔助響應，但在整個VoLTE語音業務應用過程中，LTE網絡是其業務承載的傳輸主體。當這種業務承載的傳輸網絡建立后，獲取多媒體業務、VoLTE視頻語音業務就需要IMS網絡支持了。

VoLTE語音業務遵循IMS語音業務流程，包括漫游和非漫游場景下的起呼和被叫。VoLTE使用PS域業務的VoIP語音技術，與PS域所有數據業務一樣，VoLTE語音也只是一種互聯網業務，一種多媒體語音數據業務。所以，VoLTE語音業務實現視頻語音是一件很簡單的事。另外，在VoLTE解決方案中，實現VoIP語音業務時，LTE系統將VoIP語音視為一種移動寬帶業務提供一種承載，業務控制則由IMS系統提供，這樣用戶業務的QoS和計費策略控制可由PCC（Policy Control and Charging，策略控制與計費）系統與之保證。

PCC是3GPP R7中提出的一種基于分組域實現流的業務策略和控制的邏輯架構，在R8中增加了包括LTE在內的多種接入方式、漫游和PCRF尋址功能。PCC架構主要由PCRF、PCEF（Policy and Charging Enforcement Function，策略和計費執行功能）、AF（Application Function，應用功能）、SPR（Subscription Profile Repository，簽約型存儲）等功能實體組成。PCRF主要實現策略控制決策和基于流計費控制功能；PCEF主要實現數據流檢測、策略執行和基于流的計費功能；AF在IMS架構中由P-CSCF網元替代，主要實現與PCRF通信交互以傳輸動態會話信息以便PCRF決策；SPR包含與所有簽約用戶或簽約相關的信息，而PCRF使用這些信息可決定基于簽約的策略。

在LTE網絡中引入PCC后的網絡架構如圖4所示，其中PCRF為LTE核心網中重要模塊，P-CSCF是IMS核心網中CSCF的一個子模塊，功能相當于存儲器的SPR是新增網元，同為新增網元的PCEF，卻非常重要，負責執行已選策略和計費功能。在PCC策略實現中，PCRF首先需要查詢包括用戶簽約信息、運營商用戶數據、從承載層和應用層獲得接入網絡信息、了解用戶位置、協商QoS、用戶設備信息和用戶計費方式等信息來確定用戶QoS策略。而后PCRF根據這些查詢信息，為用戶配置相應QoS策略，與其他核心網元交互，分配相關資源以保證業務服務質量。顯然，在PCC策略實施中，包括了VoLTE語音業務在內的所有PS域業務，而上面所述的亦是VoLTE語音業務的QoS策略實施過程。

圖4 引入PCC架構后的LTE網絡

4 VoLTE技術應用思考

將VoLTE語音建立在IMS體系架構和LTE網絡基礎上，是保證VoLTE語音質量的重要前提。LTE的扁平化結構使得接入網E-UTRAN僅由基站eNodeB組成，簡化了網絡信令，能將更多會話（In-Session）資料管理責任交給eNodeB節點，大大縮短了等待時間，從而能讓分組語音服務包和高速數據服務包如同串行流媒體（Streaming Media）一樣可行。LTE可使VoLTE在語音業務上擁有更高的頻譜效率，單位頻譜上也可承載更多的語音用戶，特別是通過引入電信級QoS和高清編解碼技術，理論上VoLTE完全可以擁有比2G/3G語音、OTT語音更好的用戶體驗。

2012年韓國電信運營商SKT和LGU及美國MetroPCS同時宣布推出可在LTE網絡中應用的基于IP語音技術的VoLTE，數月后，韓國三星又宣布推出了具備VoLTE能力的Galaxy Note 10.1移動設備，加上2011年中興通訊宣布的已成功地完成業界首個VoLTE語音跨國互通測試報道，說明基于IP數據傳輸技術和LTE語音傳輸技術的VoLTE語音技術，在PS域已經具備了商業應用能力。然而現實中，全球正在加速部署的LTE網絡大部分仍然只支持數據傳輸，不能處理語音通信，用戶電話只能被轉移至傳統的2G/3G網上。這并非完全是技術因素，還與運營商2G/3G成熟網絡的投資保護有關。VoLTE的廣泛應用還有一段路要走。

目前通過互聯網協議提供語音服務的技術主要是OTT服務商提供的、資費很低的、技術簡單的、使用VoIP技術的網絡電話，該網絡電話因其只需SIP軟件就可以通過IP地址和帳號注冊通話，所以如同互聯網上所有數據業務一樣，沒有區域和漫游的概念（只需IP地址），更不能提供語音質量的QoS保證（非實時和隨機的語音包串聯沒有QoS支持）。這說明VoLTE語音技術所面對的競爭對手，不僅價廉易用，而且已廣泛普及。VoLTE語音技術要想塑造移動互聯網語音神話，一方面要保證語音品質遠遠超越普通網絡電話，甚至超過固定電話；另一方面要使可視電話音視頻品質有質的飛躍，使用戶有完美的體驗。

因此，要在LTE網絡中應用VoLTE業務，分階段發展和重點區域應用是較好的選擇，即將VoLTE語音應用分三個階段：

第一階段為初始應用階段，主要考慮LTE初期應用是以熱點覆蓋為主，LTE網絡覆蓋區域有限，而2G/3G網絡不僅覆蓋全面，用戶群體還占有絕對優勢，尤其是存在高成熟度的CS語音技術與有待完善的VoLTE語音技術的矛盾。所以，在這一階段的LTE網絡中，有的地方可采用VoLTE語音技術，有的地方則采用切換到CS域語音技術。這就要求運營商先有一個市場應用調研和用戶應用引導。如考慮在大專院校布局支持VoLTE語音技術的熱點LTE網絡覆蓋，在校園開展各類有意義的支持VoLTE語音技術終端設備的市場優惠銷售活動，開展有針對應用目標的、性價比較高的具有VoLTE語音技術應用模式指導的互動活動等。endprint

第二階段為支持VoLTE技術的LTE網絡的發展期，特點是LTE網絡覆蓋規模不斷擴大，用戶認知也達到一定程度，LTE網絡技術、VoLTE語音技術和LTE終端技術開始走向成熟，LTE網絡覆蓋水平達到了可以在城市和人口密集地區運營VoLTE語音業務的條件。尤其是LTE智能手機的大量應用，IMS架構的不斷完善，CS語音系統開始逐漸退出，基于IMS架構的多媒體業務類型的大量涌現，VoLTE語音品質得到較大提升……總之，本階段是基于IMS架構VoLTE語音技術應用的普及時期，運營商需要做的工作主要是在優化VoLTE多媒體語音品質的基礎上，提供內容豐富的IMS多媒體應用業務和種類繁多的智能手機。

第三階段為LTE網絡全覆蓋和VoLTE成為主流語音應用時期，相當完善的LTE覆蓋和相當成熟的VoLTE多媒體語音應用，已促使傳統的CS開始退出移動通信舞臺。

第一階段是一個非常重要的應用推廣階段，是IMS架構初建與集成和VoLTE語音技術完善過程中必要的測試和試驗階段，也是LTE網絡、IMS多媒體業務與VoLTE終端應用的磨合階段，因而也是決定LTE網絡應用在短期內能否占領一定市場份額的重要階段。所以，運營商應在第一階段的營銷策略中做足文章。第二階段和第三階段是移動多媒體業務發展和創新階段。

5 總結

基于IMS體系架構的VoLTE語音技術是LTE運營商開啟通往移動寬帶語音的一扇大門，也是移動通信、固定通信和互聯網通信，語音業務、數據業務和視頻業務大融合的基礎。LTE語音通信技術最終是以VoLTE分組業務形式取代，但卻取決于VoLTE技術的臻如至善，取決于LTE網絡的無縫覆蓋程序，取決于IMS多媒體業務類型的豐富多彩，取決于智能終端的智能情況，最終還是取決于用戶的應用普及程度。

從語音業務方面看，IMS體系架構支持的基于IP的電話和多媒體服務業務的融合，不僅可為VoLTE語音貫通包括2G/3G和固定電話的所有語音，還能使視頻電話與互聯網視頻的相互通信變得十分方便，更重要的是為完全VoLTE語音技術應用創造了安全的過渡環境。對于運營商來講，IMS體系架構力助VoLTE實現了數據與語音業務在同一網絡下的統一，可幫助運營商降低運營計費復雜度，提升運營效率，減少運營成本。

從技術角度看，VoLTE是一種在LTE協議層上封裝語音數據的新型語音標準，與Voive over ATM、Voice over Frame Relay類似。借助成熟的技術和工藝，VoLTE技術完全可以簡化終端芯片設計，降低語音設備成本。所以筆者認為運營商應加快LTE網絡覆蓋速度，增加LTE網絡覆蓋率，尤其是完善IMS體系架構的建立，為VoLTE語音技術的普及打下良好的網絡基礎。

另外，許多運營商采用電路回退等相關技術兼容2G/3G語音。對于運營商來講，這似乎可以在LTE時代繼續發揮2G/3G設備的效益，降低建網投資，但卻加重了用戶終端設備的成本，這無疑要影響LTE網絡應用的推廣和普及，影響LTE網絡的成本效益。所以，在使用VoLTE語音技術的LTE網絡覆蓋建設中，采用重點區應用模式有一定的現實意義。

參考文獻：

[1] 付航. IMS體系研究與網絡架構演進[J]. 移動通信， 2007（3）： 73-76.

[2] 周峰，許正鋒，羅俊. VoLTE業務與技術實現方案的研究與分析[J]. 電信科學， 2013（2）： 31-35.

[3] 張長青. TD-LTE演進型分組核心網技術分析[J]. 移動通信， 2013（8）： 51-57.

[4] 馮傳奮，王少波，李愛嬌，等. IMS域引入QoS架構探討[J]. 移動通信， 2010（24）： 71-74.

[5] 顧明. LTE網絡中PCC架構的應用[J]. 電信工程技術與標準化， 2010（11）： 35-39.

[6] 陳群輝. VoLTE業務發展節奏的演進與部署[J]. 華為技術， 2011（56）： 41-43.★endprint

第二階段為支持VoLTE技術的LTE網絡的發展期，特點是LTE網絡覆蓋規模不斷擴大，用戶認知也達到一定程度，LTE網絡技術、VoLTE語音技術和LTE終端技術開始走向成熟，LTE網絡覆蓋水平達到了可以在城市和人口密集地區運營VoLTE語音業務的條件。尤其是LTE智能手機的大量應用，IMS架構的不斷完善，CS語音系統開始逐漸退出，基于IMS架構的多媒體業務類型的大量涌現，VoLTE語音品質得到較大提升……總之，本階段是基于IMS架構VoLTE語音技術應用的普及時期，運營商需要做的工作主要是在優化VoLTE多媒體語音品質的基礎上，提供內容豐富的IMS多媒體應用業務和種類繁多的智能手機。

第三階段為LTE網絡全覆蓋和VoLTE成為主流語音應用時期，相當完善的LTE覆蓋和相當成熟的VoLTE多媒體語音應用，已促使傳統的CS開始退出移動通信舞臺。

第一階段是一個非常重要的應用推廣階段，是IMS架構初建與集成和VoLTE語音技術完善過程中必要的測試和試驗階段，也是LTE網絡、IMS多媒體業務與VoLTE終端應用的磨合階段，因而也是決定LTE網絡應用在短期內能否占領一定市場份額的重要階段。所以，運營商應在第一階段的營銷策略中做足文章。第二階段和第三階段是移動多媒體業務發展和創新階段。

5 總結

基于IMS體系架構的VoLTE語音技術是LTE運營商開啟通往移動寬帶語音的一扇大門，也是移動通信、固定通信和互聯網通信，語音業務、數據業務和視頻業務大融合的基礎。LTE語音通信技術最終是以VoLTE分組業務形式取代，但卻取決于VoLTE技術的臻如至善，取決于LTE網絡的無縫覆蓋程序，取決于IMS多媒體業務類型的豐富多彩，取決于智能終端的智能情況，最終還是取決于用戶的應用普及程度。

從語音業務方面看，IMS體系架構支持的基于IP的電話和多媒體服務業務的融合，不僅可為VoLTE語音貫通包括2G/3G和固定電話的所有語音，還能使視頻電話與互聯網視頻的相互通信變得十分方便，更重要的是為完全VoLTE語音技術應用創造了安全的過渡環境。對于運營商來講，IMS體系架構力助VoLTE實現了數據與語音業務在同一網絡下的統一，可幫助運營商降低運營計費復雜度，提升運營效率，減少運營成本。

從技術角度看，VoLTE是一種在LTE協議層上封裝語音數據的新型語音標準，與Voive over ATM、Voice over Frame Relay類似。借助成熟的技術和工藝，VoLTE技術完全可以簡化終端芯片設計，降低語音設備成本。所以筆者認為運營商應加快LTE網絡覆蓋速度，增加LTE網絡覆蓋率，尤其是完善IMS體系架構的建立，為VoLTE語音技術的普及打下良好的網絡基礎。

另外，許多運營商采用電路回退等相關技術兼容2G/3G語音。對于運營商來講，這似乎可以在LTE時代繼續發揮2G/3G設備的效益，降低建網投資，但卻加重了用戶終端設備的成本，這無疑要影響LTE網絡應用的推廣和普及，影響LTE網絡的成本效益。所以，在使用VoLTE語音技術的LTE網絡覆蓋建設中，采用重點區應用模式有一定的現實意義。

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[5] 顧明. LTE網絡中PCC架構的應用[J]. 電信工程技術與標準化， 2010（11）： 35-39.

[6] 陳群輝. VoLTE業務發展節奏的演進與部署[J]. 華為技術， 2011（56）： 41-43.★endprint

第二階段為支持VoLTE技術的LTE網絡的發展期，特點是LTE網絡覆蓋規模不斷擴大，用戶認知也達到一定程度，LTE網絡技術、VoLTE語音技術和LTE終端技術開始走向成熟，LTE網絡覆蓋水平達到了可以在城市和人口密集地區運營VoLTE語音業務的條件。尤其是LTE智能手機的大量應用，IMS架構的不斷完善，CS語音系統開始逐漸退出，基于IMS架構的多媒體業務類型的大量涌現，VoLTE語音品質得到較大提升……總之，本階段是基于IMS架構VoLTE語音技術應用的普及時期，運營商需要做的工作主要是在優化VoLTE多媒體語音品質的基礎上，提供內容豐富的IMS多媒體應用業務和種類繁多的智能手機。

第三階段為LTE網絡全覆蓋和VoLTE成為主流語音應用時期，相當完善的LTE覆蓋和相當成熟的VoLTE多媒體語音應用，已促使傳統的CS開始退出移動通信舞臺。

第一階段是一個非常重要的應用推廣階段，是IMS架構初建與集成和VoLTE語音技術完善過程中必要的測試和試驗階段，也是LTE網絡、IMS多媒體業務與VoLTE終端應用的磨合階段，因而也是決定LTE網絡應用在短期內能否占領一定市場份額的重要階段。所以，運營商應在第一階段的營銷策略中做足文章。第二階段和第三階段是移動多媒體業務發展和創新階段。

5 總結

基于IMS體系架構的VoLTE語音技術是LTE運營商開啟通往移動寬帶語音的一扇大門，也是移動通信、固定通信和互聯網通信，語音業務、數據業務和視頻業務大融合的基礎。LTE語音通信技術最終是以VoLTE分組業務形式取代，但卻取決于VoLTE技術的臻如至善，取決于LTE網絡的無縫覆蓋程序，取決于IMS多媒體業務類型的豐富多彩，取決于智能終端的智能情況，最終還是取決于用戶的應用普及程度。

從語音業務方面看，IMS體系架構支持的基于IP的電話和多媒體服務業務的融合，不僅可為VoLTE語音貫通包括2G/3G和固定電話的所有語音，還能使視頻電話與互聯網視頻的相互通信變得十分方便，更重要的是為完全VoLTE語音技術應用創造了安全的過渡環境。對于運營商來講，IMS體系架構力助VoLTE實現了數據與語音業務在同一網絡下的統一，可幫助運營商降低運營計費復雜度，提升運營效率，減少運營成本。

從技術角度看，VoLTE是一種在LTE協議層上封裝語音數據的新型語音標準，與Voive over ATM、Voice over Frame Relay類似。借助成熟的技術和工藝，VoLTE技術完全可以簡化終端芯片設計，降低語音設備成本。所以筆者認為運營商應加快LTE網絡覆蓋速度，增加LTE網絡覆蓋率，尤其是完善IMS體系架構的建立，為VoLTE語音技術的普及打下良好的網絡基礎。

另外，許多運營商采用電路回退等相關技術兼容2G/3G語音。對于運營商來講，這似乎可以在LTE時代繼續發揮2G/3G設備的效益，降低建網投資，但卻加重了用戶終端設備的成本，這無疑要影響LTE網絡應用的推廣和普及，影響LTE網絡的成本效益。所以，在使用VoLTE語音技術的LTE網絡覆蓋建設中，采用重點區應用模式有一定的現實意義。

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[6] 陳群輝. VoLTE業務發展節奏的演進與部署[J]. 華為技術， 2011（56）： 41-43.★endprint