電信級QoS保障下VoLTE的優勢分析

陳宇　王月珍

1 引言

OTT語音通信在移動互聯網時代得到了極大的關注與應用，這給運營商傳統語音業務也帶來了相應的沖擊。隨著移動通信網絡所能提供的數據傳輸速率的提升及業務時延的縮小，這種沖擊也將變得越來越大。LTE技術能提供超過100M的下行速率，同時大幅降低端到端時延，用戶面單向時延將控制在5ms以內。如何在4G時代繼續確保語音業務的主導地位，成為電信運營商需要重點關注的問題。在此背景下，本文對VoLTE技術展開分析，分別介紹了實現VoLTE技術的網絡架構、VoLTE業務的關鍵流程和QoS保障機制，重點分析VoLTE技術如何在資源共享的全IP網絡上，實現可靠性和語音質量不低于傳統電路域的語音業務，最終確保與OTT語音競爭的優勢地位。

2 VoLTE網絡架構

VoLTE業務實現方案是以LTE作為接入和承載網絡，以IMS（IP Multimedia System）作為語音和多媒體等業務的控制網絡，并通過PCC架構和EPS協同提供QoS保障機制，滿足端到端語音業務需求。

VoLTE網絡架構由E-UTRAN、EPC和IMS控制域組成，如圖1所示。其中E-UTRAN主要包括eNodeB，eNodeB是3GPP用于替代UMTS Node B和RNC聯合功能的LTE無線接入設備。

EPC主要包括MME、S-GW和P-GW等。其中MME是EPC的控制面實體；S-GW是本地的移動性錨點；P-GW是連接外部分組數據網絡的錨點，并擁有PCEF及IP地址分配等功能；PCRF是完成策略控制的功能實體；HSS用于存放用戶簽約數據。

IMS包括的主要網元有CSCF和MMTel AS等。其中P/I/S-CSCF為呼叫會話控制功能實體，主要完成呼叫會話過程中信令轉發、路由及具體控制功能；MMTel AS提供多媒體通信及補充業務。由于本文主要針對VoLTE純網絡形態進行探討，所以不涉及與其它網絡的互通網元及結構分析。

3 VoLTE業務流程

VoLTE語音會話的建立需要UE、E-UTRAN、EPC、IMS完成一系列的信令交互和資源準備。VoLTE業務流程可以劃分為EPC附著、IMS注冊、VoLTE會話建立、VoLTE媒體流通信、VoLTE會話釋放五個階段，如圖2所示。

LTE用戶在EPS網絡中注冊，至少需要建立一個PDN連接。對于VoLTE用戶，針對IMS APN的PDN連接將一直保持。用于IMS信令傳輸的默認承載將在EPC附著過程中創建，而用于媒體傳輸的專用承載將于VoLTE會話建立過程創建。下面對主要的流程分別進行介紹。

3.1 EPC附著

UE進行VoLTE業務前，需要先對EPC網絡進行附著，如圖3所示。

（1）UE開機后，與eNodeB建立RRC連接。

（2）UE進行EPS注冊，同時通知HSS對用戶信息進行更新，HSS將用戶的默認PDN及用于SIP信令承載的QoS信息發回MME（假如默認PDN不是IMS PDN，IMS注冊前還需先建立IMS PDN）。

（3）建立EPS默認承載。P-GW先通過IP-CAN會話建立過程向PCRF獲取默認PCC規則，然后將用戶IP地址、EPS默認承載QoS等用戶信息經由S-GW返回給MME。

（4）P-GW將P-CSCF地址發給MME，MME對新的用戶信息進行確認更新，并將EPS默認承載QoS、用戶IP地址、P-CSCF地址等通過eNodeB下發給UE。

（5）UE經由eNodeB向MME發送附著完成消息，建立無線承載。

3.2 IMS注冊

用戶完成EPS附著，需要在IMS網絡完成注冊，注冊流程如圖4所示。

（1）UE首先向網絡為其分配的S-CSCF發送注冊請求。

（2）S-CSCF從HSS獲取用戶鑒權數據。

（3）S-CSCF將用戶鑒權數據封裝進401響應回送給UE。

（4）P-CSCF和UE根據401響應中的鑒權參數建立IPsec安全關聯。

（5—7）S-CSCF收到UE第二次發送的注冊請求后，對UE進行鑒權。若鑒權通過，則從HSS下載用戶配置，并向UE返回200OK指示鑒權完成。

（8）注冊成功后，S-CSCF通知用戶簽約的MMTel AS完成第三方注冊。

（9、10）UE和P-CSCF分別向S-CSCF訂閱用戶注冊狀態信息。

3.3 VoLTE會話建立

在VoLTE通話前，需要進行媒體協商及資源預留等會話建立操作，如圖5所示。

（1）UE1將封裝有媒體類型及編解碼方案的SDP請求通過INVITE消息發給UE2。

（2）UE2將自己支持的方案類型通過183響應返回給UE1。

（3、4）UE1向UE2發送攜帶有選定媒體類型及編解碼方案的PRACK請求，并開始專用承載建立。

（5、6）UE2接收到PRACK請求后回復200OK用于確認，并開始專用承載建立。

（7）UE1收到200OK確認并完成專用承載建立后，向UE2發送UPDATE消息進行媒體更新。

（8、9）UE2接收到UPDATE消息，向UE1返回200OK表示接受請求。當UE2完成專用承載建立后，開始振鈴并向UE1返回180振鈴響應。

（10）UE2摘機，向UE1返回200OK響應。

（11）UE1收到200OK響應后，向UE2發送ACK確認消息。至此，會話建立完成。

VoLTE會話建立完成后，UE1和UE2之間正式開始VoLTE媒體流的通信。

3.4 VoLTE會話釋放endprint

在語音會話結束后，終端可發起相應的會話釋放，具體流程如圖6所示。

（1）UE2掛機將向UE1發起BYE請求。

（2、3）當BYE請求經由UE2及UE1各自歸屬網絡P-CSCF時，P-CSCF將經由PCRF通知P-GW執行專用承載拆除工作。

（4—6）UE1及UE2完成專用承載拆除，同時UE1將向UE2返回200OK響應。

除了終端發起的VoLTE會話釋放場景，當某一端用戶專用承載丟失，P-GW也會觸發PCRF向歸屬網絡P-CSCF發送會話釋放消息，并由P-CSCF向對端網絡發起BYE請求，接下來的會話釋放流程與終端發起情況類似，此處不再贅述。

4 VoLTE的QoS保障機制與OTT語音的比較

結合前文針對VoLTE網絡架構和業務流程的分析，下面對VoLTE語音通信的QoS保障機制及相對于OTT語音的優勢進行進一步闡述。

4.1 VoLTE的QoS保障機制

VoLTE的QoS保障通過EPS域和IMS域共同完成，以下進行具體分析。

（1）EPS域的QoS保障

EPS采用端到端、層次化網絡架構，并以承載的形式進行數據傳輸。如圖7所示，LTE系統將端到端的業務劃分為EPS承載和外部承載，而EPS承載又進一步分為無線承載、S1承載和S5/S8承載。

LTE沒有沿用3G制式的QoS協商及專用信道機制，在空口只保留共享信道以利于采用更靈活的資源調度進行QoS保障。LTE采用承載級QoS保障，傳輸流模板（TFT）及其中的分組過濾器將上層業務數據流（SDF）進行相應的EPS承載映射，最終實現用戶數據的區分QoS保障。EPS承載分為GBR承載和Non-GBR承載，GBR承載是指網絡對承載速率進行嚴格保障的承載，而Non-GBR承載的速率將得不到保障。QCI作為重要的QoS參數，是接入點對承載級數據分組進行分類的重要依據。3GPP根據數據分組資源類型、時延、誤碼率、業務的不同將QCI分成9個等級（見表1）。VoLTE采用QCI=1的專用承載作為語音承載，QCI=5的默認承載作為IMS信令承載，從而保障語音數據分組的優先資源調度和傳送。

（2）IMS域的QoS保障

在EPC附著和IMS會話建立過程中，連接EPS域和IMS域的PCC架構將參與VoLTE的QoS保障。EPC附著時，P-GW通過IP-CAN會話建立向PCRF獲取缺省PCC規則，PCRF則向SPR獲取用戶信息并將其轉換成相應的策略發往P-GW以建立默認承載；IMS會話建立時，P-CSCF將語音會話信息發往PCRF，PCRF進行QoS授權，授權通過后PCRF將QoS信息發往P-GW，P-GW根據接收到的QoS信息建立語音業務專用承載。這樣，通過PCC架構，可以為VoLTE業務設置高優先級的QoS規則，從而保障語音通信的質量。

4.2 與基于LTE的OTT語音對比

OTT語音是上層應用業務，在LTE網絡中底層承載將其認定為普通數據傳輸，于是OTT語音將與其它普通數據分組使用相同的Internet PDN連接的Non-GBR默認承載（QCI=8/9）。這將導致OTT語音與其它業務搶占公共帶寬資源，引起OTT語音出現誤碼、丟包、時延大等一系列服務質量問題。因此，基于LTE的OTT語音業務無法得到有效的QoS保障。而對于VoLTE，前面提到其采用高QoS等級的語音及信令承載，且建立獨立于普通數據業務的PDN連接，能在EPS域和IMS域獲得良好的QoS保障。

同時，VoLTE對空口也作了進一步的優化。首先，RLC層采用UM模式，通過取消RLC重傳機制來減少業務時延。其次，針對上行功率受限場景采用TTI Bunding技術，通過在同個HARQ進程連續發送相同RLC層分片4個不同冗余版本，以此來降低小區覆蓋邊緣VoLTE語音數據的誤碼率和時延。OTT語音采用普通數據處理機制，無法使用以上的優化特性。另外，由于通過軟件方式完成會話建立及語音數據處理，OTT語音業務時延也相應增加。

從端到端來看，VoLTE業務走的是電信運營商具有高可靠性及安全性的內部網絡。通過IMS域、EPS域及PCC架構的聯合保障，語音業務端到端時延、誤碼率等服務質量都獲得嚴格保證，這些都是OTT語音業務無法做到的。OTT分組數據需要通過Internet尋路至對端網絡，而Internet一般采用無QoS保障的Best-Effort數據傳輸方式，這將導致OTT語音質量的進一步下降。

除了QoS無法得到可靠保障外，OTT語音在手機資源消耗、終端信道資源占用、異系統切換、異OTT應用兼容性等方面也得不到良好表現。對于這些問題，VoLTE采用底層數據處理、非連續性接收（DRX）、魯棒性頭壓縮（RoHC）、半靜態調度（SPS）、單載波語音呼叫連續性（SRVCC）等技術及本身擁有的特性，都能較好解決。在提高用戶體驗上，VoLTE可以采用高清語音、富通信套件（RCS）、增強富通信套件（RCSe）等豐富的業務形態來提高差異化優勢。

5 結束語

VoLTE是電信運營商充分利用LTE網絡在語音業務上演進的必然結果，它不單擁有傳統的電信級QoS保障機制及業務特性，而且擁有新興的如高清語音、RCS/RCSe的業務形態，在良好的服務質量和絕佳的用戶體驗上更能迎接OTT通信軟件的挑戰。當然，不論是從產業鏈及投入成本的角度，還是從網絡演進策略的角度，要實現VoLTE還有很多問題需要考慮。但是，作為能充分利用先進網絡技術并圍繞提高用戶感知體驗，同時考慮運營商自身特點的VoLTE技術，相信在不遠的將來必能得到廣泛應用。

參考文獻：

[1] GSMA IR 92.V7.0. IMS Profile for Voice and SMS[S]. 2013.

[2] GSMA IR 94.V6.0. IMS Profile for Video Service[S]. 2013.

[3] 3GPP TS 23.203. Policy and Charging Control Architecture[S]. 2013.

[4] 3GPP TS 23.207. End-to-end Quality of Service（QoS） Concept and Architecture[S]. 2012.

[5] 3GPP TS 23.228. IP Multimedia Subsystem（IMS） Stage2[S]. 2013.

[6] 3GPP TS 36.321. Medium Access Control（MAC） protocol specification[S]. 2013.endprint

在語音會話結束后，終端可發起相應的會話釋放，具體流程如圖6所示。

（1）UE2掛機將向UE1發起BYE請求。

（2、3）當BYE請求經由UE2及UE1各自歸屬網絡P-CSCF時，P-CSCF將經由PCRF通知P-GW執行專用承載拆除工作。

（4—6）UE1及UE2完成專用承載拆除，同時UE1將向UE2返回200OK響應。

除了終端發起的VoLTE會話釋放場景，當某一端用戶專用承載丟失，P-GW也會觸發PCRF向歸屬網絡P-CSCF發送會話釋放消息，并由P-CSCF向對端網絡發起BYE請求，接下來的會話釋放流程與終端發起情況類似，此處不再贅述。

4 VoLTE的QoS保障機制與OTT語音的比較

結合前文針對VoLTE網絡架構和業務流程的分析，下面對VoLTE語音通信的QoS保障機制及相對于OTT語音的優勢進行進一步闡述。

4.1 VoLTE的QoS保障機制

VoLTE的QoS保障通過EPS域和IMS域共同完成，以下進行具體分析。

（1）EPS域的QoS保障

EPS采用端到端、層次化網絡架構，并以承載的形式進行數據傳輸。如圖7所示，LTE系統將端到端的業務劃分為EPS承載和外部承載，而EPS承載又進一步分為無線承載、S1承載和S5/S8承載。

LTE沒有沿用3G制式的QoS協商及專用信道機制，在空口只保留共享信道以利于采用更靈活的資源調度進行QoS保障。LTE采用承載級QoS保障，傳輸流模板（TFT）及其中的分組過濾器將上層業務數據流（SDF）進行相應的EPS承載映射，最終實現用戶數據的區分QoS保障。EPS承載分為GBR承載和Non-GBR承載，GBR承載是指網絡對承載速率進行嚴格保障的承載，而Non-GBR承載的速率將得不到保障。QCI作為重要的QoS參數，是接入點對承載級數據分組進行分類的重要依據。3GPP根據數據分組資源類型、時延、誤碼率、業務的不同將QCI分成9個等級（見表1）。VoLTE采用QCI=1的專用承載作為語音承載，QCI=5的默認承載作為IMS信令承載，從而保障語音數據分組的優先資源調度和傳送。

（2）IMS域的QoS保障

在EPC附著和IMS會話建立過程中，連接EPS域和IMS域的PCC架構將參與VoLTE的QoS保障。EPC附著時，P-GW通過IP-CAN會話建立向PCRF獲取缺省PCC規則，PCRF則向SPR獲取用戶信息并將其轉換成相應的策略發往P-GW以建立默認承載；IMS會話建立時，P-CSCF將語音會話信息發往PCRF，PCRF進行QoS授權，授權通過后PCRF將QoS信息發往P-GW，P-GW根據接收到的QoS信息建立語音業務專用承載。這樣，通過PCC架構，可以為VoLTE業務設置高優先級的QoS規則，從而保障語音通信的質量。

4.2 與基于LTE的OTT語音對比

OTT語音是上層應用業務，在LTE網絡中底層承載將其認定為普通數據傳輸，于是OTT語音將與其它普通數據分組使用相同的Internet PDN連接的Non-GBR默認承載（QCI=8/9）。這將導致OTT語音與其它業務搶占公共帶寬資源，引起OTT語音出現誤碼、丟包、時延大等一系列服務質量問題。因此，基于LTE的OTT語音業務無法得到有效的QoS保障。而對于VoLTE，前面提到其采用高QoS等級的語音及信令承載，且建立獨立于普通數據業務的PDN連接，能在EPS域和IMS域獲得良好的QoS保障。

同時，VoLTE對空口也作了進一步的優化。首先，RLC層采用UM模式，通過取消RLC重傳機制來減少業務時延。其次，針對上行功率受限場景采用TTI Bunding技術，通過在同個HARQ進程連續發送相同RLC層分片4個不同冗余版本，以此來降低小區覆蓋邊緣VoLTE語音數據的誤碼率和時延。OTT語音采用普通數據處理機制，無法使用以上的優化特性。另外，由于通過軟件方式完成會話建立及語音數據處理，OTT語音業務時延也相應增加。

從端到端來看，VoLTE業務走的是電信運營商具有高可靠性及安全性的內部網絡。通過IMS域、EPS域及PCC架構的聯合保障，語音業務端到端時延、誤碼率等服務質量都獲得嚴格保證，這些都是OTT語音業務無法做到的。OTT分組數據需要通過Internet尋路至對端網絡，而Internet一般采用無QoS保障的Best-Effort數據傳輸方式，這將導致OTT語音質量的進一步下降。

除了QoS無法得到可靠保障外，OTT語音在手機資源消耗、終端信道資源占用、異系統切換、異OTT應用兼容性等方面也得不到良好表現。對于這些問題，VoLTE采用底層數據處理、非連續性接收（DRX）、魯棒性頭壓縮（RoHC）、半靜態調度（SPS）、單載波語音呼叫連續性（SRVCC）等技術及本身擁有的特性，都能較好解決。在提高用戶體驗上，VoLTE可以采用高清語音、富通信套件（RCS）、增強富通信套件（RCSe）等豐富的業務形態來提高差異化優勢。

5 結束語

VoLTE是電信運營商充分利用LTE網絡在語音業務上演進的必然結果，它不單擁有傳統的電信級QoS保障機制及業務特性，而且擁有新興的如高清語音、RCS/RCSe的業務形態，在良好的服務質量和絕佳的用戶體驗上更能迎接OTT通信軟件的挑戰。當然，不論是從產業鏈及投入成本的角度，還是從網絡演進策略的角度，要實現VoLTE還有很多問題需要考慮。但是，作為能充分利用先進網絡技術并圍繞提高用戶感知體驗，同時考慮運營商自身特點的VoLTE技術，相信在不遠的將來必能得到廣泛應用。

參考文獻：

[1] GSMA IR 92.V7.0. IMS Profile for Voice and SMS[S]. 2013.

[2] GSMA IR 94.V6.0. IMS Profile for Video Service[S]. 2013.

[3] 3GPP TS 23.203. Policy and Charging Control Architecture[S]. 2013.

[4] 3GPP TS 23.207. End-to-end Quality of Service（QoS） Concept and Architecture[S]. 2012.

[5] 3GPP TS 23.228. IP Multimedia Subsystem（IMS） Stage2[S]. 2013.

[6] 3GPP TS 36.321. Medium Access Control（MAC） protocol specification[S]. 2013.endprint

在語音會話結束后，終端可發起相應的會話釋放，具體流程如圖6所示。

（1）UE2掛機將向UE1發起BYE請求。

（2、3）當BYE請求經由UE2及UE1各自歸屬網絡P-CSCF時，P-CSCF將經由PCRF通知P-GW執行專用承載拆除工作。

（4—6）UE1及UE2完成專用承載拆除，同時UE1將向UE2返回200OK響應。

除了終端發起的VoLTE會話釋放場景，當某一端用戶專用承載丟失，P-GW也會觸發PCRF向歸屬網絡P-CSCF發送會話釋放消息，并由P-CSCF向對端網絡發起BYE請求，接下來的會話釋放流程與終端發起情況類似，此處不再贅述。

4 VoLTE的QoS保障機制與OTT語音的比較

結合前文針對VoLTE網絡架構和業務流程的分析，下面對VoLTE語音通信的QoS保障機制及相對于OTT語音的優勢進行進一步闡述。

4.1 VoLTE的QoS保障機制

VoLTE的QoS保障通過EPS域和IMS域共同完成，以下進行具體分析。

（1）EPS域的QoS保障

EPS采用端到端、層次化網絡架構，并以承載的形式進行數據傳輸。如圖7所示，LTE系統將端到端的業務劃分為EPS承載和外部承載，而EPS承載又進一步分為無線承載、S1承載和S5/S8承載。

LTE沒有沿用3G制式的QoS協商及專用信道機制，在空口只保留共享信道以利于采用更靈活的資源調度進行QoS保障。LTE采用承載級QoS保障，傳輸流模板（TFT）及其中的分組過濾器將上層業務數據流（SDF）進行相應的EPS承載映射，最終實現用戶數據的區分QoS保障。EPS承載分為GBR承載和Non-GBR承載，GBR承載是指網絡對承載速率進行嚴格保障的承載，而Non-GBR承載的速率將得不到保障。QCI作為重要的QoS參數，是接入點對承載級數據分組進行分類的重要依據。3GPP根據數據分組資源類型、時延、誤碼率、業務的不同將QCI分成9個等級（見表1）。VoLTE采用QCI=1的專用承載作為語音承載，QCI=5的默認承載作為IMS信令承載，從而保障語音數據分組的優先資源調度和傳送。

（2）IMS域的QoS保障

在EPC附著和IMS會話建立過程中，連接EPS域和IMS域的PCC架構將參與VoLTE的QoS保障。EPC附著時，P-GW通過IP-CAN會話建立向PCRF獲取缺省PCC規則，PCRF則向SPR獲取用戶信息并將其轉換成相應的策略發往P-GW以建立默認承載；IMS會話建立時，P-CSCF將語音會話信息發往PCRF，PCRF進行QoS授權，授權通過后PCRF將QoS信息發往P-GW，P-GW根據接收到的QoS信息建立語音業務專用承載。這樣，通過PCC架構，可以為VoLTE業務設置高優先級的QoS規則，從而保障語音通信的質量。

4.2 與基于LTE的OTT語音對比

OTT語音是上層應用業務，在LTE網絡中底層承載將其認定為普通數據傳輸，于是OTT語音將與其它普通數據分組使用相同的Internet PDN連接的Non-GBR默認承載（QCI=8/9）。這將導致OTT語音與其它業務搶占公共帶寬資源，引起OTT語音出現誤碼、丟包、時延大等一系列服務質量問題。因此，基于LTE的OTT語音業務無法得到有效的QoS保障。而對于VoLTE，前面提到其采用高QoS等級的語音及信令承載，且建立獨立于普通數據業務的PDN連接，能在EPS域和IMS域獲得良好的QoS保障。

同時，VoLTE對空口也作了進一步的優化。首先，RLC層采用UM模式，通過取消RLC重傳機制來減少業務時延。其次，針對上行功率受限場景采用TTI Bunding技術，通過在同個HARQ進程連續發送相同RLC層分片4個不同冗余版本，以此來降低小區覆蓋邊緣VoLTE語音數據的誤碼率和時延。OTT語音采用普通數據處理機制，無法使用以上的優化特性。另外，由于通過軟件方式完成會話建立及語音數據處理，OTT語音業務時延也相應增加。

從端到端來看，VoLTE業務走的是電信運營商具有高可靠性及安全性的內部網絡。通過IMS域、EPS域及PCC架構的聯合保障，語音業務端到端時延、誤碼率等服務質量都獲得嚴格保證，這些都是OTT語音業務無法做到的。OTT分組數據需要通過Internet尋路至對端網絡，而Internet一般采用無QoS保障的Best-Effort數據傳輸方式，這將導致OTT語音質量的進一步下降。

除了QoS無法得到可靠保障外，OTT語音在手機資源消耗、終端信道資源占用、異系統切換、異OTT應用兼容性等方面也得不到良好表現。對于這些問題，VoLTE采用底層數據處理、非連續性接收（DRX）、魯棒性頭壓縮（RoHC）、半靜態調度（SPS）、單載波語音呼叫連續性（SRVCC）等技術及本身擁有的特性，都能較好解決。在提高用戶體驗上，VoLTE可以采用高清語音、富通信套件（RCS）、增強富通信套件（RCSe）等豐富的業務形態來提高差異化優勢。

5 結束語

VoLTE是電信運營商充分利用LTE網絡在語音業務上演進的必然結果，它不單擁有傳統的電信級QoS保障機制及業務特性，而且擁有新興的如高清語音、RCS/RCSe的業務形態，在良好的服務質量和絕佳的用戶體驗上更能迎接OTT通信軟件的挑戰。當然，不論是從產業鏈及投入成本的角度，還是從網絡演進策略的角度，要實現VoLTE還有很多問題需要考慮。但是，作為能充分利用先進網絡技術并圍繞提高用戶感知體驗，同時考慮運營商自身特點的VoLTE技術，相信在不遠的將來必能得到廣泛應用。

參考文獻：

[1] GSMA IR 92.V7.0. IMS Profile for Voice and SMS[S]. 2013.

[2] GSMA IR 94.V6.0. IMS Profile for Video Service[S]. 2013.

[3] 3GPP TS 23.203. Policy and Charging Control Architecture[S]. 2013.

[4] 3GPP TS 23.207. End-to-end Quality of Service（QoS） Concept and Architecture[S]. 2012.

[5] 3GPP TS 23.228. IP Multimedia Subsystem（IMS） Stage2[S]. 2013.

[6] 3GPP TS 36.321. Medium Access Control（MAC） protocol specification[S]. 2013.endprint