VoLTE業(yè)務實現(xiàn)關鍵點研究

陶偉宜 華信咨詢設計研究院有限公司高級工程師

陳云 華信咨詢設計研究院有限公司高級工程師

VoLTE業(yè)務實現(xiàn)關鍵點研究

陶偉宜 華信咨詢設計研究院有限公司高級工程師

陳云 華信咨詢設計研究院有限公司高級工程師

分析了VoLTE的特點及網絡架構，對VoLTE網絡部署中的關鍵技術進行了研究，根據(jù)相關案例分析了在部署中的難點，并結合網絡發(fā)展的實際情況給出了合理的部署建議。

LTE VoLTE IMS 語音業(yè)務

1 引言

隨著移動互聯(lián)網的蓬勃發(fā)展，移動通信運營商的傳統(tǒng)語音業(yè)務ARPU值持續(xù)降低，收入增長乏力；在LTE時代以SKYPE、GoogleVoICE、微信電話本等為代表的OTT業(yè)務對傳統(tǒng)語音業(yè)務的侵蝕將會更加嚴重；但用戶對傳統(tǒng)語音業(yè)務的需求依然存在，同時用戶對新體驗的追求，將驅使運營商提供更具吸引力的業(yè)務，以尋求新的利潤增長點。VoLTE可以提供傳統(tǒng)CS域基本語音業(yè)務的同時，還能提供HD高清語音、RCS等增值業(yè)務。因此，VoLTE所具有的提升語音體驗、提升頻譜效率、提高網絡運營效率等優(yōu)勢，將在LTE時代給運營商業(yè)務收入帶來新的增長。

VoLTE給用戶帶來良好的體驗的同時，也將給網絡的部署帶來極大的復雜性和困難。本文將針對VoLTE部署的關鍵技術進行研究，并建議在LTE網絡初期部署階段就有目的地進行一些網元功能的升級，以便于未來VoLTE業(yè)務的部署。

表1 多模雙待和多模單待兩大類解決

2 LTE語音解決方案

LTE語音包括多模雙待和多模單待兩大類解決方案，具體參見表1。

目前，大多數(shù)運營商已基本達成共識，從技術角度來看，VoLTE被廣泛認可為未來演進的方案。具體理由分析如下：

（1）優(yōu)化頻譜資源的驅動

由于頻譜資源的稀缺，有運營商已考慮逐步啟動2/3G退網，頻段供LTE網絡使用，屆時語音僅能采用VoLTE解決方案。

（2）降低運營成本的驅動

未來僅部署VoLTE而無2/3G語音回落，則只需維護一張LTE網絡，將有效降低運營成本；采用VoLTE可以推出純LTE終端，降低終端的復雜度，減少終端補貼成本。

（3）豐富業(yè)務能力的驅動

VoLTE可以無縫繼承現(xiàn)有電路域語音業(yè)務；相對于CSFB終端，VoLTE可以提供HD語音、高清視頻電話以及RCS等語音加數(shù)據(jù)同步的業(yè)務，業(yè)務類型更豐富。

3 VoLTE方案

3.1 VoLTE概述與基本特征

3GPP標準定義的LTE是一張全分組的IP網絡，無線空口不再保留電路域資源，需要基于分組域提供IP語音業(yè)務，即VoLTE（VoiceoverLTE）。VoLTE將繼承并增強當前電路域所有的補充業(yè)務，支持繼承智能網業(yè)務和增值業(yè)務，保持用戶業(yè)務體驗的一致性。

VoLTE的特征有：

（1）VoLTE由IMS提供呼叫控制和業(yè)務邏輯。VoLTE的信令和媒體經EPC路由至IMS網絡，由IMS提供會話控制和業(yè)務邏輯，以支持高清語音、高清視頻等通信業(yè)務，同時實現(xiàn)與2/3G的語音互通。

（2）VoLTE由EPC提供高質量的分組域承載。VoLTE中EPC作為IMS的接入網，通過全球統(tǒng)一的專用APN（“IMS”APN）及專用承載為用戶提供區(qū)別于普通數(shù)據(jù)業(yè)務的QoS保障。

（3）網絡連續(xù)覆蓋前期階段，VoLTE可通過部署SRVCC保障呼叫連續(xù)性。VoLTE終端在通話過程中漫游至無LTE覆蓋的區(qū)域時，通過SRVCC將當前呼叫切換至2/3G電路域。

3.2 VoLTE的特點

LTE一直在線的特點決定了VoLTE能顯著縮短接續(xù)時延；VoLTE采用AMR-WB編解碼，相比于現(xiàn)網AMR-NB編解碼，頻譜范圍更寬，話音更自然、舒適、更有現(xiàn)場感，提高了可懂度和清晰度；VoLTE可以實現(xiàn)分辨率VGA720P、幀率30fps的視頻通話，因此其提供的高清的音頻和視頻通話，可以極大提升用戶體驗。根據(jù)試驗測試VoLTE與2/3G語音對比數(shù)據(jù)如表2所示。

3.3 VoLTE組網架構

VoLTE業(yè)務的引入將給無線網、核心網、信令網、承載網等端到端的網絡帶來改變，包括無線接入網需支持增強功能、EPC需支持IMSAPN和QoS保證、網絡需建設融合的數(shù)據(jù)庫HSS、需升級IMS核心網（新建VoLTEAS）、建設可靠的DRA信令網、PCRF需支持VoLTEQoS控制、需升級改造電路域支持SRVCC功能、承載網需支持IPv6/IPv4雙棧等。具體VoLTE組網架構參見圖1。

4 VoLTE部署關鍵點及建議

表2 VoLTE與2/3G語音對比數(shù)據(jù)

4.1 LTE無線網

為了部署VoLTE，無線網需支持以下基本功能：

（1）QCI=1的承載，這樣可以保證eNodeB在資源調度、接入控制時給VoLTE最高優(yōu)先級。

（2）RLC層UM模式，無需RLC層重傳，以減少時延，減少RLC頭開銷。

（3）無線承載組合，要求至少2個AMDRB（分別為默認承載和IMS信令承載）和2個UMDRB（分別承載高清語音和高清視頻），以保證eNodeB可進行承載級別的QoS控制。

為了給用戶更好的業(yè)務體驗，建議根據(jù)實際需求引入增強功能，以優(yōu)化網絡性能，提升網絡整體質量，改善用戶業(yè)務體驗。建議增強的無線功能要求有：

（1）IP包頭壓縮和半持續(xù)調度：IP包頭壓縮可大大降低頭開銷，提高VoLTE語音用戶容量，提高數(shù)據(jù)業(yè)務吞吐量，增強邊緣覆蓋。半持續(xù)調度可減少控制信令開銷，節(jié)省PDCCH資源，在控制信道受限的情況下，提高系統(tǒng)容量；提高VoLTE語音用戶容量。

（2）TTIBundling時隙綁定：可提高邊緣用戶的接收性能，減少控制信令開銷，以增強邊緣覆蓋。

（3）語音連續(xù)性SRVCC：LTE覆蓋一般要經歷熱點覆蓋、LTE規(guī)模覆蓋、LTE連續(xù)覆蓋、LTE完全覆蓋幾個過程，引入SRVCC可以保證用戶在移動出LTE覆蓋時，仍然保持語音連續(xù)，避免掉話。

圖1 VoLTE組網架構

4.2 EPC網絡

作為VoLTE語音方案中關鍵的信令和語音承載通道，EPC網絡為用戶的語音業(yè)務實現(xiàn)提供端到端的QoS質量保障，并且保證語音業(yè)務切換到2/3G時的用戶體驗。

在現(xiàn)有EPC網絡中需升級以下的功能：

（1）Attach或TAU流程時下發(fā)VoLTE能力指示給終端。

（2）支持IMSPDN連接創(chuàng)建和語音專有承載建立。（3）支持P-CSCF發(fā)現(xiàn)。

（4）支持SRVCC流程（包含eMSC選擇）。

（5）支持跨省切換重建IMSPDN連接。

在3GPP標準中，只有HSS一個實體，默認2/3G HLR、EPS-HSS、IMS-HSS融合。采用融合HSS的方式，設備標準化程度高，不需要定制私有接口，網絡結構清晰，是VoLTE的目標方案。但是，目前運營商網絡中存在大量2/3GHLR，由于建設時間比較早，不具備升級為融合HSS的能力，因此建議在現(xiàn)階段的網絡建設過程中可逐步替換老的HLR設備，直接部署具備升級能力的HSS設備，以避免未來用戶數(shù)據(jù)大量的割接調整，影響網絡安全。

4.3 IMS網絡

VoLTE組網架構下，IMS的部署為一網多域，用戶按需接入不同的域，使用不同的業(yè)務；而各域之間則通過路由尋址設備，基于相同的協(xié)議和標準接口來實現(xiàn)互通。

為實現(xiàn)VoLTE業(yè)務，IMS網絡應能完成LTE用戶的注冊、域選擇、業(yè)務錨定等功能。

（1）注冊

用戶向簽約網絡請求授權使用業(yè)務的過程。VoLTE解決方案下，LTE用戶根據(jù)實際的信號強度覆蓋，由UE選擇附著到CS網絡或LTE網絡進行注冊。其中，CS網絡注冊過程與普通CS網絡用戶注冊過程相同；LTE網絡注冊，終端先附著到EPC網絡，再在IMS網絡注冊。

（2）域選擇

由于支持VoLTE的終端可以有多種模式，在不同的信號強度覆蓋下可以附著在不同的網絡，支持VoLTE的終端在呼叫時就要選擇接入其中一個網絡進行語音通話。當用戶作為主叫時，由終端根據(jù)保存的注冊網絡信息完成域選擇；當用戶作為被叫時，由網絡側查詢融合HSS獲取注冊網絡信息完成域選擇。

（3）錨定

指將呼叫從CS網絡路由到IMS網絡進行業(yè)務處理的過程。當LTE用戶通過CS網絡接入，并且簽約了IMS網絡業(yè)務；或者LTE用戶作為被叫用戶，通過LTE網絡接入，并且主叫用戶為CS網絡用戶，與LTE用戶相關的呼叫請求需要通過錨定功能路由到IMS網絡。此時，MSC需根據(jù)在融合HSS中簽約的T-CSI觸發(fā)到VoLTEAS上的錨定功能模塊上獲取IMRN，將呼叫路由到IMS。

4.4 PCC架構

在VoLTE中，PCC網絡作為應用控制網絡IMS和接入控制網絡EPC間的橋梁，PCC架構實現(xiàn)的功能有：

（1）QoS控制

VoLTE借助PCC架構為話音、視頻等業(yè)務按需建立專用承載通道，提供高優(yōu)先級和帶寬保障，確保無線和網絡側都能按照VoLTE質量要求進行資源分配和調度。

（2）計費控制

VoLTE借助PCC架構為話音、視頻等業(yè)務分配計費ID，實現(xiàn)區(qū)分語音和視頻的計費；并傳遞計費字段用于IMS計費信息和EPC計費信息的關聯(lián)。

（3）位置信息提供

VoLTE依賴主叫用戶的位置信息實現(xiàn)被叫號碼補全等業(yè)務功能，P-CSCF通過PCC架構獲取主叫用戶的TAI信息，映射用戶所在地的區(qū)號補全在SBC-domain中。

（4）輔助實現(xiàn)SRVCC

VoLTE借助PCC架構實現(xiàn)SRVCC過程中的音頻專有承載的去活流程，PCC系統(tǒng)指示專有承載去活原因是發(fā)生PS-to-CS切換，避免IMS核心網異常切斷用戶會話。

因此，PCC架構實現(xiàn)了業(yè)務需求到網絡資源控制的映射（IMS→PCC→EPC）：QoS控制、承載資源分配控制、計費控制；同時，將接入網絡相關信息反饋給IMS側以供業(yè)務側使用（EPC→PCC→IMS）：位置信息、SRVCC切換控制信息、資源分配信息。

4.5 Diameter信令網

目前，LTE信令網承載Diameter信令，與SS7信令網獨立組網，主要轉接S6a接口LTE用戶移動性管理信令和Gx接口的數(shù)據(jù)業(yè)務PCC信令。VoLTE架構下將新增Cx、Sh、Zh接口的VoLTEIMS信令、Gx、Rx接口的VoLTEPCC信令以及SLh、SLg接口的其他信令。針對新增的信令處理需求，DRA需新增相應的功能有：

（1）支持基于VoLTEGx/Rx的會話綁定

VoLTE使用PCC策略控制，要求同一用戶的Gx與Rx接口會話在同一個PCRF上進行綁定。當網絡中有多個PCRF時，DRA要實現(xiàn)Gx與Rx接口尋址到同一個PCRF。

（2）Gx接口區(qū)分APN進行路由和會話綁定

一個用戶的VoLTE業(yè)務、數(shù)據(jù)業(yè)務、IMS緊急呼叫將使用不同的會話，用戶漫游時選擇不同的策略控制PCRF（如拜訪地PCRF、歸屬地PCRF），DRA需要對于Gx接口區(qū)分APN進行路由。

（3）成對DRA之間支持會話綁定信息同步

實際網絡部署Diameter信令網時是采用成對部署DRA的方式，即負荷分擔。因此，同一用戶的Gx和Rx接口可能送到不同的DRA，需要成對DRA之間對會話綁定信息進行同步或查詢。

4.6 IPv6地址

2/3G網絡下，當用戶停止使用業(yè)務不產生數(shù)據(jù)流一定時間后，網絡側會釋放IP地址；但在LTE網絡下，用戶是一直在線的，如果用戶不“去附著”，網絡側將不會回收IP地址。根據(jù)統(tǒng)計，目前2/3G用戶在線率約為5%左右，使用了幾千萬個IP地址。預計未來LTE用戶將100%在線，對IP地址的需求將超過10億左右?；谀壳癐Pv4地址數(shù)量有限，IPv4無法滿足LTE上網業(yè)務發(fā)展的需要。

在未來推出VoLTE業(yè)務后，VoLTE終端至少需要兩個永久在線的PDN連接，一個用于互聯(lián)網訪問，一個用于語音通信。如果將現(xiàn)有所有的語音用戶全部轉換為VoLTE模式，則IP地址的需求將翻番。GSMA/ 3GPP/IETF等國際標準化組織均要求VoLTE終端必須支持IPv6，必須優(yōu)先使用IPv6。因此，EPC核心網應在網絡建設的初期就要考慮用戶面支持IPv6，IMS核心網中SBC應支持雙棧并進行IPv4/v6轉換，以避免網絡大規(guī)模建設后的改造。

5 網絡商用部署分析

VoLTE已經成為國際上各大運營商的廣泛共識并納入了技術發(fā)展路線，據(jù)GSA最新統(tǒng)計，截止目前全球商用部署的運營商已有16家。其中，幾個主要運營商部署的頻段和話音提供方式具體參見表3。

國內中國移動從2013年開始部署VoLTE+eS-RVCC，部署在2.6G頻段，采用TD-LTE制式，2014年底已開始VoLTE高清視頻商用全國友好用戶招募。以某省為例，其網絡升級部署包括現(xiàn)網4套HSS、8套MME以及城區(qū)7000多個LTE基站升級，能夠提供的業(yè)務范圍包括基本音視頻、基本補充業(yè)務（來電顯示、呼轉、長途程控）、虛擬網、親情網、彩鈴及彩印等。在目前網絡負荷輕的情況下，密集城區(qū)VoLTE短呼測試接續(xù)成功率99%以上；終端呼叫建立時延達到2s左右（比2/3G網絡提升了3～5倍）；eSRVCC切換時延小于200ms，滿足在高速運行的高鐵上進行切換；語音質量測試結果為：好點4.0，差點3.8，遠好于OTT差點只有2.8的效果。

表3 主要運營商部署的頻段和話音提供方式

但從國際上運營商VoLTE部署總體進展情況來看，終端不夠成熟、異廠家集成復雜以及LTE全網覆蓋進度慢是影響VoLTE商用速度的主要原因。另外，當網絡發(fā)展到一定階段，VoLTE在人口密集區(qū)域部署還會面臨一些更大的挑戰(zhàn)：

（1）在人口密集區(qū)域，LTE性能不如3G：3G網絡的軟切換和擴頻增益（特別是語音業(yè)務其擴頻因子比較大，可達64），使其鏈路預算結果遠優(yōu)于VoLTE。另外，對于部署在800MHz的CDMA網絡比部署在高頻段的LTE網絡，其穿透損耗要少6.5dB。

（2）移動網絡部署初期，網絡負荷比較輕；但隨著系統(tǒng)負荷提高，網絡輕載下掩蓋的一些缺點將凸顯；而對于同頻組網而又無軟切換的LTE網絡，在密集市區(qū)高負荷、低站間距的情況下，將導致高干擾和低的接通率。

（3）需要對LTE網絡進行各類參數(shù)和RAN Features優(yōu)化，但在完善的網絡優(yōu)化完成前，VoLTE服務質量要比CS語音服務質量差。

（4）短期內VoLTE代替CS語音業(yè)務困難大：VoLTE業(yè)務目前最大的瓶頸在于終端和芯片，高通、Marvell、博通等國際芯片廠商已有VoLTE相關產品或布局，但大部分國內芯片廠商還沒有VoLTE產品規(guī)劃，這都制約了VoLTE產業(yè)鏈的發(fā)展。因此，VoLTE業(yè)務要全部取代CS語音業(yè)務會是一個漫長的過程。

（5）需要SRVCC，導致VoLTE部署更復雜：LTE網絡覆蓋要經過很長一段時間才能和現(xiàn)有的2/3G網絡相媲美，為了實現(xiàn)語音的連續(xù)性而部署的SRVCC需要在異廠家的LTE網絡與龐大的2/3G網絡之間開接口互操作，集成難度大，導致網絡部署的復雜度大為提升。

對于運營商來說，是否部署VoLTE業(yè)務更多的還需要從運營的角度來考慮。如果運營商在部署VoLTE業(yè)務時，和數(shù)據(jù)業(yè)務一樣按照普通數(shù)據(jù)流量計費的方式，將對其自身贏利能力有巨大沖擊，因為即使按包月/分鐘包方式計費，也比按數(shù)據(jù)流量計費利潤高；但如果繼續(xù)延續(xù)原有2G、3G時代的語音計費模式，其市場競爭力明顯將不夠。因此，運營商在部署VoLTE業(yè)務前必須要先找到新的能夠替代傳統(tǒng)話音業(yè)務這一最大利潤來源的商業(yè)模式。

6 結束語

隨著4G牌照的發(fā)放，LTE網絡的建設已經進入大發(fā)展階段，關于VoLTE業(yè)務部署的討論也提上了日程。本文研究了VoLTE部署時的幾大關鍵技術問題，對運營商部署網絡時，從技術角度提出了一些合理的建議，同時也從運營角度對部署存在的難點進行了簡單分析。

1 吳瓊,薛楠.網絡演進中的語音解決方案.郵電設計技術.2012,5

2 陶偉宜.CDMA與LTE組網互操作解決方案研究.郵電設計技術.2013,11

3 朱斌,文濤,符剛,劉牧寅,吳瓊.VoLTE部署關鍵問題研究.郵電設計技術.2014,2

ResearchontheKeyTechnology of the Implementation of LTEVoice Service

This paper analyzes the features and network architecture of the VoLTE, studies the key technology of VoLTE deployment , and gives deployment recommendation according to the actual situation of the network.

LTE,VoLTE,IMS,voice service

2015-05-01）