IMS升級支持VoLTE承載方案研究

孔亞青　中國電信股份有限公司浙江分公司高級工程師

錢科能　華信咨詢設計研究院有限公司高級工程師

韋素萍　華信咨詢設計研究院有限公司高級工程師

謝軍建　華信咨詢設計研究院有限公司高級工程師

李　偉　華信咨詢設計研究院有限公司工程師

IMS升級支持VoLTE承載方案研究

孔亞青中國電信股份有限公司浙江分公司高級工程師

錢科能華信咨詢設計研究院有限公司高級工程師

韋素萍華信咨詢設計研究院有限公司高級工程師

謝軍建華信咨詢設計研究院有限公司高級工程師

李偉華信咨詢設計研究院有限公司工程師

隨著融合通信的發展，VoLTE業務極有可能成為未來語音業務的主要形態。結合LTE無線網絡的覆蓋日益完善，某省某運營商考慮采用現有IMS網絡升級方案建設VoLTE核心網。本文分析了IMS和LTE網絡的承載現狀，提出了VoLTE承載方案，并就承載網接應VoLTE業務的策略進行了闡述。

IMS VoLTE VPN互通 QoS保障

1　引言

（1）VoLTE部署策略

伴隨著移動互聯網的快速發展，以VoLTE為核心的融合通信將不可避免地成為運營商加快轉型、應對互聯網公司跨界競爭的重要業務形態。在激烈的市場競爭形勢下，在LTE無線覆蓋達到一定程度后，各大運營商將規模化建設VoLTE網絡。關于VoLTE核心網絡的建設，某省某運營商考慮采用IMS升級方案，具體部署策略為：

●IMS網絡按需新建MMTEL/VCC AS、HSS、P-CSCF/BAC，升級部分現有IMS網絡的S-CSCF、MGCF/MGW、計費網關CG，利舊部分現有IMS網絡的DNS/ENUM、網管和業務發放系統，支持VoLTE業務。

●現有IMS網絡升級改造成支持VoLTE，EPC網絡需開放Rx接口，EPC業務QoS控制實體PCRF適配VoLTEP-CSCF；建設VoLTEHSS與EPCHSS互通或建設融化HSS將原EPCHSS的業務數據全部轉移到融合HSS，實現用戶簽約業務數據的同步。

●因IM-SSF暫時還沒有支持WIN協議的產品，為保證現有智能業務的繼承，需改造現有智能業務平臺以支持接入IMS。目前，iVPN平臺已經具備IMS SIP（ISC）協議接入條件，正在進行相關業務加載測試，待時機成熟，該平臺改造成IMSAS。彩鈴放音平臺尚未完全實現放音IP化，后續考慮升級現網彩鈴平臺支持ISC接口，由S-CSCF直接觸發，并為支持AMR-WB高清編解碼進行相應的升級。ENIP平臺2015年云化，云化時支持IMSSIP（ISC）協議接入。

（2）語音業務多接入場景

在LTE發展初期，LTE無線側覆蓋不完善，因此需要采用多種接入方式來保障語音業務。本課題主要討論以下4種常見的語音業務應用場景：

●場景1：VoLTE——通過4G數據網接入

此場景通過4G網絡接入，主要技術方案此處不再贅述，本文主要描述該場景下的承載接入情況。

該場景下，用戶終端通過eNodeB（4G基站）接入網絡，基站通過承載專網與EPC核心網互通，最終通過IMS進行語音業務的處理。接入場景如圖1所示。

圖1　VoLTE——通過4G數據網接入場景

●場景2：Wi-Fi接入——Wi-FiCalling

除了常規移動網絡接入外，LTE網絡還支持Wi-Fi接入，在業務方面可支持Wi-FiCalling業務，不僅可以為運營商的3/4G網絡進行覆蓋（特別是室內覆蓋）補充，還可以大幅降低用戶打電話（語音通信）的成本，因此其成為了全球運營商重點關注的對象。

Wi-FiCalling通常指終端通過非授信Wi-Fi接入。由于這種接入方式下，接入端走的是復雜的公網，因此需要在EPC網絡部署一套網關，稱為ePDG，該網關用于鑒權，接受非授信Wi-Fi接入附著。用戶接入時，需要通過ePDG進行認證，ePDG建立到PGW的GTP隧道，PGW給遠端用戶分配地址。

如圖2所示，該場景下用戶終端通過非受信網絡接入，AP接入后，經公網接入到該運營商網絡的ePDG，ePDG作為網關將用戶接入核心網P-GW網元，由IMS負責語音業務。

圖2　Wi-Fi接入——Wi-Fi Calling接入場景

從核心網來看，Wi-FiCalling與VoLTE一樣，均是基于IMS的方案。

從接入方式來看，對IMS網絡來說，Wi-FiCalling與VoLTE類似，實現方式大同小異，各網元主要功能如表1所示。

表1　各網元主要功能

●場景3：軟終端接入

軟終端接入指的是軟件客戶端附著在移動設備上，經各類AP和相應的承載網接入，最后由IMS進行語音業務接續。

軟終端接入場景下組網架構如圖3所示。

該場景與VoLTE網絡無關，對于接入網來說，沒有設置保障語音業務質量的網元；對于承載網來說，不區分語音業務與數據業務，因此語音業務的QoS無法保障。

●場景4：2G語音接入

此場景為傳統2G網絡的CS業務，用戶語音通過CS域承載，與數據獨立。

2G語音場景下組網架構如圖4所示。

該場景下，用戶終端通過BTS基站接入，經承載網（IP/SDH）接入到BSC，然后經過接入到MGW進行語音業務的接續。

圖3　軟終端接入場景下組網架構圖

圖4 2G語音場景下組網架構圖

2　VoLTE對承載網的要求

2.1IMS承載現狀

IMS核心網、業務網的各網元通過承載專網的IMSVPN實現IMS信令流、媒體流的承載以及網元間、核心網與業務網之間以及與現網移動網絡、軟交換網絡的互通和訪問。

2.2LTE承載現狀

無線基站依托承載專網接入EPC，EPC核心網網元之間的跨地市互通通過承載專網的EPC VPN來承載。

2.3VoLTE承載網規劃

VoLTE業務采用升級現有IMS和EPC網絡實現，因此VoLTE核心層和業務層信令流、媒體流均通過承載專網IMSVPN實現VoLTE網元間、VoLTE網元與其他網絡互通和訪問；EPC核心網元的接入通過承載專網EPC VPN實現EPC核心網網元之間的跨地市互通。為實現VoLTE業務，需在承載專網實現EPCVPN 和IMSVPN的互通。用戶面：EPCVPN與IMSVPN間通過BAC、PCRF雙跨互通；控制面：通過OPTIONA方式實現EPCVPN和IMSVPN的互通。

VoLTE承載網規劃如圖5所示。

圖5　VoLTE承載網規劃圖

2.4質量要求

VoLTE網絡可通過QCI、ARP、UE-AMBR、APNAMBR等不同手段進行更好的QoS保障。具體如下：

●QCI：基于業務類型的一組要求，包含優先級、延時、丟包率等指標。標準定義9個QCI，不同的QCI 的SDF被映射到不同的EPS承載（應用于GBR及Non-GBR承載）。

●ARP：分配和保留優先級，優先級等級、搶占能力、搶占易變性。主要用于承載建立時的接入控制，承載建立后，對承載級包轉發和處理沒有影響。

●GBR：保證比特速率，網絡緊張情況下也能保障的帶寬。

●MBR：給GBR承載分配最大的比特率。

●AMBR：定義了聚合帶寬，可分為UE-AMBR（按UE的最大比特率）、APN-AMBR（按APN的最大比特率）。

其中，4G數據業務的QCI參數對應的參數定義如表2所示。

考慮到VoLTE的重要性，實施時需要EPC網絡在QoS策略上對VoLTE業務做保障，設置較高的QCI等參數，以提高業務體驗。根據前期廠家技術交流，VoLTE對承載網質量要求媒體面為單向時延不大于50ms、抖動不大于10ms、丟包率不大于1%；信令面為單向時延不大于100ms、抖動不大于20ms、丟包率不大于1%。

表2　4G數據業務的QCI參數對應的參數定義

3　承載網接應策略

3.1VPN互通

為實現VoLTE業務承載，需要解決VoLTE信令流和業務流在LTE網絡和IMS網絡的互通問題。

信令流通過在承載專網實現EPC VPN和IMS VPN的互通。建議某省IMS VPN和EPC VPN間的VPN跨域互通通過承載專網設置在省會城市的PE上以OPTIONA方式實現，互通示意圖參見圖6。

圖6　VPN互通示意圖1

媒體流承載通過BAC雙跨EPCVPN和IMSVPN實現互通；QoS策略信息流承載通過PCRF網元雙跨EPCVPN和IMSVPN實現互通，具體參見圖7。

3.2承載質量

現有承載專網能夠滿足CDMA網絡CS域媒體面為單向時延不大于50ms、抖動不大于10ms、丟包率不大于1%；信令面為單向時延不大于100ms、抖動不大于10ms、丟包率不大于0.1%的指標要求，并完全滿足VoLTE時延、抖動、丟包率指標要求。

3.3多接入場景業務保障

根據分析，與VoTLE有關的語音業務接入有4G、Wi-FiCalling兩種場景，具體承載路徑如下：

●4G網絡接入：用戶終端→承載專網→EPC→IMS，與現有2G語音承載路徑基本一致，網絡質量滿足語音承載要求。

●Wi-Fi Calling：用戶終端→Internet→EPDG→EPC→IMS，接入層承載網絡為Internet，承載質量無法保障。

考慮到VoLTE在4G和Wi-Fi之間能夠平滑切換，在4G和2G之間切換會中斷語音業務，因此建議語音業務承載策略如下：

圖7　VPN互通示意圖2

●優選4G網絡接入。

●如用戶在4G接入狀態下移動至無4G網絡區域，則切換為Wi-Fi網絡接入，切換之后如語音質量太差無法滿足用戶要求，用戶切斷重新撥叫的話則選擇2G網絡接入。

●如用戶在無4G網絡區域發起撥叫需求，則直接接入2G網絡。

4　IPv6接應策略

2/3G環境下，當用戶停止產生流量15min后，網絡側會將IP地址收回；LTE環境下，網絡側將不再回收IP地址，VoLTE終端至少需要兩個永久在線的PDN連接（兩個APN，每個APN都需要一個地址），一個用于互聯網訪問，一個用于語音通信。現網2/3G用戶同時在線率僅為約5.3%，而LTE用戶同時在線率為100%，因此LTE的PS域相對2/3G對地址的需求將大幅增加。

GSMA/3GPP/IETF等國際標準化組織均要求VoLTE終端必選支持IPv6，必須優先使用IPv6。

建議對現有IMS網絡和LTE核心網做IPv6改造，具體改造情況參見圖8。

●IMS：VoLTESBC需支持對IPv6用戶呼叫的代理，并將IPv6轉換為IPv4進入IMS網絡。

●MME/eNB：建議結合設備對IPv6支持能力選擇IPv6部署方式，如設備支持IPv6能力良好，則優先使用IPv6互通；如設備本身IPv6支持能力較弱，可以繼續使用IPv4地址進行互通，但需要支持用戶IPv6數據的處理。

●P-GW：針對IMSAPN僅分配IPv6地址，改造支持IPv4/IPv6雙棧。

圖8　具體改造示意圖

1 胡曉娟，孫震強.基于IMS的VoLTE業務淺析.移動通信.2015

2 鐘瑋，葉衛明，趙旭.VoLTE核心網組網及其VPN互通研究.移動通信.2014，20

3 李世超.VoLTE擁塞解決方案研究.郵電設計技術.2015，4

2015-10-09）