LTE核心網語音解決方案比選研究

畢永剛，畢永強，朱雪平

（1.廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310；2.呼和浩特鐵路局，內蒙古 呼和浩特 010020）

LTE核心網語音解決方案比選研究

畢永剛1，畢永強2，朱雪平1

（1.廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310；2.呼和浩特鐵路局，內蒙古 呼和浩特 010020）

通過對LTE網絡中語音業務的解決方案進行研究，詳細比較了主流的解決方案，并結合實際情況對VoLTE解決方案的可操作性進行分析，對目前適用網絡的方案提出了規劃建議。

核心網 語音解決方案 CSFB SRVCC VoLGA

1 引言

隨著無線數據業務需求的增長和LTE商用條件的成熟，運營商在現有2G/3G網絡的基礎上將逐步引入LTE網絡，滿足人們快速增長的無線數據業務需求。如何為用戶提供LTE數據業務的同時提供語音服務，成為運營商引入LTE不得不面對的問題。

目前常見的語音解決方案有：雙待機終端的語音解決方案、OTT語音解決方案、CSFB（Circuit Switched Fallback，電路域回落）的語音解決方案、VoIMS的語音解決方案等。

2 方案介紹

2.1 DR

DR（Dual-Radio，雙待終端）是基于特定手機終端的語音解決方案，該方案的提出主要是為了滿足通信運營商在早期快速搶占LTE市場的需求。雙待機終端可以同時待機在LTE和2G/3G網絡里，當有通話需求時，手機終端可以自動選擇在傳統模式下進行語音通信；當有數據業務需求時，手機終端可以自動選擇使用LTE網絡。

2.2 OTT

目前是互聯網公司不斷發展壯大的時代，他們利用運營商的無線網絡作為承載，開發自己的APP應用，在手機終端實現語音、視頻等多媒體通信業務。這與4G IP語音在業務內容和用戶感知等方面有一定的相似性，但取決于承載網絡的穩定性。OTT與運營商級別服務在網絡互通、業務質量、服務保障等方面有較大的區別。

語音業務目前仍然是移動運營商最主要的收入來源，把語音通話業務完全交給互聯網公司是一種非常激進的觀點，這樣運營商將完全成為管道，在電信領域并不支持這種方式。

2.3 CSFB

CSFB方案的主要思想是LTE用戶優先駐扎在LTE網絡以享受高速數據業務，在需要語音服務時才返回2G/3G網絡，發起CS語音呼叫。用戶附著在LTE，同時通過SGs接口附著到CS域，使其他用戶可以呼叫該用戶，該用戶也可以呼叫其他用戶。該方案無需部署IMS系統，只需要MSC、MME等網元支持相關功能即可。

假設當用戶已經聯合附著到MME和MSC上，并處于EMC Connected狀態。eNodeB和RNC/BSC之間已經配置了切換數據，支持切換。

（1）主叫流程

CSFB主叫流程如圖1所示：

圖1 CSFB主叫流程

具體如下：

①UE向MME發送包含CSFB指示的服務請求；

②MME根據該指示要求eNodeB幫助UE切換到2G/3G的CS域；

③當UE切換到2G/3G后，在CS域發起呼叫流程。

（2）被叫流程

CSFB被叫流程如圖2所示：

圖2 CSFB被叫流程

具體如下：

①Server收到被叫請求消息；

②Server向MME發送尋呼消息；

③MME在LTE覆蓋范圍內UE發送尋呼消息，該消息中可以攜帶主叫號碼等信息；

④收到消息后，UE向MME發送包含CSFB指示的服務請求；

⑤MME根據該指示要求eNodeB幫助UE切換到2G/3G的CS域；

⑥當UE切換到2G/3G后，在CS域向MSC發送尋呼相應，并完成后續呼叫流程。

（3）其他實現

LTE用戶可以從LTE網絡回落到2G/3G網絡的PS域。當回落到PS域后，與2G/3G網絡的呼叫方式相同。這種回落方式延遲較小，但對于設備廠家而言實現難度較大，而且基本沒有終端支持該種方式回落。

2.4 SRVCC

SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity，單射頻無線語音呼叫連續性）主要是為了解決當用戶在LTE和2G/3G網絡之間移動時，如何確保語音通話可以連續的問題。當LTE覆蓋整網時，會采用最佳解決方案VoLTE。但在LTE早期部署期間，LTE和2G/3G共覆蓋，如何保持語音業務的連續性這一問題就出現了，因此SRVCC解決方案便應運而生。

LTE/EPC作為一種IP網絡，其標準的語音方案是采用IMS控制實現語音業務。但LTE/EPC初期部署時一定是熱點覆蓋，逐步由點及面，傳統CS網絡能彌補LTE覆蓋的不足，因此需要考慮如何使用戶感知不到LTE和CS網絡之間切換時的語音中斷。這樣就在MSC Server和MME網元之間通過引入Sv接口來支持SRVCC的切換，MME需要兼顧語音的SRVCC切換和非語音的PS切換處理，SRVCC架構利用IMS核心網絡提供LTE VoIP語音業務的路由、控制和業務觸發，并提供LTE向2G/3G切換時的語音連續性保證。

（1）基于IMS呼叫建立

IMS呼叫流程一般包括2個步驟：UE發送一個請求，核心網和IMS中的SIP信令消息用于尋找被叫方并為語音業務流建立承載；語音承載建立后，UE就可以和被叫方進行通話。

IMS呼叫建立流程如圖3所示：

圖3 IMS呼叫建立流程

具體如下：

①UE向MME發送包含服務請求；

②MME嘗試為語音會話建立承載，要求S/P-GW建立承載；

③P-GW要求PCRF確定QoS；

④P-GW與IMS進行通信（SIP信令消息中包含被叫信息）；

⑤IMS試圖找到被叫方；

⑥為語音業務流建立專用承載后，UE就可以進行通話。

（2）SRVCC呼叫流程

首先由E-UTRAN發起切換請求，要求MME進行SRVCC切換。MME通過Sv接口發起LTE-CS切換請求。MSC Server完成請求響應及電路建立的同時向IMS域發起會話轉移，IMS執行會話轉換。MSC Server完成電路建立等準備工作后，通過Sv接口向MME發送LTE-CS切換響應。MME通過E-UTRAN向UE發送切換指令。另外，當數據用戶由LTE網絡移動到2G/3G網絡時，MME可以發起LTE-PS切換流程，將數據用戶切換到目的2G/3G網絡的PS域。

LTE用戶至2G網絡的呼叫流程如圖4所示。

具體如下：

1—2：源E-UTRAN根據UE發送的無線資源測量報告，eNodeB判決應發起SRVCC切換（不支持DTM/ DTM HO /PS HO）到2G/3G。

3：源E-UTRAN向MME發送切換請求消息，并標識該切換為SRVCC。

4：MME根據SRVCC切換指示和QCI=1，將語音承載（QCI＝1）和其他的PS承載進行分離。

5：MME根據切換請求中的目標ID選擇具有SRVCC功能的源MSC，發送PS到CS的切換請求。

6：源MSC收到PS-CS切換請求后，根據目標ID來選擇目標MSC以執行MSC間切換，然后向目標MSC發送準備切換請求。

7：目標MSC向目標SGSN發送切換請求，請求分配CS無線承載資源。

8：目標BSS確認CS無線承載資源已分配，目標MSC向源MSC發送準備切換響應。

9：目標MSC使用切換號碼建立與源MSC CS承載連接。在目標MSC和源MSC合一的形態中，源MSC和目標MSC可能是同一個，這時候就是局內切換。

10：目標MSC發送IAM/INVITE給IMS的SRVCC AS。

11—12：MGCF是IMS域和CS的網關設備。MGCF將目標MSC發送的IAM消息轉換成INVITE消息發送給SRVCC AS。SRVCC AS收到INVITE消息，檢查確認這是一個切換的呼叫，SRVCC AS執行會話轉換流程。

SRVCC AS將本端CS接入信息，即目標MSC控制下的MGW的IP地址，端口通知到對端，并釋放本端IMS接入。SRVCC AS向遠端呼叫發送re-INVITE消息，進行會話轉換過程。

13：源MSC向源MME發送PS-CS響應，通知MME CS無線承載資源分配完畢。

14：源MME向源E-UTRAN發送切換指令，只包含語音成分。

15：源E-UTRAN向UE發送切換指令，指示UE開始切換。

16：UE開始向2G接入網的CS域下嘗試接入。

17：UE切換到2G接入網下，UE向目標BSS發送切換檢測，目標BSS檢測到UE已切換到目標小區。

18：由于UE不支持DTM（雙傳輸模式），故UE無法在切換后的PS接入上激活業務。UE向目標BSS發送掛起請求，目標BSS向目標SGSN轉發掛起請求，目標SGSN向源MME轉發掛起通知，MME做出掛起響應。

19—22：目標BSS通知目標MSC UE已切換成功。目標MSC發送切換成功到源MSC，同時發送SIP協議的INVITE響應消息，完成源MSC與目標MSC之間CS承載的建立。源MSC發送PS-CS完成通知MME切換完成。

22a：MME通知S-GW/P-GW掛起Non-GBR承載，刪除其他GBR承載。

23a：如果此用戶在目標MSC中的注冊狀態為Unkown，目標MSC發送位置更新到HLR更新用戶位置信息，這樣后續的CS域呼叫就可以正確地（通過目標MSC）路由到被叫。

23b：如果多個MSC/VLR都采用同一個位置區LAI，MSC要采用自己的網絡資源標識NRI向終端發起TMSI重定位過程。

24：如果切換的會話是一個緊急會話，源MME和MSC都要向網關移動位置中心GMLC發起用戶位置報告過程，將自己的MSC號碼帶給GMLC。

圖4 SRVCC LTE用戶至2G網絡的呼叫流程

2.5 VoLGA

在LTE部署初期，考慮充分利用原有運營商覆蓋較廣的2G/3G網絡。這種方案是將LTE網絡作為一個單純的IP網，通過新增加網元GANC（通用訪問網絡控制器）模擬無線網中的RNC或BSC網元，接入傳統2G/3G核心網完成語音呼叫需求的處理。

VoLGA（Voice over LTE via Generic Access，LTE通用訪問傳送語音）架構利用現有的CS網絡實現對LTE語音的控制，需要部署GANC網元，模擬BSC/ RNC的A/Iu接口。此方案的最大特點在于引入GANC網元而不需要部署IMS，不需要改造CS網絡中的設備。VoLGA網絡結構如圖5所示：

圖5 VoLGA網絡結構

其中，A接口用于連接GANC和GSM的移動交換中心；Iu接口用于連接GANC和UMTS的移動交換中心。GANC類似于GSM網絡的基站控制器（BSC）和UMTS網絡的無線網絡控制器（RNC）連接到移動交換中心（MSC）。GANC設備的A/Iu接口沒有任何的增強功能，MSC不會意識到網絡連接不是通過2G/3G網絡而是通過LTE網絡接入。

（1）注冊登記

當某用戶移動到LTE覆蓋區域時，首先向MME發起登記的請求，MME通過S6a接口在HSS中對用戶信息進行鑒權。用戶在LTE網絡登記的同時會建立一個同GANC的連接。同GANC連接的建立首先需要通過LTE核心網絡和SGi接口建立一個適當的IP隧道，然后用戶信息中必須包含VoLGA的特殊信息，在用戶通過LTE網絡建立同GANC連接的過程中需要通過D`接口對用戶信息進行鑒權，這樣LTE用戶就可以通過安全的IP隧道和GANC注冊到傳統CS與網絡。

圖6 VoLGA主叫流程

（2）呼叫流程

假設在UE和GANC之間所有的信號及控制平面信息都可以在建立好的IP隧道上傳輸，則在LTE網絡中通過VoLGA方式建立的語音呼叫過程如圖6所示。

具體如下：

1：UE發送連接請求消息至GANC，使GANC由空閑態變為連接態。

2：UE發送服務請求消息至GANC，請求建立一個同MSC的連接。

3：當GANC接到連接消息時，創建一個至MSC專門的信號連接。

4：MSC對用戶信息進行鑒權。

5：MSC對用戶進行密碼配置。

6：UE發送建立信息，包含被叫號碼等信息。

7：MSC返回一個確認信息。

8：GANC對于MSC類似于BSC和RNC，MSC將任務請求消息發送給GANC，請求建立線路交換承載通道。

9：GANC將信息轉換成激活通道上的信息（包含語音數據的IP包）發送給UE。

10：UE返回一個確認信息。

11：語音數據包服務質量可以被激活二次EPS承載確保。

12：激活通道建立成功。

13：一項任務響應信息回傳至MSC，一個“偽”的電路交換通道將被建立。

14：一旦呼叫關系被建立，MSC將給UE發送提示信息。

15：同時MSC將給UE發送連接信息。

16：UE向MSC發送連接確認。

17：聲音路徑就可以建立和語音通話。

語音信號是GSM網絡里以TDM方式傳送的64kbps信號或在UMTS網絡里以ATM/IP方式傳送的Iu接口信號，GANC將這個數據流轉換為IP數據包在LTE網絡里傳輸。

3 結束語

隨著LTE網絡技術的不斷成熟，語音業務IP化必將成為語音業務發展的趨勢。然而，VoLTE的實現將經歷一個非常漫長的過程。DR方案增加了終端廠家的研發難度，終端耗電也將是決定是否應用的一大問題；OTT方案將會導致運營商在語音業務方面的收入急劇下降，同時語音的通話質量要取決于EPC網絡的質量；VoLGA是通過增加網元，在2G/3G網絡來完成語音通話，并未實現在LTE網絡中提供IP語音業務，該方案需要主設備廠家和電信運營商的廣泛支持；CSFB和SRVCC的語音解決方案將是電信運營商目前主推的語音解決方案。但是，隨著IMS網絡的部署和LTE網絡的大規模建設，VoLTE的語音解決方案將成為電信運營商語音解決方案的最終目標。

[1] 3GPP TS 23.216 V8.1.0. Single Radio Voice Call Continuty (SRVCC), Stage 2 (Release 8)[S]. 2008.

[2] 3GPP TS 23.272. Circuit Switched (CS) Fallback in Evolved Packet System (EPS)[S]. 2011.

[3] Martin Sau ter. Voice over LTE via Generic Access (VoLGA) A Whitepaper[S]. 2009.

[4] 楊昊勇. LTE時代語音解決方案一覽[J]. 通信世界, 2012(15): 28-29.

[5] 李旭. LTE語音解決方案[J]. 中國信息化, 2012(18).

[6] 徐菲,楊紅梅,許慕鴻,等. LTE語音三步走 CSFB技術凸顯便捷性[J]. 通信世界, 2013(7): 46-47.

[7] 李波. LTE語音業務相關技術和建議[J]. 郵電設計技術, 2012(1): 10-13.

[8] 魏克軍. LTE語音業務解決方案——CS Fallback技術分析與探討[J]. 電信技術, 2011(8): 23-25.

[9] 吳瓊,薛楠. 網絡演進中的語音解決方案[J]. 郵電設計技術, 2012(5): 15-20.

[10] 廣州杰賽通信規劃設計院. LTE網絡規劃設計手冊[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2013.★

畢永剛：學士畢業于西安郵電大學通信與信息工程學院，現任職于廣州杰賽科技股份有限公司通信規劃設計院，主要從事移動核心網網絡規劃、設計相關工作。

畢永強：學士畢業于蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，現任職于呼和浩特鐵路局，主要從事電氣化鐵路的牽引供電、鐵路運輸信號供電的維護與保養等工作。

朱雪平：學士畢業于江西師范大學物理與通信電子工程學院，現任職于廣州杰賽科技股份有限公司通信規劃設計院，主要從事移動核心網網絡規劃、設計相關工作。

Comparative Study on Voice Solutions for LTE Core Network

BI Yong-gang1, BI Yong-qiang2, ZHU Xue-ping1
(1. GCI Science & Technology Co., Ltd., Guangzhou 510310, China; 2. Hohhot Railway Administration, Hohhot 010020, China)

Based on solution to voice service in LTE network, mainstream solutions were compared in detail. The operability of VoLTE solution was analyzed in the light of actual situation. Corresponding planning proposal suitable for current networks was presented.

core network voice solutions circuit switched fallback (CSFB) single radio voice call continuity (SRVCC) voice over LTE via generic access (VoLGA)

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.14.007

TN929.5

A

1006-1010(2015)14-0034-06

畢永剛,畢永強,朱雪平. LTE核心網語音解決方案比選研究[J]. 移動通信, 2015,39(14): 34-39.

2015-04-02

責任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn