VoLTE UE開機(jī)附著流程核心網(wǎng)側(cè)的研究

謝鯤

VoLTE UE在LTE網(wǎng)絡(luò)中使用語(yǔ)音業(yè)務(wù)首先要保證正常的網(wǎng)絡(luò)附著，從最基本的VoLTE UE附著成功的信令流程入手，將此過程分為EPS附著過程和IMS注冊(cè)過程，對(duì)這兩個(gè)過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析。結(jié)合實(shí)際情況，提出了附著過程中可能存在的異常情況及解決辦法，為快速準(zhǔn)確地定位問題提供了幫助。

VoLTE IMS SVLTE CSFB

1 引言

2015年12月，中國(guó)聯(lián)通宣布2016年將在LTE網(wǎng)絡(luò)部署VoLTE（Voice over LTE，基于LTE的語(yǔ)音），自此三家基礎(chǔ)運(yùn)營(yíng)商都已決定在LTE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)VoLTE。所謂的VoLTE就是基于LTE網(wǎng)絡(luò)提供的語(yǔ)音業(yè)務(wù)。由于采用AMR-WB（Adaptive Multi Rate Wideband，自適應(yīng)多速率寬帶編碼）編解碼技術(shù)，VoLTE相對(duì)2G/3G的語(yǔ)音，不管是呼叫時(shí)延還是語(yǔ)音質(zhì)量都有很大改善，呼叫時(shí)延由2G/3G網(wǎng)絡(luò)的5s～8s縮短為0.5s～2s。語(yǔ)音質(zhì)量相對(duì)2G/3G網(wǎng)絡(luò)提高了40%左右。VoLTE UE開機(jī)附著網(wǎng)絡(luò)的成功是決定用戶能否正常使用VoLTE業(yè)務(wù)的前提，對(duì)VoLTE UE開機(jī)附著信令流程研究的重要性和必要性也就不言而喻了。

2 LTE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音業(yè)務(wù)的三種方案

從網(wǎng)絡(luò)和終端情況來看，在LTE網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音業(yè)務(wù)的三種方案包括了SVLTE（Simultaneous Voice and LTE，語(yǔ)音和LTE雙待）、CSFB（Circuit Switched FallBack，電路域回落）、VoLTE。

（1）SVLTE：要求手機(jī)支持多模雙待，即手機(jī)同時(shí)在2G或3G網(wǎng)絡(luò)的CS域、PS域或LTE網(wǎng)絡(luò)附著，2G或3G網(wǎng)絡(luò)的CS域提供話音業(yè)務(wù)，2G/3G網(wǎng)絡(luò)的PS域或LTE網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這種方案不需要改造2G/3G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而且語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以同時(shí)進(jìn)行。用戶使用語(yǔ)音感知同現(xiàn)網(wǎng)一樣。缺點(diǎn)就是手機(jī)造價(jià)高，耗電較大。

（2）CSFB：LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期基本都在熱點(diǎn)區(qū)域建設(shè)，因此只提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。UE發(fā)起語(yǔ)音呼叫或接聽時(shí)，需回落到的2G/3G的CS域，使用與2G/3G網(wǎng)絡(luò)的CS域與LTE無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋重疊部分。改造2G/3G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的要求少，只需要升級(jí)與LTE無線網(wǎng)絡(luò)有重疊區(qū)域的MSC/VLR，以支持SGs接口實(shí)現(xiàn)與MME的對(duì)接，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合附著/位置更新、語(yǔ)音尋呼、收發(fā)短消息等功能。缺點(diǎn)是用戶做語(yǔ)音業(yè)務(wù)時(shí)的時(shí)延會(huì)有所增加。

（3）VoLTE：引入IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng)）核心網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)基于IMS控制的VoLTE以及SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity，單射頻語(yǔ)音呼叫連續(xù)），在LTE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和多媒體業(yè)務(wù)，在LTE網(wǎng)絡(luò)信號(hào)好的地方使用VoLTE。在語(yǔ)音通話過程中LTE網(wǎng)絡(luò)信號(hào)變?nèi)鯐r(shí)切換到2G/3G的CS域，以支持話音通話的連續(xù)性。該方案要求2G/3G網(wǎng)絡(luò)中與MME對(duì)接的MSC升級(jí)改造支持Sv接口，LTE網(wǎng)的全部MME升級(jí)改造支持Sv接口，HSS的功能要包括HLR/SAE HSS/IMS HSS支持的功能，并支持C-MSISDN等存儲(chǔ)，IMS域要部署SCC AS（Service Centralization and Continuity Application Server，服務(wù)集中和連續(xù)性應(yīng)用服務(wù)器）網(wǎng)元，LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)模要求大面積連續(xù)。此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以將2G/3G網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)當(dāng)作IMS的接入網(wǎng)。缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)改造成本較大，目前支持VoLTE的手機(jī)種類也較少。

對(duì)于第一種方案，目前中國(guó)聯(lián)通沒有考慮采用。第二種方案適用于LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的初期和中期，中國(guó)聯(lián)通目前采用此方案。第三種方案適用于LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)大規(guī)模覆蓋的階段。雖然中國(guó)聯(lián)通2016年開始在LTE網(wǎng)絡(luò)部署VoLTE，但是考慮到LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量要達(dá)到或優(yōu)于2G/3G的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和覆蓋質(zhì)量，這不是一兩年時(shí)間就可以完成的，因此支持VoLTE的手機(jī)還需支持CSFB功能。這樣用戶使用VoLTE業(yè)務(wù)出現(xiàn)故障時(shí)就可以成功回落到2G/3G網(wǎng)絡(luò)的CS域，或者由于LTE網(wǎng)絡(luò)信號(hào)弱，用戶使用語(yǔ)言業(yè)務(wù)時(shí)通過SRVCC從LTE網(wǎng)能及時(shí)成功切換到2G/3G的CS域，從而不影響用戶正常地使用語(yǔ)音業(yè)務(wù)。

3 VoLTE UE開機(jī)附著過程分析

根據(jù)發(fā)生信令消息的過程和作用，可以把VoLTE UE開機(jī)附著流程分為兩個(gè)過程：（1）EPC網(wǎng)絡(luò)的附著流程；（2）IMS域的注冊(cè)流程。

3.1 EPC附著流程

VoLTE UE開機(jī)發(fā)起附著請(qǐng)求，通過鑒權(quán)后就會(huì)建立一個(gè)默認(rèn)承載，該承載使得VoLTE UE能夠“永久在線”，之后VoLTE UE會(huì)建立一個(gè)用于IMS信令的默認(rèn)承載。其信令流程如圖1所示。

（1）步驟1：VoLTE UE開機(jī)，向MME發(fā)起附著請(qǐng)求Attach Request消息。該消息里攜帶了UE的IMSI、附著類型、語(yǔ)音域優(yōu)先和UE模式、MS是否支持SRVCC的網(wǎng)絡(luò)能力等參數(shù)。表1是這幾個(gè)關(guān)鍵信元消息的解釋。

（2）步驟2-5：LTE網(wǎng)絡(luò)和UE相互進(jìn)行鑒權(quán)。

（3）步驟6-7：鑒權(quán)成功后，MME通知HSS，UE支持SRVCC和EPC網(wǎng)絡(luò)支持IMS語(yǔ)音業(yè)務(wù)，同時(shí)MME從HSS獲取簽約數(shù)據(jù)，包括默認(rèn)承載上下文，一個(gè)或多個(gè)承載簽約上下文。默認(rèn)承載配置數(shù)據(jù)QCI（QoS class identifier， Qos等級(jí)標(biāo)識(shí)）=9，而用于IMS默認(rèn)承載QCI=5。

（4）步驟8-12：如果UE支持CSFB，那么通過SGs接口在2G/3G的CS域做位置更新流程，同時(shí)標(biāo)記LTE/EPS附著，保存相關(guān)MME信息，建立UE登記的VLR與MME的SGs關(guān)聯(lián)。之后VLR回消息給MME，消息帶有LAI和TMSI，從而在MME建立了SGs關(guān)聯(lián)。

（5）步驟13-16：根據(jù)用戶在HSS的簽約信息和PCRF配置的PCC規(guī)則，建立QCI=9的默認(rèn)承載，為用戶提供“永遠(yuǎn)在線”的服務(wù)。

（6）步驟17-22：VoLTE UE收到Attach Accept消息，消息里除了有LAI、TMSI、AMBER（Aggregate Maximum Bit Rate，聚合最大比特率）、UE IP地址、P-CSCF地址外，還有告知終端combined EPS/IMSI attach完成，網(wǎng)絡(luò)側(cè)支持VoLTE（EPS network feature support信元的ims-vops：IMS voice over PS session in S1 mode supported）。根據(jù)這些信息，從而建立QCI=5的IMS信令默認(rèn)承載，用于承載SIP信令。

從以上信令流程可以知道，VoLTE UE開機(jī)流程比普通LTE UE要多建立一條QCI=5的默認(rèn)承載，用于承載IMS信令，同時(shí)附著請(qǐng)求消息的信元消息也更加豐富。

3.2 IMS注冊(cè)流程

VoLTE注冊(cè)IMS的過程就是UE和IMS網(wǎng)絡(luò)相互鑒權(quán)的過程，鑒權(quán)通過后，IMS網(wǎng)絡(luò)從HSS獲取用戶相關(guān)簽約信息，從而完成IMS注冊(cè)。其具體過程如圖2所示。

（1）步驟1-8：由于VoLTE UE首次在IMS注冊(cè)，IMS沒有UE的信息，會(huì)向HSS查詢用戶是否開戶和相關(guān)鑒權(quán)信息，將鑒權(quán)元素AUTH和RAND放入401響應(yīng)發(fā)到UE。UE根據(jù)401消息對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鑒權(quán)。

（2）步驟9-15：UE對(duì)網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)沒問題后算出RES，放入重新構(gòu)造的REGISTER消息里，IMS收到消息，就會(huì)對(duì)US進(jìn)行鑒權(quán)，如果沒有問題，就會(huì)給UE回200響應(yīng)消息，表示IMS注冊(cè)成功。

通過這兩個(gè)階段的過程，VoLTE UE開機(jī)附著過程就全部完成，之后就可以在LTE網(wǎng)絡(luò)正常做語(yǔ)音主叫和被叫業(yè)務(wù)。

4 異常情況分析和探討

對(duì)于VoLTE UE開機(jī)附著的整個(gè)流程，主要提出了幾種在核心網(wǎng)中可能出現(xiàn)導(dǎo)致附著失敗的異常情況：終端原因引起的失敗，SGs接口側(cè)的失敗，EPC側(cè)失敗和IMS網(wǎng)絡(luò)拒絕。

4.1 終端原因引起的附著失敗

終端問題是由于終端上報(bào)的消息核心網(wǎng)不識(shí)別導(dǎo)致。此類問題可能有：

（1）VoLTE終端接入LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行注冊(cè)時(shí)，由于上報(bào)一些終端參數(shù)如IMEI為空或不全，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不識(shí)別或不接受，核心網(wǎng)側(cè)下發(fā)攜帶Illegal ME的拒絕消息，導(dǎo)致用戶附著失敗。用戶只有重新開關(guān)機(jī)或拔插卡，才會(huì)再次嘗試進(jìn)行附著，在此之前用戶不能使用包括PS和CS在內(nèi)的所有業(yè)務(wù)，這樣會(huì)影響用戶使用感知。由于國(guó)內(nèi)沒有EIR設(shè)備，最好的解決辦法是禁止網(wǎng)絡(luò)下發(fā)此類消息。

（2）終端上報(bào)的一些數(shù)據(jù)，可能與核心網(wǎng)配置的數(shù)據(jù)不一致，導(dǎo)致附著失敗。如UE在Attach請(qǐng)求消息有ESM information transfer flag=0，即UE不提供APN，網(wǎng)絡(luò)就會(huì)使用用戶簽約的默認(rèn)APN。如果根據(jù)這個(gè)APN沒有找到對(duì)應(yīng)的P-GW，MME就當(dāng)成失敗來處理，從而附著失敗。終端問題處理較為麻煩，容易解決的問題通過終端設(shè)置就可以解決，但是復(fù)雜的情況就需要通過網(wǎng)絡(luò)升級(jí)或者終端廠家對(duì)終端進(jìn)行升級(jí)來解決。

4.2 SGs接口側(cè)的失敗

SGs接口側(cè)出現(xiàn)的問題主要是參數(shù)配置錯(cuò)誤引起的，如UE要正確回落到2G/3G域，那么MME上就要配置相關(guān)TA（LTE Tracking Area）與LA（2G/3G Location Area）的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)UE附著的TA，映射出TA對(duì)應(yīng)的LA，再關(guān)聯(lián)到LA對(duì)應(yīng)的MSC上。MME配置TA映射的LA的數(shù)據(jù)，并在聯(lián)合附著時(shí)發(fā)給MSC/VLR，MSC/VLR一般都檢查SGs接口上報(bào)LA的有效性。當(dāng)MSC/VLR沒有配置該LA時(shí)，MSC/VLR直接拒絕用戶在SGs接口的位置請(qǐng)求，導(dǎo)致聯(lián)合附著失敗。這類問題多在新增LAC或TAC時(shí)出現(xiàn)。因此當(dāng)新增相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，要及時(shí)在網(wǎng)元上配置相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)要避免漏配或錯(cuò)配。

4.3 EPC側(cè)失敗

這類失敗的原因主要包括：

（1）MME配置的加密算法種類不全。當(dāng)UE上報(bào)MME終端能力的加密算法和MME配置的不一致時(shí)，MME返回協(xié)議錯(cuò)誤消息，導(dǎo)致附著失敗。根據(jù)3GPP定義的終端，MME可支持的加密算法有：AES、SNOW、ZUC這3種，如果不使用加密算法則為NULL。因此MME必須設(shè)置4種算法，以便支持現(xiàn)網(wǎng)中所有類型的終端。

（2）DNS配置的解析數(shù)據(jù)不全或錯(cuò)誤，導(dǎo)致解析為UE服務(wù)的S/P-GW地址不對(duì)，從而無法正常地建立承載，導(dǎo)致附著失敗。這種情況在WCDMA網(wǎng)絡(luò)建網(wǎng)初期也出現(xiàn)過。解決辦法一般是在DNS配置正確數(shù)據(jù)或MME開啟APN糾錯(cuò)功能。

4.4 IMS網(wǎng)絡(luò)拒絕引起的附著失敗

IMS引起的失敗原因包括以下幾個(gè)方面：重定向錯(cuò)誤（錯(cuò)誤碼3xx）；客戶端錯(cuò)誤（錯(cuò)誤碼4xx）；服務(wù)端錯(cuò)誤（錯(cuò)誤碼5xx）；全局錯(cuò)誤（錯(cuò)誤碼6xx）。在附著過程中經(jīng)常出現(xiàn)的錯(cuò)誤是4xx的客戶端錯(cuò)誤和5xx的服務(wù)器錯(cuò)誤。如UE在HSS簽約的注冊(cè)信息有問題或UE發(fā)的P-CSCF的IP地址有問題或IMS配置的接入網(wǎng)安全策略有問題，這些都會(huì)返回403失敗碼。系統(tǒng)負(fù)荷過大，會(huì)返回503失敗碼。這些返回的SIP失敗碼都帶有具體的失敗原因值，也就是SIP消息錯(cuò)誤碼的Warning頭域，根據(jù)Warning頭域的內(nèi)容可以快速準(zhǔn)確地定位故障。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)VoLTE UE附著過程核心網(wǎng)側(cè)信令流程進(jìn)行詳細(xì)研究，并對(duì)可能導(dǎo)致UE附著失敗的情況進(jìn)行分析，為更加有效解地解決問題提供了幫助。目前中國(guó)聯(lián)通在部分省市已經(jīng)開展了VoLTE試驗(yàn)，但是由于只是進(jìn)行最基本的業(yè)務(wù)測(cè)試，一旦開始大規(guī)模商用，將會(huì)出現(xiàn)很多意想不到的問題。希望在今后的工作中能提出解決異常情況更有效的辦法。

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