VoWi—Fi關鍵問題分析與建議

崔沛東 戴國華 余駿華

【摘 要】

介紹了VoWi-Fi相關的標準化進展以及商業發展現狀，分析了VoWi-Fi的關鍵技術問題，包括鑒權接入技術、工作原理架構、終端通過Wi-Fi的EPC附著、完成EPC附著后的IMS注冊、LTE與Wi-Fi的切換等，并對現階段VoWi-Fi存在的問題進行了分析，給出相應的建議。

【關鍵詞】

LTE WLAN VoWi-Fi ePDG

1 引言

VoWi-Fi（Voice over Wi-Fi，Wi-Fi語音）是指用戶通過Wi-Fi網絡連接到運營商的EPC網絡，并通過EPC網絡連接到IMS網絡中，實現語音、短信、補充業務等IMS業務。隨著國內外運營商對VoLTE的積極部署，VoWi-Fi可以很好地對VoLTE進行補充，尤其彌補了LTE室內覆蓋的不足。用戶可在沒有LTE網絡覆蓋的區域通過Wi-Fi接入EPC網絡，讓用戶享受無差異的IMS業務，從而提升用戶體驗。此外，VoWi-Fi具有高擴展性，通過合作可大幅度降低國際漫游資費，增加用戶粘性。

截至2015年1月，全球已有近5 000萬個Wi-Fi熱點，中國有500萬多個熱點覆蓋，預計到2018年，平均每20個人將會分享一個熱點。WLAN憑其熱點覆蓋多、數據傳輸快、低成本等特點吸引著用戶并培養了用戶的使用習慣，分流了高速增長的移動數據業務。據統計，2014年手機用戶57%的數據流量承載在Wi-Fi網絡上，平板用戶更是高達93%。VoWi-Fi的出現無疑會受廣大用戶的青睞，預計到2019年，VoWi-Fi的通話時長將超過VoLTE達到53%的占比。

VoLTE和VoWi-Fi已成為未來語音的發展趨勢，國內外標準組織正積極推進相關標準的研究，國內外運營商也都積極部署VoWi-Fi以提高自己的綜合競爭力。

2 VoWi-Fi的相關技術標準及現狀

2.1 VoWi-Fi相關技術標準化

與VoWi-Fi 相關的國際標準組織主要有4個：IEEE，主要針對WLAN物理層、MAC層的標準化，如制定工作在2.4G頻段的802.11b/n/g，工作在5G頻段的802.11ac等；3GPP，針對WLAN和3GPP網絡的互通，包括鑒權接入等；TSG（Terminal Steering Group，終端督導組）屬GSMA下設的工作組，提出和制定VoWi-Fi的終端需求規范；IETF（The Internet Engineering Task Force，國際互聯網工程任務組），負責終端鑒權方法的標準化制定。Wi-Fi相關標準如表1所示：

表1 VoWi-Fi相關的具體標準

標準類別 相關標準 內容

GSMA IR 51 Wi-Fi上的Voice、Video，SMS的IMS配置文件

3GPP TS 23.402 非3GPP接入的增強架構

TS 33.402 非3GPP接入安全

TS 24.302 EPC核心網的接入

IETF RFC 4187 EAP-AKA鑒權

RFC 5996 IKEv2密鑰交換協議

以上僅列出部分相關標準，其他如3GPP29.273規范了AAA服務器接口；3GPP29.274規范了GTP（GPRS Tunnelling Protocol，GPRS隧道協議）傳輸隧道；IETF RFC 5448規范了EAP-AKA的鑒權方式等。

2.2 運營商對VoWi-Fi商用現狀

去年9月，T-Mobile在全球首先推出VoWi-Fi業務，終端使用iPhone 6/iPhone 6 Plus，支持VoWi-Fi與VoLTE的雙向無縫切換。現如今，越來越多的運營商積極推動VoWi-Fi的發展，具體商用情況如表2所示。

目前美國、歐洲的運營商對商用VoWi-Fi業務較為積極，T-Mobile通過VoWi-Fi有效彌補了LTE覆蓋不足的缺點，Sprint通過商用VoWi-Fi，并積極與國內外廠商合作，實現了全球200多個國家和地區的VoWi-Fi通話，顯著提高了其市場競爭力。相較于歐美，亞洲運營商VoWi-Fi工作開展相對遲緩。據了解，韓國、日本運營商暫未部署VoWi-Fi，香港和記電訊2015年6月推出了VoWi-Fi服務；中國電信和中國聯通目前處于測試階段，中國移動RCS融合通信中的“新通話”中包含VoWi-Fi模塊，其VoWi-Fi業務能否同步開展還有待觀望。

2.3 芯片廠商及終端廠商對VoWi-Fi的支持情況

目前國內支持VoWi-Fi的終端仍不多，也有著不同的實現方式。三星基于自己的方案在AP層實現了VoWi-Fi功能。中興通訊與Apple/D2/Summit Tech/Taqua等終端和解決方案提供廠商建立了廣泛的業務聯系和聯合實驗室，共同推進VoWi-Fi的產業進程，并已經完成了與Apple的VoWi-Fi IoT測試。高通部分芯片已經具備VoWi-Fi能力，相應的終端在BP層實現了VoWi-Fi功能。

3 VoWi-Fi關鍵技術分析與建議

WLAN接入EPC的互通架構按照WLAN與EPC核心網之間的信任關系以及采用的移動性管理協議（GTP，PMIP和DSMIP），可以分為S2a、S2b和S2c三種場景。其中，S2a接口方式用于接入授信WLAN網絡場景，S2b接口方式用于接入非授信WLAN網絡場景，此時EPC網絡將WLAN接入視為不可信接入，則必須通過ePDG（Evolved Packet Data Gateway，演進分組數據網關）EPC，終端和ePDG之間采用IPsec隧道承載數據，使不可信網絡的網元無法感知數據傳輸，從而保證數據傳輸的安全性。由于標準成熟度、產業鏈成熟度、互通性及可擴展性等因素，目前國際上商用VoWi-Fi的運營商均采用基于S2b接口的ePDG方案。GSMA國際標準組織更是明確了基于S2b接口的ePDG方案作為VoWi-Fi的主流方案。當終端通過ePDG接入EPC網絡時，3GPP AAA/HSS可以使用基于SIM卡的EAP-AKA算法進行統一鑒權認證，避免了傳統繁瑣的認證接入過程。

3.1 VoWi-Fi工作原理及架構

VoWi-Fi的工作原理：終端用戶通過Wi-Fi網絡接入到ePDG，ePDG通過與AAA Server交互，完成對終端的鑒權；鑒權通過后，ePDG通過S2b接口將業務請求發送到P-GW，并完成終端在EPC網絡的附著，從而在IMS完成VoWi-Fi用戶的注冊；注冊完成后，用戶即可發起相應的VoWi-Fi業務。組網架構圖如圖1所示：

圖1 非可信接入VoWi-Fi組網架構圖

ePDG連接到AAA Server和P-GW，為UE提供信令和數據業務通道。AAA Server為用戶鑒權中心，通過SWm接口對VoWi-Fi用戶進行網絡鑒權，通過S6b接口和P-GW互通，通過SWx接口和融合HLR/HSS互通，將P-GW的地址更新到融合HLR/HSS，使用戶在LTE和Wi-Fi網絡間切換時，不會出現PDN連接斷連。HSS主要負責存儲用戶簽約的數據和鑒權信息；PCRF通過下發PCC規則控制承載的建立和刪除。用戶通過Wi-Fi網絡接入時，由P-CSCF提供到IMS網絡的入口。

3.2 關鍵流程

用戶在進行VoWi-Fi業務時主要有3個關鍵流程：終端EPC附著流程、EPC附著成功后的IMS注冊流程以及LTE與Wi-Fi之間的切換流程。終端若進行VoWi-Fi業務，首先要通過Wi-Fi接入運營商的EPC核心網，簡單流程如下：

（1）UE發起EPC附著請求；

（2）HSS和AAA獲取用戶鑒權信息；

（3）AAA對UE進行鑒權認證；

（4）ePGD請求創建默認承載；

（5）S/P-GW與PCRF進行IP-CAN流程，完成P-GW注冊；

（6）HSS通知MME更新P-GW ID，S/P-GW返回默認承載響應，完成EPC網絡附著。

用戶通過Wi-Fi網絡連接到運營商的EPC網絡后需連接到IMS網絡中以實現語音、短信、補充業務等IMS業務，注冊鑒權流程包括用戶對網絡的鑒權以及網絡對用戶的鑒權，簡單流程如下：

（1）UE讀取SIM卡信息獲取IMSI，再從IMSI推導出IMPI和T-IMPU，向IMS拜訪網絡入口P-CSCF發送注冊消息請求注冊；

（2）P-CSCF發送AAR（Answer Auth Request，回應認證請求）消息至PCRF指示訂閱信令承載，P-CSCF轉發REGISTER消息至I-CSCF；

（3）I-CSCF和HSS交互下載鑒權向量信息；

（4）I-CSCF轉發401 Unauthorized消息至P-CSCF，P-CSCF獲取IK和CK，并轉發401 Unauthorized消息至UE，UE檢查鑒權參數AUTN，完成用戶對網絡的鑒權；

（5）S-CSCF發送SAR消息至IMS-HSS請求下載用戶簽約數據，S-CSCF根據從IMS-HSS處下載的用戶簽約信息向ATS發送第三方注冊請求；

（6）ATS收到REGESTER消息后，判斷用戶是Wi-Fi接入，刷新注冊狀態，發送UDR（User Data Request，用戶數據請求）消息給HSS，請求獲取用戶數據（包括用戶身份數據、業務簽約數據等），ATS根據收到的用戶數據完成對用戶的鑒權。

VoWi-Fi的核心商用價值即是對VoLTE業務的補充，彌補LTE覆蓋的不足。這就要求終端實現VoWi-Fi與VoLTE通話的無縫切換，比如當終端移動到LTE接入網的覆蓋更強的區域時，終端將從Wi-Fi網絡接入切換到從LTE網絡接入；當終端移動到Wi-Fi接入網的覆蓋更強的區域時，終端將從LTE網絡接入切換到從Wi-Fi網絡接入，以便帶給用戶最好的語音通話體驗。以下僅列出LTE至Wi-Fi簡單的切換流程：

（1）UE通過LTE網絡接入EPC網絡，S-GW與P-GW間建立GTP隧道，UE檢測到Wi-Fi信號，發起切換；

（2）UE和Wi-Fi網絡相互鑒權，Wi-Fi網絡鑒權和授權成功后，觸發附著流程；

（3）ePDG根據切換前的P-GW地址選擇P-GW，向P-GW發送Create Session Request消息，建立PDN連接；

（4）ePDG將P-GW分配給UE的IP地址傳給UE。附著流程完成，UE和ePDG之間的IPSec隧道建立成功，ePDG和P-GW間的GTP隧道建立成功；

（5）P-GW發起3GPP EPS Bearer Release流程，釋放切換前LTE網絡的EPS承載資源；

（6）當終端切換到Wi-Fi網絡后，UE向P-CSCF發起重注冊，刷新當前用戶注冊狀態。

3.3 問題分析與建議

雖然VoWi-Fi標準比較完善，技術方案較為明確，商用VoWi-Fi既能提高運營商的競爭力，又能帶給用戶良好的體驗，但現階段仍然存在許多問題，也需要運營商制定符合自己的策略。

首先是網絡的發現、接入與協作策略，LTE網絡與WLAN網絡同時存在，語音承載在LTE或是Wi-Fi這就需要根據用戶資費需求、和網絡實時狀況等決定，實現最合適的網絡接入，提供良好的用戶體驗。3GPP為實現WLAN和3GPP系統間業務連續性和無縫分流，引入的一個新的網元功能模塊ANDSF（Access Network Discovery and Selection Function，接入網絡發現和選擇功能）。終端根據用戶偏好、業務不同QoS服務等級要求和從ANDSF獲取的控制策略（運營商定義）發現和選擇接入網絡。HotSpot2.0的融合支持可輔助接入網絡的選擇，其具有分發AP負載等信息給終端的能力，終端可利用IEEE 802.11u ANQP協議獲得更多網絡特性等信息。此外，一些廠商例如高通、華為也在開發自己的選網策略。運營商也可制定簡單的切換原則，包括優選Wi-Fi或是LTE網絡，當Wi-Fi或是LTE的RSSI值低于某個門限時，終端發起切換。

其次是語音質量問題，影響語音質量的因素包括時延、抖動、丟包率、回聲、沿切割、編解碼等。傳統IP語音存在失序到達和時延抖動甚至分組丟失等情況，通話質量較差。VoLTE基于QoS特性，運營商為時延和時間有嚴格要求的應用提供端到端的傳輸質量，基于不同的QoS需求為用戶提供差異化服務；終端用戶從LTE接入使用IMS業務時可以獲取帶寬保障，提升用戶體驗。如何保障VoWi-Fi帶給用戶穩定高質量的用戶通話體驗需要進一步測試研究。目前，語音質量測試可采用ITU建議的MOS（Mean Opinion Score，平均意見值）指標，運營商可定義不同的測試場景例如切換時的語音質量和時延、不同抖動和誤碼率下的語音質量和時延、數據和語音并發時的語音質量和時延等來評估VoWi-Fi通話體驗。

最后是資費方案的制定，當有卡終端進行基本呼叫時，ATS生成計費話單，在話單Access-Network-Information字段記錄接入類型為WLAN，以便對VoLTE和VoWi-Fi區分計費。目前國內各大運營商的WLAN網絡和LTE網絡主要用來承載數據，WLAN資費相對較低（按時長計費），而LTE資費相對較高（按流量計費），當前用戶更是已經習慣了使用免費的WLAN網絡。當VoLTE和VoWi-Fi同步商用時，制定一個合理的資費方案對運營商和用戶都極為重要。例如香港和記電訊運營商允許LTE用戶使用香港的任何Wi-Fi網絡撥打語音電話，VoWi-Fi服務的計費標準將按照普通語音通話資費執行，計入用戶月套餐包含的通話時長中。

4 結束語

本文介紹了VoWi-Fi相關的標準化進展以及產業鏈現狀，分析了VoWi-Fi的關鍵技術如鑒權、附著、切換等，提出了現階段VoWi-Fi存在的問題并給出了相關建議。

目前VoWi-Fi仍屬于較前沿的技術，相關問題技術研究都仍在更新和完善中。國內VoWi-Fi技術發展相對遲緩，但隨著各大運營商VoLTE的商用、VoWi-Fi的需求日益增加，相關工作也會更快推動。通過進一步研究與測試，相信未來VoLTE+VoWi-Fi的語音技術方案會不斷進步和完善，給用戶帶來良好的語音體驗。

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