畢永剛，畢永強(qiáng)，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(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

LTE核心網(wǎng)語音解決方案比選研究

畢永剛1，畢永強(qiáng)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(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

通過對LTE網(wǎng)絡(luò)中語音業(yè)務(wù)的解決方案進(jìn)行研究，詳細(xì)比較了主流的解決方案，并結(jié)合實際情況對VoLTE解決方案的可操作性進(jìn)行分析，對目前適用網(wǎng)絡(luò)的方案提出了規(guī)劃建議。

核心網(wǎng) 語音解決方案 CSFB SRVCC VoLGA

1 引言

隨著無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的增長和LTE商用條件的成熟，運(yùn)營商在現(xiàn)有2G/3G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上將逐步引入LTE網(wǎng)絡(luò)，滿足人們快速增長的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。如何為用戶提供LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的同時提供語音服務(wù)，成為運(yùn)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(jī)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(jī)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(yùn)營商在早期快速搶占LTE市場的需求。雙待機(jī)終端可以同時待機(jī)在LTE和2G/3G網(wǎng)絡(luò)里，當(dāng)有通話需求時，手機(jī)終端可以自動選擇在傳統(tǒng)模式下進(jìn)行語音通信；當(dāng)有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求時，手機(jī)終端可以自動選擇使用LTE網(wǎng)絡(luò)。

2.2 OTT

目前是互聯(lián)網(wǎng)公司不斷發(fā)展壯大的時代，他們利用運(yùn)營商的無線網(wǎng)絡(luò)作為承載，開發(fā)自己的APP應(yīng)用，在手機(jī)終端實現(xiàn)語音、視頻等多媒體通信業(yè)務(wù)。這與4G IP語音在業(yè)務(wù)內(nèi)容和用戶感知等方面有一定的相似性，但取決于承載網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。OTT與運(yùn)營商級別服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)互通、業(yè)務(wù)質(zhì)量、服務(wù)保障等方面有較大的區(qū)別。

語音業(yè)務(wù)目前仍然是移動運(yùn)營商最主要的收入來源，把語音通話業(yè)務(wù)完全交給互聯(lián)網(wǎng)公司是一種非常激進(jìn)的觀點，這樣運(yùn)營商將完全成為管道，在電信領(lǐng)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(yōu)先駐扎在LTE網(wǎng)絡(luò)以享受高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，在需要語音服務(wù)時才返回2G/3G網(wǎng)絡(luò)，發(fā)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(tǒng)，只需要MSC、MME等網(wǎng)元支持相關(guān)功能即可。

假設(shè)當(dāng)用戶已經(jīng)聯(lián)合附著到MME和MSC上，并處于EMC Connected狀態(tài)。eNodeB和RNC/BSC之間已經(jīng)配置了切換數(shù)據(jù)，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(fā)送包含CSFB指示的服務(wù)請求；

②MME根據(jù)該指示要求eNodeB幫助UE切換到2G/3G的CS域；

③當(dāng)UE切換到2G/3G后，在CS域發(fā)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(fā)送尋呼消息；

③MME在LTE覆蓋范圍內(nèi)UE發(fā)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(fā)送包含CSFB指示的服務(wù)請求；

⑤MME根據(jù)該指示要求eNodeB幫助UE切換到2G/3G的CS域；

⑥當(dāng)UE切換到2G/3G后，在CS域向MSC發(fā)送尋呼相應(yīng)，并完成后續(xù)呼叫流程。

（3）其他實現(xiàn)

LTE用戶可以從LTE網(wǎng)絡(luò)回落到2G/3G網(wǎng)絡(luò)的PS域。當(dāng)回落到PS域后，與2G/3G網(wǎng)絡(luò)的呼叫方式相同。這種回落方式延遲較小，但對于設(shè)備廠家而言實現(xiàn)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(xù)性）主要是為了解決當(dāng)用戶在LTE和2G/3G網(wǎng)絡(luò)之間移動時，如何確保語音通話可以連續(xù)的問題。當(dāng)LTE覆蓋整網(wǎng)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(yè)務(wù)的連續(xù)性這一問題就出現(xiàn)了，因此SRVCC解決方案便應(yīng)運(yùn)而生。

LTE/EPC作為一種IP網(wǎng)絡(luò)，其標(biāo)準(zhǔn)的語音方案是采用IMS控制實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)。但LTE/EPC初期部署時一定是熱點覆蓋，逐步由點及面，傳統(tǒng)CS網(wǎng)絡(luò)能彌補(bǔ)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(wǎng)絡(luò)之間切換時的語音中斷。這樣就在MSC Server和MME網(wǎng)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(gòu)利用IMS核心網(wǎng)絡(luò)提供LTE VoIP語音業(yè)務(wù)的路由、控制和業(yè)務(wù)觸發(fā)，并提供LTE向2G/3G切換時的語音連續(xù)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(fā)送一個請求，核心網(wǎng)和IMS中的SIP信令消息用于尋找被叫方并為語音業(yè)務(wù)流建立承載；語音承載建立后，UE就可以和被叫方進(jìn)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(fā)送包含服務(wù)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(jìn)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(yè)務(wù)流建立專用承載后，UE就可以進(jìn)行通話。

（2）SRVCC呼叫流程

首先由E-UTRAN發(fā)起切換請求，要求MME進(jìn)行SRVCC切換。MME通過Sv接口發(fā)起LTE-CS切換請求。MSC Server完成請求響應(yīng)及電路建立的同時向IMS域發(fā)起會話轉(zhuǎn)移，IMS執(zhí)行會話轉(zhuǎn)換。MSC Server完成電路建立等準(zhǔn)備工作后，通過Sv接口向MME發(fā)送LTE-CS切換響應(yīng)。MME通過E-UTRAN向UE發(fā)送切換指令。另外，當(dāng)數(shù)據(jù)用戶由LTE網(wǎng)絡(luò)移動到2G/3G網(wǎng)絡(luò)時，MME可以發(fā)起LTE-PS切換流程，將數(shù)據(jù)用戶切換到目的2G/3G網(wǎng)絡(luò)的PS域。

LTE用戶至2G網(wǎng)絡(luò)的呼叫流程如圖4所示。

具體如下：

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

3：源E-UTRAN向MME發(fā)送切換請求消息，并標(biāo)識該切換為SRVCC。

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

5：MME根據(jù)切換請求中的目標(biāo)ID選擇具有SRVCC功能的源MSC，發(fā)送PS到CS的切換請求。

6：源MSC收到PS-CS切換請求后，根據(jù)目標(biāo)ID來選擇目標(biāo)MSC以執(zhí)行MSC間切換，然后向目標(biāo)MSC發(fā)送準(zhǔn)備切換請求。

7：目標(biāo)MSC向目標(biāo)SGSN發(fā)送切換請求，請求分配CS無線承載資源。

8：目標(biāo)BSS確認(rèn)CS無線承載資源已分配，目標(biāo)MSC向源MSC發(fā)送準(zhǔn)備切換響應(yīng)。

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

10：目標(biāo)MSC發(fā)送IAM/INVITE給IMS的SRVCC AS。

11—12：MGCF是IMS域和CS的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。MGCF將目標(biāo)MSC發(fā)送的IAM消息轉(zhuǎn)換成INVITE消息發(fā)送給SRVCC AS。SRVCC AS收到INVITE消息，檢查確認(rèn)這是一個切換的呼叫，SRVCC AS執(zhí)行會話轉(zhuǎn)換流程。

SRVCC AS將本端CS接入信息，即目標(biāo)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(yuǎn)端呼叫發(fā)送re-INVITE消息，進(jìn)行會話轉(zhuǎn)換過程。

13：源MSC向源MME發(fā)送PS-CS響應(yīng)，通知MME CS無線承載資源分配完畢。

14：源MME向源E-UTRAN發(fā)送切換指令，只包含語音成分。

15：源E-UTRAN向UE發(fā)送切換指令，指示UE開始切換。

16：UE開始向2G接入網(wǎng)的CS域下嘗試接入。

17：UE切換到2G接入網(wǎng)下，UE向目標(biāo)BSS發(fā)送切換檢測，目標(biāo)BSS檢測到UE已切換到目標(biāo)小區(qū)。

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(yè)務(wù)。UE向目標(biāo)BSS發(fā)送掛起請求，目標(biāo)BSS向目標(biāo)SGSN轉(zhuǎn)發(fā)掛起請求，目標(biāo)SGSN向源MME轉(zhuǎn)發(fā)掛起通知，MME做出掛起響應(yīng)。

19—22：目標(biāo)BSS通知目標(biāo)MSC UE已切換成功。目標(biāo)MSC發(fā)送切換成功到源MSC，同時發(fā)送SIP協(xié)議的INVITE響應(yīng)消息，完成源MSC與目標(biāo)MSC之間CS承載的建立。源MSC發(fā)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(biāo)MSC中的注冊狀態(tài)為Unkown，目標(biāo)MSC發(fā)送位置更新到HLR更新用戶位置信息，這樣后續(xù)的CS域呼叫就可以正確地（通過目標(biāo)MSC）路由到被叫。

23b：如果多個MSC/VLR都采用同一個位置區(qū)LAI，MSC要采用自己的網(wǎng)絡(luò)資源標(biāo)識NRI向終端發(fā)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(wǎng)關(guān)移動位置中心GMLC發(fā)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(wǎng)絡(luò)的呼叫流程

2.5 VoLGA

在LTE部署初期，考慮充分利用原有運(yùn)營商覆蓋較廣的2G/3G網(wǎng)絡(luò)。這種方案是將LTE網(wǎng)絡(luò)作為一個單純的IP網(wǎng)，通過新增加網(wǎng)元GANC（通用訪問網(wǎng)絡(luò)控制器）模擬無線網(wǎng)中的RNC或BSC網(wǎng)元，接入傳統(tǒng)2G/3G核心網(wǎng)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(gòu)利用現(xiàn)有的CS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對LTE語音的控制，需要部署GANC網(wǎng)元，模擬BSC/ RNC的A/Iu接口。此方案的最大特點在于引入GANC網(wǎng)元而不需要部署IMS，不需要改造CS網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備。VoLGA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示：

圖5 VoLGA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

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(wǎng)絡(luò)的基站控制器（BSC）和UMTS網(wǎng)絡(luò)的無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）連接到移動交換中心（MSC）。GANC設(shè)備的A/Iu接口沒有任何的增強(qiáng)功能，MSC不會意識到網(wǎng)絡(luò)連接不是通過2G/3G網(wǎng)絡(luò)而是通過LTE網(wǎng)絡(luò)接入。

（1）注冊登記

當(dāng)某用戶移動到LTE覆蓋區(qū)域時，首先向MME發(fā)起登記的請求，MME通過S6a接口在HSS中對用戶信息進(jìn)行鑒權(quán)。用戶在LTE網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)和SGi接口建立一個適當(dāng)?shù)腎P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(wǎng)絡(luò)建立同GANC連接的過程中需要通過D`接口對用戶信息進(jìn)行鑒權(quán)，這樣LTE用戶就可以通過安全的IP隧道和GANC注冊到傳統(tǒng)CS與網(wǎng)絡(luò)。

圖6 VoLGA主叫流程

（2）呼叫流程

假設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(fā)送連接請求消息至GANC，使GANC由空閑態(tài)變?yōu)檫B接態(tài)。

2：UE發(fā)送服務(wù)請求消息至GANC，請求建立一個同MSC的連接。

3：當(dāng)GANC接到連接消息時，創(chuàng)建一個至MSC專門的信號連接。

4：MSC對用戶信息進(jìn)行鑒權(quán)。

5：MSC對用戶進(jìn)行密碼配置。

6：UE發(fā)送建立信息，包含被叫號碼等信息。

7：MSC返回一個確認(rèn)信息。

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

9：GANC將信息轉(zhuǎn)換成激活通道上的信息（包含語音數(shù)據(jù)的IP包）發(fā)送給UE。

10：UE返回一個確認(rèn)信息。

11：語音數(shù)據(jù)包服務(wù)質(zhì)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(wù)響應(yīng)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(guān)系被建立，MSC將給UE發(fā)送提示信息。

15：同時MSC將給UE發(fā)送連接信息。

16：UE向MSC發(fā)送連接確認(rèn)。

17：聲音路徑就可以建立和語音通話。

語音信號是GSM網(wǎng)絡(luò)里以TDM方式傳送的64kbps信號或在UMTS網(wǎng)絡(luò)里以ATM/IP方式傳送的Iu接口信號，GANC將這個數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)包在LTE網(wǎng)絡(luò)里傳輸。

3 結(jié)束語

隨著LTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷成熟，語音業(yè)務(wù)IP化必將成為語音業(yè)務(wù)發(fā)展的趨勢。然而，VoLTE的實現(xiàn)將經(jīng)歷一個非常漫長的過程。DR方案增加了終端廠家的研發(fā)難度，終端耗電也將是決定是否應(yīng)用的一大問題；OTT方案將會導(dǎo)致運(yùn)營商在語音業(yè)務(wù)方面的收入急劇下降，同時語音的通話質(zhì)量要取決于EPC網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量；VoLGA是通過增加網(wǎng)元，在2G/3G網(wǎng)絡(luò)來完成語音通話，并未實現(xiàn)在LTE網(wǎng)絡(luò)中提供IP語音業(yè)務(wù)，該方案需要主設(shè)備廠家和電信運(yùn)營商的廣泛支持；CSFB和SRVCC的語音解決方案將是電信運(yùn)營商目前主推的語音解決方案。但是，隨著IMS網(wǎng)絡(luò)的部署和LTE網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)，VoLTE的語音解決方案將成為電信運(yùn)營商語音解決方案的最終目標(biāo)。

[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(shù)凸顯便捷性[J]. 通信世界, 2013(7): 46-47.

[7] 李波. LTE語音業(yè)務(wù)相關(guān)技術(shù)和建議[J]. 郵電設(shè)計技術(shù), 2012(1): 10-13.

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

[9] 吳瓊,薛楠. 網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)中的語音解決方案[J]. 郵電設(shè)計技術(shù), 2012(5): 15-20.

[10] 廣州杰賽通信規(guī)劃設(shè)計院. LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計手冊[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2013.★

畢永剛：學(xué)士畢業(yè)于西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，現(xiàn)任職于廣州杰賽科技股份有限公司通信規(guī)劃設(shè)計院，主要從事移動核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計相關(guān)工作。

畢永強(qiáng)：學(xué)士畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，現(xiàn)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(yùn)輸信號供電的維護(hù)與保養(yǎng)等工作。

朱雪平：學(xué)士畢業(yè)于江西師范大學(xué)物理與通信電子工程學(xué)院，現(xiàn)任職于廣州杰賽科技股份有限公司通信規(guī)劃設(shè)計院，主要從事移動核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計相關(guān)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(qiáng),朱雪平. LTE核心網(wǎng)語音解決方案比選研究[J]. 移動通信, 2015,39(14): 34-39.

2015-04-02

責(zé)任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn