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發(fā)表于 2015-08-24 18:00:37 只看樓主

LTE核心網(wǎng)語音解決方案比選研究

畢永剛，畢永強，朱雪平

1 引言

隨著無線數(shù)據(jù)業(yè)務需求的增長和LTE商用條件的成熟，運營商在現(xiàn)有2G/3G網(wǎng)絡的基礎上將逐步引入LTE網(wǎng)絡，滿足人們快速增長的無線數(shù)據(jù)業(yè)務需求。如何為用戶提供LTE數(shù)據(jù)業(yè)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
2.1DR
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(wǎng)絡里，當有通話需求時，手機終端可以自動選擇在傳統(tǒng)模式下進行語音通信；當有數(shù)據(jù)業(yè)務需求時，手機終端可以自動選擇使用LTE網(wǎng)絡。

2.2OTT
目前是互聯(lián)網(wǎng)公司不斷發(fā)展壯大的時代，他們利用運營商的無線網(wǎng)絡作為承載，開發(fā)自己的APP應用，在手機終端實現(xiàn)語音、視頻等多媒體通信業(yè)務。這與4G IP語音在業(yè)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(wǎng)絡的穩(wěn)定性。OTT與運營商級別服務在網(wǎng)絡互通、業(yè)務質量、服務保障等方面有較大的區(qū)別。

語音業(yè)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(yè)務完全交給互聯(lián)網(wǎng)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。

2.3CSFB
CSFB方案的主要思想是LTE用戶優(yōu)先駐扎在LTE網(wǎng)絡以享受高速數(shù)據(jù)業(yè)務，在需要語音服務時才返回2G/3G網(wǎng)絡，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)元支持相關功能即可。
假設當用戶已經(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：

[attach]321724[/attach]
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：

[attach]321725[/attach]
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UE切換到2G/3G后，在CS域向MSC發(fā)送尋呼相應，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)絡回落到2G/3G網(wǎng)絡的PS域。當回落到PS域后，與2G/3G網(wǎng)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(xiàn)難度較大，而且基本沒有終端支持該種方式回落。

2.4SRVCC
SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity，單射頻無線語音呼叫連續(xù)性）主要是為了解決當用戶在LTE和2G/3G網(wǎng)絡之間移動時，如何確保語音通話可以連續(xù)的問題。當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)務的連續(xù)性這一問題就出現(xiàn)了，因此SRVCC解決方案便應運而生。

LTE/EPC作為一種IP網(wǎng)絡，其標準的語音方案是采用IMS控制實現(xiàn)語音業(yè)務。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(wǎng)絡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架構利用IMS核心網(wǎng)絡提供LTE VoIP語音業(yè)務的路由、控制和業(yè)務觸發(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：

[attach]321726[/attach]
圖3 IMS呼叫建立流程

具體如下：
①UE向MME發(fā)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(yè)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(fā)起切換請求，要求MME進行SRVCC切換。MME通過Sv接口發(fā)起LTE-CS切換請求。MSC Server完成請求響應及電路建立的同時向IMS域發(fā)起會話轉移，IMS執(zhí)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(fā)送LTE-CS切換響應。MME通過E-UTRAN向UE發(fā)送切換指令。另外，當數(shù)據(jù)用戶由LTE網(wǎng)絡移動到2G/3G網(wǎng)絡時，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)絡的PS域。
LTE用戶至2G網(wǎng)絡的呼叫流程如圖4所示：

[attach]321727[/attach]
圖4 SRVCC LTE用戶至2G網(wǎng)絡的呼叫流程

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承載進行分離。
5：MME根據(jù)切換請求中的目標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ID來選擇目標MSC以執(zhí)行MSC間切換，然后向目標MSC發(fā)送準備切換請求。
7：目標MSC向目標BSS發(fā)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(fā)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(tài)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(fā)送IAM/INVITE給IMS的SRVCC AS。
11—12：MGCF是IMS域和CS的網(wǎng)關設備。MGCF將目標MSC發(fā)送的IAM消息轉換成INVITE消息發(fā)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(zhí)行會話轉換流程。
SRVCC AS將本端CS接入腿信息，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接入腿。SRVCC AS向遠端呼叫腿發(fā)送re-INVITE消息，進行會話轉換過程。
13：源MSC向源MME發(fā)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(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BSS發(fā)送切換檢測，目標BSS檢測到UE已切換到目標小區(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。UE向目標BSS發(fā)送掛起請求，目標BSS向目標SGSN轉發(fā)掛起請求，目標SGSN向源MME轉發(fā)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(fā)送切換成功到源MSC，同時發(fā)送SIP協(xié)議的INVITE響應消息，完成源MSC與目標MSC之間CS承載的建立。目標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MSC中的注冊狀態(tài)為Unkown，目標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域入呼叫就可以正確地（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(qū)LAI，MSC要采用自己的網(wǎng)絡資源標識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。

2.5VoLGA
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(wǎng)絡。這種方案是將LTE網(wǎng)絡作為一個單純的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）架構利用現(xiàn)有的CS網(wǎng)絡實現(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)絡中的設備。VoLGA網(wǎng)絡結構如圖5所示：

[attach]321728[/attach]
圖5 VoLGA網(wǎng)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(wǎng)絡的基站控制器（BSC）和UMTS網(wǎng)絡的無線網(wǎng)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(wǎng)絡連接不是通過2G/3G網(wǎng)絡而是通過LTE網(wǎng)絡接入。

（1）注冊登記
當某用戶移動到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中對用戶信息進行鑒權。用戶在LTE網(wǎng)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(wǎng)絡和SGi接口建立一個適當?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(tǒng)CS與網(wǎng)絡。

（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(wǎng)絡中通過VoLGA方式建立的語音呼叫過程如圖6所示：

[attach]321729[/attach]
圖6 VoLGA主叫流程

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)送服務請求消息至GANC，請求建立一個同MSC的連接。
3：當GANC接到鏈接消息時，創(chuàng)建一個至MSC專門的信號連接。
4：MSC對用戶信息進行鑒權。
5：MSC對用戶進行密碼配置。
6：UE發(fā)送建立信息，包含被叫號碼等信息。
7：MSC返回一個確認信息。
8：GANC對于MSC類似于BSC和RNC，MSC將任務請求消息發(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返回一個確認信息。
11：語音數(shù)據(jù)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(fā)送提示信息。
15：同時MSC將給UE發(fā)送鏈接信息。
16：UE向MSC發(fā)送鏈接確認。
17：聲音路徑就可以建立和語音通話。

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

3結束語
隨著LTE網(wǎng)絡技術的不斷成熟，語音業(yè)務IP化必將成為語音業(yè)務發(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用的一大問題；OTT方案將會導致運營商在語音業(yè)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(wǎng)絡的質量；VoLGA是通過增加網(wǎng)元，在2G/3G網(wǎng)絡來完成語音通話，并未實現(xiàn)在LTE網(wǎng)絡中提供IP語音業(yè)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(wǎng)絡的部署和LTE網(wǎng)絡的大規(guī)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。

作者簡介
畢永剛：學士畢業(yè)于西安郵電大學通信與信息工程學院，現(xiàn)任職于廣州杰賽科技股份有限公司通信規(guī)劃設計院，主要從事移動核心網(wǎng)網(wǎng)絡規(guī)劃、設計相關工作。

畢永強：學士畢業(yè)于蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，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、鐵路運輸信號供電的維護與保養(yǎng)等工作。
朱雪平：學士畢業(yè)于江西師范大學物理與通信電子工程學院，現(xiàn)任職于廣州杰賽科技股份有限公司通信規(guī)劃設計院，主要從事移動核心網(wǎng)網(wǎng)絡規(guī)劃、設計相關工作。

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