单位文秘网 2022-02-07 08:12:30 点击: 次
【摘 要】介绍了VoLTE网络的关键技术,通过对VoLTE在实际建设中涉及的重点问题如业务运营面临的挑战、与现有2G/3G网络的协作机制、网元建设与改造、IP承载网改造等方面的研究分析,对相关工作经验进行总结,为VoLTE的规划与建设提供有价值的参考。
【关键词】VoLTE 4G建设 VoLTE规划 VoLTE部署
1 LTE介绍及应用情况
LTE是Long Term Evolution(长期演进)的缩写,3GPP R8开始定义LTE技术标准,其定位为3G技术的演进升级,目前全球运营商均将LTE统称为4G。按频段使用方式(即双工方式)的不同,LTE分为TDD(上下行共用频谱,但分时发送数据)和FDD(上下行分别使用不同频段,可同时发送数据)2种,除了无线侧(如通信频段、报文帧结构定义等)有区别外,其它方面基本相同。以TD-LTE模式为例,按照1:3上下行时隙配比计算,下行峰值速率约110Mbps,上行峰值速率约为10Mbps,下载1GB的电影用时不到2min,而使用3G(TD-SCDMA)下载则需要80min左右。由此可见,对用户来说,LTE是极具诱惑力的高速移动宽带。
据GSA统计显示:截止今年6月份,全球已有超过300家电信运营商为107个国家提供商用LTE网络服务,预计到今年年底,全球LTE商用网络将超过350个,仅今年已新增的LTE网络部署地区就超过了30个,如保加利亚、瓦努阿图、中国台湾省等。目前商用建设的LTE网络以FDD制式和1800M频段居多,也有部分电信运营商部署了TDD和FDD融合的LTE网络。
由于TD-LTE与TD-SCDMA(中国移动的3G网络制式)在无线侧(如帧结构)有很多相似点,因而可直接基于3G进行升级部署。中国移动的4G LTE网络采用TDD模式,2013年底中国移动在某市建设VoLTE实验局,利用现网IMS成功打通了到韩国的4G高清视频通话(基于VoLTE)。
2 VoLTE组网架构
LTE网络只提供分组数据通信(即只有PS域,没有CS域),语音和数据业务(如视频流媒体、宽带上网、移动游戏等)均承载于IP分组数据网络上。VoLTE通过LTE网络来承载语音通讯,语音呼叫的信令都经过IMS(IP多媒体子系统)网络来控制。图1为VoLTE的网络架构及关键网元,主要包括无线接入、LTE网络和IMS核心网。
2.1 IMS网络
IMS是IP多媒体子系统(IP Multimedia Subsystem)的缩写,会话控制、业务承载全部基于IP网络;为用户提供语音、视频、图片、文本等多媒体服务;子系统的概念就是其依赖于现有的网络系统,把GPRS/LTE/WLAN等作为移动无线接入的承载网,把固网宽带作为固定接入的承载网。
IMS重点包含CSCF、HSS、AS、SBC和PCRF网元,以SIP、Diameter协议交互。
CSCF(呼叫状态控制)网元是IMS的关键核心网元,主要实现呼叫接入、控制与处理逻辑,同时可根据用户签约实现业务触发;CSCF类同于2G核心网的MSC、3G核心网(CS域)的MSC Server、固网NGN中的固定软交换(Soft Switch)设备。
HSS(归属用户服务器)主要实现IMS用户数据,如账号和签约信息的存储,类同于移动2G核心网中的HLR。
AS(应用服务器)实现智能业务逻辑控制功能,类同于智能网中的SCP,提供智能业务控制功能,如彩铃、彩像、智能语音呼叫(呼叫前转)等。
SBC(会话边缘控制器)将终端用户接入到IMS网络,主要提供接入控制、网络拓扑隐藏、NAT、QoS保障和网络安全等功能。
PCRF(策略控制设备)主要为VoLTE用户提供QoS带宽保障服务,如根据不同用户的签约信息提供有区别的QoS保障服务。
综上所述,IMS主要为VoLTE提供语音呼叫控制,其中SCC AS和ATCF/ATGW(可与SBC合设)在VoLTE中主要为eSRVCC(增强型的单待无线语音呼叫连续性)提供会话控制的锚定、实现语音从LTE网络到2G/3G的快速切换等功能。
2.2 LTE承载网络
LTE网络主要提供移动宽带服务,为每个用户提供无线数据通道的管理服务。
MME(Mobility Management Entity)主要实现移动性管理、承载管理、用户鉴权认证等功能,即分组数据通信的信令控制网元。
SGW(服务网关)主要负责用户面处理,包括数据承载通道的建立/修改/释放、数据报文的路由和转发、QoS控制和计费等,SGW即为分组数据通信的媒体处理单元。
PGW(分组数据网关),是PDN(分组数据网络)终结于SGI接口的网关,主要负责LTE终端的IP地址分配、会话管理(根据不同的APN寻址到对应的外部数据网络)、QoS策略执行、计费等功能。
3 VoLTE关键技术及挑战
VoLTE网络中的网关设备均可为用户提供QoS保障:对于语音业务,为其建立QCI(QoS等级标识)=1的专有承载,即优先级最高的QoS保障,同时采用AMR-WB的高清语音编码格式,因而VoLTE的语音质量和用户体验要更优于2G/3G网络。
3.1 LTE语音方案
LTE终端包括多模双待和多模单待2类:
(1)多模双待(支持多种模式和双网络待机),终端同时驻留于2G/3G和LTE网络,语音业务通过2G/3G提供,数据业务通过LTE或2G/3G提供。
(2)多模单待(支持多种模式和单网络待机),又分为如下2种模式:
语音业务不通过LTE提供(LTE网络提供纯数据业务)
CSFB(CS域回落):终端优选驻留LTE网络,在有语音通讯需求时,网络辅助其回落到2G/3G网络,通过接入2G/3G网络建立通话,通话结束后再重选返回LTE网络。
语音业务通过LTE提供(即VoLTE/SRVCC)
在LTE覆盖范围内通过LTE网络提供基于IMS的语音业务;在呼叫过程中离开LTE覆盖范围时,支持LTE语音与2G/3G的互操作来保证连续性。
3.2 VoLTE关键技术
VoLTE网路的无线侧采用OFDM(正交频分复用)、MIMO(多进多出,空间分集)等技术,对比3G极大提高了频谱利用率和数据速率。同时无线底层提供3大增强功能,包括半持续调度、头压缩、TTI-Bundling,可进一步提供VoLTE的覆盖和容量性能。因而VoLTE网络可为用户提供丰富的宽带无线多媒体服务,如在线电影、视频通讯、大文件下载等。
3.3 VoLTE时代电信运营商面临的挑战
考虑到双待机作为一种终端形态将长期存在,同时兼顾到TD-LTE产业的成熟度,在网络建设运营初期,可由电路域提供语音服务而LTE提供纯宽带业务。后续随着SRVCC(单待无线语音呼叫连续性)的全网部署,VoLTE作为基本语音业务,将逐步取代传统的电路域语音。
随着LTE网络的部署,互联网OTT应用(如微信提供近乎免费的VoIP通讯服务)的特性及用户体验都将大大增强,这将导致VoLTE移动语音业务面临着巨大挑战:一方面,在2G/3G时代,移动带宽不具备承载高质量VoIP的能力(如音视频通讯),OTT多基于Wi-Fi等固定宽带接入,其使用环境、用户体验将受到很大限制,电信运营商基于广域覆盖的移动网络所提供的语音服务具有天然的优势;但到了LTE时代,OTT的网络能力反而被大大提升,加上其自身优秀的业务体验,OTT over Wi-Fi变为OTT over LTE,用户可随时随地(在LTE网络覆盖区)使用OTT业务,这将给电信运营商带来很大冲击。另一方面CSFB和双待机仍需要电路域提供语音业务,因此要求2G/3G和LTE网络长期共存,需要电信运营商做好三网融合协作的规划和运营。OTT over Wi-Fi向OTT over LTE的转变如图2所示:
图2 OTT over Wi-Fi 向OTT over LTE的转变
4 VoLTE与2G/3G网络的融合协作
VoLTE是TD-LTE网络承载语音业务的目标方案,在网络建设与运营初期,考虑到无网络覆盖区和小区边缘的通话质量,VoLTE网络需要支持与现网2G/3G进行平滑快速的切换,即通过SRVCC(单待无线语音呼叫连续性)技术,VoLTE网络实现与2G/3G网络的融合协作。
(1)支持SRVCC的VoLTE终端在执行(联合)网络附着、路由区/位置区更新等移动管理操作时,向网络上报相关能力;当其作为主叫向另一IMS终端发起语音呼叫,呼叫成功并建立媒体连接后,双方进行通话。eNodeB要求VoLTE终端上报网络信号的测量报告。
(2)当用户离开TD-LTE网络覆盖区或者用户所在区域的LTE信号很弱时,eNodeB检测到终端上报的信号强度/质量低于预定门限,则向MME发起切换请求到2G/3G小区。
(3)MME根据eNodeB上报的切换到目标小区信息和配置的对应eMSC(支持SRVCC的MSC)信息,通过Sv接口通知2G/3G网路中的eMSC准备切换,eMSC指示资源预留。
(4)eMSC向MME返回资源成功预留信息,eNodeB通知终端切换到2G/3G网络。
(5)VoLTE终端成功接入eMSC后,eMSC向IMS网络发起媒体更新流程,用于更新之前的媒体(语音)连接,后续远端IMS终端通过eMSC与主叫进行语音通信。
从SRVCC终端切换到2G/3G网络,eMSC需要通知用户归属地的IMS网络更新语音媒体流,所以会引起较长的切换延迟;在SRVCC基础上,通过在拜访地引入ATCF/ATGW设备作为媒体锚定点,节省远端媒体的更新时间,可将切换时延减低至300ms以内,这就是eSRVCC。VoLTE网络与2G/3G网络的协作如图3所示:
图3 VoLTE网络与2G/3G网络的协作
5 VoLTE现网规划建设研究
VoLTE网络的部署建设,需要提前考虑频谱分配与使用、新网元建设、现网网元改造对接、承载网改造等多方面的规划,如下基于国内TD-LTE网络展开研究分析。
5.1 TD-LTE频谱使用考虑
国内TD-LTE网络分配的频段包括D、E、F这3种,D频段中的2 575—2 635MHz、E频段的2 320—2 370MHz、F频段的1 880—1 900MHz。其中F、D频谱可用于全网覆盖,E频谱仅用于室内覆盖,F频段有部分被TD-SCDMA所占用,因而LTE网络的无线规划和优化需要考虑好与3G无线网络的干扰问题。
5.2 新网元部署与现网网元改造
为运营VoLTE网络(支持eSRVCC),除了建设EPC(Evolved Packet Core network,LTE核心网)和4G基站外,IMS网络中要新建SCC AS(用于实现语音会话控制的锚定和切换)等网元。CS域中的MSC和HLR、IMS域中的SBC/DRA、PS域中的PGW/MME/PCRF、eNodeB等网元设备均需要改造升级。当然面向用户最重要的是终端(UE)需要支持VoLTE。新网元部署与现网改造如图4所示:
图4 新网元部署与现网改造
5.3 IP承载网改造规划
VoLTE网络需要为每个终端提供2个永久在线的PDN(分别对应不同的APN),一个连接IMS实现VoIP的语音服务,另外一个连接CMNet实现宽带数据服务。在VoLTE网络建设中,不同地域、不同类型网络之间的VPN互联互通等设计工作最为复杂,需要统筹规划,图5所示的规划研究方面(不能涵盖现网全部情况)可作为参考。
图5所示IP承载网络中主要涉及IMS域的信令/媒体VPN、软交换域的信令/媒体APN、PCC VPN,以SBC、S/PGW、MME为例描述部分相关的改造工作。
新建设的SBC可以融合P-CSCF/ATCF/ATGW的功能逻辑,增加Rx接口接入到PCC VPN;新增Mw/Rf接口,共用物理接口和IP接入IMS VPN。
S/P-GW:增加Gx接口,接入PCC VPN;增加SGi接口,用于VoLTE业务,通过专用VPN接入SBC。
MME:为支持SRVCC,与传统3G CS域互通,新增Sv接口接入软交换信令VPN。
6 总结
在移动互联网大行其道的时代,VoLTE网络的建设与应用极大地丰富了用户的沟通与生活,为用户提供了更多的选择、更优质的业务体验。对电信运营商来说,VoLTE网络的投资建设与市场运营工作将面临很多方面的挑战,网络的建设规划工作非常重要。同时,面对OTT的竞争,做好VoLTE相关业务的规划和创新产品的研发工作更为紧迫。
参考文献:
[1] 中国移动通信集团公司. TD-LTE百问丛书[Z]. 2013.
[2] 邵建. 面向个人移动用户的多媒体子系统中间件应用[J]. 江苏通信, 2012(1).
[3] 中国移动通信集团研究院. TD-LTE话音业务解决方案[Z]. 2013.
[4] 3GPP TS 23.228 V12.5.0. IP Multimedia Subsystem (IMS) Stage 2[S]. 2014.
[5] 3GPP TS 23.216 V12.1.0. Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC) Stage 2[S]. 2014.★
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