VoLTE网络架构及关键技术论述

韩 健

（东北大学秦皇岛分校 网络中心，河北 秦皇岛 066000）

0 概述

2004年11月，3GPP（the third generation partnership project）标准化组织通过了“3G 长期演进”，即LTE（Long Term Evolution）移动通信网络项目。近些年，随着移动通信网络技术的迅猛发展，运营商现有的2G/3G 网络将无法满足移动数据业务的发展需求，从而驱动网络快速向LTE 演进。2009年3月，3GPP 标准化组织发布了R8 系统版本技术规范，该规范定义了整个EPC 网络架构。同年12月，TeliaSonera 公司部署世界上第一个LTE 商用网络。迄今为止，根据GSA 发布的研究报告，截至今年7月底，全球商用LTE 增加到200 张。全世界总计已有76 个国家正式部署商用LTE 网络。在我国，TD-LTE 示范网络已经搭建成功，TD-LTE 网络即将在国内正式商用。

1 VoLTE 系统架构

1.1 总览

VoLTE 网络包括许多的网络实体，为简便描述，在本文中将VoLTE 网络分为三个主要的部分：无线接入侧Access、LTE 核心网侧Evolved packet core 以及控制侧Control。

其中，LTE 核心网侧主要包括三个功能实体：移动管理实体MME（Mobility Management Entity），服务网关SGW（Serving Gateway）以 及PDN 网 关（Packet data network gateway）。MME 是 由GPRS 网 络 中SGSN 实体演进而来，主要提供EPC 部分核心控制功能。SGW 提供用户面的控制功能，负责数据包的路由和转发，并支持终端移动性切换用户数据功能。PGW 主要负责终端和外部分组数据网络的数据传输，在VoLTE 网络中，PGW 分配终端IP 地址并提供EPC 部分到IMS 部分的接入。

1.2 LTE 无线接入侧ENodeB

随着3G 网络的演进，EnodeB 具有3G 网络中NodeB 功能和大部分RNC（Radio Network Controller）功能，包括物理层功能HARQ（hybrid automatic repeat request），MAC、RCC、调度、无线接入控制、移动性管理功能等。LTE 无线接入侧节点EnodeB 架构。

EnodeB 架构分为物理接入层、MAC 层（Media Access Control）、RLC 层（Radio Link Control）、PDCP 层（Packet data convergence protocol）以及RRC 层（Radio Resource Control）。其中，EnodeB 通过S1_MME 接口与MME 通信，用于控制信令；通过S1_U 接口与SGW通信，负责用户数据的传输。而不同EnoceB 之间的通讯则采用X2 接口，主要用于移动终端在不同的EnodeB 之前切换时，快速实现用户资源管理以及数据迁移。

1.3 核心网EPC 架构

核心网EPC 部分主要包括MME、SGW 以及PGW 三个实体。MME 是由GPRS 网络中SGSN 节点演进而来的。MME 是LTE 接入网络的关键控制节点，负责空闲模式下用户设备的跟踪和寻呼控制，其中包括用户设备的注册与注销过程，同时帮助用户选择不同SGW，以完成LTE 系统内核心网（CN）节点切换。通过与用户归属服务器（HSS）的通信，MME 完成移动用户在EPC 部分鉴权功能。SGW 主要负责用户面处理，负责用户数据包的路由和转发，同时也负责用户终端在EnodeB 之间和LTE 与其他3GPP 技术之间移动时的用户面数据交换。

1.4 控制侧IMS 网络架构

VoLTE 网络架构中，控制侧主要包括三个部分：PCRF、HSS 以及IMS 系统。PCRF 主要负责计费以及基于会话媒体的策略控制功能。PCRF 主要与IMS 系统接入节点P-CSCF 互通，检查、控制应用侧所需的媒体资源的分配，例如媒体类型、IP 地址以及媒体通讯端口等。HSS（Home Subscriber Server）主要负责存储用户数据和业务数据。HSS 包含IMS 功能、PS 域、CS 域内HLR（home location register）功能以及鉴权功能。用户终端在附着在LTE 网络时，EPC 部分会通过HSS 获取EPC 部分鉴权向量，MME 完成终端用户在EPC 部分的鉴权；在该用户在IMS 系统注册时，IMS 系统服务器SCSCF（Server CSCF）会再次向HSS 获取IMS 内部鉴权向量，对用户再次进行鉴权，保证用户的有效性。

IMS 系统中AS（Application Server）可以提供多种业务，如PSTN网络中的传统业务、会议、彩铃彩像等。这些用户业务数据也同样保存在HSS 之中。IMS（IP Multimedia Subsystem），IP 多媒体子系统，是由3GPP 组织为移动网络定义的。经过R5、R6 两个版本，现在IMS 网络技术日趋稳定。在3GPP 的R6 版本中，IMS 已经被定义为支持所有IP接入网的多媒体业务核心网，可以支持任何一种移动的或固定的、有线的或无线的IP_CAN，同时意味着支持传统2G/3G 网络接入。

2 VoLTE 网络端到端信令流程

（1）LTE 终端在LTE 网络内附着，用户终端通过EnodeB 附着在LTE 网络内；

（2）EnodeB 将用户信息传送到EPC 部分，MME 对该用户终端进行鉴权，鉴权向量来自于HSS 节点，MME 节点通过SG 接口获取该用户鉴权向量；

（3）用户终端鉴权通过后，SGW 分配给该用户相关媒体资源，PGW分配用户终端相应的IP 地址，并将IMS 系统接入节点P-CSCF 地址通知用户终端；

（4）LTE 终端收到P-CSCF 地址后，使用PGW 分配的IP 地址作为源地址，P-CSCF 地址作为目的地址，发送IMS 系统注册请求消息到达P-CSCF；

（5）PCSCF 将用户注册消息转发到IMS 网络内部，SCSCF 通过HSS 获取IMS 系统鉴权向量，并对该用户进行IMS 内部鉴权。鉴权通过后，该用户IMS 网络内部注册成功，S-CSCF 发送成功响应消息给用户终端。注册流程顺利完成；

（6）用户终端附着LTE 网络并在IMS 系统成功注册后，终端发起对2G/3G 用户语音会话。该会话请求经过LTE 网络发送到P-CSCF节点。P-CSCF 经过与PCRF 协商，决定该会话的媒体资源，并将会话请求发送到IMS 网络内部；同时，相关的计费信息发送到计费服务器中；

（7）S-CSCF 处理会话请求，经过相应号码分析后，将消息传递给MGCF，MSC 节点，即2G/3G 传统网络入口节点。MGCF 将SIP 消息转化为ISUP 消息，该请求转发到2G/3G 传统网络中，实现LTE 用户与传统网络的互通。

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［2］家智，徐洁.服务元网络体系结构和微通信元系统构架[J].电子学报，2004.

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