VoLTE技术演进及改进的研究与分析

陈东+刘伟+朱南皓

【摘 要】通过详细分析4G网络下VoLTE所涉及的不同技术方案，从降低功耗、提升连续性以及创新性策略这3个切入点研究了VoLTE技术方案的改进方向，并基于世界移动通信大会（MWC）的数据，对2014年VoLTE技术在世界范围内的发展作出了乐观的展望。

【关键词】VoLTE CSFB SVLTE OTT SRVCC 功耗 连续性

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2014）-20-0048-06

Research and Analysis of Evolution and Improvement for VoLTE Technology

CHEN Dong1， LIU Wei2， ZHU Nan-hao3

（1. China United Network Communications Co.， Ltd.， Shanxi Branch， Xi'an 710075， China；

2. China United Network Communications Co.， Ltd.， Sichuan Branch， Chengdu 610041， China；

3. GCI Science & Technology Co.， Ltd.， Planning and Design Institute， Guangzhou 510310， China）

[Abstract] Through the analysis of different technical solutions for VoLTE under 4G network， the improvement directions of VoLTE technology solutions are studied in terms of reducing power consumption and improving continuity and innovation. Based on the data of mobile world congress （MWC）， the development of VoLTE technology in the world in 2014 is optimistic.

[Key words]VoLTE CSFB SVLTE OTT SRVCC power consumption continuity

1 前言

在移动通信网络经历的巨大变革中，从1G时代简单的模拟信号移动化到2G时代的数字信号与移动数据传输，再从3G时代移动数据专属通道到4G时代的超高速移动数据网络，纵观从1G时代纯通话网络到4G的纯数据网络的发展历程，数据传输已在移动通信中逐步凸显其重要地位。

然而，根据世界范围内运营商的数据统计来看，语音业务在当前仍然可以占到盈利比重的约60%以上。因此，即使在4G高速纯数据移动通信网络中，语音业务也是不可或缺的。但是，由于全新的4G LTE移动网络系统架构演进导致其不再向后兼容传统的GSM、UMTS以及CDMA网络下的语音传输电路交换技术（CS网络），而只支持基于全IP网络下的分组交换（PS网络），因此在LTE网络下构建承载语音通话的VoLTE（Voice over LTE）服务正成为近年来移动通信行业内亟待解决的问题。

2 VoLTE技术方案

近年来，围绕关于LTE语音业务（VoLTE）的讨论中出现过多种方案，在较大范围内被认可的LTE主流语音解决方案按时间演进顺序来说，通常有：电路交换域回落技术（CSFB，Circuit Switched Fallback）、双待机模式（SVLTE，Simultaneous Voice and LTE）、OTT（Over-The-Top）方案和单一无线语音呼叫连续性（SRVCC，Single Radio Voice Call Continuity）方案。

2.1 电路交换域回落技术（CSFB）

对于CSFB技术方案，在行业内部通常把其看作是LTE语音通话服务演进的第一步，也是一种过渡方案。如图1所示，此方案中对数据业务的处理是承载于LTE网络的PS域，而对语音通话业务的处理则是需要预先回滚到现网的CS域才能进行。

图1 电路交换域回落技术（CSFB）

作为一种临时的过渡技术方案，对运营商而言如果使用该方案，将会面临对现网建设的二次投资以及相关升级改造费的增长。而这些升级重建对现网MSC又是不可避免的，因为需要使用改造升级后的MSC尽量去减少漫游重试（Roaming Retry）的可能性，否则会导致语音通话建立时延的增加，再加上该技术方案所要求的双网注册流程（LTE网络和2G/3G现网的初期注册）和异网间的切换流程，通话建立时延有进一步增加的风险，从而严重影响用户体验。

因此，考虑到该技术手段的局限性和不足，根据英国Telecom & Media咨询公司的权威调查报告显示，截至2013年，世界范围内仅有约10%的运营商支持并正在使用这种方案为用户提供相应服务。

2.2 双待机模式（SVLTE）

所谓的SVLTE也就是通俗的双待机模式，如图2所示。该技术方案作为CSFB的一种辅助和补充形式于2010年提出。类似于CSFB，采用SVLTE时是由2G/3G现网承载语音业务，LTE提供数据业务支持。作为一个纯粹基于手持终端设备的方案，其简单适用，对现网的建设或者IMS的部署没有特别的要求。但是，该方案需要有支持双射频收发的终端设备，这无疑会增加制造成本，并且同时也会导致大量功耗。

图2 双待机模式（SVLTE）endprint

2.3 新兴的OTT方案

利用LTE所具备的高带宽、低延时、永久在线以及全IP网络化的特点，新兴的OTT解决方案如Skype、Google Hangout、WhatsApp、LINE以及WeChat（微信）等服务，通过使用运营商的网络作为传输媒质来提供自身语音话务的模式已被广泛接受，如图3所示。然而，基于OTT方案来承载的语音业务不在运营商的管理范围之内，也不能成为运营商营收的主要来源，因此OTT的发展得不到运营商的支持。

图3 主流OTT语音服务

换一个角度来说，OTT服务商的崛起也为电信运营商发展自身优势VoLTE服务提供了思路，借助于自身独有的用户资源、网络基础设施、业界通信标准优势以及各种政策优势，传统电信运营商可以建立自己的VoLTE业务，最大的受益点在于运营商可以扩展当前业务模式并构建基于自身网络提供完整服务的平台，从而打造一体化的生态系统。对于用户来说，优势如下：

（1）在现网中使用传统业务的同时体验新兴业务可以获得保障；

（2）VoLTE能提供足够比特率支持高质语音服务；

（3）拨打应急电话得到保障；

（4）自身网络内各种附加业务的整合。

2.4 单一无线语音呼叫连续性（SRVCC）

以上的几种在LTE网络中提供语音业务的解决方案作为过渡手段，都未能发挥出LTE承载语音话务的网络优势。由于LTE向市场的推广是分阶段部署，其过程中运营商对于新型的LTE网络的核心网基础设施如IMS、EPC等的部署也是在紧锣密鼓地进行。在初步完成核心网络设施部署后，SRVCC对于如何高效利用LTE网络和2G/3G现网提供了解决方案，如图4所示：

图4 单一无线语音呼叫连续性（SRVCC）解决方案

SRVCC是一种基于单一射频收发模式的技术解决方案，在设备成本、大小以及功耗上都比双射频收发方案有更大优势。SRVCC能在LTE覆盖不足区域无缝平滑地把VoLTE语音业务转换到2G/3G现网，在保证话音业务连续性的同时满足各项严格的QoS指标。目前该方案推广已逐步获得世界范围内主要运营商的认可。

3 VoLTE技术方案的改进研究

基于以上对VoLTE的几种相关技术方案的阐述，选择合适的、优化的VoLTE解决方案从总体上来说，主要从3个方面作为切入点：降低功耗、增强语音连续性以及创新性解决办法。

3.1 基于硬件改进的VoLTE低功耗解决方案

基于单射频收发的SRVCC技术虽然在功耗节能上明显优于SVLTE方案，但是作为网络终端设备节点来说，其节约的能耗在整体网络中仍只是很小的一部分。

对于功耗总体的降低，其核心还在于对网络基础设施等的改进。以图5所示的IMS设备为例，传统架构的IMS设备会经路由把所有IP流数据引入应用处理器（AP，Application Processor）中的IP协议栈（IP Stack）进行处理。因此，当发生语音通话的VoLTE业务时，AP会始终处于激活状态。

图5 传统VoLTE硬件处理架构

相比较而言，在一些研究和实景测试中发现，如果用Modem处理器（Modem Processor）来处理VoLTE语音业务，将有助于节省大量功耗。如图6所示，基于此优化架构的IMS设备，VoLTE语音业务数据流将被直接路由到Modem处理器的IP协议栈中进行处理。因此，当只有纯语音业务而没有其他IP数据产生流向AP时，AP将可以在整个VoLTE语音业务期间进入睡眠状态，从而降低功耗。

3.2 基于策略的VoLTE低功耗解决方案

基于策略型的低功耗解决方案对比于硬件上的改进而言相对容易。但是以2G/3G现网为基准，由于LTE网络环境下所承载的高速率和多频带导致其功耗的必然增加。如果在天线射频等硬件设备上寻求工艺的改进而降低功耗，也不可避免会消耗巨大的周期，将延缓VoLTE业务的推广。

作为一种折中方案，使用非连续性接收和发送（DRX/DTX）模式将能在很大程度上节省能量消耗。具体而言，就是使接收和发送路径只在需要时被激活，以达到节能的目的。依据相关仿真数据[x]，在采用此种优化策略并结合上节所建议的机制（VoLTE语音业务在Modem处理器上处理）的情况下，当终端设备配置为每20ms周期进行接收时，Modem处理器有65%的时间处于激活状态；而当40ms作为周期时，Modem处理器只有35%的时间处于激活状态。

对于功耗，图7显示了3G现网、VoLTE不采取DRX策略以及VoLTE采取DRX策略时的对比情况。由此可知，当使用40ms DRX的VoLTE业务时，功耗可达到3G语音业务功耗的40%～50%；而采用接收较为频繁的20ms DRX的VoLTE业务时，也只是增加到50%～60%的3G语音业务功耗。

3.3 基于增强型SRVCC的VoLTE连续性解决方案

就连续性而言，对于SRVCC用户从本地主网络漫游到另一个异地网络时，传输时延会增加SRVCC环境下的通话等待时间，这是由于异地VoLTE网络的SRVCC MSC服务器和本地IMS主网的SCC-AS之间距离增加而引起的。

为了进一步降低这种通话等待时间对国际漫游的影响，3GPP标准中定义了eSRVCC（增强型SRVCC）机制作为有效的解决方案。传统SRVCC的通话等待时间由于IMS传输部分距离的增加而变长，如图8所示。

对于eSRVCC方案，其关注点在于把IMS用于控制信号和用户承载的交换节点迁移到更靠近VoLTE用户的异地网络端。这一过程是基于把ATCF（传输接入控制功能单元）和ATGW（传输接入网关单元）部署在异地网络中而实现的，如图9所示。endprint

ATCF单元的插入使用是在IMS注册过程中以及移动终端无线接入的路径上。随后ATCF发送到MME的地址信息会使得MME激活SRVCC过程，并发送STN-SR信息到MSC服务器。对比于传统SRVCC机制，以下MSC开始的过程在eSRVCC中将通过异地网络已部署的ATCF和ATGW完成而非本地主网络。当MSC服务器接收到STN-SR信息后，MSC会开始初始化与IMS的传输并协助IMS完成目标2G/3G现网的CS域平滑切换。因此，通话拨打是基于同一个异地VoLTE网络，采用eSRVCC机制的网络避免了两移动终端距离增加而引起的延时，从而保证了切换在同一网络条件下的快速完成。

3.4 基于网络浏览器的创新性解决方案

随着LTE网络的进一步覆盖，LTE智能手机终端的逐渐普及，智能终端上的网络浏览器将成为人们获取信息的一个非常重要的来源。同时，浏览器的功能也从最初的文字图像信息展示扩展到了可以对实时承载图像和语音的传输。

因此，LTE网络环境下集成了音视频处理、网络传输以及网络管理等功能的浏览器，将为VoLTE未来的发展提供一些创新性解决思路。基于浏览器的应用不仅可以通过开放的API接口为VoLTE服务提供必要的用户鉴权、QoS保障以及现网兼容等功能，同时浏览器庞大的用户基础还可以推进VoLTE服务的快速部署。此外，浏览器应用的开发和维护通常都不需要运营商的直接参与，因此有利于在运营商层面降低VoLTE的整体部署和维护成本。

从技术发展观点来说，此种新型的基于LTE网络的VoLTE浏览器实时通信解决方案，通过网络浏览器的软件构架来承载实时语音对话和视频对话业务，从而破除了系统平台和客户端软件的限制，能够以更开放的结构和理念推进VoLTE未来的发展。目前基于这种理念，设备厂商中兴已经提出了自己的VoLTE浏览器解决方案RTCWeb，并允许第三方开发者通过JavaScript API用户接口提供相应的服务。

4 VoLTE技术展望

不断演进的3GPP版本规范促使VoLTE技术和标准逐步完善和成熟。目前越来越多的测试和试验都在如期进行，并且发布的各种LTE智能手持终端都为VoLTE的广泛商用提供了良好的环境。在MWC 2014峰会预测了2014年VoLTE的发展：截止2014年底，全球LTE基站将超过80万个，覆盖人口超过30亿，保守销售1.5亿部智能终端。这意味着全球人口的一半将被LTE 4G网络覆盖，从而享受高质量的VoLTE服务。

参考文献：

[1] Matti Huotari. VoLTE Power Consumption Whitepaper[R]. Renesas Mobile， 2013： 1-8.

[2] Alcatel Lucent. Service Continuity for Todays Voice over LTE Subscribes （white paper）[R]. 2012： 1-15.

[3] E Manzer. Evolution and Deployment of VoLTE （Voice over Long Term Evolution）[J]. Elektrotechnik & Informationstechnik， 2012（11）： 413-415.

[4] Spiros Louvros， Angelina Gkioni. Voice Over LTE （VoLTE）： Service Implementation and Cell Planning Perspective-chp3： System-Level Design Methodologies for Telecommunication[M]. New York： Springer International Publishing， 2014.

[5] Ericsson Corporate Public & Media Relations. VoLTE： Press Backgrounder[R]. 2013.

[6] Qualcomm Technologies， Inc. VoLTE with SRVCC： The Second Phase of Voice Evolution for Mobile LTE Devices （white paper）[R]. 2012.

[7] Koshimizu Takashi， Tanaka Itsuma. Improvement on the VoLTE （Voice Over LTE） Domain Handover with Operators Vision[A]. World Telecommunications Congress （WTC12）[C]. 2012： 1-5.

作者简介

陈东：工程师，工学硕士毕业于西安电子科技大学，现任中国联合网络通信有限公司陕西省分公司网络建设部副总经理，主要负责陕西联通网络规划、设计及建设工作。

刘伟：高级工程师，工学博士毕业于西南交通大学，研究领域为通信网络规划，现任职于中国联合网络通信有限公司四川省分公司，主要从事移动网、数据网规划建设工作。

朱南皓：工程师，工学博士毕业于法国里昂中央理工大学，研究领域为无线传感器网络与物联网，现任职于广州杰赛科技股份有限公司通信规划设计院，主要从事通信网络规划设计研究工作。endprint

ATCF单元的插入使用是在IMS注册过程中以及移动终端无线接入的路径上。随后ATCF发送到MME的地址信息会使得MME激活SRVCC过程，并发送STN-SR信息到MSC服务器。对比于传统SRVCC机制，以下MSC开始的过程在eSRVCC中将通过异地网络已部署的ATCF和ATGW完成而非本地主网络。当MSC服务器接收到STN-SR信息后，MSC会开始初始化与IMS的传输并协助IMS完成目标2G/3G现网的CS域平滑切换。因此，通话拨打是基于同一个异地VoLTE网络，采用eSRVCC机制的网络避免了两移动终端距离增加而引起的延时，从而保证了切换在同一网络条件下的快速完成。

3.4 基于网络浏览器的创新性解决方案

随着LTE网络的进一步覆盖，LTE智能手机终端的逐渐普及，智能终端上的网络浏览器将成为人们获取信息的一个非常重要的来源。同时，浏览器的功能也从最初的文字图像信息展示扩展到了可以对实时承载图像和语音的传输。

因此，LTE网络环境下集成了音视频处理、网络传输以及网络管理等功能的浏览器，将为VoLTE未来的发展提供一些创新性解决思路。基于浏览器的应用不仅可以通过开放的API接口为VoLTE服务提供必要的用户鉴权、QoS保障以及现网兼容等功能，同时浏览器庞大的用户基础还可以推进VoLTE服务的快速部署。此外，浏览器应用的开发和维护通常都不需要运营商的直接参与，因此有利于在运营商层面降低VoLTE的整体部署和维护成本。

从技术发展观点来说，此种新型的基于LTE网络的VoLTE浏览器实时通信解决方案，通过网络浏览器的软件构架来承载实时语音对话和视频对话业务，从而破除了系统平台和客户端软件的限制，能够以更开放的结构和理念推进VoLTE未来的发展。目前基于这种理念，设备厂商中兴已经提出了自己的VoLTE浏览器解决方案RTCWeb，并允许第三方开发者通过JavaScript API用户接口提供相应的服务。

4 VoLTE技术展望

不断演进的3GPP版本规范促使VoLTE技术和标准逐步完善和成熟。目前越来越多的测试和试验都在如期进行，并且发布的各种LTE智能手持终端都为VoLTE的广泛商用提供了良好的环境。在MWC 2014峰会预测了2014年VoLTE的发展：截止2014年底，全球LTE基站将超过80万个，覆盖人口超过30亿，保守销售1.5亿部智能终端。这意味着全球人口的一半将被LTE 4G网络覆盖，从而享受高质量的VoLTE服务。

参考文献：

[1] Matti Huotari. VoLTE Power Consumption Whitepaper[R]. Renesas Mobile， 2013： 1-8.

[2] Alcatel Lucent. Service Continuity for Todays Voice over LTE Subscribes （white paper）[R]. 2012： 1-15.

[3] E Manzer. Evolution and Deployment of VoLTE （Voice over Long Term Evolution）[J]. Elektrotechnik & Informationstechnik， 2012（11）： 413-415.

[4] Spiros Louvros， Angelina Gkioni. Voice Over LTE （VoLTE）： Service Implementation and Cell Planning Perspective-chp3： System-Level Design Methodologies for Telecommunication[M]. New York： Springer International Publishing， 2014.

[5] Ericsson Corporate Public & Media Relations. VoLTE： Press Backgrounder[R]. 2013.

[6] Qualcomm Technologies， Inc. VoLTE with SRVCC： The Second Phase of Voice Evolution for Mobile LTE Devices （white paper）[R]. 2012.

[7] Koshimizu Takashi， Tanaka Itsuma. Improvement on the VoLTE （Voice Over LTE） Domain Handover with Operators Vision[A]. World Telecommunications Congress （WTC12）[C]. 2012： 1-5.

作者简介

陈东：工程师，工学硕士毕业于西安电子科技大学，现任中国联合网络通信有限公司陕西省分公司网络建设部副总经理，主要负责陕西联通网络规划、设计及建设工作。

刘伟：高级工程师，工学博士毕业于西南交通大学，研究领域为通信网络规划，现任职于中国联合网络通信有限公司四川省分公司，主要从事移动网、数据网规划建设工作。

朱南皓：工程师，工学博士毕业于法国里昂中央理工大学，研究领域为无线传感器网络与物联网，现任职于广州杰赛科技股份有限公司通信规划设计院，主要从事通信网络规划设计研究工作。endprint

ATCF单元的插入使用是在IMS注册过程中以及移动终端无线接入的路径上。随后ATCF发送到MME的地址信息会使得MME激活SRVCC过程，并发送STN-SR信息到MSC服务器。对比于传统SRVCC机制，以下MSC开始的过程在eSRVCC中将通过异地网络已部署的ATCF和ATGW完成而非本地主网络。当MSC服务器接收到STN-SR信息后，MSC会开始初始化与IMS的传输并协助IMS完成目标2G/3G现网的CS域平滑切换。因此，通话拨打是基于同一个异地VoLTE网络，采用eSRVCC机制的网络避免了两移动终端距离增加而引起的延时，从而保证了切换在同一网络条件下的快速完成。

3.4 基于网络浏览器的创新性解决方案

随着LTE网络的进一步覆盖，LTE智能手机终端的逐渐普及，智能终端上的网络浏览器将成为人们获取信息的一个非常重要的来源。同时，浏览器的功能也从最初的文字图像信息展示扩展到了可以对实时承载图像和语音的传输。

因此，LTE网络环境下集成了音视频处理、网络传输以及网络管理等功能的浏览器，将为VoLTE未来的发展提供一些创新性解决思路。基于浏览器的应用不仅可以通过开放的API接口为VoLTE服务提供必要的用户鉴权、QoS保障以及现网兼容等功能，同时浏览器庞大的用户基础还可以推进VoLTE服务的快速部署。此外，浏览器应用的开发和维护通常都不需要运营商的直接参与，因此有利于在运营商层面降低VoLTE的整体部署和维护成本。

从技术发展观点来说，此种新型的基于LTE网络的VoLTE浏览器实时通信解决方案，通过网络浏览器的软件构架来承载实时语音对话和视频对话业务，从而破除了系统平台和客户端软件的限制，能够以更开放的结构和理念推进VoLTE未来的发展。目前基于这种理念，设备厂商中兴已经提出了自己的VoLTE浏览器解决方案RTCWeb，并允许第三方开发者通过JavaScript API用户接口提供相应的服务。

4 VoLTE技术展望

不断演进的3GPP版本规范促使VoLTE技术和标准逐步完善和成熟。目前越来越多的测试和试验都在如期进行，并且发布的各种LTE智能手持终端都为VoLTE的广泛商用提供了良好的环境。在MWC 2014峰会预测了2014年VoLTE的发展：截止2014年底，全球LTE基站将超过80万个，覆盖人口超过30亿，保守销售1.5亿部智能终端。这意味着全球人口的一半将被LTE 4G网络覆盖，从而享受高质量的VoLTE服务。

参考文献：

[1] Matti Huotari. VoLTE Power Consumption Whitepaper[R]. Renesas Mobile， 2013： 1-8.

[2] Alcatel Lucent. Service Continuity for Todays Voice over LTE Subscribes （white paper）[R]. 2012： 1-15.

[3] E Manzer. Evolution and Deployment of VoLTE （Voice over Long Term Evolution）[J]. Elektrotechnik & Informationstechnik， 2012（11）： 413-415.

[4] Spiros Louvros， Angelina Gkioni. Voice Over LTE （VoLTE）： Service Implementation and Cell Planning Perspective-chp3： System-Level Design Methodologies for Telecommunication[M]. New York： Springer International Publishing， 2014.

[5] Ericsson Corporate Public & Media Relations. VoLTE： Press Backgrounder[R]. 2013.

[6] Qualcomm Technologies， Inc. VoLTE with SRVCC： The Second Phase of Voice Evolution for Mobile LTE Devices （white paper）[R]. 2012.

[7] Koshimizu Takashi， Tanaka Itsuma. Improvement on the VoLTE （Voice Over LTE） Domain Handover with Operators Vision[A]. World Telecommunications Congress （WTC12）[C]. 2012： 1-5.

作者简介

陈东：工程师，工学硕士毕业于西安电子科技大学，现任中国联合网络通信有限公司陕西省分公司网络建设部副总经理，主要负责陕西联通网络规划、设计及建设工作。

刘伟：高级工程师，工学博士毕业于西南交通大学，研究领域为通信网络规划，现任职于中国联合网络通信有限公司四川省分公司，主要从事移动网、数据网规划建设工作。

朱南皓：工程师，工学博士毕业于法国里昂中央理工大学，研究领域为无线传感器网络与物联网，现任职于广州杰赛科技股份有限公司通信规划设计院，主要从事通信网络规划设计研究工作。endprint