VoLTE业务实现关键点研究

陶伟宜 华信咨询设计研究院有限公司高级工程师

陈云 华信咨询设计研究院有限公司高级工程师

VoLTE业务实现关键点研究

陶伟宜 华信咨询设计研究院有限公司高级工程师

陈云 华信咨询设计研究院有限公司高级工程师

分析了VoLTE的特点及网络架构，对VoLTE网络部署中的关键技术进行了研究，根据相关案例分析了在部署中的难点，并结合网络发展的实际情况给出了合理的部署建议。

LTE VoLTE IMS 语音业务

1 引言

随着移动互联网的蓬勃发展，移动通信运营商的传统语音业务ARPU值持续降低，收入增长乏力；在LTE时代以SKYPE、GoogleVoICE、微信电话本等为代表的OTT业务对传统语音业务的侵蚀将会更加严重；但用户对传统语音业务的需求依然存在，同时用户对新体验的追求，将驱使运营商提供更具吸引力的业务，以寻求新的利润增长点。VoLTE可以提供传统CS域基本语音业务的同时，还能提供HD高清语音、RCS等增值业务。因此，VoLTE所具有的提升语音体验、提升频谱效率、提高网络运营效率等优势，将在LTE时代给运营商业务收入带来新的增长。

VoLTE给用户带来良好的体验的同时，也将给网络的部署带来极大的复杂性和困难。本文将针对VoLTE部署的关键技术进行研究，并建议在LTE网络初期部署阶段就有目的地进行一些网元功能的升级，以便于未来VoLTE业务的部署。

表1 多模双待和多模单待两大类解决

2 LTE语音解决方案

LTE语音包括多模双待和多模单待两大类解决方案，具体参见表1。

目前，大多数运营商已基本达成共识，从技术角度来看，VoLTE被广泛认可为未来演进的方案。具体理由分析如下：

（1）优化频谱资源的驱动

由于频谱资源的稀缺，有运营商已考虑逐步启动2/3G退网，频段供LTE网络使用，届时语音仅能采用VoLTE解决方案。

（2）降低运营成本的驱动

未来仅部署VoLTE而无2/3G语音回落，则只需维护一张LTE网络，将有效降低运营成本；采用VoLTE可以推出纯LTE终端，降低终端的复杂度，减少终端补贴成本。

（3）丰富业务能力的驱动

VoLTE可以无缝继承现有电路域语音业务；相对于CSFB终端，VoLTE可以提供HD语音、高清视频电话以及RCS等语音加数据同步的业务，业务类型更丰富。

3 VoLTE方案

3.1 VoLTE概述与基本特征

3GPP标准定义的LTE是一张全分组的IP网络，无线空口不再保留电路域资源，需要基于分组域提供IP语音业务，即VoLTE（VoiceoverLTE）。VoLTE将继承并增强当前电路域所有的补充业务，支持继承智能网业务和增值业务，保持用户业务体验的一致性。

VoLTE的特征有：

（1）VoLTE由IMS提供呼叫控制和业务逻辑。VoLTE的信令和媒体经EPC路由至IMS网络，由IMS提供会话控制和业务逻辑，以支持高清语音、高清视频等通信业务，同时实现与2/3G的语音互通。

（2）VoLTE由EPC提供高质量的分组域承载。VoLTE中EPC作为IMS的接入网，通过全球统一的专用APN（“IMS”APN）及专用承载为用户提供区别于普通数据业务的QoS保障。

（3）网络连续覆盖前期阶段，VoLTE可通过部署SRVCC保障呼叫连续性。VoLTE终端在通话过程中漫游至无LTE覆盖的区域时，通过SRVCC将当前呼叫切换至2/3G电路域。

3.2 VoLTE的特点

LTE一直在线的特点决定了VoLTE能显著缩短接续时延；VoLTE采用AMR-WB编解码，相比于现网AMR-NB编解码，频谱范围更宽，话音更自然、舒适、更有现场感，提高了可懂度和清晰度；VoLTE可以实现分辨率VGA720P、帧率30fps的视频通话，因此其提供的高清的音频和视频通话，可以极大提升用户体验。根据试验测试VoLTE与2/3G语音对比数据如表2所示。

3.3 VoLTE组网架构

VoLTE业务的引入将给无线网、核心网、信令网、承载网等端到端的网络带来改变，包括无线接入网需支持增强功能、EPC需支持IMSAPN和QoS保证、网络需建设融合的数据库HSS、需升级IMS核心网（新建VoLTEAS）、建设可靠的DRA信令网、PCRF需支持VoLTEQoS控制、需升级改造电路域支持SRVCC功能、承载网需支持IPv6/IPv4双栈等。具体VoLTE组网架构参见图1。

4 VoLTE部署关键点及建议

表2 VoLTE与2/3G语音对比数据

4.1 LTE无线网

为了部署VoLTE，无线网需支持以下基本功能：

（1）QCI=1的承载，这样可以保证eNodeB在资源调度、接入控制时给VoLTE最高优先级。

（2）RLC层UM模式，无需RLC层重传，以减少时延，减少RLC头开销。

（3）无线承载组合，要求至少2个AMDRB（分别为默认承载和IMS信令承载）和2个UMDRB（分别承载高清语音和高清视频），以保证eNodeB可进行承载级别的QoS控制。

为了给用户更好的业务体验，建议根据实际需求引入增强功能，以优化网络性能，提升网络整体质量，改善用户业务体验。建议增强的无线功能要求有：

（1）IP包头压缩和半持续调度：IP包头压缩可大大降低头开销，提高VoLTE语音用户容量，提高数据业务吞吐量，增强边缘覆盖。半持续调度可减少控制信令开销，节省PDCCH资源，在控制信道受限的情况下，提高系统容量；提高VoLTE语音用户容量。

（2）TTIBundling时隙绑定：可提高边缘用户的接收性能，减少控制信令开销，以增强边缘覆盖。

（3）语音连续性SRVCC：LTE覆盖一般要经历热点覆盖、LTE规模覆盖、LTE连续覆盖、LTE完全覆盖几个过程，引入SRVCC可以保证用户在移动出LTE覆盖时，仍然保持语音连续，避免掉话。

图1 VoLTE组网架构

4.2 EPC网络

作为VoLTE语音方案中关键的信令和语音承载通道，EPC网络为用户的语音业务实现提供端到端的QoS质量保障，并且保证语音业务切换到2/3G时的用户体验。

在现有EPC网络中需升级以下的功能：

（1）Attach或TAU流程时下发VoLTE能力指示给终端。

（2）支持IMSPDN连接创建和语音专有承载建立。（3）支持P-CSCF发现。

（4）支持SRVCC流程（包含eMSC选择）。

（5）支持跨省切换重建IMSPDN连接。

在3GPP标准中，只有HSS一个实体，默认2/3G HLR、EPS-HSS、IMS-HSS融合。采用融合HSS的方式，设备标准化程度高，不需要定制私有接口，网络结构清晰，是VoLTE的目标方案。但是，目前运营商网络中存在大量2/3GHLR，由于建设时间比较早，不具备升级为融合HSS的能力，因此建议在现阶段的网络建设过程中可逐步替换老的HLR设备，直接部署具备升级能力的HSS设备，以避免未来用户数据大量的割接调整，影响网络安全。

4.3 IMS网络

VoLTE组网架构下，IMS的部署为一网多域，用户按需接入不同的域，使用不同的业务；而各域之间则通过路由寻址设备，基于相同的协议和标准接口来实现互通。

为实现VoLTE业务，IMS网络应能完成LTE用户的注册、域选择、业务锚定等功能。

（1）注册

用户向签约网络请求授权使用业务的过程。VoLTE解决方案下，LTE用户根据实际的信号强度覆盖，由UE选择附着到CS网络或LTE网络进行注册。其中，CS网络注册过程与普通CS网络用户注册过程相同；LTE网络注册，终端先附着到EPC网络，再在IMS网络注册。

（2）域选择

由于支持VoLTE的终端可以有多种模式，在不同的信号强度覆盖下可以附着在不同的网络，支持VoLTE的终端在呼叫时就要选择接入其中一个网络进行语音通话。当用户作为主叫时，由终端根据保存的注册网络信息完成域选择；当用户作为被叫时，由网络侧查询融合HSS获取注册网络信息完成域选择。

（3）锚定

指将呼叫从CS网络路由到IMS网络进行业务处理的过程。当LTE用户通过CS网络接入，并且签约了IMS网络业务；或者LTE用户作为被叫用户，通过LTE网络接入，并且主叫用户为CS网络用户，与LTE用户相关的呼叫请求需要通过锚定功能路由到IMS网络。此时，MSC需根据在融合HSS中签约的T-CSI触发到VoLTEAS上的锚定功能模块上获取IMRN，将呼叫路由到IMS。

4.4 PCC架构

在VoLTE中，PCC网络作为应用控制网络IMS和接入控制网络EPC间的桥梁，PCC架构实现的功能有：

（1）QoS控制

VoLTE借助PCC架构为话音、视频等业务按需建立专用承载通道，提供高优先级和带宽保障，确保无线和网络侧都能按照VoLTE质量要求进行资源分配和调度。

（2）计费控制

VoLTE借助PCC架构为话音、视频等业务分配计费ID，实现区分语音和视频的计费；并传递计费字段用于IMS计费信息和EPC计费信息的关联。

（3）位置信息提供

VoLTE依赖主叫用户的位置信息实现被叫号码补全等业务功能，P-CSCF通过PCC架构获取主叫用户的TAI信息，映射用户所在地的区号补全在SBC-domain中。

（4）辅助实现SRVCC

VoLTE借助PCC架构实现SRVCC过程中的音频专有承载的去活流程，PCC系统指示专有承载去活原因是发生PS-to-CS切换，避免IMS核心网异常切断用户会话。

因此，PCC架构实现了业务需求到网络资源控制的映射（IMS→PCC→EPC）：QoS控制、承载资源分配控制、计费控制；同时，将接入网络相关信息反馈给IMS侧以供业务侧使用（EPC→PCC→IMS）：位置信息、SRVCC切换控制信息、资源分配信息。

4.5 Diameter信令网

目前，LTE信令网承载Diameter信令，与SS7信令网独立组网，主要转接S6a接口LTE用户移动性管理信令和Gx接口的数据业务PCC信令。VoLTE架构下将新增Cx、Sh、Zh接口的VoLTEIMS信令、Gx、Rx接口的VoLTEPCC信令以及SLh、SLg接口的其他信令。针对新增的信令处理需求，DRA需新增相应的功能有：

（1）支持基于VoLTEGx/Rx的会话绑定

VoLTE使用PCC策略控制，要求同一用户的Gx与Rx接口会话在同一个PCRF上进行绑定。当网络中有多个PCRF时，DRA要实现Gx与Rx接口寻址到同一个PCRF。

（2）Gx接口区分APN进行路由和会话绑定

一个用户的VoLTE业务、数据业务、IMS紧急呼叫将使用不同的会话，用户漫游时选择不同的策略控制PCRF（如拜访地PCRF、归属地PCRF），DRA需要对于Gx接口区分APN进行路由。

（3）成对DRA之间支持会话绑定信息同步

实际网络部署Diameter信令网时是采用成对部署DRA的方式，即负荷分担。因此，同一用户的Gx和Rx接口可能送到不同的DRA，需要成对DRA之间对会话绑定信息进行同步或查询。

4.6 IPv6地址

2/3G网络下，当用户停止使用业务不产生数据流一定时间后，网络侧会释放IP地址；但在LTE网络下，用户是一直在线的，如果用户不“去附着”，网络侧将不会回收IP地址。根据统计，目前2/3G用户在线率约为5%左右，使用了几千万个IP地址。预计未来LTE用户将100%在线，对IP地址的需求将超过10亿左右。基于目前IPv4地址数量有限，IPv4无法满足LTE上网业务发展的需要。

在未来推出VoLTE业务后，VoLTE终端至少需要两个永久在线的PDN连接，一个用于互联网访问，一个用于语音通信。如果将现有所有的语音用户全部转换为VoLTE模式，则IP地址的需求将翻番。GSMA/ 3GPP/IETF等国际标准化组织均要求VoLTE终端必须支持IPv6，必须优先使用IPv6。因此，EPC核心网应在网络建设的初期就要考虑用户面支持IPv6，IMS核心网中SBC应支持双栈并进行IPv4/v6转换，以避免网络大规模建设后的改造。

5 网络商用部署分析

VoLTE已经成为国际上各大运营商的广泛共识并纳入了技术发展路线，据GSA最新统计，截止目前全球商用部署的运营商已有16家。其中，几个主要运营商部署的频段和话音提供方式具体参见表3。

国内中国移动从2013年开始部署VoLTE+eS-RVCC，部署在2.6G频段，采用TD-LTE制式，2014年底已开始VoLTE高清视频商用全国友好用户招募。以某省为例，其网络升级部署包括现网4套HSS、8套MME以及城区7000多个LTE基站升级，能够提供的业务范围包括基本音视频、基本补充业务（来电显示、呼转、长途程控）、虚拟网、亲情网、彩铃及彩印等。在目前网络负荷轻的情况下，密集城区VoLTE短呼测试接续成功率99%以上；终端呼叫建立时延达到2s左右（比2/3G网络提升了3～5倍）；eSRVCC切换时延小于200ms，满足在高速运行的高铁上进行切换；语音质量测试结果为：好点4.0，差点3.8，远好于OTT差点只有2.8的效果。

表3 主要运营商部署的频段和话音提供方式

但从国际上运营商VoLTE部署总体进展情况来看，终端不够成熟、异厂家集成复杂以及LTE全网覆盖进度慢是影响VoLTE商用速度的主要原因。另外，当网络发展到一定阶段，VoLTE在人口密集区域部署还会面临一些更大的挑战：

（1）在人口密集区域，LTE性能不如3G：3G网络的软切换和扩频增益（特别是语音业务其扩频因子比较大，可达64），使其链路预算结果远优于VoLTE。另外，对于部署在800MHz的CDMA网络比部署在高频段的LTE网络，其穿透损耗要少6.5dB。

（2）移动网络部署初期，网络负荷比较轻；但随着系统负荷提高，网络轻载下掩盖的一些缺点将凸显；而对于同频组网而又无软切换的LTE网络，在密集市区高负荷、低站间距的情况下，将导致高干扰和低的接通率。

（3）需要对LTE网络进行各类参数和RAN Features优化，但在完善的网络优化完成前，VoLTE服务质量要比CS语音服务质量差。

（4）短期内VoLTE代替CS语音业务困难大：VoLTE业务目前最大的瓶颈在于终端和芯片，高通、Marvell、博通等国际芯片厂商已有VoLTE相关产品或布局，但大部分国内芯片厂商还没有VoLTE产品规划，这都制约了VoLTE产业链的发展。因此，VoLTE业务要全部取代CS语音业务会是一个漫长的过程。

（5）需要SRVCC，导致VoLTE部署更复杂：LTE网络覆盖要经过很长一段时间才能和现有的2/3G网络相媲美，为了实现语音的连续性而部署的SRVCC需要在异厂家的LTE网络与庞大的2/3G网络之间开接口互操作，集成难度大，导致网络部署的复杂度大为提升。

对于运营商来说，是否部署VoLTE业务更多的还需要从运营的角度来考虑。如果运营商在部署VoLTE业务时，和数据业务一样按照普通数据流量计费的方式，将对其自身赢利能力有巨大冲击，因为即使按包月/分钟包方式计费，也比按数据流量计费利润高；但如果继续延续原有2G、3G时代的语音计费模式，其市场竞争力明显将不够。因此，运营商在部署VoLTE业务前必须要先找到新的能够替代传统话音业务这一最大利润来源的商业模式。

6 结束语

随着4G牌照的发放，LTE网络的建设已经进入大发展阶段，关于VoLTE业务部署的讨论也提上了日程。本文研究了VoLTE部署时的几大关键技术问题，对运营商部署网络时，从技术角度提出了一些合理的建议，同时也从运营角度对部署存在的难点进行了简单分析。

1 吴琼,薛楠.网络演进中的语音解决方案.邮电设计技术.2012,5

2 陶伟宜.CDMA与LTE组网互操作解决方案研究.邮电设计技术.2013,11

3 朱斌,文涛,符刚,刘牧寅,吴琼.VoLTE部署关键问题研究.邮电设计技术.2014,2

ResearchontheKeyTechnology of the Implementation of LTEVoice Service

This paper analyzes the features and network architecture of the VoLTE, studies the key technology of VoLTE deployment , and gives deployment recommendation according to the actual situation of the network.

LTE,VoLTE,IMS,voice service

2015-05-01）