移动通信中基于IMS的Voice over Wi—Fi解决方案研究

方琰崴

1 引言

据GSA（Global Mobile Suppliers Association）报告预测：到2018年，语音业务仍然占运营商业务收入的50%以上。随着LTE时代的到来，如何快速提供高质量、广覆盖的语音解决方案就显得格外重要。

随着LTE技术在国内的大规模应用，语音业务越来越多地承载在LTE网络上。通信业界一般认为SRVCC/eSRVCC（Enhanced Single Radio Voice Call Continuity，增强的话音连续性）是比较完善的VoLTE（Voice over LTE，基于LTE的语音）解决方案，即通过引入IMS（IP MultiMedia Subsystem，IP多媒体子系统）为用户提供基于IP的高清4G语音业务。

随着用户数量的快速增长和城市化建设所带来的无线环境改变，不论是传统的2G/3G还是LTE，要实现无线网络的全覆盖和不断优化，都是需要耗费时间和资金的大工程。尤其是高层楼宇和购物中心，无线传播环境复杂，人员流动性大，对通信质量要求更高。运营商迫切需要一种既节省投资，又快速有效的无线接入模式作为传统无线室内覆盖的有效补充。

随着智能手机的普及，Wi-Fi已经被广泛应用到生活的各个方面，不论是公交车、商业中心的接入热点，还是个人家庭的无线路由器，都实现了广泛的覆盖。截止到2015年，全球的Wi-Fi热点覆盖超5000万个，年均增长率超过20%，预计到2018年，全球热点数量将达到3.4亿个。据统计，接近70%的语音通话业务集中在室内，因此和VoLTE同样基于IMS来实现的VoWiFi（Voice over Wi-Fi，基于Wi-Fi的语音）方案将成为对传统无线覆盖进行有效补充的首选。自802.11ac标准推出后，Wi-Fi技术得到了飞速发展，其传输速率在百兆以上，不逊于LTE的100MHz～150MHz带宽。同时，Wi-Fi所采用的2.4GHz和5GHz是免费的公共频段，部署VoWiFi也有利于降低运营商成本，这也是VoWiFi得到飞速发展的技术驱动力。

然而，VoWiFi并不等于简单的使用缺乏QoS（Quality of Service，服务质量）保障的互联网电话，而是要结合已部署的核心网，发挥高可靠性、端到端话音质量保证以及与传统移动通信网络进行无缝切换等优势。

2 VoWiFi组网方案

根据3GPP的定义以及采用的不同移动性管理协议，VoWiFi的组网方式有三种主要方案：信任域EPC（Evolved Packet Core，演进的分组核心网）接入方案、非信任域EPC接入方案、直连IMS接入方案。具体如图1所示：

（1）信任域EPC接入方案：运营商或者合作方的Wi-Fi热点等信任域接入设备，通过S2a接口直接和EPC中PGW（Packet Data Network GW，分组数据网关）互通，也称为S2a接口组网方案。需要对现有WLAN（Wireless LAN，无线接入点）设备进行增强改造，使之支持移动性要求。

（2）非信任域EPC接入方案：所有Wi-Fi热点等非信任域设备均可以接入，通过ePDG（Evolevd Packet Data Gateway，演进型分组数据网关）接入PGW，实现和EPC的互通。由于非受信域接入网络和EPC互通采用S2b接口，因此这种组网也称为S2b接口组网方案。这种方案对WLAN没有改造要求，安全性高，支持无缝切换，解决了语音、数据业务的连续性问题。

（3）直连IMS接入方案：终端和EPC网络交互数据通过S2c接口实现透明传输，所有Wi-Fi热点等设备直接连接到IMS接入，也称为S2c接口组网方案。

三种组网方案的对比如表1所示。

如表1所示，对三种组网方案从技术方面来进行分析，尤其是从对网络的影响和终端成熟度来看，对于已经部署大量WLAN接入点的运营商来说，采用信任域EPC接入方案，要升级改造或者直接替换全网WLAN接入点设备，施工周期长、成本高、难度大。而采用非信任域EPC接入方案，则可以结合公共Wi-Fi网络的开放性和运营商核心网的高可靠性、QoS保证等特性，以较低成本实现语音在WLAN和LTE网络间的无缝切换。因此，非信任域EPC接入方案将逐步取代信任域EPC接入方案，成为目前业界公认的较可行的VoWiFi方案。在该方案中，用户终端通过非信任域Wi-Fi网络接入到运营商的EPC网络，认证鉴权后将呼叫请求路由到IMS进行处理，实现语音、短信、补充业务等IMS业务。

如图2所示，在非信任域EPC接入方案中，为实现VoWiFi业务，需要新增ePDG和3GPP AAA（Authentication Authorization and Accounting，验证、授权和记账）网元。考虑到简化组网，可以通过升级PGW支持ePDG功能，升级HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器）来支持AAA功能。而对于WLAN设备无特殊要求，也就是不需要升级替换网络中已部署的Wi-Fi热点设备。无论是家里的Wi-Fi网络，还是企业、运营商的Wi-Fi网络都可以提供非可信Wi-Fi网络接入。

ePDG需要支持如下主要功能：

（1）与3GPP AAA进行接口完成用户的EAP-AKA（Extensible Authentication Protocol，扩展认证协议；Authentication and Key Agreement，认证和密钥协商）认证；

（2）与PGW开通S2b接口，完成用户业务流与PGW之间的转发；

（3）发布ePDG公网IP到因特网；

（4）支持IMS域中P-CSCF（Proxy-Call Session Control Function，代理呼叫会话控制功能）发现；

（5）专用承载建立和QoS映射。

3GPP AAA需要支持如下主要功能：

（1）提供与ePDG的SWm接口，完成用户EAP-AKA认证；

（2）提供与PGW的S6b接口，完成用户所在PGW IP地址和APN（Access Point Name，接入点名）到HSS的注册登记，以便HSS保存用户接入的PGW IP地址；

（3）提供与HSS的SWx接口。

此外，在EPC网络完成支持VoLTE的改造后，为了实现非信任域EPC接入方案的要求，对EPC还要进行相应的软件升级，包括：

（1）MME（Mobile Management Entity，移动管理实体）：支持LTE+WLAN无缝切换；

（2）PGW：支持LTE+WLAN无缝切换，提供与3GPP AAA的S6b接口，提供与ePDG的S2b接口。

（3）HLR/HSS：需支持基于IMSI（AKA）的鉴权用户，鉴权APN，提供SWx接口。

（4）IMS应用服务器：支持VoWiFi基本业务及补充业务。

在非信任域EPC接入VoWiFi方案下，可以实现如下业务：

（1）语音业务：基本语音业务，支持AMR和AMR-WB编解码；

（2）视频业务：基本视频业务，支持H.264高清视频编码；

（3）补充业务：主叫标识显示，主叫标识显示限制，被叫标识显示，被叫标识显示限制，无条件呼叫前转，未注册呼叫前转，遇忙呼叫前转，不可及呼叫前转，无应答呼叫前转，闭锁所有出呼叫，闭锁所有国际出呼叫，闭锁除归属PLMN（Public Land Mobile Network，公共陆地移动网络）国家外所有国际出呼叫，闭锁所有入呼叫，当漫游出归属PLMN国家时闭锁入呼叫，呼叫保持，呼叫等待，多方通话等；

（4）短消息业务：需要支持SMS over IP等多种短信方式。

3 非信任域EPC接入方案业务流程及对

终端的要求

非信任域EPC接入方案的业务流程可以分为三个步骤，具体如图3所示：

第一步：终端执行WLAN认证，WLAN为终端分配本地IP地址。

第二步：终端通过静态配置或者DNS机制获取ePDG地址，发起IKEv2/EAP-AKA流程。在IKEv2过程，EAP-AKA用于对UE鉴权并且协商加密键，ePDG获取终端的IMSI和APN地址。完成认证后，ePDG从3GPP AAA获取终端的号码和签约数据。

第三步：ePDG和PGW之间建立GTP隧道，PGW分配远端IP地址，并把P-CSCF IP地址通过GTP消息送给ePDG。IKEv2过程结束后，ePDG将终端的远端IP地址发送给终端，终端获取IP后向P-CSCF发起IMS注册流程。

在第二步中，由于ePDG提供了公网IP地址，终端获取ePDG的IP地址有两种模式：通过静态配置ePDG IP地址或者利用DNS机制获取ePDG地址。具体如图4所示：

模式一：终端预先配置ePDG的静态IP地址。根据IP地址，终端直接路由访问ePDG。在这种方案中，终端选择固定的IP地址，因此如果终端配置的ePDG负荷较高时，会拒绝终端接入且多个ePDG也无法做到自主负荷分担。

模式二：终端根据DNS（Domain Name System，域名系统）机制获取ePDG地址。终端根据PLMN信息来构造FQDN（Fully Qualified Domain Name，全域名）。如ePDG.epc.mnc002.mcc460.3gppnetwork.pub.org，终端访问互联网DNS做域名解析或者配置ePDG.chinamobile.com.cn。互联网DNS到EPC DNS查询，EPC DNS返回ePDG IP地址，终端获取ePDG IP地址进行访问。在这种方案中，需要将运营商EPC DNS和互联网DNS进行互通，把ePDG域名发布到互联网DNS。由于同一个FQDN可以对应多台ePDG设备，ePDG之间可以做到负荷分担，避免了模式一中静态配置的弊端，因此模式二中，终端根据DNS返回的ePDG列表选择可用的ePDG接入。

目前的终端中，iPhone对上述两种方案都可以支持。推荐运营商采用模式二。

终端除了要支持VoWiFi非信任域EPC接入方案、IPSec隧道建立和EAP-AKA认证外，还要保持WLAN和EPC两套IP协议。两套IP协议栈，底层的隧道IP地址由WLAN分配，用于传输核心网的语音信令和业务流，而核心网PGW分配的IP地址用于实际的VoWiFi信令和业务流。终端通过Wi-Fi网络认证后，与ePDG建立IKEv2 IPSec隧道，建立专用承载，所建立的数据会话在PGW锚定。这也是目前各终端和解决方案提供厂商考虑的发展方向。苹果iOS系统和安卓操作系统都实现了对VoWiFi非信任域EPC接入方案的支持。美国运营商T-Mobile和Sprint正式发布支持VoWiFi的终端类型包括苹果、三星、LG、HTC、NOKIA等。在我国市场大规模发售的iPhone6/6 plus已经支持VoWiFi的非信任域EPC接入方案。

4 非信任域VoWiFi接入关键技术

非信任域EPC接入实现VoWiFi的方案主要应用于已安装并开通WLAN宽带接入资源的家庭或企业用户。WLAN可以是运营商的，也可以是第三方的。固定宽带用户，自主通过无线路由器形成室内单点Wi-Fi部署。当用户在室外时，接入LTE或2G/3G网络，采用VoLTE或传统2G/3G电路域方式建立语音呼叫。当用户回到室内，接入Wi-Fi网络，通过注册到IMS网络，采用VoWiFi方式接打电话。当用户在室内如写字楼、商场等较大范围内部移动时，在WLAN网络中不同接入点之间连续切换，也可实现2G/3G、VoLTE呼叫与VoWiFi呼叫互通以及语音连续性保障。

4.1 认证鉴权

由于支持EAP-AKA进行WLAN认证的手机较少，建议采取组合鉴权的认证方式：终端通过Web portal、WAP、WEP等方式在WLAN侧进行认证，并且通过EAP-AKA认证+IPSec方式在EPC接入侧进行认证。这种鉴权方式，由IPSec隧道保证WLAN侧业务流的安全性，同时可充分利用多种WLAN类型，如家庭网关、免费Wi-Fi热点等接入EPC，使用语音业务。

4.2 接入域选择

由于用户可能驻留在不同的语音网络中，包括2G/3G语音、VoLTE、VoWiFi，网络和终端都需要支持接入域和业务域的选择功能。

终端能够选择语音业务发起使用的接入域和业务域。而网络侧优先使用IMS域判断处理被叫业务域的预选，支持根据被叫用户的接入域来选择用户的终呼接续域，并且能在域选失败后快速进行二次域选，完成呼叫过程。

用户接入网络时，也需要对用户进行提醒。网络或终端可根据当前用户使用网络的类型，告知用户当前是VoWiFi、VoLTE或2G/3G语音。当通过WLAN网络接入IMS注册和使用业务时，发送提醒信息告知用户；当离开WLAN网络覆盖区域，通过宏网注册和使用业务时也能够发送提醒信息告知用户。用户在注册和使用语音业务的过程中，将接入侧的相关标识带到IMS网络侧并且向用户发布。这种提醒通知可以有多种呈现形式：界面UI（拨号或接听时）、网络标识、消息（短信/即时消息）、语音提示等。

在这个过程中，PGW维护用户在线会话，保持业务连续。PGW为用户在WLAN和LTE接入，分配相同的IP地址，产生计费话单。ePDG是WLAN接入EPC的IP网关，提供公网可见的IP地址，使用IPSec认证授权的移动用户，保护用户业务流安全。

4.4 计费

如果用户使用数据业务，可以通过PGW计费。PGW提供WLAN计费话单和流量在线计费。如果用户使用语音业务，则通过IMS计费，而PGW出流量话单做流量核减。建议采用VoLTE和VoWiFi统一计费包。

由于同一移动语音业务，可能在WLAN网络和3GPP网络接入间切换，对于IMS域、PS域（或CS域）、WLAN的计费分别进行。而IMS具有计费关联的能力，能够将不同接入方式下业务层、会话控制层和承载层的计费信息进行关联。对同一语音业务，提供IMS域（或CS域）和VoWiFi的计费区分及关联。VoWiFi的计费关联通过IMS计费标识、接入网计费标识、IOI（Inter Operator Identifier，运营商间标识）等参数实现。这些计费关联信息都通过SIP信令消息传送，并被相关IMS网络实体加入计费话单，依据这些信息进行计费关联。

4.5 QoS服务质量

相比互联网电话，VoWiFi通过业务QoS到承载QoS的映射，保证VoIP业务质量：

（1）PGW将语音包做DSCP（Differentiated Services Code Point，差分服务代码点）映射，保证核心网侧传输质量；

（2）ePGW针对下行数据包做QCI（QoS Class Identifier，QoS标识）到DSCP映射，而上行数据表固定设置QCI=1专有承载，保证传输质量；

（3）WLAN接入点实现DSCP/802.1p与空口的802.11e优先级映射，从而实现上下限语音数据包的优先级映射；

（4）WLAN网络的接入点可以对语音业务做优先级调整。

对于语音业务，需要提供平均主观值MOS>4，时延<150ms。对于视频业务，当从正常距离观看时，图像在闪烁、颜色、聚焦、抖动等方面的变化要不明显才行。

5 VoWiFi发展现状和部署策略建议

国外运营商已经开始积极推动VoWiFi的建设。在美国，电信运营商Sprint已经为美国35家机场提供了VoWiFi服务。而T-Mobile，在2014年9月开始部署商用VoWiFi，提供无缝切换。其主要发展策略是在城市、郊区及农村，为消费者提供家庭内部VoWiFi服务，解决宏网覆盖不足的问题。同时在城市区域为用户提供家庭VoWiFi解决城市室内覆盖问题。T-Mobile通过发布VoWiFi企标，采购定制化终端，如LG、三星、iPhone等智能手机厂商为其定制了VoWiFi终端。

2015年4月10日，英国最大的移动运营商EE推出了VoWiFi业务。EE在公共场所部署Wi-Fi，并向消费者提供Wi-Fi家庭网关，为用户提供多种Wi-Fi形式下的语音业务，利用Wi-Fi网络解决居民区3G/LTE网络覆盖不良的问题。EE向用户提供的第一批终端包括三星Galaxy S6等型号。

在推出VoLTE和VoWiFi融合的创新方案上，国内运营商也一直在积极地探索。2015年，中国移动在部署RCS（Rich Communication Suite，富消息）融合通信项目时就开始部署IMS+RCS+VoWiFi+VoLTE融合业务。中国移动用户可以通过Wi-Fi接入方式使用语音业务，实现Wi-Fi与LTE网络的语音无缝切换。中国联通正在全面部署VoLTE和RCS，实现基础通信产品的互联网化，2015年底在郑州等多个城市进行VoLTE和VoWiFi试点。中国电信已经进行了VoLTE+VoWiFi技术验证，也计划在2016年开始测试并逐步商用。

拥有大量Wi-Fi热点资源的运营商具备在公共区域良好的无线覆盖能力。这不但能大大降低部署Wi-Fi时的设备成本，也能帮助运营商提升网络资源的利用效率。据工信部统计，国内运营商所拥有的Wi-Fi热点数量已经超过600万个。对于运营商来说，在部署Wi-Fi热点并不多的省份和地区，建议快速升级或替换Wi-Fi热点设备以支持VoWiFi。初期低成本、快速部署信任域EPC接入方案以实现VoWiFi，今后逐步过渡到非信任域EPC接入方案。对于运营商已经大量部署Wi-Fi热点的省份和地区，建议直接升级PGW、HSS，使其分别支持ePDG、AAA功能，快速开展非信任域EPC接入方案。

此外，我国的固定互联网宽带接入用户数已经远远超过2亿。这些用户中有很大部分已使用Wi-Fi设备接入互联网。针对这类Wi-Fi热点资源，建议直接采用非信任域EPC接入方案，这能帮助运营商有效降低无线信号的室内覆盖成本。同时由于非信任域EPC接入方案的使用限制少、成本低、范围广，用户通过这种接入方式能更灵活地获取高质量的语音服务，可极大地改善用户的室内语音业务服务质量。

6 结束语

无论从竞争角度出发，还是为了满足用户业务发展多样性的需求，国内运营商为了快速发展通信网络，实现基础通信网络的互联网化，更好地应对OTT竞争，必然要走多网融合发展之路。利用IMS，实现Wi-Fi和LTE在提供语音方面的优势互补，可以更好地实现通信业务的发展。

建议运营商结合Wi-Fi、2G/3G、LTE等网络的建设发展、关键技术、终端发展等多方面因素，综合考虑，积极开展VoWiFi和VoLTE的融合组网试验，为未来融合组网提供充足的技术储备，实现多网融合的可持续性发展。

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