VoWi—Fi关键问题分析与建议

崔沛东 戴国华 余骏华

【摘 要】

介绍了VoWi-Fi相关的标准化进展以及商业发展现状，分析了VoWi-Fi的关键技术问题，包括鉴权接入技术、工作原理架构、终端通过Wi-Fi的EPC附着、完成EPC附着后的IMS注册、LTE与Wi-Fi的切换等，并对现阶段VoWi-Fi存在的问题进行了分析，给出相应的建议。

【关键词】

LTE WLAN VoWi-Fi ePDG

1 引言

VoWi-Fi（Voice over Wi-Fi，Wi-Fi语音）是指用户通过Wi-Fi网络连接到运营商的EPC网络，并通过EPC网络连接到IMS网络中，实现语音、短信、补充业务等IMS业务。随着国内外运营商对VoLTE的积极部署，VoWi-Fi可以很好地对VoLTE进行补充，尤其弥补了LTE室内覆盖的不足。用户可在没有LTE网络覆盖的区域通过Wi-Fi接入EPC网络，让用户享受无差异的IMS业务，从而提升用户体验。此外，VoWi-Fi具有高扩展性，通过合作可大幅度降低国际漫游资费，增加用户粘性。

截至2015年1月，全球已有近5 000万个Wi-Fi热点，中国有500万多个热点覆盖，预计到2018年，平均每20个人将会分享一个热点。WLAN凭其热点覆盖多、数据传输快、低成本等特点吸引着用户并培养了用户的使用习惯，分流了高速增长的移动数据业务。据统计，2014年手机用户57%的数据流量承载在Wi-Fi网络上，平板用户更是高达93%。VoWi-Fi的出现无疑会受广大用户的青睐，预计到2019年，VoWi-Fi的通话时长将超过VoLTE达到53%的占比。

VoLTE和VoWi-Fi已成为未来语音的发展趋势，国内外标准组织正积极推进相关标准的研究，国内外运营商也都积极部署VoWi-Fi以提高自己的综合竞争力。

2 VoWi-Fi的相关技术标准及现状

2.1 VoWi-Fi相关技术标准化

与VoWi-Fi 相关的国际标准组织主要有4个：IEEE，主要针对WLAN物理层、MAC层的标准化，如制定工作在2.4G频段的802.11b/n/g，工作在5G频段的802.11ac等；3GPP，针对WLAN和3GPP网络的互通，包括鉴权接入等；TSG（Terminal Steering Group，终端督导组）属GSMA下设的工作组，提出和制定VoWi-Fi的终端需求规范；IETF（The Internet Engineering Task Force，国际互联网工程任务组），负责终端鉴权方法的标准化制定。Wi-Fi相关标准如表1所示：

表1 VoWi-Fi相关的具体标准

标准类别 相关标准 内容

GSMA IR 51 Wi-Fi上的Voice、Video，SMS的IMS配置文件

3GPP TS 23.402 非3GPP接入的增强架构

TS 33.402 非3GPP接入安全

TS 24.302 EPC核心网的接入

IETF RFC 4187 EAP-AKA鉴权

RFC 5996 IKEv2密钥交换协议

以上仅列出部分相关标准，其他如3GPP29.273规范了AAA服务器接口；3GPP29.274规范了GTP（GPRS Tunnelling Protocol，GPRS隧道协议）传输隧道；IETF RFC 5448规范了EAP-AKA的鉴权方式等。

2.2 运营商对VoWi-Fi商用现状

去年9月，T-Mobile在全球首先推出VoWi-Fi业务，终端使用iPhone 6/iPhone 6 Plus，支持VoWi-Fi与VoLTE的双向无缝切换。现如今，越来越多的运营商积极推动VoWi-Fi的发展，具体商用情况如表2所示。

目前美国、欧洲的运营商对商用VoWi-Fi业务较为积极，T-Mobile通过VoWi-Fi有效弥补了LTE覆盖不足的缺点，Sprint通过商用VoWi-Fi，并积极与国内外厂商合作，实现了全球200多个国家和地区的VoWi-Fi通话，显著提高了其市场竞争力。相较于欧美，亚洲运营商VoWi-Fi工作开展相对迟缓。据了解，韩国、日本运营商暂未部署VoWi-Fi，香港和记电讯2015年6月推出了VoWi-Fi服务；中国电信和中国联通目前处于测试阶段，中国移动RCS融合通信中的“新通话”中包含VoWi-Fi模块，其VoWi-Fi业务能否同步开展还有待观望。

2.3 芯片厂商及终端厂商对VoWi-Fi的支持情况

目前国内支持VoWi-Fi的终端仍不多，也有着不同的实现方式。三星基于自己的方案在AP层实现了VoWi-Fi功能。中兴通讯与Apple/D2/Summit Tech/Taqua等终端和解决方案提供厂商建立了广泛的业务联系和联合实验室，共同推进VoWi-Fi的产业进程，并已经完成了与Apple的VoWi-Fi IoT测试。高通部分芯片已经具备VoWi-Fi能力，相应的终端在BP层实现了VoWi-Fi功能。

3 VoWi-Fi关键技术分析与建议

WLAN接入EPC的互通架构按照WLAN与EPC核心网之间的信任关系以及采用的移动性管理协议（GTP，PMIP和DSMIP），可以分为S2a、S2b和S2c三种场景。其中，S2a接口方式用于接入授信WLAN网络场景，S2b接口方式用于接入非授信WLAN网络场景，此时EPC网络将WLAN接入视为不可信接入，则必须通过ePDG（Evolved Packet Data Gateway，演进分组数据网关）EPC，终端和ePDG之间采用IPsec隧道承载数据，使不可信网络的网元无法感知数据传输，从而保证数据传输的安全性。由于标准成熟度、产业链成熟度、互通性及可扩展性等因素，目前国际上商用VoWi-Fi的运营商均采用基于S2b接口的ePDG方案。GSMA国际标准组织更是明确了基于S2b接口的ePDG方案作为VoWi-Fi的主流方案。当终端通过ePDG接入EPC网络时，3GPP AAA/HSS可以使用基于SIM卡的EAP-AKA算法进行统一鉴权认证，避免了传统繁琐的认证接入过程。

3.1 VoWi-Fi工作原理及架构

VoWi-Fi的工作原理：终端用户通过Wi-Fi网络接入到ePDG，ePDG通过与AAA Server交互，完成对终端的鉴权；鉴权通过后，ePDG通过S2b接口将业务请求发送到P-GW，并完成终端在EPC网络的附着，从而在IMS完成VoWi-Fi用户的注册；注册完成后，用户即可发起相应的VoWi-Fi业务。组网架构图如图1所示：

图1 非可信接入VoWi-Fi组网架构图

ePDG连接到AAA Server和P-GW，为UE提供信令和数据业务通道。AAA Server为用户鉴权中心，通过SWm接口对VoWi-Fi用户进行网络鉴权，通过S6b接口和P-GW互通，通过SWx接口和融合HLR/HSS互通，将P-GW的地址更新到融合HLR/HSS，使用户在LTE和Wi-Fi网络间切换时，不会出现PDN连接断连。HSS主要负责存储用户签约的数据和鉴权信息；PCRF通过下发PCC规则控制承载的建立和删除。用户通过Wi-Fi网络接入时，由P-CSCF提供到IMS网络的入口。

3.2 关键流程

用户在进行VoWi-Fi业务时主要有3个关键流程：终端EPC附着流程、EPC附着成功后的IMS注册流程以及LTE与Wi-Fi之间的切换流程。终端若进行VoWi-Fi业务，首先要通过Wi-Fi接入运营商的EPC核心网，简单流程如下：

（1）UE发起EPC附着请求；

（2）HSS和AAA获取用户鉴权信息；

（3）AAA对UE进行鉴权认证；

（4）ePGD请求创建默认承载；

（5）S/P-GW与PCRF进行IP-CAN流程，完成P-GW注册；

（6）HSS通知MME更新P-GW ID，S/P-GW返回默认承载响应，完成EPC网络附着。

用户通过Wi-Fi网络连接到运营商的EPC网络后需连接到IMS网络中以实现语音、短信、补充业务等IMS业务，注册鉴权流程包括用户对网络的鉴权以及网络对用户的鉴权，简单流程如下：

（1）UE读取SIM卡信息获取IMSI，再从IMSI推导出IMPI和T-IMPU，向IMS拜访网络入口P-CSCF发送注册消息请求注册；

（2）P-CSCF发送AAR（Answer Auth Request，回应认证请求）消息至PCRF指示订阅信令承载，P-CSCF转发REGISTER消息至I-CSCF；

（3）I-CSCF和HSS交互下载鉴权向量信息；

（4）I-CSCF转发401 Unauthorized消息至P-CSCF，P-CSCF获取IK和CK，并转发401 Unauthorized消息至UE，UE检查鉴权参数AUTN，完成用户对网络的鉴权；

（5）S-CSCF发送SAR消息至IMS-HSS请求下载用户签约数据，S-CSCF根据从IMS-HSS处下载的用户签约信息向ATS发送第三方注册请求；

（6）ATS收到REGESTER消息后，判断用户是Wi-Fi接入，刷新注册状态，发送UDR（User Data Request，用户数据请求）消息给HSS，请求获取用户数据（包括用户身份数据、业务签约数据等），ATS根据收到的用户数据完成对用户的鉴权。

VoWi-Fi的核心商用价值即是对VoLTE业务的补充，弥补LTE覆盖的不足。这就要求终端实现VoWi-Fi与VoLTE通话的无缝切换，比如当终端移动到LTE接入网的覆盖更强的区域时，终端将从Wi-Fi网络接入切换到从LTE网络接入；当终端移动到Wi-Fi接入网的覆盖更强的区域时，终端将从LTE网络接入切换到从Wi-Fi网络接入，以便带给用户最好的语音通话体验。以下仅列出LTE至Wi-Fi简单的切换流程：

（1）UE通过LTE网络接入EPC网络，S-GW与P-GW间建立GTP隧道，UE检测到Wi-Fi信号，发起切换；

（2）UE和Wi-Fi网络相互鉴权，Wi-Fi网络鉴权和授权成功后，触发附着流程；

（3）ePDG根据切换前的P-GW地址选择P-GW，向P-GW发送Create Session Request消息，建立PDN连接；

（4）ePDG将P-GW分配给UE的IP地址传给UE。附着流程完成，UE和ePDG之间的IPSec隧道建立成功，ePDG和P-GW间的GTP隧道建立成功；

（5）P-GW发起3GPP EPS Bearer Release流程，释放切换前LTE网络的EPS承载资源；

（6）当终端切换到Wi-Fi网络后，UE向P-CSCF发起重注册，刷新当前用户注册状态。

3.3 问题分析与建议

虽然VoWi-Fi标准比较完善，技术方案较为明确，商用VoWi-Fi既能提高运营商的竞争力，又能带给用户良好的体验，但现阶段仍然存在许多问题，也需要运营商制定符合自己的策略。

首先是网络的发现、接入与协作策略，LTE网络与WLAN网络同时存在，语音承载在LTE或是Wi-Fi这就需要根据用户资费需求、和网络实时状况等决定，实现最合适的网络接入，提供良好的用户体验。3GPP为实现WLAN和3GPP系统间业务连续性和无缝分流，引入的一个新的网元功能模块ANDSF（Access Network Discovery and Selection Function，接入网络发现和选择功能）。终端根据用户偏好、业务不同QoS服务等级要求和从ANDSF获取的控制策略（运营商定义）发现和选择接入网络。HotSpot2.0的融合支持可辅助接入网络的选择，其具有分发AP负载等信息给终端的能力，终端可利用IEEE 802.11u ANQP协议获得更多网络特性等信息。此外，一些厂商例如高通、华为也在开发自己的选网策略。运营商也可制定简单的切换原则，包括优选Wi-Fi或是LTE网络，当Wi-Fi或是LTE的RSSI值低于某个门限时，终端发起切换。

其次是语音质量问题，影响语音质量的因素包括时延、抖动、丢包率、回声、沿切割、编解码等。传统IP语音存在失序到达和时延抖动甚至分组丢失等情况，通话质量较差。VoLTE基于QoS特性，运营商为时延和时间有严格要求的应用提供端到端的传输质量，基于不同的QoS需求为用户提供差异化服务；终端用户从LTE接入使用IMS业务时可以获取带宽保障，提升用户体验。如何保障VoWi-Fi带给用户稳定高质量的用户通话体验需要进一步测试研究。目前，语音质量测试可采用ITU建议的MOS（Mean Opinion Score，平均意见值）指标，运营商可定义不同的测试场景例如切换时的语音质量和时延、不同抖动和误码率下的语音质量和时延、数据和语音并发时的语音质量和时延等来评估VoWi-Fi通话体验。

最后是资费方案的制定，当有卡终端进行基本呼叫时，ATS生成计费话单，在话单Access-Network-Information字段记录接入类型为WLAN，以便对VoLTE和VoWi-Fi区分计费。目前国内各大运营商的WLAN网络和LTE网络主要用来承载数据，WLAN资费相对较低（按时长计费），而LTE资费相对较高（按流量计费），当前用户更是已经习惯了使用免费的WLAN网络。当VoLTE和VoWi-Fi同步商用时，制定一个合理的资费方案对运营商和用户都极为重要。例如香港和记电讯运营商允许LTE用户使用香港的任何Wi-Fi网络拨打语音电话，VoWi-Fi服务的计费标准将按照普通语音通话资费执行，计入用户月套餐包含的通话时长中。

4 结束语

本文介绍了VoWi-Fi相关的标准化进展以及产业链现状，分析了VoWi-Fi的关键技术如鉴权、附着、切换等，提出了现阶段VoWi-Fi存在的问题并给出了相关建议。

目前VoWi-Fi仍属于较前沿的技术，相关问题技术研究都仍在更新和完善中。国内VoWi-Fi技术发展相对迟缓，但随着各大运营商VoLTE的商用、VoWi-Fi的需求日益增加，相关工作也会更快推动。通过进一步研究与测试，相信未来VoLTE+VoWi-Fi的语音技术方案会不断进步和完善，给用户带来良好的语音体验。

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