LTE语音模式选择及建设方案

冯爱玲， 梁琨

（中国移动通信集团河北有限公司，石家庄 050021）

LTE语音模式选择及建设方案

冯爱玲， 梁琨

（中国移动通信集团河北有限公司，石家庄 050021）

本文针对在LTE网络下，语音/短信业务实现的几种方式进行深入的研究和分析，尤其在CSFB和IMS语音共存下，对EPC核心网的改造要求，其中重点阐述了CSFB实现流程、VoLTE-IMS语音实现和eSRVCC切换技术等。

CSFB原理；CSFB流程；CSFB网络改造；VoLTE-IMS；IMS语音连续性；VoWi-Fi语音

1 引言

随着全球4G LTE规模使用，如何在LTE的全IP架构下承载语音业务呼叫，国际上存在3种解决方案。但多数运营商又同时经营2G/3G/4G网络，终端在多张网络间的漫游/切换，导致语音解决方案复杂，并对语音呼叫连续性提出较高要求。

2 4G LTE语音解决方案

和LTE无线对应的核心网是EPC，而EPC本身只承载分组域业务，基于IP分组交换技术，如何在IP架构下承载语音，业界主要有3种模式。

（1）SGLTE/SvLTE模式：简称双模双待，即终端支持同时驻留在CS（电路域）和PS域（分组域），对核心网无任何要求。

（2） CSFB语音模式：终端空闲时驻留在PS域，发起/接收语音业务时，切换到CS模式。

（3）IMS语音模式：简称VoLTE语音，即终端需要支持VoLTE功能，并新建IMS核心网，语音承载/控制在IMS，同时需要对LTE无线、EPC/HSS等改造实现。

目前因VoLTE-IMS接续快、语音质量高、支持eSRVCC（切换）等，成为运营商主流选择。

2.1SGLTE/SvLTE语音方案

双待机语音分为：SGLTE和SvLTE两种方式，简称双模双待，其中SGLTE是同时待机在GSM和LTE下；SvLTE是同时待机在CDMA和LTE下，实现方式为：终端发起PS业务使用LTE网络，CS业务用2G/3G网，互不影响。

双待机终端因配备了LTE和2G/3G下的两套射频，导致终端功耗大，待机和使用时间短，该方式对运营商和用户都不能深入接受。

2.2CSFB语音方案

CSFB（CS回落）方案的核心是空闲时终端待机在PS域，当用户发起语音业务时，终端从LTE网络回落到2G/3G的电路域，并按照电路域的业务流程发起/接听语音业务。该方案是在EPC-MME和2G/3G网络的MSC间建立SGs联合位置更新接口，实现CS/PS联动。

CSFB因增加了回落流程，导致呼叫时延增大到8～10 s（GSM为4～6 s），用户感受比较差，但对系统改造小，属于过渡方案，图示如图1所示。

图1　CSFB流程示意图

主要流程为：

（1）UE在LTE下发起EPS/IMSI联合附着请求，MME通过SGs口向MSCS发起联合位置更新要求并完成后，UE获取到MSCS分配的TMSI/VLR NUM/ LAI等参数。

（2）UE语音业务： MME收到UE的语音请求，MME触发eNode B /UE回落到2G/3G无线及对应的MSCS，UE在CS域发起/接收语音，完成主/被叫业务。

（3）UE短消息（MO/MT）：MME收到UE或MSCS发起的短消息业务请求，MME通过SGs口转发给MSCS（MO），或下发给UE（MT）。

为了更深入介绍CSFB流程，本文以CSFB被叫语音和MT短信业务为例研究其信令流程，为深入理解提供帮助。

2.2.1CSFB语音流程（被叫）

图2中流程为UE做被叫，且UE驻留在LTE网下并完成了SGs流程。

1～5：GMSC Server获取到被叫UE的漫游号码MSRN，发起IAM呼叫到MSC/VLR。

6～7：MSC/VLR收到IAM消息后，向关联的MME发送SGsAP-PAGING-Request（携带IMSI、TMSI、Service indicator、CLI、LAC），并寻呼到UE。

8～9：UE收到Paging后，发送Extended Service Request消息给MME，其中Service-type=1指示业务类型为被叫CSFB语音（Service-type=0/主叫，=1/被叫，=2/紧急呼叫），MME给MSC/VLR回SGsAP-Service-Request消息，UE收到寻呼，呼叫在接续中。

图2　被叫语音流程（呼叫入局流程）

10～13：MME发送Initial UE Context Setup，指示UE因CSFB业务回落到2G/3G并建立CS呼叫并进入通话中。其中UE回Paging Response需要BSC/RNC能正确处理并找到支持CSFB-MSC/VLR（根据TMSI）。

14～15：通话结束并拆线。

现网还存在CSFB预寻呼流程，即在上述SRI消息中包含Prepage标志域，允许MSC/VLR先对被叫UE发起寻呼，再向HLR返回漫游号码。在LTE覆盖越来越完善下，预寻呼使用会越来越少。

2.2.2短消息流程（MT）

CSFB的短消息MT流程，和普通CS下短消息MT流程相似，主要流程为：

SMSC提取待下发短消息后，向HLR获取MSC ID后并投送短消息到指定MSC。

MSC/VLR通过SGs发送寻呼请求给MME，其中参数Service Indicator指示这是一个短消息业务。

MME向UE下发寻呼，UE响应寻呼后，MME向MSC发送SGsAP-Service-Request消息，表示网络侧与UE已准备好，可以投送短消息。

MSC通过SGsAPDOWNLINK-UNITDATA将短消息内容发送到UE，UE回送响应给MME/ MSC。

UE返回成功接收报告给MME、MSC，MSC通知短消息中心发送成功并流程释放。

2.2.3CSFB对MSCS Pool改造要求

CSFB因为需要MME和MSCS之间开通SGs接口，所以需要对电路域MSCS有新的改造需求，MSCS升级支持该功能是必须的。而当前CS域MSCS均已组Pool，以中国移动为例，一般1个Pool中包含4～8个MSCS，考虑到CSFB语音呼叫结束，UE将迅速返回到4G网络，若将Pool中所有MSCS升级支持SGs，涉及升级工作量大、且商务付出多。而且在建设VoLTE-IMS后，CSFB用户将逐步减少，导致前期投资浪费大。

目前解决方案是在1个Pool中选择2个MSCS升级支持SGs功能，即只有2台MSCS和MME之间开通SGs口，组成主备模式，Pool中其余MSCS维持现状。该功能要求MME配置2×SGs口之间的链路状态检测，当主用SGs口出故障，MME能迅速切换到备用SGs口，以维持CSFB功能正常。

当UE在实施初次联合位置更新时，由对应的支持SGs口的MSCS分配TMSI并记录在UE中，后续UE回落时，BSC/RNC通过TMSI中NRI将其回落到支持SGs口的MSCS中，确保CSFB呼叫正常，以图3组网为例，解决方案如下。

（1）UE发起联合位置更新成功后时，MSCS1分配TMSI并记录在UE中，其中NRI确保UE在Pool中任意移动，均能选择到MSCS1，且使UE也能回落到支持SGs的MSCS1上。若UE移出Pool进入另一个Pool，将在新Pool发起联合位置更新。

图3　CSFB和MSCS Pool关系

（2）若MSCS1故障或SGs主链路断，MME激活备用MSCS2，此处不同厂家处理方式有不同，某些厂家MME采用UE做TAU时再发起到MSCS2的联合位置更新，在TAU未发起前，CSFB被叫将全部失败；考虑到某些用户在家或上班时间内不经常跨TA移动，为解决CSFB被叫通话，某些厂家采用手动开启MME的强制联合位置更新，迫使MME和MSCS2完成SGs更新流程。

（3）目前MSCS对A/Iu寻呼采用一次TMSI、二次IMSI。但在CSFB被叫时，MSCS在SGs口若通过IMSI寻呼，将出现大概率失败。缘于UE通过IMSI回落到Pool中后，BSC/RNC根据IMSI按一定规则轮选Pool中MSCS，若选择不支持SGs功能的MSCS，将导致回落失败，所以要求所有厂家MSCS在SGs口必须通过TMSI寻呼。

（4）针对SGs操作成功的部分UE，但未成功存储TMSI，将导致CSFB被叫无法接通。为解决此问题，可让厂家开发在SGs-MSCS在SGs口多次TMSI寻呼失败后，通过A/Iu口发起IMSI寻呼，可以提高一定比例的寻呼成功率。

2.2.4CSFB对SGs MSCS影响及解决

在现网4G终端多，而VoLTE尚未建设完毕时，将有更多用户发起CSFB时，选择注册到支持SGs MSCS中，会导致Pool中SGs-MSCS负荷过高。

为解决Pool中MSCS负荷均衡，需要不定时将SGs MSCS中的非CSFB用户，卸载到不支持CSFB的MSCS上，确保Pool内均衡。当Pool中支持CSFB终端超过一定比例时，需要升级Pool中其他MSCS支持CSFB。最极端为100%用户支持CSFB，则需要Pool中100%的MSCS均需升级支持CSFB功能。

2.3IMS语音方案

由于CSFB和双待机语音存在的缺点，3GPP在LTE引入IMS，作为主要解决方案，该方案具备呼叫时延短、语音质量高、通话连续性好已作为主要解决方案，图4为VoLTE-IMS组网图。

IMS/LTE利用4G完善的QoS机制，并辅助若干新技术确保了语音通话的可靠性、连续性等。

（1）采用全球统一的独立IMS APN，语音通话由PCRF指派GBR承载，确保IP通话的带宽保证，国际漫游APN一致。

（2）引入eMSC、ATCF/ATGW网元，MME和eMSC开通Sv接口。通话切换到2G/3G区域时，在eSRVCC-AS控制下，话路可快速切换，确保语音连续性。

（3）IMS HSS和2G/3G/4G-HSS/HLR融合，BOSS开户简单，基本业务、补充业务一致性高，用户使用VoLTE-IMS，确保业务不丢失。

图4　VoLTE-IMS组网图

（4）支持VoLTE-IMS终端既可以在CS域拨打语音（CSFB），也可以在PS域发起语音，用户可选择性多。

VoLTE-IMS由于引入很多关键技术，其中eSRVCC解决了呼叫连续性，为使用IMS提供语音提供了重大促进，目前中国移动采用切换到GSM方式，3GPP TS 23.216中定义E-UTRAN到UTRAN/GERAN注册、切换流程图流程如图5所示。

图5　eSRVCC注册及切换流程

2.3.1eSRVCC注册流程（见图5 ①～⑧）

① UE1发起IMS注册请求，S/P-GW将请求发送到SBC/PCSCF/ATCF网元。ATCF分配STN-SR号码（eMSC和ATCF之间切换关键号码）。

②③ ATCF将ATN-SR通过I/S-CSCF传递到SCC AS。

④ SCC AS和HSS之间传递UE1对SRVCC支持能力、C-MSISDN号码等。

⑤⑥ SCC AS产生ATU-STI号码+HSS返回的C-MSISDN号码给ATCF进行绑定。

ATU-STI：切换后ATCF到SCC AS更新信令路由。

C-MSISDN：切换后ATCF实现eMSC到ATCF新建会话和原有会话的绑定。

⑦⑧ SCC AS向HSS更新最新的STR-SN号码，并将最新STR-SN下插到MME，便于切换时，MME根据STR-SN号码发起Sv口接续。

2.3.2eSRVCC语音流程（见图5 ⑨～⑩）

⑨ UE1和远端UE2发起正常VOLTE通话。

⑩ UE1切换到2G网络，MME通过Sv接口发起切换请求到eMSC/IWF，携带STR-SN号码。eMSC/IWF使用STR-SN号码发起到ATCF接续。当UE1切换到GSM下，媒体切换到MGW下，通过MGW到ATGW。被叫侧媒体承载不改变。

3 VoLTE-IMS部署方案

VoLTE网络引入IMS，为支持VoIP，需要对现网无线、CS、PS、HSS、业务平台、BOSS、网管等进行全面改造，方能支持语音业务。

3.1三融合HSS/HLR改造

现网2G/3G/4G-HSS/HLR需要100%升级支持VoLTE-IMS用户的数据存储，并支持Sh接口和VoLTE-AS进行透明数据传递。

VoLTE用户放号、修改业务等采用SOAP接口模式，需要BOSS改造支持SOAP.

3.2EPC融合核心网

为支持eSRVCC功能，需要部署eMSC网元。有条件的升级1对现网MSC支持eMSC；无条件的新建1对eMSC，支持和MME之间的Sv接口。考虑到eMSC只承载4G到2G的语音切换，一旦语音通话结束，对eMSC资源占用即释放，所以eMSC尽量按大区制建设，建议和VLTE SBC靠近减少跨承载网路由。

为提供VoLTE业务，需全面改造分组域MME、SAE-GW新增支持eSRVCC、P-CSCF发现、IPv6、IMS紧急呼叫等VoLTE相关功能。

3.3PCC网络

中国移动VoLTE-PCRF使用拜访地原则，为此需要对全网的PCRF/PCEF进行改造，支持专用承载建立、Rx接口、获取用户位置信息。

3.4IMS核心平台

3.4.1I/S/E-CSCF/BGCF

xCSCF作为IMS核心控制网元，建议按Pool方式建设。xCSCF建设由按大区制同厂家组Pool，也有按“能力集”划分的同/异厂家组Pool模式。目前为维护便利，中国移动绝大多数省份采用单域、同厂家组Pool模式。

3.4.2MGCF/IM-MGW

作为VoLTE呼叫2G/3G的重要转接网元，需要支持Mg接口和CSCF相连，建议成对设置，可以采用GMSC升级，也可新建。

3.4.3VoLTE SBC/P-CSCF

SBC作为VoLTE承载语音/视频媒体的重要网元，同时作为eSRVCC的ATCF/ATGW功能，所起的作用非常重要。目前均和P-CSCF合一，支持Rx协议。SBC作为SGi口直连网元，建议SBC和SAE-GW距离靠近，减少跨承载网占用。SBC建设成对或多套建设，并组Pool，以提高安全性、

3.4.4VoLTE AS

VoLTE AS支持MMTEL、SCC功能合一，建议成对建设或多套组Pool模式，提高安全性。

3.4.5Ut网关和IP-SM-GW

Ut网关：作为VoLTE终端补充业务手机修改的接口代理，在初期可以全国集中建设，后续省份VoLTE用户量巨大后，也可省份单独建设，建议成对建设，互为容灾。

IP-SM-GW：作为VoLTE用户IP短信和现网SMC短信的接口，建设模式同Ut网关。

3.4.6LDRA

LDRA升级支持Gx/Rx在PCRF中会话信息的绑定。

4 结束语

随着LTE网络技术的不断成熟，语音业务IP化必将成为语音业务发展的趋势。然而，VoLTE的实现将经历一个非常漫长的过程。DR方案增加了终端厂家的研发难度，终端耗电也将是决定是否应用的一大问题；CSFB和SRVCC的语音解决方案将是电信运营商目前主推的语音解决方案。但是，随着IMS网络的部署和LTE网络的大规模建设，无论是CSFB还是SRVCC/eSRVCC使用场景将逐步降低。VoLTE语音成为主流时，需要考虑bSRVCC（振铃前发生切换）、rSRVCC（CS域切回LTE），以提高VoLTE接通率和掉话率。最终VoLTE语音将成为终极目标。

LTE voice mode selection and construction scheme

FENG Ai-ling， LIANG Kun
（China Mobile Group Hebei Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050021， China）

Because LTE can only provide packet services， there is a long-term demand for voice and short message service. For the LTE， the realization of voice and short message service in several ways were in-depth research and analysis， especially in the presence of CSFB and IMS voice， the reconstruction of EPC core network， which focuses on the CSFB implementation process， VoLTE-IMS Voice implementation and eSRVCC switching technology .

CSFB principle； CSFB process； CSFB network transformation； VoLTE-IMS； IMS voice continuity； VoWi-Fi voice

TN929.5

A

1008-5599（2016）09-0038-06

2016-08-11