基于溯源的5G SA VoWiFi解决方案研究

张 芳，庄恒全，李虓江，陶伟宜（.中国电信股份有限公司浙江分公司，浙江杭州 3000；.华信咨询设计研究院有限公司，浙江杭州 3005）

0 前言

根据统计，当前运营商的家庭小区覆盖类投诉占比在60%以上，其中VoLTE 语音投诉占比40%左右。VoWiFi 作为室内覆盖环境下移动语音类投诉的解决方案，可有效降低家庭语音、短信投诉等的赔补费用。

2017 年国内运营商曾进行过VoWiFi 的部署测试验证，测试结果表明，在一定的网络条件下VoWiFi 能给用户带来良好的业务体验。但由于当时的解决方案不能解决用户的溯源问题，比如用户拨打紧急电话时，无法准确提供位置信息，网络如果无法追溯到Vo-WiFi 电话的拨出地点，则后续的紧急救援就无法开展。因此，VoWiFi功能一直未能在网络上部署应用。

随着国内运营商5G 网络陆续部署在2.6 GHz、3.5 GHz、4.8 GHz 等高频段，其信号穿透能力较弱，语音业务从VoLTE 演进到VoNR 后，对VoWiFi 的诉求越来越强烈。中国电信自研了带有溯源功能的网关，可实现VoWiFi的溯源功能。

1 基于溯源的VoWiFi解决方案

3GPP 明确了基于IMS 提供语音业务，4G、5G 均可作为IMS 语音业务的一种IP 接入方式。5G 网络建设初期，采用从5G 回落到4G 网络的VoLTE 语音解决方案；在5G 网络发展到成熟阶段后，采用VoNR 作为5G网络的目标语音解决方案。无论网络发展到什么阶段，VoWiFi 都可以作为运营语音业务的有效补充，在无线网络覆盖不足的室内区域，利用Wi-Fi 网络的覆盖解决用户的语音呼叫问题。

1.1 4G VoWiFi解决方案

4G VoWiFi 主流采用3GPP 标准的非可信任域接入S2b 方案，采用3GPP TS 23.402 中的VoWiFi 网络架构，沿用VoLTE 的组网，在网络中新增ePDG 作为非可信任域Wi-Fi 接入EPC 的网关；VoWiFi 与VoLTE 共用核心网，采用原生态的终端，选择同一个PGW 作为业务切换的锚点，实现VoWiFi 与VoLTE 之间的无缝切换，可保证语音连续性。系统中主要增加了3 个主要接口。非可信任域Wi-Fi接入VoWiFi网络架构如图1所示。

图1 非可信任域Wi-Fi接入VoWiFi网络架构图

a）ePDG 与UE间的SWu接口：SWu接口在控制面使用IKEv2消息，用户面封装在IPSec隧道中。

b）ePDG 与P-GW间的S2b接口：S2b接口采用GTP隧道协议。

c）ePDG 与3GPP AAA 间的SWm 接口：SWm 接口采用Diameter消息。

1.2 5G用户基于溯源的VoWiFi解决方案

为了解决终端的溯源问题，中国电信基于运营商家宽的应用场景，结合家庭网关位置信息，在5G SA组网下，基于4G VoWiFi 架构基础，新增ePDG 到融合SMF+PGW-C 的S2b-C 接 口、到 融 合UPF+PGW-U 的S2b-U 接口；3GPP AAA 到融合SMF+PGW-C 的S6b 接口、到融合HSS+UDM 的SWx 接口；新增部署溯源网关，并增加其到ePDG的SWf接口、到固网AAA/溯源系统的PI接口，以实现5G SA用户的带溯源功能的VoWiFi业务。带溯源的VoWiFi网络架构如图2所示。

带溯源的VoWiFi具体实现机制如下。

a）VoWiFi 用户附着流程中，新增的VoWiFi 溯源网关与ePDG、固网AAA/溯源系统交互，完成家庭网关VoWiFi业务鉴权，并获取位置信息。

b）VoWiFi溯源网关与ePDG使用Diameter协议对接，进行位置查询。

c）VoWiFi 溯源网关与固网AAA/溯源系统对接，通过用户Local IP 和端口号（即家庭网关的出口IP 地址和端口号）查询用户关联的账号、BRAS设备IP、PVC信息，并通过用户账号查询用户位置信息。

d）ePDG 从VoWiFi 溯源网关处获得用户位置信息，并将信息传递到UPF+PGW-U和SMF+PGW-C。

e）PCRF/PCF 在VoWiFi 呼叫进行位置查询时，通过N7接口从SMF+PGW-C获得用户位置信息。

f）P-CSCF/BAC 通过Rx 接口从PCRF/PCF 获得位置信息，将从终端和网络获取的用户位置信息，生成新的PANI头域。

基于以上实现机制，网络可以精准溯源到终端发起VoWiFi呼叫时所处的家庭位置信息。

2 基于溯源网关的VoWiFi业务网络验证部署

2.1 现场试点组网架构

本研究采用的VoWiFi 试点网络涉及网元如图3所示，蓝色部分为现网4G EPC 核心网设备，黄色部分为现网5GC 在网设备，绿色部分为测试新建设备。新建设备中，溯源网关为中国电信自研设备，PCF/PCRF、SMF/GW-C、ePDG、3GPP AAA 与5GC 为同厂家设备。由于ePDG 有公网暴露面，为保障网络安全需要隔离，到ePDG 的访问先经过防火墙，在防火墙上配置白名单，仅允许测试AP接入。

图3 带溯源VoWiFi试点网络逻辑架构图

网元部署资源池规划如图4所示。为避免对现网业务有影响，在现网资源池中新建PaaS 来部署新建的PCF/PCRF 和SMF/GW-C；ePDG 和3GPP AAA 部署在新建资源池中，采用独立HA部署的方式。

图4 资源池部署规划图

试点VoWiFi 组网架构如图5 所示。在现网5GC资源池内新增部署SMF和PCF；新增资源池部署ePDG和3GPP AAA，DCGW 旁挂防火墙以隔离公网暴露面，与现网5GC 资源池共用5GC CE 出口；新增溯源网关则部署在同机房的业务平台资源池内。

图5 试点VoWiFi组网架构图

2.2 现场试点测试情况

2.2.1 溯源流程测试

溯源网关通过SWf 接口和PI 接口实现用户溯源。其中，ePDG 与溯源网关间的SWf接口通过Diameter 协议交互位置溯源信息，溯源网关与固网AAA/溯源系统间的PI 接口通过HTTP/HTTPS 协议交互位置溯源信息。本研究通过信令跟踪的方式来分析溯源全过程是否完整。

a）ePDG 通过SWf 接口向溯源网关发送Query-Location-Request（QLR）消息，携带用户Local IP 和端口号（即家庭网关的出口IP 地址和端口号），查询用户位置信息。

b）溯源网关通过PI接口向固网AAA/溯源系统发送HTTP/HTTPS GET 请求，携带用户Local IP 和端口号，查询用户当前接入的家庭网关是否开通VoWiFi业务及用户位置信息编码、家庭宽带账号等信息。溯源网关应支持基于用户Local IP 的判断，生成运营商与组网模式标识。

场景1：家庭网关溯源成功，固网AAA/溯源系统返回200消息，表示查询成功，并携带用户位置信息编码、家庭宽带账号等信息。溯源网关据此向ePDG 返回查询成功的Query-Location-Answer（QLA）消息，携带用户位置信息。

场景2：家庭网关未能成功溯源，固网AAA/溯源系统返回404 消息，表示查询失败。溯源网关据此向ePDG返回查询失败的QLA消息。

c）ePDG 收到固网AAA/溯源系统发送的位置信息后，在发送到SMF+PGW-C 的“Create Session Request”消息中，通过“WLAN Location Information（使用Civic Address Information 信元存放‘行政区号+国家码+本地网区号+省份标签’+运营商标识+组网模式），UE Local IP Address，UE UDP Port”参数携带用户位置信息。

d）融合SMF+PGW-C 支持IMS 呼叫流程中的位置查询，通过UserLocation.N3gaLocation.ueIpv4Addr（或ueIpv6Addr），UserLocation.N3gaLocation.portNumber 和UserLocation.N3gaLocation.twapId返回用户位置信息。

e）PCF 支持IMS 呼叫流程中的位置查询，支持融合 SMF+PGW-C 通 过 UserLocation.N3gaLocation.ueIpv4Addr（或ueIpv6Addr），UserLocation.N3gaLocation.portNumber 和UserLocation.N3gaLocation.twapId 返回的用户位置信息，并支持通过UE-Local-IPAddress AVP、UDP-Source-Port AVP 和 TWANIdentifier AVP将用户位置信息传递给P-CSCF/BAC。

f）P-CSCF/BAC 从网络和终端获取用户位置信息后，填写P-Access-Network-Info 头域并传递至其他IMS 网元。IMS 网元在接收到包含Wi-Fi 接入位置信息的PANI头域的消息时，按需对Wi-Fi接入位置信息进行相应的处理或直接透传。

基于上述现场测试情况判断，溯源结果实现了全流程精准传递。

2.2.2 家庭网关场景下切换测试

本次溯源的方案主要基于家庭网关提供位置信息来实现整个业务，因此本研究对家庭网关环境下进行了切换模拟测试验证。

a）关闭移动数据开关，终端从Wi-Fi 路由器1 移动到Wi-Fi 路由器2。终端从Wi-Fi 路由器1 切换到4G 再切换到Wi-Fi 路由器2，通过抓包分析判断在切入到切出4G的过程中通话有一小段中断。

b）关闭移动数据开关，接通VoWiFi 后切断Wi-Fi路由器上联链路。VoWiFi 通话先出现无声音的情况，然后通话中断。

c）接通VoWiFi后打开移动数据开关，从Wi-Fi路由器1移动到Wi-Fi路由器2。终端上网从Wi-Fi路由器1 移动到Wi-Fi 路由器2。终端语音通话未中断，通过抓包分析判断VoWiFi 通话在移动数据开关打开后即直接切换到了VoLTE，即使移动到信号非常好的Wi-Fi路由器2也没有切回VoWiFi。

d）接通VoWiFi 后打开移动数据开关，通话过程中切断Wi-Fi 路由器上联链路，之后恢复Wi-Fi 路由器上联。终端上网从Wi-Fi 路由器切换到4G，之后再切回Wi-Fi 路由器。终端语音通话未中断，通过抓包分析判断VoWiFi 通话在移动数据开关打开后直接切换到了VoLTE，后续Wi-Fi 路由器上联链路切断及恢复语音通话都一直保持在VoLTE下。

总体判断，家庭环境下无线信号良好的情况下，语音将一直保持在VoLTE 下；在无线信号恶劣，Wi-Fi信号良好的情况下，通话切换到VoWiFi 后，能保证良好的用户业务体验。

在以上模拟测试验证的基础上，本研究还选取无覆盖、弱覆盖、高层信号杂乱3 类场景的6 个家庭进行了测试，发现在VoWiFi 开通后，家庭可通话面积明显增加，等效覆盖率从53%提升至97%；语音质量MOS值从2.49 提升至3.77；且在家庭Mesh Wi-Fi 情况下，VoWiFi漫游切换几乎无感。

2.2.3 VoWiFi语音质量测试

本次现场试验还重点测试了Wi-Fi 网络质量对VoWiFi 用户体验的影响。对于影响用户体验的VoWiFi语音通话质量、接通时间、切换时延等进行了测量。VoWiFi 语音质量测试记录如表1 所示，VoWiFi ↔VoLTE切换测试记录如表2所示。

表1 VoWiFi语音质量测试记录表

表2 VoWiFi↔VoLTE切换测试记录表

从上述测试结果，可以判断：

a）在Wi-Fi 网络质量良好的情况下，VoWiFi 语音质量用户体验良好。

b）LTE 和Wi-Fi 网络质量均好的情况下，会优先选择VoLTE完成语音业务。

c）LTE 网络质量弱且Wi-Fi 网络质量好的情况下，会从VoLTE切换到VoWiFi。

根据综合分析，认为上述测试结果符合预期。

2.2.4 切换门限测试

在满足通话质量的前提下应尽可能减少通话中的切换，需要合理设置切换门限。本报告还对影响Wi-Fi 网络质量的接收电平RSSI（Received Signal Strength Indication）值以及影响LTE 网络质量的参考信号接收功率RSRP（Reference Signal Receiving Power）与业务使用过程中的感知指标（语音MOS 值）之间的关系进行了测试。VoWiFi 语音质量与RSSI 关系测试记录如表3 所示。VoLTE 语音质量与RSRP 关系测试记录如表4所示。

表3 VoWiFi语音质量与RSSI关系测试记录表

表4 VoLTE语音质量与RSRP关系测试记录表

基于上述现场测试情况看，为了保证用户良好的业务体验，切换门限的设置基于以下考虑。

a）切出门限设置。在满足通话质量的前提下尽可能减少通话中的切换。

（a）设置Wi-Fi RSSI 切出门限至-81 dBm。Wi-Fi RSSI 低于-86 dBm 时语音质量在3 分左右，考虑到家庭场景Wi-Fi信号跳变，为防止掉话，切出门限预留5 dB的余量。

（b）设置LTE RSRP 切出门限至-112 dBm。LTE RSRP 低于-117 dBm 时存在较高丢包率甚至掉话现象，考虑到LTE 信号跳变，为防止掉话，切出门限预留5 dB的余量。

b）切入门限和切出门限相差6～7 dB 以避免乒乓切换，从而设置LTE RSRP 切入门限至-105 dBm，Wi-Fi切入门限至-75 dBm。

c）终端处于空闲态时，由于对切换时延不敏感，为了保证终端尽量待机在最优的网络下，空闲态切出门限建议比业务态时抬高3～4 dB。

3 总结

随着5G 网络部署的逐渐推进，5G NR 将逐步实现连续覆盖，由VoLTE 过渡到采用VoNR 方案实现语音、数据在5G网络的端到端承载，这对高层建筑等场景下的家庭语音带来更加严峻的挑战。在某些区域室内弱覆盖无法通过无线基站建设得到明显改善的时候，通过Wi-Fi 网络接入来给室内用户提供良好的VoWiFi语音是一个经济又高效的方案。

根据现场测试情况看，基于运营商家庭网关的溯源VoWiFi 解决方案能满足室内弱覆盖场景下的语音业务需求。建议运营商在5G SA 网络部署推进过程中，尽早考虑带溯源VoWiFi 业务的部署，并持续跟进VoWiFi 终端的进展；同时加强用户宣传，运用家庭Wi-Fi网络进行语音业务承载。