VoLTE网络架构及关键技术论述
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【摘 要】本文主要介绍LTE网络与传统2G/3G网络语音互通方案volte的网络架构以及语音会话的信令流程。VoLTE是基于IMS的语音业务。IMS由于支持多种接入和丰富的多媒体业务，成为全IP时代的核心网标准架构。VoLTE即Voice over LTE，它是一种IP数据传输技术，无需2G/3G网，全部业务承载于4G网络上，可实现数据与语音业务在同一网络下的统一。
【关键词】VOLTE；网络架构；EnodeB；EPC核心网；IMS网络
0 概述
2004年11月，3GPP（the third generation partnership project）标准化组织通过了“3G长期演进”，即LTE（Long Term Evolution）移动通信网络项目。近些年，随着移动通信网络技术的迅猛发展，运营商现有的2G/3G网络将无法满足移动数据业务的发展需求，从而驱动网络快速向LTE演进。2009年3月，3GPP标准化组织了R8系统版本技术规范，该规范定义了整个EPC网络架构。同年12月，TeliaSonera公司部署世界上第一个LTE商用网络。迄今为止，根据GSA的研究报告，截至今年7月底，全球商用LTE增加到200张。全世界总计已有76个国家正式部署商用LTE网络。在我国，TD-LTE示范网络已经搭建成功，TD-LTE网络即将在国内正式商用。
1 VoLTE系统架构
1.1 总览
VoLTE网络包括许多的网络实体，为简便描述，在本文中将VoLTE网络分为三个主要的部分：无线接入侧Access、LTE核心网侧Evolved packet core以及控制侧Control。
其中，LTE核心网侧主要包括三个功能实体：移动管理实体MME（Mobility Management Entity）， 服务网关SGW（Serving Gateway）以及PDN网关（Packet data network gateway）。MME是由GPRS网络中SGSN实体演进而来，主要提供EPC部分核心控制功能。SGW提供用户面的控制功能，负责数据包的路由和转发，并支持终端移动性切换用户数据功能。PGW主要负责终端和外部分组数据网络的数据传输，在VoLTE网络中，PGW分配终端IP地址并提供EPC部分到IMS部分的接入。
1.2 LTE无线接入侧ENodeB
随着3G网络的演进，EnodeB具有3G网络中NodeB功能和大部分RNC（Radio Network Controller）功能，包括物理层功能HARQ（hybrid automatic repeat request），MAC、RCC、调度、无线接入控制、移动性管理功能等。LTE无线接入侧节点EnodeB架构。
EnodeB架构分为物理接入层、MAC层（Media Access Control）、RLC层（Radio Link Control）、PDCP层（Packet data convergence protocol）以及RRC层（Radio Resource Control）。其中，EnodeB通过S1_MME接口与MME通信，用于控制信令；通过S1_U接口与SGW通信，负责用户数据的传输。而不同EnoceB之间的通讯则采用X2接口，主要用于移动终端在不同的EnodeB之前切换时，快速实现用户资源管理以及数据迁移。
1.3 核心网EPC架构
核心网EPC部分主要包括MME、SGW以及PGW三个实体。MME是由GPRS网络中SGSN节点演进而来的。MME是LTE接入网络的关键控制节点， 负责空闲模式下用户设备的跟踪和寻呼控制，其中包括用户设备的注册与注销过程，同时帮助用户选择不同SGW，以完成LTE系统内核心网（CN）节点切换。通过与用户归属服务器（HSS）的通信，MME完成移动用户在EPC部分鉴权功能。SGW主要负责用户面处理，负责用户数据包的路由和转发，同时也负责用户终端在EnodeB之间和LTE与其他3GPP技术之间移动时的用户面数据交换。
1.4 控制侧IMS网络架构
VoLTE网络架构中，控制侧主要包括三个部分：PCRF、HSS以及IMS系统。PCRF主要负责计费以及基于会话媒体的策略控制功能。PCRF主要与IMS系统接入节点P-CSCF互通，检查、控制应用侧所需的媒体资源的分配，例如媒体类型、IP地址以及媒体通讯端口等。HSS（Home Subscriber Server）主要负责存储用户数据和业务数据。HSS包含IMS功能、PS域、CS域内HLR（home location register）功能以及鉴权功能。用户终端在附着在LTE网络时，EPC部分会通过HSS获取EPC部分鉴权向量，MME完成终端用户在EPC部分的鉴权；在该用户在IMS系统注册时，IMS系统服务器SCSCF（Server CSCF）会再次向HSS获取IMS内部鉴权向量，对用户再次进行鉴权，保证用户的有效性。
IMS系统中AS（Application Server）可以提供多种业务，如PSTN网络中的传统业务、会议、彩铃彩像等。这些用户业务数据也同样保存在HSS之中。IMS（IP Multimedia Subsystem）， IP多媒体子系统，是由3GPP组织为移动网络定义的。经过R5、R6两个版本，现在IMS网络技术日趋稳定。在3GPP的R6版本中，IMS已经被定义为支持所有IP接入网的多媒体业务核心网，可以支持任何一种移动的或固定的、有线的或无线的IP_CAN，同时意味着支持传统2G/3G网络接入。
2 VoLTE网络端到端信令流程
（1）LTE终端在LTE网络内附着，用户终端通过EnodeB附着在LTE网络内；
（2）EnodeB将用户信息传送到EPC部分，MME对该用户终端进行鉴权，鉴权向量来自于HSS节点，MME节点通过SG接口获取该用户鉴权向量；
（3）用户终端鉴权通过后，SGW分配给该用户相关媒体资源，PGW分配用户终端相应的IP地址，并将IMS系统接入节点P-CSCF地址通知用户终端；
（4）LTE终端收到P-CSCF地址后，使用PGW分配的IP地址作为源地址，P-CSCF地址作为目的地址，发送IMS系统注册请求消息到达P-CSCF；
（5）PCSCF将用户注册消息转发到IMS网络内部，SCSCF通过HSS获取IMS系统鉴权向量，并对该用户进行IMS内部鉴权。鉴权通过后，该用户IMS网络内部注册成功，S-CSCF发送成功响应消息给用户终端。注册流程顺利完成；
（6）用户终端附着LTE网络并在IMS系统成功注册后，终端发起对2G/3G用户语音会话。该会话请求经过LTE网络发送到P-CSCF节点。P-CSCF经过与PCRF协商，决定该会话的媒体资源，并将会话请求发送到IMS网络内部；同时，相关的计费信息发送到计费服务器中；
（7）S-CSCF处理会话请求，经过相应号码分析后，将消息传递给MGCF，MSC节点，即2G/3G传统网络入口节点。MGCF将SIP消息转化为ISUP消息，该请求转发到2G/3G传统网络中，实现LTE用户与传统网络的互通。
【参考文献】
[1]房鼎益，罗景仁.网络系统网络层协议的分析[J].1991.
[2]家智，徐洁.服务元网络体系结构和微通信元系统构架[J].电子学报，2004.
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