TD—LTE终极语音技术VoLTE应用分析
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【摘 要】分析了IMS体系架构，并对基于IMS系统的VoLTE技术进行了研究，最后总结了VoLTE技术在td-lte系统中从初建到普及的基本过程，同时对运营商网络建设和营销策略等方面提出了分阶段发展和重点区域应用的建议，可为TD-LTE网络建设及VoLTE语音应用提供一些参考。
【关键词】LTE IMS VoLTE
中图分类号：TN929.53 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2014）-03-0052-05
1 概述
IP技术是互联网主导技术，可方便灵活地提供各种信息服务，还能根据客户需求快捷创建新的服务。但在电信级语音方面只支持固定接入，安全性和计费控制等不尽如意。传统的基于电路交换的移动网络，如GSM，虽具有接入的灵活性，可随时随地语音交换，却不支持IP技术，只能形成一种垂直的业务展开方式；横向的不同业务应用只能分别进行业务接入、网络搭建、业务控制和应用开发，像业务计费等主要网络单元也须建立独立的运营系统。利用GPRS虽能使GSM用户接入IP，却是一种电路域与分组域完全分离、彼此独立的补充性应用，网速低、性能差，还存在语音和数据对无线资源的争用问题。
将IP技术引入到移动电信级语音通信领域，不仅要考虑电路域与分组域的灵活接入性，还要考虑运营商现有网络资源的续用。根据GSMA IR.92的定义，VoLTE（Voice over LTE，语音LTE）是一种基于IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统）的语音技术，可保障较高的QoS（Quality of Serivce，服务质量）和用户体验，解决数据互通和漫游问题，还能在给用户带来电信级语音质量的同时，实现在IMS框架下的语音、视频、数据、紧急呼叫等业务的融合，因而成为TD-LTE系统的终极语音解决方案。
2 IMS体系架构
IMS是一组全IP核心网络技术规范，是一种基于IP电话和多媒体服务业务融合的下一代网络开放式体系架构。IMS实现了在IP基础上对语音、数据、视频和移动网络等技术的相融，支持多种接入方式，具有丰富的多媒体业务，并可完成移动电话、固定电话和互联网等通信模式的整合，配合LTE核心网络实现volte端到端的基于分组域的语音和视频的电信通信业务。由于VoLTE采用了高清语音和视频编码，可显著提高语音通信质量，又因采用了SIP（Session Initiation Protocol，会话发起协议）进行端到端呼叫控制，使呼叫接续时长仅为CS（Circuit Seitch，电路交换）域的一半，其QoS技术的应用也使语音体验明显优于CS。
IMS体系可分为三层，其中应用层由各种服务器和Web业务组成，用户可通过IP或传统电话方式访问这些语音和非语音业务，所以IMS应用层的作用是负责为用户提供IMS多媒体业务；控制层也叫信令控制层，负责管理呼叫或会话设置、修改和释放，所有IP多媒体业务的信令控制都在这一层完成，是IMS的核心网；传送接入层也叫承载层，是一个IP分组交换网，可通过SIP信令建立会话，并提供承载服务，专门负责IMS SIP会话接入和传输。IMS体系架构如图1所示：
图1 IMS体系架构
3 基于IMS的VoLTE技术分析
VoLTE语音业务由LTE网络数据域提供支持，而借助IMS系统，不仅可实现语音呼叫控制等功能，还能够合理、灵活地对多媒体会话进行计费。IMS定义了为业务开发商使用的标准接口，通过这些接口运营商能够在多厂商环境下提供业务，避免绑定在单一厂商获取新业务。由于LTE系统只有PS域，所以在LTE上承载语音只能用VoIP（Voice over IP，语音IP）技术，要想在LTE网络中应用VoLTE语音业务，还需要用IMS作为会话类业务的控制网络，需要在LTE/EPC网络基础上叠加IMS网络来提供呼叫控制和业务功能。所以，VoLTE语音业务是以IMS网络作为业务控制层，以LTE网络作为业务承载层的VoIP语音业务。
2011年11月中兴通讯宣布成功地完成了业界首个VoLTE语音互通测试，在中德两地远距离测试站点中，验证了在厂商测试环境下，基于LTE/EPC/IMS技术的VoLTE接口的互联互通、全球漫游和全IP技术下的VoLTE语音通信。在测试场景提供的端到端的网络方案中，IMS核心网中包括了CSCF、HSS和IMS应用服务器MMTel AS等，LTE网络中包括了eNodeB、MME、S-GW、P-GW、PCRF等，DRA（Diameter Routing Agents，Diameter路由）模块起到了将两个核心网络连接的作用，如图2所示：
图2 基于IMS系统的VoLTE网络架构
由图1、图2可以看出，将LTE接入IMS体系，DRA模块起到了决定性的作用。作为Diameter路由，DRA可实现归属网络和被访网络间的互联与控制，完成各主机间的LTE漫游。引入Diameter信令，则可实现LTE用户的鉴权、位置更新和计费管理。所以，DRA节点的引入，可负责LTE Diameter信令目的地地址翻译和转接，为LTE提供漫游服务，保证全网MME-HSS之间、PCRF-PCRF之间的全IP连接关系。当然，归属地HSS、PCRF等网元也需要通过IMS索引和路由。
VoLTE技术透过LTE网络的空中接口来传输语音流量，使用传统互联网语音技术VoIP和以IMS体系为基础的核心网络，提供包括视频电话在内的语音服务，语音业务流程如图3所示，可简单地分解为开机、呼叫建立和呼叫释放等三个过程。开机过程是LTE终端UE附着过程，即所谓永久在线建立过程，与所有LTE终端附着不同的是，因加入IMS系统，终端需要申请VoLTE语音会话建立和IMS鉴权与注册；呼叫建立过程是VoLTE语音呼叫过程中的主被叫链路的建立，该链路一旦建立，主被叫之间就可进行VoLTE语音通话；释放过程是使主叫回到开机过程中的附着状态，一旦发起呼叫，则可快速连接被叫，大大缩短了起呼时间。
图3 VoLTE语音业务流程
LTE终端在执行VoLTE语音业务时，在LTE网络和IMS网络中，主要经历的网元有eNodeB、MME、S-GW、P-GW、HSS、PCRF、CSCF和AS。从图2中可以看出，LTE网络不仅要完成语音业务的空中传输，还要负责通话终端间的EPS注册、IMS注册、用户鉴权和EPS专用信道的建立，虽然IMS网络也需要辅助响应，但在整个VoLTE语音业务应用过程中，LTE网络是其业务承载的传输主体。当这种业务承载的传输网络建立后，获取多媒体业务、VoLTE视频语音业务就需要IMS网络支持了。
VoLTE语音业务遵循IMS语音业务流程，包括漫游和非漫游场景下的起呼和被叫。VoLTE使用PS域业务的VoIP语音技术，与PS域所有数据业务一样，VoLTE语音也只是一种互联网业务，一种多媒体语音数据业务。所以，VoLTE语音业务实现视频语音是一件很简单的事。另外，在VoLTE解决方案中，实现VoIP语音业务时，LTE系统将VoIP语音视为一种移动宽带业务提供一种承载，业务控制则由IMS系统提供，这样用户业务的QoS和计费策略控制可由PCC（Policy Control and Charging，策略控制与计费）系统与之保证。
PCC是3GPP R7中提出的一种基于分组域实现流的业务策略和控制的逻辑架构，在R8中增加了包括LTE在内的多种接入方式、漫游和PCRF寻址功能。PCC架构主要由PCRF、PCEF（Policy and Charging Enforcement Function，策略和计费执行功能）、AF（Application Function，应用功能）、SPR（Subscription Profile Repository，签约型存储）等功能实体组成。PCRF主要实现策略控制决策和基于流计费控制功能；PCEF主要实现数据流检测、策略执行和基于流的计费功能；AF在IMS架构中由P-CSCF网元替代，主要实现与PCRF通信交互以传输动态会话信息以便PCRF决策；SPR包含与所有签约用户或签约相关的信息，而PCRF使用这些信息可决定基于签约的策略。
在LTE网络中引入PCC后的网络架构如图4所示，其中PCRF为LTE核心网中重要模块，P-CSCF是IMS核心网中CSCF的一个子模块，功能相当于存储器的SPR是新增网元，同为新增网元的PCEF，却非常重要，负责执行已选策略和计费功能。在PCC策略实现中，PCRF首先需要查询包括用户签约信息、运营商用户数据、从承载层和应用层获得接入网络信息、了解用户位置、协商QoS、用户设备信息和用户计费方式等信息来确定用户QoS策略。而后PCRF根据这些查询信息，为用户配置相应QoS策略，与其他核心网元交互，分配相关资源以保证业务服务质量。显然，在PCC策略实施中，包括了VoLTE语音业务在内的所有PS域业务，而上面所述的亦是VoLTE语音业务的QoS策略实施过程。
图4 引入PCC架构后的LTE网络
4 VoLTE技术应用思考
将VoLTE语音建立在IMS体系架构和LTE网络基础上，是保证VoLTE语音质量的重要前提。LTE的扁平化结构使得接入网E-UTRAN仅由基站eNodeB组成，简化了网络信令，能将更多会话（In-Session）资料管理责任交给eNodeB节点，大大缩短了等待时间，从而能让分组语音服务包和高速数据服务包如同串行流媒体（Streaming Media）一样可行。LTE可使VoLTE在语音业务上拥有更高的频谱效率，单位频谱上也可承载更多的语音用户，特别是通过引入电信级QoS和高清编解码技术，理论上VoLTE完全可以拥有比2G/3G语音、OTT语音更好的用户体验。
2012年韩国电信运营商SKT和LGU及美国MetroPCS同时宣布推出可在LTE网络中应用的基于IP语音技术的VoLTE，数月后，韩国三星又宣布推出了具备VoLTE能力的Galaxy Note 10.1移动设备，加上2011年中兴通讯宣布的已成功地完成业界首个VoLTE语音跨国互通测试报道，说明基于IP数据传输技术和LTE语音传输技术的VoLTE语音技术，在PS域已经具备了商业应用能力。然而现实中，全球正在加速部署的LTE网络大部分仍然只支持数据传输，不能处理语音通信，用户电话只能被转移至传统的2G/3G网上。这并非完全是技术因素，还与运营商2G/3G成熟网络的投资保护有关。VoLTE的广泛应用还有一段路要走。
目前通过互联网协议提供语音服务的技术主要是OTT服务商提供的、资费很低的、技术简单的、使用VoIP技术的网络电话，该网络电话因其只需SIP软件就可以通过IP地址和帐号注册通话，所以如同互联网上所有数据业务一样，没有区域和漫游的概念（只需IP地址），更不能提供语音质量的QoS保证（非实时和随机的语音包串联没有QoS支持）。这说明VoLTE语音技术所面对的竞争对手，不仅价廉易用，而且已广泛普及。VoLTE语音技术要想塑造移动互联网语音神话，一方面要保证语音品质远远超越普通网络电话，甚至超过固定电话；另一方面要使可视电话音视频品质有质的飞跃，使用户有完美的体验。
因此，要在LTE网络中应用VoLTE业务，分阶段发展和重点区域应用是较好的选择，即将VoLTE语音应用分三个阶段：
第一阶段为初始应用阶段，主要考虑LTE初期应用是以热点覆盖为主，LTE网络覆盖区域有限，而2G/3G网络不仅覆盖全面，用户群体还占有绝对优势，尤其是存在高成熟度的CS语音技术与有待完善的VoLTE语音技术的矛盾。所以，在这一阶段的LTE网络中，有的地方可采用VoLTE语音技术，有的地方则采用切换到CS域语音技术。这就要求运营商先有一个市场应用调研和用户应用引导。如考虑在大专院校布局支持VoLTE语音技术的热点LTE网络覆盖，在校园开展各类有意义的支持VoLTE语音技术终端设备的市场优惠销售活动，开展有针对应用目标的、性价比较高的具有VoLTE语音技术应用模式指导的互动活动等。
第二阶段为支持VoLTE技术的LTE网络的发展期，特点是LTE网络覆盖规模不断扩大，用户认知也达到一定程度，LTE网络技术、VoLTE语音技术和LTE终端技术开始走向成熟，LTE网络覆盖水平达到了可以在城市和人口密集地区运营VoLTE语音业务的条件。尤其是LTE智能手机的大量应用，IMS架构的不断完善，CS语音系统开始逐渐退出，基于IMS架构的多媒体业务类型的大量涌现，VoLTE语音品质得到较大提升……总之，本阶段是基于IMS架构VoLTE语音技术应用的普及时期，运营商需要做的工作主要是在优化VoLTE多媒体语音品质的基础上，提供内容丰富的IMS多媒体应用业务和种类繁多的智能手机。
第三阶段为LTE网络全覆盖和VoLTE成为主流语音应用时期，相当完善的LTE覆盖和相当成熟的VoLTE多媒体语音应用，已促使传统的CS开始退出移动通信舞台。
第一阶段是一个非常重要的应用推广阶段，是IMS架构初建与集成和VoLTE语音技术完善过程中必要的测试和试验阶段，也是LTE网络、IMS多媒体业务与VoLTE终端应用的磨合阶段，因而也是决定LTE网络应用在短期内能否占领一定市场份额的重要阶段。所以，运营商应在第一阶段的营销策略中做足文章。第二阶段和第三阶段是移动多媒体业务发展和创新阶段。
5 总结
基于IMS体系架构的VoLTE语音技术是LTE运营商开启通往移动宽带语音的一扇大门，也是移动通信、固定通信和互联网通信，语音业务、数据业务和视频业务大融合的基础。LTE语音通信技术最终是以VoLTE分组业务形式取代，但却取决于VoLTE技术的臻如至善，取决于LTE网络的无缝覆盖程序，取决于IMS多媒体业务类型的丰富多彩，取决于智能终端的智能情况，最终还是取决于用户的应用普及程度。
从语音业务方面看，IMS体系架构支持的基于IP的电话和多媒体服务业务的融合，不仅可为VoLTE语音贯通包括2G/3G和固定电话的所有语音，还能使视频电话与互联网视频的相互通信变得十分方便，更重要的是为完全VoLTE语音技术应用创造了安全的过渡环境。对于运营商来讲，IMS体系架构力助VoLTE实现了数据与语音业务在同一网络下的统一，可帮助运营商降低运营计费复杂度，提升运营效率，减少运营成本。
从技术角度看，VoLTE是一种在LTE协议层上封装语音数据的新型语音标准，与Voive over ATM、Voice over Frame Relay类似。借助成熟的技术和工艺，VoLTE技术完全可以简化终端芯片设计，降低语音设备成本。所以笔者认为运营商应加快LTE网络覆盖速度，增加LTE网络覆盖率，尤其是完善IMS体系架构的建立，为VoLTE语音技术的普及打下良好的网络基础。
另外，许多运营商采用电路回退等相关技术兼容2G/3G语音。对于运营商来讲，这似乎可以在LTE时代继续发挥2G/3G设备的效益，降低建网投资，但却加重了用户终端设备的成本，这无疑要影响LTE网络应用的推广和普及，影响LTE网络的成本效益。所以，在使用VoLTE语音技术的LTE网络覆盖建设中，采用重点区应用模式有一定的现实意义。
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