核心网演进过程中语音连续性方案探讨

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付费下载自CNKI论文期刊网。发表于《电信快报》2012年04期。

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【作者】 方晶晶;

【作者简介】方晶晶 1980 女 硕士 工程师 主要研究方向为通信系统中核心网部分的设计。

【作者单位】 江苏省邮电规划设计院有限责任公司;

【关键词】 语音连续性; CSFB（电路交换域业务回落）; SRVCC（单频语音业务连续性）; VoLGA（LTE网络的语音通用接入）; LTE（长期演进）;

【摘要】 首先介绍了中国移动现有2G/3G网络和目标基于CM-IMS(中国移动IMS)的LTE/SAE(长期演进/系统架构演进)网络的架构，然后提出了在核心网络演进过程中的四种语音连续性方案的基本原理及架构，并对此四种语音连续性方案从网络影响、呼叫建立时延及切换、终端设备要求和应用场景等方面进行细致深入的比较和优化，给出网络分阶段的实施方案，最后对基于LTE和IMS的未来网络进行了总结和展望。

0 引言

作为下一代移动通信系统重要的无线技术，LTE（长期演进）具有高频谱利用率、高带宽、大容量的特点，未来随着LTE网络的大规模开展，网络运营商将面临LTE和2G/3G（第二代/第三代全球移动系统）多种网络长期共存的情况，有针对性的互操作技术和策略可以实现多种网络间的互补和共赢，极大地提高运营商的投资效率，并通过多种业务在不同网络间的合理分配，提高用户体验，改善服务。

在目前的2G/3G网络中，语音业务占有重要地位，是运营商收入的主要来源。可以预期，在未来的LTE网络中，语音业务将仍然是其重要业务之一。由于LTE主要设计目标是提供宽带高速业务，对于如何提供对时延敏感而带宽要求较低的语音业务、并使得LTE与2G/3G互操作时保持连续性，是值得我们探讨的问题。本文以中国移动运营商的网络架构为例对语音连续性进行分析研究。

1 2G/3G/LTE核心网演进架构

1.1 现有2G/3G组网架构

目前中国移动核心网采用3GPPR4的标准系统架构，2G、3G核心网融合组网。核心网主要由CS（电路域）PS（分组域）IMS（多媒体子系统域）组成。

在CS域，MGW（媒体网关）通过A接口与BSS（基站子系统）相连，通过Iu-CS接口与RAN（无线接入系统）相连。MSS（移动交换控制部分）同时支持RANAP（无线接入网络应用部分）与BSSAP（基站子系统应用部分）协议，用于控制BSC（基站控制器）与RNC（无线网络控制器）。

在PS域，SGSN（GPRS服务节点）通过Gb接口与BSS相连，通过Iu-PS接口与RAN相连。

在IMS域，终端用户通过SBC（边界会话控制）接入CSCF（呼叫控制功能）；IMS通过MGCF（媒体控制功能）与移动GMSC（关口局）进行BICC（承载独立的呼叫控制）互通；IMS在IP专网上划分了信令和媒体两个VPN（虚拟分组网），通过MGCF/MGW跨接到电路域CE方式与现有CS域设备互通；GPON（吉比特无源光网络）、SGSN/GGSN等接入方式通过Cmnet城域网接入IMS核心网。

1.2 核心网目标演进架构

中国移动现网2G/3G共组分组核心网，已开始逐步部署Gb-Flex/Iu-Flex方案，并考虑适时引入One Tunnel（单隧道）功能，最终向SAE（系统架构演进）目标架构演进。

未来网络将是全业务融合的网络，最终业务层融合在以IMS为基础的统一核心网上，但在此之前的较长时间内软交换和IMS将共存。最终网络中原移动网的MSS演变为mAGCF（移动接入网关），作为IMS控制域的接入控制网关，CS域改为由IMS承载。中国移动CM-IMS（中国移动IMS）网络的建设和部署将使得中国移动具有LTE/SAE语音融合业务的提供能力，因此基于CM-IMS网络提供LTE/SAE语音业务将是中国移动目标方案。

2 演进过程中语音连续性方案

目前，针对LTE/SAE部署过程中语音业务的连续性，主要有以下四种候选方案：多模双待手机、CSFB（电路交换域业务回落）、SRVCC（单频语音业务连续性）以及VoLGA（LTE网络的语音通用接入）。

2.1 多模双待手机方案

LTE多模双待手机，顾名思义是指该手机可以同时驻留在多个域实现不同类型的业务并发。通常，该手机可同时驻留在LTE和2G/3G的电路域，语音通过2G/3G进行疏通，数据业务通过LTE疏通，并实现语音和数据业务的并发。该方案对于现有网络的影响不大，终端是双待手机即可实现。

2.2 CSFB方案

1）基本原理

CSFB是CS FallBack的简称，其基本原理是：终端驻留在LTE网络时，其发起或接收语音呼叫时，需要先从LTE重选回2G/3G网络，由2G/3G的电路域CS来提供语音服务。终端应在LTE和2G/3G电路域网络双注册，当终端接收到语音呼叫需求时，由LTE/SAE网络决定是否将终端切换到2G/3G电路域完成业务；同时挂起终端在LTE/SAE上的附着，在电路域业务完成后，终端重新切回到LTE/SAE网络连接。

2）方案架构

如图1所示，CSFB采用SGs接口连接MME（移动性管理实体）和MSC，并通过该接口完成SAE和2G/3G电路域的联合附着、位置更新、去附着、寻呼终端等。SGs接口主要参照了Gs接口的流程和功能，此外，SGs接口增加了短消息能力。

2.3 SRVCC方案

1）基本原理

SRVCC是Single Radio Voice Call Continuity的简称，其基本原理是：在LTE覆盖范围内采用VoIMS（语音IMS承载）的方式来提供语音，在语音呼叫过程中如果终端移动出LTE覆盖范围时，LTE同2G/3G网络中的MSC进行切换以支持语音业务的连续性。该方案需要在LTE的覆盖边界处，将锚定在IMS域VCC AS（语音呼叫连续性应用系统）的语音呼叫从LTE切换到2G/3G的CS域。该切换过程包括承载层的PS-CS切换和业务层的IMS域切换两部分。这两部分切换处理相互独立。

2）方案架构

SRVCC架构如图2所示，需要部署IMS VCC AS、增强MSC网元功能，结合MME的切换控制保证LTE语音能够平滑地向2G/3G的CS网络切换。为了支持SRVCC切换，处理MSC Server和MME之间要求提供Sv接口，基于GTP-C协议。MME在eNodeB发出向GERAN/UTRAN（无线接入网络）的切换请求后，通知增强MSC网元，MSC网元则基于CS网络切换控制协议向控制RNC/BSC的MSC发起CS切换请求。在SRVCC方案中，MME需要兼顾语音的SRVCC切换和非语音的PS切换处理。

2.4 VoLGA方案

1）基本原理

VoLGA是Voice over LTE via Generic Access的简称，其基本原理是：在SAE和CS核心网络之间增加一个控制点VANC（VoLGA Access Network Controller），利用现有CS网络提供语音业务。

2）方案架构

VoLGA架构如图3所示，新增VANC支持两种工作模式，A mode和Iu mode，模拟RNC或BSC向MSC/VLR提供A/Iu接口，也可模拟AF（应用功能）通过PCRF（策略和计费控制功能）建立SAE中的语音承载。

3 方案比较与优化

3.1 方案比较

以下从四个方面对四种语音连续性方案进行对比分析

1）对现有网络的影响

多模双待手机方案对现有网络的影响最小，不需要2G/3G和LTE网络进行复杂的互操作。

CSFB方案需要升级现有软交换设备MSC SERVER，具备“联合位置更新”功能，支持SGs接口协议等；SAE网络中的MME也需要支持SGs接口协议。

SRVCC方案需要IMS网络的支持，同时现网软交换设备MSC SERVER功能需要增强，支持Sv接口，能发起IMS域到CS域的会话切换等。MME也需要功能增强，能区分VoIP与非VoIP承载，协调PS切换和SRVCC切换同步执行等。HSS网元还需要增加存储一个特殊参数STN-SR（会话迁移号码），用于UE附着过程中传递给MME，再转发给MSC。

VoLGA方案利用现网软交换设备，同时新增VANC网元，但不需要升级现网设备，不需要IMS网络支持。对于SAE网络而言，VoLGA业务只是其承载的一类数据业务。

2）呼叫建立时延及切换

多模双待手机方案可在不同域实现业务的并发基本不存在切换问题。

CSFB方案本质上是个会话建立流程，其在CS语音会话建立之前UE就已进入CS网络，会存在一定的呼叫建立延迟。CSFB一般情况下不需要考虑切换问题，但需要注意，由于骚扰电话等在LTE与2G/3G网络之间的频繁切换，会造成网络资源的浪费。

SRVCC方案的切换过程，包括承载层的PS-CS切换和业务层的IMS域切换两部分，信令流程复杂，时延较长，且时延主要是由于IMS核心网远端终端做媒体面更新过程导致的，如果考虑到远端终端的漫游情况及媒体处理能力，该时延还会增加。

VoLGA方案，UE需要首先完成SAE网络的附着流程，然后完成VoLGA注册流程，才能执行其业务，故呼叫时有较好的业务连续性。

3）对终端的要求

多模双待手机方案，其终端必定是多模双待的，终端实现比较复杂。

其他三种方案，终端是多模单待手机，支持LTE、TD-SCDMA和GSM/GPRS模式，且任何时刻只能工作在其中的某一种模式。

4）应用场景

多模双待手机方案可选择2G/3G模式建立语音业务，选择PS域当前附着的网络建立分组域业务，对网络没有额外要求。

CSFB方案适用于2G/3G电路域与LTE的无线网络重叠覆盖的场景，网络结构简单，不需要部署IMS系统，能有效利用现有CS网络投资。由CS网络提供语音业务，LTE提供数据业务。

SRVCC方案适用于运营商已部署IMS网络、在LTE网络已经能提供基于IMS的语音业务，但LTE没有达到全网覆盖的场景。

VoLGA方案需要通过现有2G/3G网络来完成语音业务，并尽可能利用2G/3G网络，将LTE作为一个IP接入网。

3.2 方案优化及选择

从以上方案比较可以看出：

多模双待手机对网络的改造要求最低，且可实现语音和数据业务并发，适合于在LTE发展初期，以较小的网络改造代价提供语音。但多模双待终端在技术实现上存在模式选择、耗电性能、互干扰性能等关键技术问题，也还没有出现成熟的商用产品，运营商也在积极研究和推进通过多模双待终端来提供语音业务的方案。

CSFB是出于对CS投资的保护和LTE/SAE的部署策略。其不能利用LTE网络和IP网的优势，难以实现逐步缩小并淘汰CS网络，只是CSFB是SAE与其他系统互操作的一个技术。CSFB语音开始即建立在CS域，由于UE从LTE网络回落到CS网络需要选择接入点，导致会话建立时延较大，但不存在语音中断问题。运营商可在LTE/SAE部署初期选择CSFB方案，但需要对其呼叫建立时延进行优化。目前3GPP正在开展CSFB增强的研究，主要方案有嵌入式LAU、安全增强、基于SRVCC的CSFB和隐式位置更新等。同时，CSFB语音解决方案已经被国际标准化组织NGMN定义为LTE引入初期国际漫游的语音解决方案。由于终端与网络设备的兼容性难以验证，导致产业进展缓慢。

SRVCC可利用IMS和LTE的优势，使用LTE VoIP有效分流CS话务，便于逐步扩大LTE用户而不增加CS域的负担，有利于逐步缩小CS域，过渡到全LTE网络。但SRVCC需要对现网主要设备进行升级改造，对现网影响较大。同时，现有SRVCC方案不能在所有情况下的切换过程中满足300ms的语音中断时延。SRVCC迎合了网络演进的目标，可最终过渡到全网VoLTE（Voice over LTE）。我们需要从以下几方面增强SRVCC性能：优化切换时延，简化信令流程，增加承载层和业务层IMS切换的同步机制；在尽可能少改动SRVCC架构的前提下，减少切换时延。

VoLGA不需要升级现网设备，不需要部署IMS网络及相关应用服务器。与CSFB相同，也是尽可能地利用现有的2G/3G网络，但其将LTE作为IP接入网，解决了CSFB由于语音业务触发频繁带来的模式切换问题。该方案需要在网络中引入新的网元VANC，演进到IMS后，需要考虑VANC的利用问题，其标准仍在VoLGA论坛进行讨论，标准化程度进展较慢。

基于以上分析，可根据LTE/SAE引入的不同阶段采取相应的语音发展策略：

阶段一：LTE引入初期，进行热点覆盖，引入多模双待终端。LTE仅用于高速数据业务，语音业务通过2G/3G网络的CS域完成。

阶段二：LTE小规模商用，引入多模单待终端，采用CSFB方案完成语音业务。

阶段三：LTE大规模商用，IMS业务应用成熟，优先驻留在LTE，采用SRVCC方案，完成语音业务。

4 结束语

随着移动通信网络的不断发展，PS网络将最终替代CS网络，而CS域语音业务也将逐步演进到PS域，IMS成为网络演进的有力保障。在VoLTE没有全覆盖的阶段，如果用户通话过程中从LTE网络漫游到CS网络，将采用SRVCC技术完成PS域到CS域语音的无缝切换。初期，如果LTE不支持语音业务，当用户发起语音业务时，则可以采用CSFB技术，使用户回落到CS网络来建立语音业务。

未来，全网部署LTE的全IP网络，通过IMS支持语音及多媒体业务，那么“One Voice”将成为LTE语音的最佳解决方案。其定义了UE和网络需要执行的最小集合，以保证在LTE无线接入上部署基于IMS的电话业务，包含IMS基本能力和语音补充业务、实时媒体协商、传输和编码、LTE无线和EPC能力、跨协议栈和子系统相关的功能。“One Voice”是网络发展的终极目标，是个长期演进的过程，我们必须结合网络实际情况，在发展的不同阶段采取相应的方案，保证语音及多媒体业务的连续性。

参考文献
1 3GPP TS 23.272 V10.4.0. Circuit Switched Fallback in Evolved Packet System S 2011.06
2 3GPP TS 23.216 V11.1.0. Single Radio Voice Call Continuity SRVCC S 2011.06
3 Voice over LTE via Generic Access VoLGA Forum OL http //www.volga-forum.com/.
4 黄 韬 刘韵洁 等. LTE/SAE 移动通信网络技术 M .北京 人民邮电出版社 2009.