VoLTE语音业务部署方案探讨

admin

文：

刘国平：中国联通重庆分公司

尼松涛：中讯邮电咨询设计院有限公司 郑州

尹翔宇：爱立信（中国）通信有限公司 北京

1 VoLTE语音业务需求背景
目前LTE网络已成为国内外运营商主要运营网络，但LTE网络从标准本身来讲是天然的全IP网络，不再有传统的电路域（CS域），这也就导致从业务能力提供上不再提供传统语音业务，为了保持业务的延续性和一致性，必然面临着LTE用户的语音业务如何发展问题：是继续沿用现有的2G/3G网络为用户提供语音业务，还是基于LTE网络为用户提供全新的业务解决方案。
当前，LTE语音业务主要有以下3种解决方案。
a）CSFB方案：在3GPP R8阶段提出，终端优选LTE网络驻留，LTE只提供数据业务。当用户使用语音业务时，需要回落到原有2G/3G网络。
b）双待机方案：终端同时驻留在2G/3G和LTE网络中。传统的电路域提供语音业务，LTE网络提供数据业务，数据和语音可以同时并发。
c）VoLTE/SRVCC方案：在3GPP R8阶段提出，提供基于IMS的VoLTE语音业务。在LTE部署初期，还要考虑到LTE无线覆盖的不完善性，当终端移动到LTE未覆盖的场景时，需要切换到2G/3G网络来保持语音业务的连续性。
对于上述3类LTE语音解决方案，CSFB方案从本质上，仍依赖于现有2G/3G网络为LTE用户提供语音业务，并且由于回落流程增加了语音业务接续时延，但终端支持较好且网络改造量小，可作为LTE部署初期的过渡方案；双待机方案为纯终端侧解决方案，需要定制终端，并且对手机芯片、电池续航力都有较高要求，运营商不掌握技术主动权；VoLTE解决方案是LTE运营商提供语音业务的目标方案，并且可充分发挥LTE及IMS网络的技术优势，为用户提供高质量和更丰富语音业务体验。
表1是基于某运营商测试数据，对VoLTE语音业务和传统2G/3G语音业务实现进行了对比。可以看出，相对于2G/3G网络，VoLTE语音将接续时延缩短至1/10，视频质量提升至10倍，语音质量提升至2倍，频谱利用效率提升至3倍。并且用户通信体验将由现在的窄带语音和文字短信过渡到VoLTE阶段高清语音/视频、多媒体消息。

从上面分析可以看出，VoLTE技术天然融合了LTE网络及IMS先进技术，尤其是当前面临互联网企业语音业务挤压以及丰富的业务类型冲击的情况下，现有传统运营商已将VoLTE作为未来LTE网络环境下语音业务提供的目标方案，而部署初期，需要充分考虑网络现状以及VoLTE自身技术特点，为现网语音业务向LTE网络演进规划合理网络部署方案。

2 VoLTE整体网络架构
VoLTE业务涉及无线网、核心网多个域间网元配合，包括电路域、分组域、IMS域以及业务网元层面。
在VoLTE网络解决方案中，除了接入侧主要由EPS系统提供承载，核心侧由IMS系统提供业务控制，还需要由PCC架构实现用户业务QoS控制以及计费策略的控制，另外与现网电路域需要通过MME与MSCServer之间的接口来满足业务的连续性需求，具体架构如图1所示。

各设备及网元的主要功能如下：
a）IMS域设备网元主要完成呼叫控制、业务连续性及域选择等功能。其中P/I/S-CSCF支持鉴权、信令安全性保护、信令压缩；MMTel-AS支持多媒体电话及补充业务，包括：号码显示、呼叫转移、呼叫等待、会议电话等；引入ATCF/ATGW功能，新增SCC-AS以支持eSRVCC完成语音呼叫连续控制、接入/业务域选择。
b）PS域主要包括MME、S-GW、P-GW、HSS等网元，EPS网络配合IMS系统完成P-CSCF发现、初始附着的信令默认承载建立、语音及视频等业务专有承载的建立等。通常采用专门的IMS APN来提供语音业务，信令承载采用QCI=5的默认承载，语音承载采用QCI=1的专用承载。
c）CS域中MSC升级支持SRVCC功能，通过与MME之间的Sv接口实现VoLTE语音业务的连续性，满足通话过程中移出LTE覆盖区平滑切换到2G/3G网络的基本需求。
d）用户数据域由现网EPC-HSS/HLR设备改造为HLR/EPC-HSS/IMS-HSS三网融合设备，并支持非可信WLAN接入用户与鉴权信息存储，及同一UE同时从2个接入网注册，在签约数据发送变化时，向2个接入网推送更新签约数据，包括APN和PGW的更新。
e）业务提供域提供VoLTE语音业务能力，继承现有重要的增值/智能业务，主要包括MMTeL AS、MRFP、IM-SSF、SCC AS等网元。
f）PCC主要联合P-CSCF（AF功能点）以及GGSN/P-GW（PCEF功能点）完成策略控制决策和基于流进行计费控制的功能。

3 VoLTE在现网部署关键问题
3.1 CS域部署关键问题
VoLTE部署初期因LTE覆盖问题需利用eSRVCC技术保证语音业务的连续性，而实现eSRVCC主要靠CS域引入eMSC（包括eMSC Server和eMGW）设备。eMSC的作用为当终端从LTE网络向2G/3G网络移动时，用来保证呼叫的连续性。即收到终端发起的位置变更请求后，根据请求消息中携带的目标小区号，将用户的接入位置由MME切换为目标MSC Server。
整体上，eMSC建设方案可分为新建及现网升级2种方式，而根据基于目前的网络架构以及Sv接口是否与SGs接口合设的情况，eMSC部署方式可细分为4种（见图2），4种方案对比如表2所示。

eSRVCC切换场景与LTE覆盖相关，随着LTE覆盖变好，eSRVCC场景将逐步减少，也意味着对eMSC需求逐步减少，因此从投资有效性角度来看，方案一全部升级方案不可取。如果运营商现网端局或者关口局、MGCF支持升级兼作eMSC，可以优先考虑采用方案四关口局升级方案。对于现网网元不支持升级改造的，可采用方案三新建方式。

3.2 PS域部署关键问题
EPC核心网关键功能节点包括MME和S/P-GW，需要支持VoLTE相关功能。比如，需要为VoLTE用户的IMS APN请求分配IPv4或IPv6地址，部署P-CSCF发现及路由业务请求到IMS核心网，通过Gx接口执行PCRF策略建立满足业务QoS需求的EPC及空口承载，通过MME与SRVCC-IWF间的Sv接口发起到CS电路域的语音连续性请求等。APN配置涉及终端、MME、P-GW上的APN配置，是EPC核心网部署需要考虑的一个关键问题。

VoLTE业务和Internet业务可以共用APN，也可以使用独立APN，两大类业务使用不同的IP地址。共用APN方案部署简单，但语音等电信业务容易受到Internet数据业务的影响。另外，语音业务一般基于通话时长进行计费，而Internet数据业务基于流量计费，共用APN方案需要根据IMS费用识别码（ICID——IMSCharging Identifier）剔除相关语音通话流量，计费支撑系统适配处理更复杂。而独立APN方案则没有这个问题，根据APN计费即可，因此一般建议采用独立APN部署VoLTE业务。

3.3 IMS域部署关键问题
IMS支持丰富的接入类型和多媒体业务，早已被3GPP、GSMA确定为移动语音向全IP演进的标准架构。对于已经部署有IMS的运营商，特别是前期以固网改造为驱动力建设IMS的运营商，随着VoLTE新业务的引入，面对LTE语音/短信这些新业务的需求，也需要考虑如何充分利用现网IMS网络资源，保证目前IMS大网建设的延续性，既满足未来网络演进的需求，又能够保证现有网络的稳定运营，需要考虑如何尽可能发挥现有设备的最大化效用，节省建设成本。
VoLTE阶段IMS设备包括2类：
a）与固网相同的网元：S/E-CSCF/BGCF、I-CSCF、P- CSCF、HSS、MGCF、MMTEL AS、MRFC/MRFP、IMSSF、CCF、业务开通设备、OMC、ENUM/DNS、SBC、其他网络设备，局域网交换机、防火墙、CE路由器等。
b）新引入的网元：VoLTE-AS（包含MMTEL-AS、SCC AS、锚定SCP以及IM-SSF等功能）、VoLTE-SBC（包括SBC、P-CSCF、ATCF/ATGW等功能）、Ut服务器、IP-SM-GW、PCRF/SPR，另外还需要部署IBCF/TrGW等。
对于不同网元需要新建，而对于相同网元，移动网和固网在功能上又略有不同，是否合设有待进一步商榷。下面基于设备的技术特点，对固网/移动网IMS核心网元是否合设进行分析。
a）S-CSCF：根据业务发展，未来可能产生多终端用户，其各种标识应注册在一个S-CSCF，统一保存用户状态，因此建议S-CSCF合设。
b）I-CSCF：建议合设，各省固网/移动网对外只有一个统一的I-CSCF域名，在各省ENUM/DNS上配置对应省的I-CSCF的IP地址，这个IP地址可以是负荷分担的。如果分设，可能需要移动网、固网分别有一个入口。

c）HSS：为保证LTE用户“不换卡、不换号”使用VoLTE业务，需对现网2G/3G/LTE三网融合HSS/HLR全部升级改造支持IMS HSS功能。对不支持三网融合的HLR设备进行替换。因此对于未建固网IMS的运营商要求直接升级现有移动网EPC HSS支持2G/3G/LTE/IMS固网/移动网融合，而已建固网IMS的运营商，依然要求升级现有移动网EPC HSS支持2G/3G/LTE/IMS固网/移动网融合。
d）MGCF/IM-MGW：用于IMS网络与CS网络互通，结合现网关口局等连接关系，建议固网/移动网MGCF合设，这样不区分移动/固定，对其他运营商出口统一。
e）ENUM/DNS：如果固网/移动网设备不融合，那么固网/移动网互通的时候需要固网/移动网ENUM/DNS互通，所有互通呼叫增加移动网ENUM/DNS到固网ENUM/DNS的跳数。因此建议固网/移动网融合，扩容、升级各省原固网主大区ENUM/DNS支持固网/移动网融合。

3.4 业务域部署关键问题
业务层面的部署需要考虑2个问题，第一个是如何保障VoLTE用户在2G/3G网络以及LTE网络下的基本语音与补充业务体验的一致性问题，第二个是现有2G/3G智能网业务如何迁移至LTE，为VoLTE用户提供类似VPMN、400等增值业务服务。

为提供VoLTE语音业务能力，同时根据现有补充业务、增值业务、智能业务在VoLTE下的继承需求，需以省为单位新建VoLTE AS。新建VoLTE AS主要包括MMTel AS、MRFP等，其中MMTEL AS提供多媒体电话基本业务及补充业务，并同时集成MRFC功能，用于控制MRFP功能，实现放音收号、语音会议、标清视频会议等功能。MRFP提供放音收号资源、语音会议资源。而对现有业务的继承目前存在2种方案：SCP通过IM-SSF互联方案和SCP升级为AS方案。
方案一：IM-SSF互联方案。本方案主要通过IMSSF进行协议转换，现网SCP无需支持SIP协议，但现网SCP仍需大量配合改造，具体组网如图3所示。

本方案特点如下：

a）新增网元IM-SSF与IMS互联，兼有智能外设（IP），提供放音功能。
b）全网SCP的改造，主要包括基于LTE位置信息的改造、基于LTE视频通话特性的改造、基于HSS接口修改的适配改造。

方案二：SCP升级为AS方案。本方案中由现网SCP升级支持AS，支持CAP/SIP协议，继承现有智能网业务体验，同时新增VoLTE AS，提供SCC/基础业务/锚定功能，具体如图4所示。本方案主要特点如下：

a）新建VoLTE AS，提供SCC/基础补充业务/锚定特性。
b）现网HLR升级为三网融合HSS，提供2G/3G用户CSI签约信息、提供LTE用户iFC签约信息。
c）SCP升级改造，支持SIP-ISC接口、Sh接口。
d）计费改造，支持VoLTE AS与SCP AS话单的挑单功能。
2种方案的对比如表3所示。

基于上述2种方案的对比分析，建议优选SCP升级支持AS方案进行补充业务、增值业务、智能业务在VoLTE下的继承。

3.5 信令域部署关键问题

VoLTE引入后，设备之间的通信将大量采用Diameter信令，原有以No.7信令为基础的No.7信令网无法完成Diameter信令疏导。如何部署Diameter信令网，保证网络的可扩展性和易维护性成为运营商网络演进过程中的一个关键问题。
Diameter信令网的架构可以分为单级网络和两级网络。单级网络指DRA采用一级架构；两级网络指DRA采用两级架构，其中一级H-DRA类似目前的高级信令转接点（H-STP），二级L-DRA类似于低级信令转接点（L-STP）。
在单级网络架构下，将Diameter网络分为多个区域。
a）同一个区域内的客户端和服务器之间都通过区域内的DRA网元进行通信。
b）各区域的DRA之间网状连接，形成一个Diameter信令路由网络。
c）不同区域间的客户端和服务器之间通过Diameter信令路由网络进行通信。
在两级网络架构下，将Diameter网络分为多个区域。
a）同一个区域内的客户端和服务器之间都通过区域内的L-DRA网元进行通信。
b）各区域的高级DRA（H-DRA）之间网状连接、区域内的低级DRA（L-DRA）连接H-DRA，形成一个Diameter信令路由网络。
c）不同区域间的客户端和服务器之间通过Diameter信令路由网络进行通信。
d）出于容灾和负荷分担的考虑，区域内的HDRA和L-DRA至少为成对设置。
2种方式对比如表4所示。

通过以上2种方案的对比可以看出，在实际组网时，不同运营商可根据自身网络规模的大小、运行维护的管理组织特点综合考虑，选择适合自己的网络架构。同一个运营商，在不同时期的架构也可以不同，比如初期采用单级网络，随着网络规模的扩大在需要的区域内添加L-DRA变成两级架构。

4 结束语
随着微信、Skype等各类互联网OTT应用的发展，传统的2G/3G语音已经无法对抗丰富的OTT应用的蚕食，严重威胁到传统运营商在信息产业界的地位，而VoLTE语音应用给运营商带来了希望，因为VoLTE可提供更快的连接速度和更高的通话质量，且VoLTE是纯IP化的语音解决方案，语音业务不再影响用户数据业务的使用，用户通过VoLTE进行高清视频通话的同时还能在线浏览网页、查看邮件等，从目前技术发展态势来看，VoLTE是运营商互联网转型关键一步。
对现有运营商而言，VoLTE部署涉及IMS、CS、Diameter信令网、EPC、PCC、用户数据、2G/3G/LTE无线网、重要业务平台等多域、多系统的新建及改造，VoLTE网络建设与市场运营将面临诸多方面的挑战，网络建设前期的方案规划工作尤其重要，运营商需要充分考虑现有网络资源情况，并对比分析各个环节的网络实施方案，从而降低建设和运维成本，缩短部署时间，建设出一张精品网络，重构运营商核心竞争力。

参考文献：
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