采用LTE数据包交换实现语音传输:功能和测试策略

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本文摘自《电信网技术》2011年10月。【机构】 罗德与施瓦茨公司战略营销团队；

【摘要】 围绕着LTE是否可以采用数据包交换传输语音这一复杂问题,当前正在进行着一场激烈的争论。此前,对于移动式应用,语音传输基本上仅由电路交换实现。在这场争论中,终端用户的期望不容忽视。实际上,由于GSM网络已经成功地运营了20多年,用户希望能够实现无论身在何处均能获得优良的语音品质。罗德与施瓦茨公司的Meik Kottkamp所撰《采用LTE数据包交换实现语音传输:功能和测试策略》一文针对在LTE中如何实现语音传输,如何确保实际运营网络仍然拥有研发阶段所实现的功能和性能?这两个问题进行了阐述和分析,并给出了很好的解决策略。

【关键词】 语音传输； 数据包交换； 运营网络； 语音服务； 测试策略； 功能； 解决方案； 空中接口； 语音质量； 两个问题；

1 引言

2009年，第一个商用LTE网络在瑞典投入运营。紧接着，全球18个国家共26个网络提供商用LTE服务（含美国、亚洲和欧洲）。

这种新LTE技术的数据传输率可高达100Mbit/s。尽管其实际可达数据传输率远低于理想条件下的100Mbit/s，该技术还是极大地提高了己有移动无线网络的性能。换句话说，LTE仍然需要证明其在高负荷场合下的突出性能。但是，业界主要人士目前己经深信LTE必将促进移动互联网的应用。

围绕着LTE是否可以采用数据包交换传输语音这一复杂问题，当前正在进行着一场激烈的争论。此前，对于移动式应用，语音传输基本上仅由电路交换实现。在这场争论中，终端用户的期望不容忽视。实际上,由于GSM网络己经成功地运营了20多年，用户希望能够实现无论身在何处均能获得优良的语音品质。

在LTE中如何实现语音传输？如何确保实际运营网络仍然拥有研发阶段所实现的功能和性能？本文将描述这两个问题。

2 从SV-LTE和CSFB至VoLTE

通过LTE传输语音要获得可被接受的音质，要求无线接入网和核心网均采用合适的机制和架构。由于无法保证可以立即获得全球性LTE覆盖率，因此这可能会影响LTE网络以及传统的2G和3G网络。

另一个考虑因素是语音用户的移动性。在LTE覆盖区发起呼叫之后，用户移出LTE覆盖区并进入某个现有2G或3G网络时，该呼叫不得被中断。

3 LTE语音传输

LTE语音传输的设计前提是可以使用IP多媒体子系统(IMS)。用于支持多媒体应用的完整解决方案，由用户设备(UE)中的IMS支持功能，IP连接访问网络(IP-CAN)和核心网中的专用IMS功能等组成。

IMS尽可能地以标准IETF协议为基础。3GPPTS23.228中描述了IMS参考架构（包含该架构至己有网络和其它IP多媒体系统的接口），清晰地展示了该系统的灵活性和复杂性。借助该系统，可以组合任意的多媒体应用，并在移动环境中使用这些应用。

然而，语音传输仅需要这些功能和功能单元的一部分（见图1)。建立语音呼叫之前，LTEUE必须向IMS系统完成注册。LTE系统为信令和语音数据使用不同的“承载”。信令承载的丢失率极低，保证UE能够可靠地接收控制命令。语音承载既具备低延迟，又具备低延迟变动，因此可以提供良好的语音质量。信令传输采用会话发起协议(SIP)，语音数据包的传输则采用实时传输协议(RTP)。此外，特殊的数据包分配算法还保证IMS可以满足用于语音传输的特殊要求。其中的一个示例就是半静态调度(SPS)，它可以近似静态的方式将频率资源和时间资源分配至空中接口。此处必须注意，LTE系统通过同一个无线信道，同时传输语音和数据服务。

为了降低需要以不同方式实施IMS系统的风险，对数量众多的IMS系统进行了主动限制，使其仅包含语音传输（含常规的路由功能，即在本地网之外也可使用语音传输）所需要的那些功能。

由此，2009年，声音共享计划(One Voice Initiative)发布了一个IMS草案。此后，2010年2月，全球移动通信系统协会(GSMA)将该草案并入了LTE语音传输计划(Voice over LTE，VoLTE)。IMS的前提条件同样考虑了LTE的全面覆盖无法立即实现。

向现有网络进行传输时，只要有可能，UE将始终仅使用一个空中接口（切换）。关于网络和UE侧中的相应过程，详见单无线语音呼叫连续性(SRVCC)下的相关描述。通过引入该功能，IMS系统可以对同时运行的语音服务和任意数据服务的切换进行控制：对于LTE中的PS域业务，将语音业务切换到3G网络中的CS域，同时将数据业务切换至3G网络中的PS域。

4 IMS的替代方案

IMS在许多年以前己经提出，尽管仅有少量几个移动网络实施了IMS，但经过连接不断的扩展己包含了众多其它功能。其原因在于己经找到，并己经在最近实施了其中的一些替代性解决方案，具体有：
• SV-LTE=同步语音和LTE(Simultaneous Voice and LTE)，语音传输使用己有的2G/3G网络，数据传输则使用LTE网络。
• CSFB=CS回退(CS fallback)，该方案不使用LTE中的信令连接，并通过2G/3G网络建立语音连接。

基于SV-LTE的UE使用两个独立的空中接口，这两个接口同时用于不同的服务。语音通过2G/3G网络传输，LTE则专门用于数据传输。

然而，这种简单的解决方案能耗较大，因此对电池的使用寿命不利。此外，以这种方式配置的UE的制造成本也较高。该解决方案在美国己经投入了商业应用，并可用于某些UE。

CSFB解决方案，则避免同时使用两个空中接口。如果某个LTEUE处于某个LTE小区中，无论是接收还是发起语音呼叫，则该呼叫均通过2G或3G网络而非LTE建立。其假设前提是，只要有LTE网络覆盖的地方，就有2G或3G的网络。否则，要么以语音邮件的方式转发该呼叫，要么不即时建立该呼叫。其优点显而易见：用户可以从GSM网络获得他们所期望的语音质量，且语音呼叫不使用LTE网络的任何功能。

但是，该过程必须首先终止LTE中的己有信令连接，接下来在2G/3G网络内重新建立语音服务。因此，其耗费时间需要多出数秒。此外，呼叫建立时正在进行的数据服务，通常无法与语音服务同时进行。回退至3G网络（UMTS或cdma2000®)，通过切换至该网络，可以继续支持该数据服务。然而，因商用GSMUE尚未实现双传输模式(DTM，即允许并行传输数据和语音），该选项不适用于回退至2G网络(GSM)。图2为相关网络单元，和接收呼叫触发CSFB过程之前和之后的信令和数据呼叫。

CSFB存在多种衍生。例如，对于带重定向的RRC重连接释放和PS切换就进行了不同处理。其中，普遍认为切换更加可靠。借助切换，UE可以接收专用信令，指出它应该切换到2G或3G系统中哪个小区。

对于RRC重连接释放，情况却有所不同。这种情况下，例如，UE可以自主地选择新的小区，此后UE将以相同方式穿透某个險道13呼叫建立之前，必须进行测量，并对来自广播信道的相关访问信息进行解码这就是呼叫建立期间产生额外延迟的主要原因。然而，在切换至2G/3G网络之前，可以通过LTE网络，将所有必须的访问信息传输至UE，可以提高基于RRC重连接释放的CSFB过程的速度。

图3描述了业界应用中将语音传输引入LTE网络的发展过程。CSFB被认为是即使漫游时，也可保证足够的语音质量的最低功能。然而，从中、长期看，引入基于IMS的VoLTE却更加有利。2011年2月，下一代移动网络(NGMN)行业协会为此提出一个建议。然而，如上所述，己经在商用LTE网络中实现了SV-LTE。

5 实际网络运营中的语音

为了保证不同解决方案所设计的功能和性能，在网络内实际使用期间仍然具备可用性，必须在实验室内进行一系列测试。图4所示测试设置可用于测试功能。该例中的测试仪器为罗德与施瓦茨公司的R&S®CMW500，它可以仿真测试所需要的所有移动网络功能。除了LTE之外，它还包括各种2代和3代移动无线电技术（含GSM，UMTS和cdma2000®)。

在测试CSFB时，可以重现回退至UMTS的完整过程。这种情况下，测试仪器首先建立一个至UE的LTE信令连接。此后，发起一个拨入呼叫，并命令UE回退至3G网络。UE在该测试仪器仿真的3G网络中建立信令和语音信道。测试仪器和UE在不同信令层(物理层、媒体访问控制（MAC)层、无线链路控制(RLC)层和无线资源控制（RRC)层等）所交换的全部信息均可完整地记录下来。因此，可以检验UE的功能是否正常，也可以检测并排除所有的实施错误。

测试LTE语音传输(VoLTE)功能时，IMS功能则在另外一台PC机上实现。该PC机负责对测试仪器和测试流程进行控制。此时，相关过程（如SIP注册过程或者P-CSCF发现过程）的功能是否正确无误，也必须在UE中进行检验。对于IMS(IP)层，每一条报文均可记录并进行分析。这一点，与第2和第3层（MAC至RRC)协议的实现完全相同。

完成了UE功能测试之后，下一步需要评估语音质量。在LTE系统中，语音传输仅采用数据包交换实现。模拟语音信号经过数字化、填入数据包、通过LTE空中接口进行传输、在接收侧转换回模拟语音信号，接下来，输出至扬声器。

因此，语音质量不仅受到空中接口所采用的技术的影响，还受到所采用的语音编码解码器，以及麦克风和扬声器等的影响。整个传输链的评估，采用主观语音质量评估(PESQ)方法。PESQ基于参考信号进行评估，参考信号则源于各种语种大量的语音样本。R&S®UPV为罗德与施瓦茨公司的产品，是完成该测试任务极佳的工具。它可以生成所需要的参考信号，并将其与接收到的语音信号进行比对。PESQ方法可以实现量化评估，其结果值的范围为-0.5(差）〜4.5(极好）。

6 LTE，大势所趋

凭借在移动无线网络中的高效数据传输，LTE技术己经开创了该技术的成功一页。尽管LTE己经包含了语音传输所需技术，语音仍然通过2G和3G网络进行传输。尽管VoLTE的商业应用，可能在2012年或更晚才可以启动，具体视各种移动网络运营商的具体战略而定，但用于检验LTE语音的测试设备目前己经面市。
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