VoLTE核心网组网及其VPN互通研究

文档发布

作者：钟玮,叶卫明,赵旭凇 (中国移动通信集团设计院有限公司浙江分公司
【摘 要】首先分析了4G LTE的话音解决方案，然后阐述了VoLTE核心网的原理及组网架构，最后研究了某通信运营商VoLTE的试验网实际组网测试及其VPN互通策略，以期为VoLTE的商用部署提供积极的决策参考。

内容摘要：
1 VoLTE核心网基本原理
　　1.1 LTE话音方案概述
　　2014年是4G LTE商用部署的元年，LTE核心网EPC没有移动电路域，其话音方案不同于以往的任何移动通信系统。而话音目前是电信运营商的首要业务，且在未来相当长的时期内仍将是电信运营商最重要的业务之一，如何为客户提供便捷的基于LTE终端的话音业务是LTE要解决的首要问题之一。
　　目前为LTE提供话音业务的方案主要有Voice over LTE和Voice over 2G/3G。其中，Voice over 2G/3G是指通过网络控制实现话音业务由2G/3G的电路域提供，主要包括CSFB（CS Fallback，电路交换域回落）和多模双通终端这2种方案；Voice over LTE是指话音由LTE的空中接口承载的方案，主要是IMS Voice over LTE（VoLTE）。VoLTE是3GPP标准定义的基于IMS网络的LTE语音解决方案，通过TD-LTE网络作为业务接入，IMS网络实现业务控制的语音解决方案。VoLTE支持高清话音和高清视频等通信业务，能够继承现有各种主要增值业务，并可通过IMS控制快速实现各类业务部署，同时通过eSRVCC技术实现4G与2G/3G覆盖区域之间的语音业务连续性。
　　对电信运营商的现有网络而言，几种LTE话音技术的主要区别如表1所示。
　　从技术发展和网络演进的趋势来看，随着LTE的规模应用，LTE的部署将越来越完善。VoLTE作为真正直接由LTE实现话音的技术，由于其完全符合网络发展演进的规律，将逐渐成熟并成为LTE话音的最主要的应用技术。
　　VoLTE技术可无缝继承原有CS域网络提供的所有业务，包括紧急呼叫、监听等通用服务和管制类业务，实现端到端的QoS控制，保证语音通话质量。由于话音承载在IP上，可通过IMS为用户提供更多的富媒体业务，能够和OTT竞争，且充分保留用户的标识（如MSISDN等），利用运营商最大的号码资源继续挖掘业务盈利。IMS架构也是业界公认的下一代核心网络，已经有成熟的3GPP标准规范支持，充分地保证了用户的漫游和网间的互联互通。
　　当前国际上已有韩国SKT和美国Verizon等运营商部署了VoLTE，但主要采用的是LTE网络内的话音实现方案，eSRVCC等技术尚未得到全面验证。中国移动于2013年6月发布了VoLTE技术白皮书，表达了中国移动对VoLTE的积极态度，并于8月开始搭建中韩VoLTE演示网，11月顺利进行了中韩之间VoLTE高清话音和高清视频的演示。同年12月开始小规模试点建设VoLTE试验网，初步验证了基于试验网环境的VoLTE网络端到端整体组网的成熟度，并检验了eSRVCC技术在解决4G与2G/3G切换的成熟度。这不仅为规模试点做了丰富的技术准备，而且为VoLTE规模商用提供了积极的参考。
　　1.2 VoLTE组网基本原理
　　如图1所示，VoLTE基本原理是利用LTE的EPC作为透明传送的IP通道，将LTE终端接入IMS网络，由IMS网络为其提供话音业务，PCC架构提供端到端的QoS保障。
　　（1）IMS终端发送IMS APN请求，LTE/EPC为终端建立IMS承载，传送IMS信令（承载建立过程中由PCRF控制）。
　　（2）P-CSCF发现：P-GW提供给IMS终端P-CSCF地址。
　　（3）IMS终端发起至IMS域的“注册”（从USIM卡中导出IMPI）。
　　（4）P-CSCF根据IMPI的realm寻址用户归属域的I-CSCF，I-CSCF直接（或经SLF）寻址用户归属HSS，I-CSCF根据“能力集”选择S-CSCF。
　　（5）S-CSCF从用户归属HSS获取“五元组鉴权”数据，对用户鉴权。
　　（6）终端返回“鉴权向量”，S-CSCF对用户“鉴权”。
（7）S-CSCF根据IMPU（终端从USIM卡中导出的“临时IMPU”）从HSS下载用户签约数据，并根据iFC触发至相应的AS的“注册”，并告知终端。
　　为了解决初期LTE覆盖不足的问题，在非LTE覆盖区域保持话音业务的连续性，引入了SRVCC技术方案。SRVCC的业务实现方案如图2所示：
　　图2 SRVCC的业务实现方案
　　终端先在IMS域发起注册，通过ATCF（ATCF可与SBC合设）经CSCF→SCC AS（业务集中和连续性应用服务器）→HSS→MME路径，SCC AS记录用户媒体信息，并将用户路由号码（ATCF或SCC AS）发送给MME，当用户发生SRVCC时用于会话传送。
　　SRVCC通话过程中移动到没有LTE覆盖的地方时，将语音切换到CS域，本质是一个切换过程。媒体的切换点是对端网络设备（如对端UE），本端接入网络发生变更后，需要将变更后的本端承载设备地址等信息发送给对端网络设备，进行承载地址的更新，重新建立端到端的信令和承载。IMS更新远端媒体，理论上会话短时中断几百毫秒。VoLTE/SRVCC需解决被叫用户域选择、QoS保障等重点问题。
　　为了在漫游或者运营商互通等任意场景下减少SRVCC的切换中断时延，引入了eSRVCC技术。eSRVCC主要增强了远端会话更新流程，媒体切换点改为更靠近本端的设备，以减少变更消息传输时长。通过在ATCF/ATGW锚定信令面和媒体面的方法，来避免IMS Session Transfer流程。发生eSRVCC切换时，只需要创建UE与ATGW之间的承载通道，对端设备与ATGW之间的媒体流还是通过原承载通道传输。eSRVCC的业务实现方案如图3所示：
　　图3 eSRVCC的业务实现方案
　　2 VoLTE核心网组网研究
　　2.1 某电信运营商VoLTE核心网第一阶段试验网组网
　　某电信运营商于2013年8月开始搭建VoLTE试验网，11月与韩国SKT进行了VoLTE高清话音和高清视频的互通演示，向产业界释放积极信号。
　　该VoLTE一阶段试验网组网原则：主要是快速搭建测试环境，充分利用现网设备，不新增硬件，采用新增部分网元之间接口的方式实现组网。不部署SRVCC和eSRVCC，采用LTE覆盖区定点测试的方式打通VoLTE高清话音和高清视频。
　　本阶段测试主要目的是为了尽快部署VoLTE演示网，采用尽量简单的网络结构，部分接口采用专线连接的方式。本期工程通过传输专线连接省内SAE-GW与SBC，通过国际专线打通了与韩国SKT的是VoLTE演示网的路由。
　　从VoLTE演示网定点测试的初步结果来看，定点演示高清视频流畅、高清话音逼真，话音接通时间基本在2s以内，初步验证了VoLTE基于全IP缩短呼叫接通时间的原理。
　　2.2 VoLTE核心网第二阶段试验网组网
　　在第一阶段VoLTE试验网成功演示之后，该运营商着手部署第二阶段测试环境，VoLTE二阶段测试将是验证VoLTE商用能力的重要阶段。测试区域全网具备eSRVCC能力，重点验证端到端的组网环境及厂家设备的成熟度。
　　从初步测试结果来看，主被叫均在LTE网络下，话音接通时间基本在2s以内；主被叫一方在2G/3G网络或者两方都在2G/3G网络时，话音接通时间为5～8s，改善不明显。在VoLTE用户主被叫通话时进行2G/3G/4G切换，可通过eSRVCC技术基本保持话音连续，不影响用户感知。
　　3 VoLTE组网中的VPN互通研究
　　3.1 VoLTE核心网第一阶段试验网组网中的VPN互
　　通方案
　　VoLTE测试环境对现有核心网侧的PS域、CS域、IMS域等均有较高要求，需打通PS域、CS域以及IMS域等各大系统，核心网的高效连接组网将极大影响VoLTE的网络运行效率及网络质量。当前IMS、软交换、PS域、CMNET等均有独立的VPN隔离。VoLTE第一阶段测试基于对现网尽量少的改动且尽快完成改造的原则，主要新增了SBC与SAE-GW之间的SGi接口，目前采用专线连接的方式实现。VoLTE试验第一阶段VPN组网如图4所示。
　　各大系统之间的VPN如表2所示。
　　3.2 VoLTE核心网第二阶段试验网组网中的VPN互
　　通方案
　　该电信运营商第二阶段VoLTE测试要求测试区域全网具备eSRVCC能力，涉及的网元及接口如表3所示。
　　对应的VPN组网如图5所示。
　　由于各个VPN当前基本隔离，为了保证网络的安全性并较好地实现VoLTE组网，可采取网元网口双跨来有效解决多承载网间互通的问题。
　　4 结束语
　　中国移动在2011年率先启动TD-LTE扩大规模试验网建设，随着LTE各个产业链的不断成熟，LTE的大规模商用部署势在必行。如何进行LTE核心网EPC的建设和部署，如何高效地实现LTE话音业务并研究其发展演进的规律，这都迫切需要进行更详细的研究和分析。
　　本文通过简要分析LTE的话音实现方案，对VoLTE的技术原理进行研究，其中重点研究了某电信运营商VoLTE第一阶段和第二阶段试验网的组网架构及演示效果，并对VoLTE核心网中各主要网元的VPN互通进行详细分析，以期为VoLTE的商用部署提供积极的决策参考。
　　参考文献：
　　[1] 姜怡华，许慕鸿，习建德，等. 3GPP系统架构演进（SAE）原理与设计[M]. 2版. 北京： 人民邮电出版社， 2013.
　　[2] 徐德平，程日涛，张新程. VoLTE关键技术及部署策略研究[J]. 电信工程技术与标准化， 2014（2）： 75-79.
　　[3] 周峰，许正锋，罗俊. VoLTE业务与技术实现方案的研究与分析[J]. 电信科学， 2013（2）： 31-35.
　　[4] 张长青. TD-LTE终极语音技术VoLTE应用分析[J]. 移动通信， 2014（3）： 52-56.
　　[5] 朱斌，文涛，符刚，等. VoLTE部署关键问题研究[J]. 邮电设计技术， 2014（2）： 1-5.
　　作者简介
　　钟玮：高级工程师，现任中国移动通信集团设计院有限公司浙江分公司总经理，长期从事移动通信核心建筑结构、通信网络的规划和研究工作，在各类一级专业刊物上发表论文多篇。
　　叶卫明：高级工程师，工学硕士毕业于南京邮电学院，现任中国移动通信集团设计院有限公司浙江分公司项目经理，长期从事移动通信核心网的规划和研究工作，目前主要从事4G及VoLTE的规划研究和测试工作。
　　赵旭凇：教授级高级工程师，工学硕士毕业于北京邮电大学，现任中国移动通信集团设计院有限公司浙江分公司副总经理，长期研究跟踪移动通信网络发展的新技术和新方向，著有数本TD-LTE有关技术专著，并在各类一级通信刊物上发表论文多篇。