1、一 VoLTE 介绍1.1 LTE语音解决方案演进SvLTE(Simultaneous Voice and LTE), 即双待手机方式。手机同时工作在 LTE和 CS，前者提供数据业务，后者提供语音业务。是纯粹基于手机的方案。对网络无特别要求，不需要部署 IMS，缺点是手机成本高、耗电高。目前已经有CDMA1x和 LTE的双待手机，被一些 CDMA运营商采用作为 IMS部署前的过渡方案，而 GSM/UMTS和 LTE的双待手机目前还没有推出。CSFB(Circuit Switched Fall Back),LTE只提供数据业务，当发起或者接受语音呼叫时，回落到 CS域进行处理。运营商无需部署
2、IMS，只需要升级 MSC就可以支持。这是一种快速提供业务的方案，但缺点是呼叫接续速度慢。CSFB 适合作为 IMS部署之前的过渡方案，另外还可以用来解决 LTE手机漫游场景的语音呼叫问题，在拜访地网络没有部署 IMS，或者 IMS漫游协议尚未应用的情况下，CSFB可以为漫入的 LTE用户提供语音业务。SRVCC(Single Radio Voice Call Continuity),解决语音控制和移动到 CS网络切换时的语音连续性问题。为基于 IMS的 VOIP呼叫解决方案，利用 IMS核心网络提供 LTE VoIP语音业务的路由、控制和业务触发，并提供 LTE向 2G/3G切换时的语音连续
3、性保证。SRVCC的实现过程实质上就是一个切换过程，在 LTE网络中 终端是通过 IMS来实现语音功能的，当终端离开 LTE网络后，则通过 MSC server(Mobile Switching Center server)切换到 2G/3G 网络中从而实现 z在 2G/3G网络中的语音功能。VoLTE(Voice over Long Term Evolution),实现 LTE网络中的 IMS域提供高清晰的语音服务。 IMS 由于支持多种接入和丰富的多媒体业务，成为全 IP时代的核心网标准架构。经历了过去几年的发展成熟后，如今 IMS已经跨越裂谷，成为固定话音领域 VoBB、PSTN 网改的
4、主流选择，而且也被 3GPP、GSMA 确定为移动语音的标准架构。1.2 LTE语音解决方案(CSFB)LTE部署的初期，LTE 只处理数据业务，语音业务回落到 CS域处理。作为部署 IMS前的过渡方案，可以快速提供语音业务，但是接续速度慢。CSFB快速回落方案，可以在 2s内回落。1.3 LTE语音解决方案(SRVCC)在 LTE覆盖区内提供基于 IP的高清晰语音和视频业务，在 LTE覆盖区外仍通过 CS域提供语音业务SRVCC 实现 LTE网络中的 IMS域语音到 2G/3G网络中的 CS域语音的无缝切换1.4 LTE语音解决方案(eSRVCC)eSRVCC方案相对于 SRVCC方案的增强
5、在于减少了切换时长（切换时长小于300ms），使用户获得更好的通话体验。SRVCC：媒体的切换点是对端网络设备（如对端 UE），影响切换时长的主要因素是会话切换后需要在 IMS网络中创建新的承载。eSRVCC：相比于 SRVCC，媒体切换点改为更靠近本端的设备。具体方案就是增加 ATCF/ATGW功能实体作为媒体锚定点，无论是切换前还是切换后的会话消息都要经过 ATCF/ATGW转发。后续在发生 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。这样其创建新承载通道的消息交互路径明显短于 SRVCC方案，减少了切换时长。1.
6、eNodeB 根据测量报告发起向 RAN/GERAN的 SRVCC切换过程2.MME 发送 PS to CS 的切换请求到 Enhanced MSC（eMSC）3. eMSC 发送切换请求到 MSC4. MSC向 RAN/GERAN发送切换请求，接受响应5. 建立 eMSC和 MSC之间的承载6. eMSC发送 会话请求，并路由到 SCC AS7-1. SCC AS 发起新会话到远端用户，并将媒体流切换 到 MGW上7-2. SCC AS 释放旧会话8. eMSC返回切换响应给 eNodeB，eNodeB 发送给切换响应给用户1.5 LTE语音解决方案(CSFB 与 SRVCC对比)优点 缺点
7、CSFB1.不引入 IMS,重用现有的 CS网络 2.终端产业链较成熟 3.3GPP 标准化1.现网需要改造 2.呼叫接续时间增加 3.语音通话期间，不能体验 LTE高速数据业务SRVCC1.丰富的多媒体业务体验 2.高清语音和视频编解码明显提升用户感受 3.接续时间百毫秒级 4.提升频谱利用率，降低网络成本 5.3GPP 标准化1.需要建设 IMS 2.终端产业链待成熟SRVCC接续时间优于 CSFB1.6 VoLTE网络架构从整体上看，VOLTE 网络分为终端、接入网、承载网、核心网、业务平台。其中，较为复杂的是核心网，主要分为分组域(接入核心网)、策略控制单元、信令网、 IMS 域、CS
8、 域、用户域 。策略控制单元（PCC）PCC（Policy and Charging Control 策略与计费控制）: 提供策略控制、计费控制功能、业务数据流的事件报告等功能。包括: PCEF（Policy and Charging Enforcement Function 策略和计费执行功能）:主要包含业务数据流的检测、策略执行和基于流的计费功能。PCRF（Policy and Charging Rule Function 策略和计费规则功能）:包含策略控制决策和基于流计费控制的功能，PCRF 接受来自 PCEF、SPR 和 AF的输入，向 PCEF提供关于业务数据流检测、门控、基于 Qo
9、S和基于流计费的网络控制功能。并结结合 PCRF的自定义信息做出 PCC决策。信令网(DRA)DRA（Diameter Routing Agent 路由代理）:下一代信令网，可以真正实现未来核心网逐步的扩展，简化网络，实现快速部署、高效维护及增强网络安全。部署 DRA的好处: 解决移动用户漫游到其他网络时，用户的鉴权、认证、位置登记、计费策略等信息在漫游网络与归属网络之间的传递。在一些业务应用场景中，保证对于同一个用户，AF 和 PCEF能够寻址到同一个 PCRF，通过部署Diameter 代理来实现 IP地址和 IMSI的动态绑定以完成寻址。IMS域SBC（Session Border Co
10、ntrol 会话边界控制器）: IMS 网络中一个重要的网络节点，其位于 IMS网络的边界，起着将终端用户接入到 IMS核心网的重要作用。它的主要功能包括接入许可控制，网络拓扑隐藏，NAT 以及 NAT穿越，QoS及带宽策略，和网络安全机制等。S-CSCF（Serving Call Session Control Function 服务会话控制功能）: 是IMS的核心所在，它位于归属网络，为 UE进行会话控制和注册请求，但当 UE处于会话中时，S-CSCF 处理网络中的会话状态。在同一个运营商的网络中，可以有多个 S-CSCF。P-CSCF（Proxy Call Session Control
11、 Function 代理会话控制功能）:是 IMS中用户的第一个联系点（在信令平面），从 SIP的角度来看，它是一个出站/入站的 SIP代理服务器，所有的 SIP信令，无论是来自用户设备 UE，还是发送给UE的，都必须经过 P-CSCF。UE 使用本地 CSCF发现机制可以获得 P-CSCF的地址。P-CSCF 负责验证请求，将它转发给指定的目标，并且处理和转发响应。I-CSCF（Interrogating Call Session Control Function 协商会话控制功能）: I-CSCF是一个运营商网络内部的接触点，所有与这个网络运营商的用户连接都要经过这个实体。在一个网络中可以
12、有多个 I-CSCF。MGCF（Multimedia Gateway Control Function 多媒体网关控制功能）: 在 IP多媒体子系统(IMS)的一个组成部分，与 CSCF通信和控制媒体信道在一个 IMS-MGW中的连接。它在 ISDN部分(ISUP)和 IMS呼机控制协议之间执行协议转换。IM-MGW（IP Multimedia Gateway IP 多媒体网关）: IM-MGW 负责 IMS与PSTN/CS域之间的媒体流互通，提供 CS CN网络和 IMS之间的用户面链路，支持 PSTN/电路域 TDM承载和 IMS用户 IP承载的转换。主要功能是承载和媒体处理。在 IMS终
13、端不支持 CS端编码时 IM-MGW完成编解码的转换工作。IM-MGW 也可以在 MGCF的控制下完成呼叫的连续。VoLTE网络架构接口列表功能域 接口名称 接口类型 连接网元 承载协议S1-MME 信令 MME-eNodeB GTP-CS1-U 数据 SAE GW-eNodeB GTP-US11 信令 MME-SAE GW GTP-CSGi 数据SAE GW-VoLTE SBC应用层协议SLg 信令 MME-LSP(GMLC) Diameter SLs 信令 MME-LSP(eSMLC) SCTP 分组域Sv 信令 MME-eMSC GTP Rx 信令 PCRF-VoLTE SBC Diam
14、eterPCCGx 信令 PCRF-SAE GW DiameterGm 信令VoLTE UE-VoLTE SBCSIPMw 信令 VoLTE SBC-xCSCF SIPIMS域Mx 信令 xCSCF-IBCF SIPMg 信令I-CSCF/S-CSCF-MGCF SIPMj 信令 BGCF-MGCF SIPMw/I2 信令 xCSCF-eMSC SIPISC 信令 xCSCF-IMS AS SIPUt 信令 VoLTE UE/VoLTE AS-业务配置代理网关 XCAP Cx 信令三合一 HSS-xCSCF DiameterSh 信令三合一 HSS-IMS AS DiameterZh 信令三合
15、一 HSS-业务配置代理网关 DiameterSLh 信令 三合一 HSS-LSP DiameterS6a 信令 三合一 HSS-MME DiameterC/D 信令 三合一 HSS-eMSC/GMSCMAP用户数据J 信令 三合一 HSSIP-SM-GW MAP Nc 信令 MSC-MSC BICCCAP 信令IMS SSF/MSC-智能网 SCPCamel2G/3G电路域 Gr 信令 SGSN-三合一 HSS MAP VoLTE特性参数参数特性序号 参数 参数值1 时间周期语音包传输时间间隔: 20ms 语音静默期: 160ms2 速率 AMR-NB :12.2kbps AMR-WB: 2
16、3.65kbps3负载净荷（非压缩）语音包大小: 32 bytes+ IP 包头(IPV4 40 bytes, IPV6 60bytes)VoLTE QoS要求NGMN关于 VoLTE QoS的要求序号 参数 参数值1 带宽NGSN推荐值: AMR-NB 12.2 kbps NGSN 优选值: AMR-WB 23.65kbps2 MOS值AMR-NB 12.2kbps MOS: 3.6 desired, 3.8 preferred AMR-WB 23.85kbps MOS: 3.8 desired, 4preferred 3 丢包率 丢包率 0.5%4 抖动 抖动 50 ms / recept
17、ion point5 时延 端到端时延 250msQCI等级资源类型优先级数据包时延预算数据包丢失率 典型业务1 2 100 ms 10-2 会话语音2 4 150 ms 10-3 会话视频（直播流媒体）3 3 50 ms 10-3 实时游戏4GBR5 300 ms 10-6 非会话视频（缓冲流媒体）5 1 100 ms 10-6 IMS 信令6 6 300 ms 10-6视频（缓冲流媒体）基于 TCP的业务 (如 wwwe-mailchatftp p2p 文件共享逐行扫描视频）7 7 100 ms 10-3语音视频（直播流媒体）互动游戏8 89Non-GBR9300 ms 10-6视频（缓冲
18、流媒体）基于 TCP的业务 (如 wwwe-mailchatftp p2p 文件共享逐行扫描视频）二 VoLTE 协议栈从无线角度来看：VoLTE 需要建立的承载要实现语音或视频业务需要 UE同时建立三个数据承载外，还需要 UE建立 RRC链接信令承载：SRB1 和 SRB2。VoLTE用户注册：VoLTE用户在体验高质量通话之前，必须先进行 VoLTE的注册流程，从无线角度来看，注册分为两个步骤：(1)LTE无线的无线注册: 由于 VoLTE实质上对于无线来说只是一种数据业务，所以，E-UTRAN 网络需要为 VoLTE提供数据发送的通道。即，建立 QCI=8/9的承载。(2)IMS注册：支
19、持 VoLTE的终端在完成 LTE的注册后，会通过 LTE的承载向IMS网元发起注册(类似于高层应用的注册)，即，建立 QCI=5的承载；在该注册完成后，用户就可以使用 VoLTE进行语音通话了。即，会触发核心网建立一条 QCI=1的专用承载用于传输 IMS语音包。VoLTE控制面协议栈VoLTE用户面协议栈三 VoLTE 无线功能3.1 VoLTE无线设备技术要求概览部署 VoLTE，除了要求无线侧 eNB支持相关基本功能外，还可根据实际需求，进一步考虑引入增强功能，以优化方案性能，提升网络整体质量，改善用户业务体验3.2 VoLTE无线增强功能 - IP 包头压缩（RoHC）效果压缩后，头
20、开销降为 46 byte（开销占比降为 12.5%18.8%）典型的 VoIP数据包的净荷为 32 byte，对 VoIP这样的小的数据包，IP 头开销甚至超过净荷本身（IPv6 的包头为 60 byte，头开销可达 188%，IPv4 的包头为40 byte，头开销也有 125%）原理仅在初次传输时发送数据包头的静态信息，后续不再重复发送（如 IP地址等）通过一定信息可推知数据流中其他信息时，可仅发送必须的信息，其他信息可由上下文推算（如 SN号和 IP-ID号都是以 1为单位递增，可通过上下文推算）IP包头压缩可大大降低头开销，提高 VoLTE语音用户容量，提高数据业务吞吐量，增强边缘覆盖
21、3.3 VoLTE无线增强功能 - 半持续调度（SPS）效果半持续调度是 LTE中为了节省 PDCCH数量而提出的一种新的调度方法，最初主要是针对 VoIP业务。其可大大降低信令开销，使信令开销资源最低可仅为业务的 1.3%原理实现原理：VoIP 的新传包由于其达到间隔是 20ms，所以可以由一条信令分配频域资源，以后每隔 20ms就“自动”用分配的频域资源传输新来的包；重传包由于其不可预测性，所以动态的调度每一次重传，因而叫“半”持续调度TDD特性（上行双周期配置）：由于其 HARQ RTT与 FDD有所差异，会导致重传包和新传包传输冲突，为解决这个 TDD独有的问题，支持双周期的半持续性调
22、度，即 2DL:2UL时为 19ms和 21ms；3DL:1UL 时为 25ms和 15ms半持续调度可减少控制信令开销，节省 PDCCH资源，在控制信道受限的情况下，提高系统容量；但在现网 3:1时隙配比下，因 SPS采用保守调度算法(MSC 不得高于 15),可能导致系统容量受限于 PUSCH而有所下降，故初期暂不建议引入3.4 VoLTE无线增强功能 - TTI bundling原理当小区边缘 UE 功率受限时，由于资源受限，导致丢包率增加。使用 TTI bundling，四个连续子帧中的立刻重传，能积累能量，增大传输成功率，从而提高接收成功率， 避免过多的 HARQ重传效果在标准中，V
23、oIP 业务不能同时采用 SPS调度和上行 TTI bundling，但可仅针对边缘用户使用 TTI bundling性能增益：-不考虑重传的情况下，单从 1个 TTI和 4个 TTI传输角度，HARQ 进程为 4，增益大约 4dB（链路级仿真得出）-考虑重传情况下，TDD 增益仅为 2dB，性能增益有限，但在控制信令会节省开销TDD 特性：由于上下行时隙不连续，而语音包又有 20ms的周期限制，因此仅在 2DL:2UL配置时可使用 TTI bundlingTTI Bundling可提高边缘用户的接收性能，并减小控制信令开销TTI Bundling不可用于 3DL：1UL 时隙配比中，且不与
24、SPS同时开启3.5 VoLTE异系统切换- eSRVCC原理eSRVCC（enhanced Single Radio Voice Call Continuity）是 LTE PS语音（VoLTE）到 2G/3G CS语音的增强型切换功能，但较原有 SRVCC功能，无线侧无无差异；效果eSRVCC功能是 VoLTE在 LTE网络覆盖未达到全面覆盖之前的重要补充功能。eSRVCC功能在 LTE建设初期和中期可保证 VoLTE语音业务的连续性，以减少当用户移动出 LTE覆盖导致的掉话，减少用户投诉。eSRVCC保证用户移出 4G覆盖区域时仍然保持通话连续性3.6 VoLTE无线功能支持情况1)Vo
25、LTE无线基本功能无线承载组合、QCI 1/2 承载、RLC 层模式、IMS 紧急呼：所有厂商 eNB产品均已支持所有厂商 eNB产品支持在语音和数据并发业务下 eSRVCC流程的优先级2）VoLTE 无线增强功能：头压缩、半持续/延迟调度：所有厂商 eNB产品均已支持，并可与 CDRX同时配置并激活；TTI bundling：部分厂商 eNB仍不能支持；eSRVCC 测控和切换流程：所有厂商 eNB产品均已支持3）VoLTE/eSRVCC 方案性能摸底，包括 4大类：掉话 SINR测试：不同的终端测出的性能有差异；各厂商和终端的 VoLTE语音掉话 SINR均在-3dB 以下，满足 LTE无
26、线覆盖指标系统内切换性能：各厂商系统内切换性能接近（206ms）；开关 Data Forwarding、标清/高清语音、单语音/混合业务、X2 切换/S1 切换对于切换时延无明显影响语音用户容量：单小区容量和调度算法紧密相关；在 3:1时隙配比下，所有主要厂商均能在正常通话条件下支持 200用户。RoHC 头压缩算法对于容量提升效果明显，平均可达到 26%左右的增益。SPS 厂商实现较差，部分厂商不支持多用户 SPSSRVCC 切换性能：各厂商端到端时延均在 300ms以下，满足 SRVCC切换时延要求；单语音和混合业务对于 SRVCC切换时延无明显影响四 VoLTE 基本流程和信令解析4.1
27、 VoLTE呼叫业务流程上述 A和 B均是 IDLE模式，互相进行拨打的方式是实际应用场景中最常见的一种方式了，具体流程如下。1.用户 A和 B在注册成功后，无业务触发，MME 发起上下文释放，将 A和 B均置为 IDLE模式。2. UE A呼叫 UE B，此时 A发现其为 IDLE模式，则需要先建立信令连接。首先缓存需要发送的数据，向 eNodeB发起 RRC Connection Request，携带初始 UE ID和 S-TMSI（第一次是随机值，此时 TMSI值应为有效）。3. eNodeB向 UE回复 RRC Connection Setup，其中携带无线资源专用配置信。4. UE向
28、 eNodeB回复 RRConnection Setup Complete，确认 RRC建立成功完成。其中携带选择的 PLMN ID，注册的 MME信息（plmn-id、mmegi、mmec），NAS 消息（Service Request）。5. eNodeB发送 Initial UE Message到 MME，其中携带 eNodeB UE S1AP Id，TAI，E-UTRAN -CGI，RRCEstablishment Cause， NASPDU 为 Service Request。6. MME侧用户面承载建立成功后向 eNodeB返回 Initial Context Setup Requ
29、est，携带 MME UE S1AP Id ，ERAB 相关信息（QOS， GTP-TEID ，ERAB Id，IP），UE 安全能力和安全密钥，如果存在 UE无线能力，也需要带回。如果没有 UE无线能力，则 eNodeB需要向 UE所要 UE无线能力参数。7. 无线承载的建立，对上下文进行处理，eNodeB 向 UE发送 RRCConnection Reconfiguration消息，其中包含测量配置，移动性配置，无线资源配置（RBs，MAC 主要配置，物理信道配置），NAS 信息和安全配置等信息。8. eNodeB收到 UE的 RRC Connection Reconfiguration
30、Complete消息，确认无线资源配置完成。9. eNodeB向 MME发送 Initial Context Setup Response消息，将 eNodeB侧承载的 IP和 GTP-TEID带给 MME。在重配完成后，实际上已经可以发送上行数据了。此时，完成建立 EPS数据业务连接(QCI8/9 承载)，即完成在 EPC侧的注册；以及 IMS的注册(QCI5 承载) 。10.用户 A发送上行数据，呼叫用户 B，首先向 AS服务器发送 INVITE请求，LTE系统中会以数据的方式进行传输，用户 A发送上行数据到 AS服务器，其中携带 SIP信令 INVITE请求。11. AS服务器发送 10
31、0 Trying的确认消息给用户 A，确认收到 INVITE消息.。12.同时转发 INVITE到用户 B，发送下行数据首先经过 PDN网关到 SGW网关。13. SGW发现 UE B为 IDLE模式，发送下行数据到的通知到 MME， 同时缓存数据。14 . MME对 UE B发起寻呼流程。15. 同上述步骤 1-9 : 步骤 14-21，UE B 也会完成在 MME以及 IMS的注册。16. SGW将缓存的数据发往 UE B，其中 SIP信令为 A呼叫 B的 INVITE消息。 UE发送上行数据到 AS，携带回复的 100 Trying消息。后续信令和数据的传输见 A呼叫 B（SIP 呼叫业
32、务流程）。4.2 SIP呼叫业务流程上述步骤 1-24详细描述了主叫与被叫之间的 SIP信令流程，具体流程如下。1. 用户 A，摘机对用户 B发起呼叫，用户 A首先向 AS服务器发起 INVITE请求。2. AS服务器回复 100 Trying给用户 A说明收到 INVITE请求。3. AS服务器通过认证确认用户认证已通过后，向被叫终端 B转送 INVITE请求。4. 用户 B向 AS服务器送呼叫处理中的应答消息，100 Trying 。5. 用户 B向 AS服务器送 183 Session Progress消息，提示建立对话的进度信息。（此时被叫 QCI1专用承载建立）6. AS服务器向主叫
33、终端 A转送 183 Session Progress消息，终端 A了解到整个 Session的建立进度消息。7. 终端 A向 AS服务器回复临时应答消息 PRACK，表示收到 183 Session Progress消息。（此时主叫 QCI1专用承载建立）8. AS服务器向被叫终端 B转送临时应答消息 PRACK ，终端 B了解到终端 A收到 183 Session Progress消息。9. 被叫终端 B向 AS服务器发送 200 OK消息，表示 183 Session Progress请求已经处理成功。10. AS服务器向主叫终端 A转送 200 OK消息。11. 主叫终端 A向 AS服
34、务器发送 UPDATE消息，意在与被叫终端 B协商相关SDP信息。12. AS服务器向被叫终端 B转送 UPDATE消息。13. 被叫终端 B向 AS服务器发送 200 OK消息，表示 UPDATE请求已经处理成功。14. AS服务器向主叫用户 A转送 200 OK消息，通知用户 A UPDATE请求已经处理成功。15. 被叫用户 B振铃，用户振铃后，向 AS服务器发送 180 Ringing 振铃信息。16. AS服务器向主叫终端 A转送 180 Ringing 振铃信息。17. 被叫终端 B向 AS服务器发送 200 OK消息，表明主叫最初的 INVITE请求已经处理成功。18 . AS服
35、务器向主叫终端 A转送 200 OK消息，通知主叫终端 A，被叫终端 B已经对 INVITE请求处理成功。19. 主叫终端 A向 AS服务器发送 ACK消息，意在通知被叫终端 B，主叫侧已经了解被叫侧处理 INVITE请求成功。20. AS服务器向被叫终端 B转送 ACK信息。21. 用户 A主动挂机，A 向 AS服务器发起通话结束 BYTE信息。22. AS服务器向被叫终端 B转送 BYTE信息。23. 被叫终端 B向 AS服务器发送 200 OK消息，表示对 BYTE信息处理成功。24. AS服务器向用户 A转送 200 OK信息。整个通话结束。25. 被叫用户 B主动挂机流程同步骤 21
36、24。通过 Wireshark抓包，SIP 呼叫信令流程如下。VoLTE呼叫空口及 S1口信令流程(非 SIP)：(1) 这里的呼叫信令流程一般指的是主被叫 UE都处于 RRC_IDLE态，这也是现网中最常见的呼叫应用场景。(2)处于 RRC_IDLE态的主被叫 UE都需要首先建立 RRC连接，再进行 EPC 注册与 IMS注册，并建立 QCI=8/9、QCI=5、QCI=1 的 ERAB承载。(3)主被叫 UE的 RRC连接建立流程以及 ERAB承载建立流程基本相似，这里的分析以主叫 UE为例 。4.3 信令解析1) VoLTE呼叫信令流程establishment Cause ：取值为 4。代表终端发起的数据业务请求。这里的 mo代表为移动始端，即“主叫”。establishment Cause ：取值为 2。代表终端接收 Paging消息发起的 RRC建立请求。这里的 mt代表为移动终端，即“被叫”。
