VoLTE技术综述

1VoLTE技术前言VoLTE的全称为“VoiceoverLTE”，是指语音业务由LTE无线网和EPC核心网提供的IP通道承载，是为LTE手机终端提供的一种语音业务解决方案。2/3G手机终端、LTE双待手机终端是使用2/3G无线网和核心网电路域提供的语音业务；CSFallBackLTE手机终端的话音业务是从LTE/EPC网络回落到2/3G无线网和核心网电路域，仍旧是使用2/3G无线网和核心网电路域提供的语音业务；VoLTE手机终端则是利用LTE无线网和EPC核心网提供的IP承载通道接入IMS核心网，由IMS相关业务平台提供话音业务呼叫处理。可见，VoLTE语音解决方案与2/3G、LTE双待、LTECSFallBack的语音解决方案完全不同。本报告旨在对VoLTE的基本原理、建设方案、业界应用情况进行概要介绍。一、VoLTE技术背景随着智能手机终端的普及和移动互联网业务的迅猛发展，移动手机用户的数据业务量显著增加；为了能够为用户提供更高速率的IP数据业务通道，4GLTE（LongTermEvolution）技术应运而生。4GLTE与2/3G采用了不同的系统架构，如下图所示：2/3G无线网同时接入核心网电路域和分组域，对于2/3G手机终端的语音业务，2/3G无线网将呼叫送入核心网电路域，由核心网电路域分析被叫号码，若2被叫号码为其它运营商用户，则将呼叫通过关口局接续至对应的运营商网络；若被叫号码为本网移动号码，则将呼叫接续至被叫所在端局，由被叫所在端局通过2/3G无线网接续被叫用户；对于2/3G手机终端的IP数据业务，2/3G无线网将IP数据业务请求送至核心网分组域，核心网分组域为用户建立IP数据业务通道，接入对应的IP数据业务网（internet或专网）。另外，用户的短信业务、语音智能网业务也均是由核心网电路域负责疏通。不同于2/3G无线网，4G无线网仅接入核心网EPC。对于4GLTE手机终端的IP数据业务，4G无线网接入核心网EPC，核心网EPC为用户建立IP数据业务通道，接入对应的IP数据业务网（internet或专网）。LTE双待手机终端同时接入在4GLTE无线网和2/3G无线网，其语音业务由2/3G无线网和核心网电路域负责疏通（如前所述）；CSFallBackLTE手机终端优先驻留在4GLTE无线网，而不接入2/3G无线网，其语音业务通过CSFallBack技术由4GLTE无线网回落到2/3G无线网，由2/3G无线网和核心网电路域负责疏通。可见，LTE双待手机终端和CSFallBackLTE手机终端的语音业务均严重依赖于2/3G无线网和核心网电路域，而语音业务又是移动手机用户的基础通信业务，是移动运营商必须提供的基础电信服务，因此，面向手机用户的移动运营商在建设和运营4GLTE网络的同时，必须保有一张2G无线网或3G无线网以及核心网电路域。若面向手机用户的移动运营商希望仅通过一张4GLTE网络同时满足移动手机用户的语音业务和IP数据业务，则必须采用VoLTE技术。VoLTE手机终端通过4GLTE无线网和EPC核心网提供的IP数据通道接入IMS核心网，由IMS核心网分析被叫号码，将呼叫接续到被叫用户；由IMS业务平台负责用户的语音业务控制。基于IMS核心网和IMS业务平台的语音业务，不但能够提供更高质量的音频语音业务，而且还能够支持高质量的视频语音业务，以及智能网等增值业务，为VoLTE用户带来更好的语音业务体验；同时也能够为VoLTE用户提供短信业务以及更丰富的消息类业务。3二、VoLTE基本原理1.VoLTE的基本架构基本的VoLTE系统由LTE无线网、EPC核心网（含PCC）、IMS核心网、IMS业务平台（简称IMSAS）组成。LTE无线网和EPC核心网负责为VoLTE用户提供接入IMS核心网的IP通道，并负责为用户建立满足Qos要求的媒体承载IP通道；IMS核心网和IMS业务平台负责用户呼叫接续和业务控制。IMS全称为“IPMultimediaSubsystem”，即：IP多媒体子系统，包括IMS核心网和IMSAS。3GPP在R5阶段引入了IMS域，并在后续的R6、R7、R8等阶段不断完善，目前已经更新到R12版本；由于在3G网络中仍旧保留了电路域，且电路域提供的音视频语音业务较好地满足了2/3G用户的基本语音业务需求，而在IMS域并未提出“杀手级”的业务，因此，在2/3G网络中尚未被运营商广泛应用。当网络演进到LTE/EPC阶段，VoLTE必须引入IMS域来提供语音业务服务。VoLTE系统引用了3GPP的IMS相关标准。VoLTE的基本架构如下图所示：移动用户使用VoLTE终端通过LTE无线网接入EPC核心网，EPC核心网根据EPCHSS中的用户4G业务签约数据，为用户建立默认承载，接入internet，使用户能够正常使用互联网业务（alwaysonline）。在VoLTE终端接入LTE/EPC网络的过程中，网络告知终端“网络支持VoLTE业务”，VoLTE终端发起IMSAPN承载建立请求，LTE/EPC为用户建立IMSAPN默认承载（承载建立过程中需开启PCC流程），VoLTE终端LTE/EPC网络提供的IMSAPNIP通道接入IMS核心网进行注册，鉴权通过后，IMS核心网根据用户的IMS签约信息完成用户在相应IMSAS的注册。后续，VoLTE用户发起呼叫，呼叫请求通过LTE/EPC网络提供的IMSAPNIP通道送至IMS核心网及用户注册的IMSAS，IMSAS负责用户呼叫的处理；IMS4核心网负责根据呼叫请求中的被叫号码进行路由，接续被叫，若被叫位于IMS网内，则在IMS网内接续被叫，若被叫为其它运营商用户或被叫位于2/3G网，则IMS核心网将呼叫接续至电路域关口局。在用户媒体面连接建立之前，IMS核心网会通知PCRF，在LTE/EPC网内为VoLTE用户建立IMSAPN专用承载的IP通道，保障用户的语音业务质量。2.VoLTE与OTT语音的差别OTT的全称为“OverTheTop”，是指第三方业务提供商通过互联网向电信运营商（包括移动运营商）用户提供的各种互联网应用服务。目前，典型的OTT业务包括腾讯公司提供的微信和QQ服务等。OTT语音是指利用OTT技术提供的数据话音业务，典型的OTT语音业务包括“微信电话本”业务等。VoLTE与OTT语音的差别如下图所示：（1）OTT语音：图中的普通LTE终端利用LTE/EPC提供的互联网业务APN默认承载的IP通道接入OTT平台，访问OTT用户地址簿，点击OTT在线用户即可进行OTT语音通话。LTE/EPC网络仍将OTT语音IP包视为普通的IP数据包，不对OTT语音IP包提供任何额外的Qos保障。（2）VoLTE：图中的VoLTE终端利用LTE/EPC网络为VoLTE用户额外建立IMSAPN默认承载IP通道在IMS域完成注册（图中蓝色虚线通道）；VoLTE终端发起呼叫，IMS域进行呼叫处理，在用户发起呼叫时（Precondition方式）或主被叫接通之前（非Precondition方式），IMS域SBC/P-CSCF通知PCRF启动PCC流程（图中红色虚线），在LTE/EPC建立IMSAPN专用承载，VoLTE用户利用IMS5APN专用承载（图中红色实线）传送媒体面语音IP包；在LTE无线网和EPC核心网内部，网络为IMSAPN专用承载提供相应等级的Qos保障，以使VoLTE用户获得更好的语音业务体验。VoLTE与OTT语音的主要差别总结如下表所示：VoLTEOTT语音主被叫用户主叫：VoLTE用户被叫：任意电话用户（1）主被叫均为OTT在线用户；（2）被叫非OTT在线，则转为运营商电话呼叫音视频语音支持音视频语音业务支持音视频语音业务语音编码视频编码VoLTE终端支持的编码、运营商网络支持的编码——通常为电信业的通用标准编码，如：AMR2、AMR-WB、VGA等OTT语音APP软件支持的编码，可采用电信业的通用标准编码，也可采用OTT自己开发的私有编码基本通话时延（IP打包+传输）电信级，通用的语音编码通常采用20ms的打包周期取决于APP软件，通常采用“录音+分段打包”，“分段打包”的周期取决于APP软件实现LTE/EPC网络提供的IP通道IMSAPN专用承载互联网业务APN默认承载LTE/EPC网络内段的IP通道QosLTE无线网和EPC核心网提供音视频语音业务媒体承载所需等级的Qos保障；在LTE无线网及EPC核心网资源紧张的情况下，为语音业务提供资源保障。LTE无线网和EPC核心网不区分OTT语音包和数据业务包，按用户等级提供Qos保障；OTT语音质量和通话时延取决于当前LTE/EPC网络资源忙闲度以及APP语音编码的抗丢包和抗时延的能力。3.VoLTE的基本实现方案IMS具有“与接入无关”的特性，即：用户可以通过无线网、有线网接入IMS，且与无线网和有线网的类型也无关，可以是移动蜂窝网、WLAN、有线光网络、铜线网络等；IMS又是“与接入密切有关”的，即：无论是何种接入方式，但必须是以IP的方式接入IMS网络。VoLTE则是利用LTE无线网+EPC核心网的移动网提供的IP通道接入IMS网，由IMS网负责为VoLTE用户提供基础电信服务。因此可以说，VoLTE用户也是IMS用户，必须遵从IMS的用户标识。IMS标识用户包括IP地址和用户IMS号码。IP地址由接入网负责分配，对于VoLTE用户，则是由LTE/EPC在为用户建立IMSAPN默认承载时为用户分配的IP地址。用户IMS号码包括IMPI和IMPU，其中：IMPI是用户的身份标识，用6于IMS网内的用户鉴权；IMPU是用户的通信号码，类似于移动手机号码。用户的一个IMPI可以对应多个IMPU。IMPI的编码格式为“usename@reaml”，对于VoLTE用户通常：usename=用户IMSI号码；reaml为用户归属IMS域名；IMPU包括Tel号码和SIP号码，对于VoLTE用户通常：Tel号码为“Tel:MSISDN”，SIP号码为“Sip:MSISDN@reaml”，reaml也为用户归属IMS域名；在主叫拨打被叫号码时，通常会拨打用户的Tel号码，但IMS核心网必须首先把Tel号码转为SIP号码后才能在网络中进行呼叫路由处理。作为IMS用户，VoLTE用户必须首先在IMS域内完成注册，然后IMS域才能处理VoLTE用户发起的语音业务。以下通过对VoLTE用户的IMS注册流程和呼叫流程的介绍，说明VoLTE的语音业务实现方案。3.1VoLTE用户注册流程VoLTE用户的IMS注册，其作用类似于2/3G用户在核心网电路域的附着/位置更新，即：选定IMS核心网SBC/P-CSCF、S-CSCF、IMSAS为VoLTE用户提供服务；类似于选定电路域MSC为2/3G用户提供话音业务。VoLTE用户的注册流程如下图所示：第1步：VoLTE终端在LTE/EPC附着过程中获知“网络支持VoLTE业务”，主动发起IMSAPN激活请求，LTE/EPC启动PCC流程，为VoLTE用户建立IMSAPN默认承载（如图中蓝色管道），其中P-GW为VoLTE移动用户拜访地的P-GW。第2步：在第1步的IMSAPN默认承载建立过程中，VoLTE终端获得P-GW分配的、用于使用IMSAPN通道的IP地址，以及用于IMS网络注册的IMSSBC/P-CSCF的IP地址。注：P-GW提供的IMSSBC/P-CSCF的IP地址一定是本地/本省（拜访地）的IMSSBC/P-CSCF的IP地址。第3步：VoLTE终端通过IMSAPNIP通道向IMSSBC/P-CSCF发起IMS注册请求，消息中包含VoLTE用户的IP地址、IMPI和IMPU。对于使用ISIM卡的用户，VoLTE终端从ISIM卡中读出IMPI和IMPU；对于使用USIM卡的用户，VoLTE7终端从USIM卡导出用户IMPI和TemporaryIMPU；其中：IMPI为“[e-mail]”；Temporary