VOLTE技术原理培训课件

2021/7/1中国普天信息产业股份有限公司中国普天信息产业股份有限公司Potevio Company Limited网络优化部技术支持第一节第一节 概述概述第二节第二节 IMS网元实体介绍网元实体介绍第三节第三节 IMS注册基本流程注册基本流程第一章第一章 IMS（VOLTE）网络架构及原理）网络架构及原理第三章第三章 VOLTE基本信令流程基本信令流程第二章第二章 VOLTE关键技术及原理关键技术及原理概述概述 IMS（IP 多媒体子系统）是一组规范，描述用于实现基于 IP 的电话和多媒体服务的下一代网络(NGN)体系结构。IMS 定义了一个完整的体系结构和框架，允许在基于 IP 的基础设施上对声音、视频、数据和移动网络技术进行聚合。它填补了两个最成功的通信范式（移动电话和 Internet 技术）之间的空白。IMS 最初是在 3GPP 第 5 版中推出的，其中将互联网工程工作小组Internet Engineering Task Force，IETF定义的“会话发起协议”（Session nitiated Protocol，SIP）作为了 IMS 的主要协议。R10才具备了完全取代电路交换时代（CS、PSTN）语音相关业务的全部功能。IMS是3GPP R5阶段增加的WCDMA网络中的一个子系统，在3GPP相关协议中对IMS的描述如下：IMS：IP Multimedia subsystem（3GPP TS 23.002）The IM subsystem comprises all CN elements for provision of IP multimedia services comprising audio,video,text,chat,etc.and a combination of them delivered over the PS domain.The entities related to IMS are CSCF,MGCF,MRF,etc.as defined in the stage 2 of the IM subsystem TS 23.228 34.See TS 22.228 27 for some service examples of IMS.IMS是用于电信行业的先进技术工具集，类似于一个包含各种工具的百宝箱分组域分组域SGSNGGSN电路域电路域MGWGMGWHLRMSCSERVERGMSCSERVERSBCI/S-CSCF/BGCFHSSMGCFP-CSCFASIMSIM-MGWDNS/ENUM2G GERAN其它电信运其它电信运营商营商关口局关口局电路域：-负责话音业务、短信业务 -与其它电信运营商通过关口局互通 -传真、低速数据(现基本不用)-智能网业务internet(CMNet)其它数据业务网其它数据业务网(如：如：CMWAP)分组域：分组域：-提供终端与IP网(及IP网上的业务平台)之间的IP通道集团客户集团客户、家庭用户家庭用户TD UTRANLTEE-UTRANMMES-GWEPC P-GWSAE-GWHSSS1-MMES1-US6a完成类似于完成类似于SGSN的功能的功能完成类似于完成类似于GGSN的功能的功能S5/S8GnSGs：MME-共覆盖共覆盖MSC-S -LTE短信短信 -CS FallBack话音话音TD-LTE仅存在核心网分组域（EPC）SGIMS域：-核心网+各种业务平台(话音等)-IP通道接入-CM-IMS现阶段：-多媒体电话(个人固话)-统一Centrex(集团固话)-鉴权：用户名+密码（SIP Digest）不是USIM AKASTPDRA短信短信中心中心SCPeMSC SERVERSv：MME-SRVCC MSC-S -VoLTE的的eSRVCC切换切换VoLTEVoLTE 单待终端单待终端IMS网络架构网络架构第一节第一节 概述概述第二节第二节 IMS网元实体介绍网元实体介绍第三节第三节 IMS注册基本流程注册基本流程第一章第一章 IMS（VOLTE）网络架构及原理）网络架构及原理IMS网络架构网络架构-网元实体网元实体P-CSCF：代理呼叫控制功能模块，是IMS核心网络与用户终端的接口网元；与用户终端侧配合完成AKA鉴权、安全机制协商、IPSec加密保护、信令压缩等功能，在与有PDF功能模块的接入终端还可以配合完成资源预留功能；与I-CSCF/S-CSCF侧配合完成呼叫的接续处理。I-CSCF：问询呼叫控制功能模块，为归属网络中P-CSCF的呼入选择合适的S-CSCF，为拜访网络的外部IMS网提供接入。S-CSCF：服务呼叫控制功能模块，IMS核心网中呼叫控制核心模块，负责对终端的注册鉴权、会话控制、用户业务信息管理及向AS触发指定业务等功能。HSS：归属用户服务模块，IMS网络中核心用户数据库，保存归属网络中IMS用户的签约信息，包括基本标识、路由信息、业务签约信息等。SLF：签约数据定位功能模块，当运营商网络中存在多个HSS时，为I-CSCF/S-CSCF选择合适的HSS。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。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QoS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。MGCF：媒体网关控制功能，负责IMS网络与CS网络之间进行通信IM-MGW：IMS多媒体网关提供CS与IMS之间的用户平面链路转换，类似H248终端设备就是属于这一类。MRFC：媒体资源功能控制器，解析来自S-CSCF、AS的资源控制命令，并控制MRFP提供媒体资源，如三方会议混音、通告音等。MRFP：媒体资源功能处理器，在MRFC控制下，为终端提供媒体资源。SIP AS：SIP应用服务器，提供各种业务处理，如仿真PSTN业务、Centrex业务等。SIP Terminals：包括SIP软终端、SIP硬终端、SIP IAD接入设备、SIP AG接入设备等，当前我们设备就属于这一类。IMS网络架构网元实体网络架构网元实体IMS实体可以被粗略的分为六大类：会话控制和路由实体族（S-CSCF、P-CSCF、I-CSCF）、数据库实体（HSS、SLF）、互联实体（MGCF、IM-MGW、SGW）、服务相关实体（应用服务器、MRFC、MRFP）、支持性实体（THIG、SEG、PDF）和计费相关实体。需要理解一个非常重要的事实，IMS标准没有详细描述网络实体的内部功能。例如，HSS内部有三个功能部分：IMS功能、CS域所需的必要功能和PS 域所需的必要功能。3GPP标准没有描述IMS功能部分PS功能部分如何交互。相反的，它描述实体间的接口和接口支持的功能（例如CSCF如何从HSS获 取用户数据）。AGIADGGSNInternet/VoIPiMGMGCP/H.248xDSL/LAN 接入接入I-MGCFMRFPI_CSCFA-MGCFT-MGCFMRFCSIP/H.323 TerminalsSGSN2G/3G RANSIP TerminalsSIPSIPPSTN/PLMNTMGSGP-CSCFACARMARMS_CSCFIADOSS/BSSCSCF网络中位置网络中位置IMS网络架构网元实体功能网络架构网元实体功能CSCF：Call Session Control Function CSCF按其位置和功能又可分为 P/S/I 三种类型：其中：P-CSCF(Proxy CSCF)：是IMS中与用户的第一个连接点，提供代理（Proxy）功能，即接受业务请求并转发它们；P-CSCF也可提供用户代理（UA）功能，即在异常情况下中断和独立产生SIP会话；P-CSCF是IMS网络的初始接入点，所有起始和终止于于SIP终端的会话均通过P-CSCF。S-CSCF(Serving CSCF)：S-CSCF在IMS核心网中处于核心的控制地位，配合HSS网元对用户进行鉴权，并从HSS处下载用户签约的业务信息，并对用户主叫和被叫侧的IMS用户的基本会话路由功能进行管理，并根据用户签约的IMS触发规则，在条件满足时进行到AS的增值业务路由触发及业务控制交互；I-CSCF(Interrogating CSCF)：IMS归属网络的入口点。在注册过程中I-CSCF通过查询HSS为用户选择一个S-CSCF。在呼叫过程中，去往IMS网络的呼叫信息首先路由到I-CSCF，由I-CSCF从HSS获取用户所注册的S-CSCF，将消息路由到S-CSCF。P/S/I-CSCF在物理实体上完全可以是合一的，在实际组网时，其划分和部署需综合考虑对IMS业务接入方式、CSCF的容量、能力及用户业务量需求等因素。IMS网络架构网元实体功能网络架构网元实体功能P-CSCF(Proxy CSCF)：Proxy Call Session Control Function 基于UE在请求消息中放置的域名，将SIP Register 消息发给域的查询CSCF；向服务CSCF（S-CSCF）转发SIP请求和应答消息；向UE转发SIP请求和应答消息；检查紧急呼叫的建立请求；发送计费相关的信息给计费采集功能实体；提供SIP消息的完整性保护，以及维护UE和P-CSCF间的安全关联；压缩和解压跟UE间的SIP消息；向用户的登记处（S-CSCF）订阅注册事件；执行媒体控制策略；维持会话定时器；和策略控制实体（PDF）交互。IMS网络架构网元实体功能网络架构网元实体功能I-CSCF：Interrogating Call Session Control FunctionI-CSCF是一个网络的入口点，所有通向这个网络中的用户的连接都会经过这个网络的I-CSCF。一个运营网络中可能有多个I-CSCF。I-CSCF提供的功能是：联系HSS，并获取为一个用户提供服务的S-CSCF的名字(完成S-CSCF查找定位）；根据从HSS那儿获取到的需要支持的能力，分配一个满足要求的S-CSCF。只有当前用户没有分配S-CSCF的情况下，才分配一个S-CSCF；转发SIP请求或者应答消息给S-CSCF；给CCF发送计费相关信息；提供隐藏功能。I-CSCF可以包含一个叫做网络拓扑隐藏互联网关（THIG）的功能实体。THIG可以被用来对运营网络之外的部分隐藏网络的配置、能力和拓扑。IMS网络架构网元实体功能网络架构网元实体功能S-CSCF：Serving Call Session Control FunctionS-CSCF位于所属地网络，是IMS的大脑。它为UE提供注册服务和会话控制。当UE加入一个会话的时候，S-CSCF维护会话的状态，并同服务 平台和计费功能实体打交道，以支持运营商所需的服务。在一个运营网络中，可能存在多个S-CSCF，各个S-CSCF也可能支持不同的能力和功能。更为具体的，S-CSCF完成以下功能：处理注册请求。S-CSCF知道UE的IP地址，也知道它用来接入IMS的P-CSCF；RFC 3261 中定义 使用IMS认证和密钥协定（AKA）计划来对用户进行认证。当用户注册或者处理发往一个未注册用户的请求时，从HSS下载用户信息和这个用户的服务相关信息。将通往移动侧的通信路由给P-CSCF，将移动侧发起的通信路由给I-CSCF、出局网关控制功能实体（BGCF）或者应用服务器（AS）。进行会话控制；和服务平台交互。当收到一个请求或者应答消息的时候，判断是否要路由到某个AS作进一步处理。通过域名解析服务器（DNS）将E.164形式的电话号码翻译成SIP URI。因为IMS内的SIP信令的路由只使用SIP URI，所以会需要这个翻译。使用Draft-ietf-enum-rfc2916bis描述的格式；监管注册定时器。能够在需要的时候注销用户。当运营商支持IMS紧急呼叫时，能够进行选择紧急处理中心。执行媒体控制策略。S-CSCF能够检查SDP的内容，并检查是否包含用户所不允许的媒体和编结码。如果消息里面建议的SDP不符合运营商的策略，则S-CSCF拒绝这个请求，并给UE发送SIP错误消息488。维护会话定时器。为支持离线计费功能而向CCF发送计费相关信息。为支持在线计费功能而向在线计费系统（OCS）发送计费相关信息。IMS网络架构网元实体功能网络架构网元实体功能HSS:Home Subscriber Server HSS是归属网络中保存IMS用户的签约信息，包括基本标识、路由信息以及业务签约信息等集中综合数据库，位于IMS核心网络架构的最顶层，HSS中保存的主要信息包括：IMS用户标识（包括公共及私有标识IMPU、IMPI）、号码和地址信息IMS用户安全上下文：用户网络接入认证的密钥信息IMS用户的路由信息：HSS支持用户的注册，并且存储用户的位置信息IMS用户的业务签约信息：包括其他AS的增值业务数据漫游授权信息、已分配的S-CSCF名称之类的参数用户标识符包含两个类型：私有用户标识符和公共用户标识符。私有用户标识符由所属地网络运营商分配，并用以注册和授权等目的。公共用户标识符是被其 他用户用来发起通话呼叫的。IMS接入参数用来建立会话，它包括用户认证、漫游授权和所分配的S-CSCF等信息。服务触发信息用以支持SIP服务的执 行。HSS同样能提供某个特定用户的对S-CSCF能力的要求。这个信息被I-CSCF用来为用户选择最合适的S-CSCF。订阅信息定位功能实体（订阅信息定位功能实体（SLF）：）：当一个网络中部署了多个可单独寻址的HSS时，SLF作为一种解决机制，使得I-CSCF、S-CSCF和AS能够找到给定用户标识符对应的用户订阅信息。SLF查询响应HSS的IP地址IMS网络架构网元实体功能网络架构网元实体功能AS(Application Server)：为IMS用户提供增值业务，可以位于用户归属网，也可以由第三方提供，其中：AS包括SIP AS、OSA AS和 IM-SSF（service switch Function，业务交换功能）三类，其中，OSA AS通过OSA Service Capability Servers而不是直接与IMS网元交互，IM-SSF则提供IMS SIP到CS CAP的映射及SSP触发能力，使IMS域VoIP业务用户能无缝继承CS智能业务；AS通过与HSS的接口 获得用户业务相关的数据和用户状态信息，其中，SIP AS和OSA SCS与HSS间为基于Diameter的Sh接口，IM-SSF与HSS间为基于MAP的Si接口；S-CSCF与AS间的ISC接口用于AS进行相应的业务控制S-CSCF S-CSCF SIP Application Server SIP Application Server HSS HSS OSA service capability server(SCS)OSA service capability server(SCS)IM-SSF IM-SSF Camel Service Environment Camel Service Environment OSA application server OSA application server ISC Cx ISC ISC CAP MAP OSA API SCIM AS AS Sh Si OSA：Open Services ArchitectureIMS网络架构网元实体功能网络架构网元实体功能q SLF(Subscription Locator Function)：在运营商内设置多个HSS的情况下，I-CSCF在登记注册及事务建立过程中通过SLF获得用户签约数据所在的HSS域名，可与HSS合设。q MGCF(Media Gateway Control Function)：实现IMS核心控制面与PSTN或PLMN CS的交互，支持ISUP/BICC与SIP的协议交互及呼叫互通。当被叫用户I-CSCF通过MGCF接收到2G、3G或PSTN用户打来电话查询HSS获取被叫S-CSCF，并转发SIP请求消息至S-CSCF处理q IM-MGW(IMS-Media Gateway Function)：完成IMS与PSTN及CS域用户面宽窄带承载互通及必要的Codec编解码变换。q BGCF(Breakout Gateway Control Function)：根据互通规则配置或被叫分析，为IMS到PSTN/CS的呼叫选择MGCF，从而实现MGCF路由的自动获取。主叫S-CSCF发现被叫来自23G或PSTN将SIP会话请求转发给出口网关控制功能实体BGCF，不在同一IMS发至相应BGCF。选择MGCF实体处理。q MRFC(Multimedia Resource Function Controller)：通过H.248控制MRFP上的媒体资源，负责根据来自S-CSCF和AS的SIP资源控制命令，控制MRFP实体q MRFP(Multimedia Resource Function Processor)：作为网络公共资源，在MRFC控制下提供资源服务，包括媒体流混合（多方会议）、多媒体信息播放（放音、流媒体）、媒体内容解析处理（码变换、语音识别等）。VoLTE网络架构网络架构-网元功能网元功能qDNS、ENUM Server：DNS(Domain Name System)服务器负责URL地址到IP地址的解析，可以直接借助Internet公网上的分层DNS Server，也可直接在网内新建DNS服务器。ENUM(E.164 Number URI Mapping)服务器负责电话号码到URL的转换，一般需IMS运营商新建。qDHCP Server：在标准DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)服务功能的基础上，增加在动态分配IP地址过程中向IMS终端指定P-CSCF的URL地址的处理。IMS网络架构网络架构-接口内容接口内容l业务平台：升级智能网、彩铃、彩印等业务平台lIMS域：升级扩容IMS Core,新建 VoLTE AS等业务平台用户数据：HLR/SAE-HSS/IMS-HSS融合数据库l信令网：重构可靠的DRA信令网l核心网：EPC：支持IMS APN、QoS保证、SRVCC切换等 MSC:改造支持eSRVCC功能lPCC：PCRF支持VoLTE QoS控制l4G无线接入网：TTI Bundling,RLC分片,ROHC头压缩，半静态调度等l2G无线接入网：支持用户eSRVCC通话结束后小区重选返回4Gl承载网：支持IPv6/IPv4双栈l支撑系统：计费、业务发放系统的改造BOSSNMSOMC支撑系统业务平台IMS域分组域PCC2G/3G电路域eNodeBBTS/BSCLTE接入接入网2G接入终端VoLTE UEI/S-CSCF/BGCF信令网用户数据DRAPCRFVoLTE SBCMGCFIBCFSAE GW/GGSN/PCEF三合一HSSDNS/ENUM(e)MSCGMSC彩印业务平台彩铃业务平台VoLTE AS/IM-SSF智能网SCPMME/SGSNIP短信网关ShMwSGiRxGxMxSvS11/GnMg/MjNcNcCAPCAPS1-MMES1-UUuMw/I2UmAGbISC承载网定位业务平台CxRx/GxS6a/SLgCx/Sh/Zh/S6a/SLhSLh/SLgSLs承载网JUtGm业务配置代理网关UtZhC/DGr为了实现既有业务的一致性、继承性，以及业务连续性，网络要进行较为复杂的改造IMS网络架构网络架构-接口内容接口内容IMS 各网元之间通过不同接口进行连接，涉及到不同的通信协议。IMS网络内部大部分实体单元之间采用基于IP传输的Diameter协议，包括Cx,Dx,Sh,DhIMS 网络架构网络架构-接口内容接口内容功能域接口名称接口类型连接网元承载协议分组域S1-MME信令MME-eNodeBGTP-CS1-U数据SAE GW-eNodeBGTP-US11信令MME-SAE GWGTP-CSGi数据SAE GW-VoLTE SBCSIP/RTCP/RTPSLg信令MME-LSP(GMLC)DiameterSLs信令MME-LSP(eSMLC)SCTPSv信令MME-eMSCGTPPCCRx信令PCRF-VoLTE SBCDiameterGx信令PCRF-SAE GWDiameterIMS域Gm信令VoLTE UE-VoLTE SBCSIPMw信令VoLTE SBC-xCSCFSIPMx信令xCSCF-IBCFSIPMg信令I-CSCF/S-CSCF-MGCFSIPMj信令BGCF-MGCFSIPMw/I2信令xCSCF-eMSCSIPISC信令xCSCF-IMS ASSIPUt信令VoLTE UE/VoLTE AS-业务配置代理网关XCAP用户数据Cx信令三合一HSS-xCSCFDiameterSh信令三合一HSS-IMS ASDiameterZh信令三合一HSS-业务配置代理网关DiameterSLh信令三合一HSS-LSPDiameterS6a信令三合一HSS-MMEDiameterC/D信令三合一HSS-eMSC/GMSCMAPJ信令三合一HSSIP-SM-GWMAP2G/3G电路域Nc信令MSC-MSCBICCCAP信令IMS SSF-智能网SCPCamelCAP信令锚定SCP-(e)MSCCamelGr信令SGSN-三合一HSSMAPVoLTE共涉及38个接口，其中最常用的接口包括以下5个方面的28个，22个为新增接口第一节第一节 概述概述第二节第二节 IMS网元实体介绍网元实体介绍第三节第三节 IMS注册基本流程注册基本流程第一章第一章 IMS（VOLTE）网络架构及原理）网络架构及原理IMS流程流程-注册过程注册过程IMS注册过程注册过程 注册是将UE的IP地址和IMPU的绑定关系存储到IMS系统中。注册包括UE和网络的双向认证过程IMS用户拥有两种用户标识：用户拥有两种用户标识：私有标识(IMPI：IM Private Identity)和公有标识(IMPU：IM Public Identity)：一个私有标识对应一个物理终端，用于UE和网络的双向认证。公有标识则是该用户对外可寻址的标识。IMPU和IMPI之间为多对多的关系即存在一机多号和一号多机。IMPU、IMPI、归属网络域名称等以SIP URI的形式出现，SIP URI遵从与电子邮件相同的格式，即“用户名域名”。第三方注册第三方注册HSSVoLTE终端IMPI:IMSIims.mnc000.mcc460.3gppnetwork.orgIMPU 1:sip:IMSIims.mnc000.mcc460.3gppnetwork.orgIMPU 2:Tel:+8613912345678IMPU 3:sip:+8613912345678bj.ims.mnc000.mcc460.3gppnetwork.org导出导出网络下发网络下发开通配置开通配置开通配置开通配置IMS流程流程-注册过程注册过程lCSCF：为呼叫会话控制单元，又分为P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF。lHSS：为归属用户服务器，存储IMS用户的签约数据以及无线用户的鉴权五元组等lDNS：负责URI地址到IP地址的解析，在IMS网络中负责将归属网络（I-CSCF）的SIP URI转换成归属网络的IP地址。lAS(Application Server)：为IMS用户提供增值业务。注册过程涉及到的网元IMS流程流程-注册过程注册过程Caller UEP-CSCFI-CSCFS-CSCFHSS8.Cx-Authentication Resp1.REGISTER3.REGISTER7.Cx-Authentication9.401 UnauthorizedDNS2.2.DNS Query Resp2.1.DNS Query4.Cx-Query5.Cx-Query Resp6.REGISTER10.401 Unauthorized11.401 Unauthorized12.REGISTER14.DNS Query Resp13.DNS Query20.Cx-Put Resp15.REGISTER19.Cx-Put23.200 OK16.Cx-Query17.Cx-Query Resp18.REGISTER22.Cx-Pull Resp21.Cx-PullAS26.REGISTER24.200 OK25.200 OK27.200 OKH Ho om me e N Ne et tw wo or rk kIMS流程流程-会话过程会话过程 UE P-CSCF S-CSCF AS I-CSCF S-CSCF AS P-CSCF UE INVITE（SDP提供提供）100 TryingINVITE100 TryingINVITE100 TryingINVITE100 TryingINVITE INVITE100 Trying100 Trying INVITE 100 Trying INVITE 100 Trying INVITE 100 Trying INVITE 180 RINGING180 RINGING 180 RINGING180 RINGING180 RINGING180 RINGING 180 RINGING180 RINGING 100 Trying180 RINGING180 RINGINGIMS流程流程-会话过程会话过程 UE P-CSCF S-CSCF AS I-CSCF S-CSCF AS P-CSCF UE 200 OK SDP应答应答200 OK 200 OK200 OK200 OK200 OK 200 OK200 OKACKACKACK ACKACK ACK ACKACK200 OK200 OKACKACK注册流程：P-CSCF需要通过DNS查询找到I-CSCF，I-CSCF通过HSS查询获得S-CSCF的能力集，从而选择一个S-CSCF。会话流程：P-CSCF直接将消息发往S-CSCF。（注册过程中已经记录了S-CSCF的地址信息）会话流程与注册流程路由区别第一节第一节 VOLTE基本概念及框架基本概念及框架第二节第二节 VOLTE关键技术关键技术第三节第三节 VOLTE技术相关技术相关第二章第二章 VOLTE关键技术及原理关键技术及原理VOLTE是什么是什么VoLTE（Voice over Long TermEvolution），3GPP标准定义的，基于IMS网络的LTE语音解决方案。它是架构在LTE网络上、全IP条件下、基于IMS Server的端到端语音方案，全部业务承载于4G网络上，可实现数据与语音业务在同一网络下的统一。语音会话由IMS网元进行控制。在LTE侧，语音以IP包的形式进行传输；相较于传统意义的OTT（over the top)语音，如Skype、微信、QQ语音，VoLTE可由运营商进行掌控，即语音业务的识别、呼叫建立、计费均在运营商控制之下，脱离了沦为管道的窘境；相较于传统意义的VoIP语音，VoLTE针对语音可提供更好的QoS保障，用户感知更好。相应的，各网元均有对应的QoS保障要求及技术；S/P-GWSBC/P-CSCFLTE无线接入网(eNodeB)UEIMS网络EPC网络SBC/P-CSCF无线侧接入侧网络侧无线侧针对语音和视频数据包特点优化和增强接入侧通过PCC保证QoS网络侧采用IP专网承载保证QoSPCRFVOLTE演进演进LTE语音方案的演进：从LTE部署初期基于纯终端的解决方式SvLTE，演进到IMS系统逐渐部署使用的CSFB、SRVCC，直至LTE完全部署时，实现完全基于IMS域提供高清晰的语音服务。eSRVCCCSFBVoLTESvLTE2010年9月MetroPCS发布首款双待终端2011年10月AT&T发布CSFB终端LTE全覆盖，网络全融合2010年2月GSMA正式发布VoLTE标准2013年高通支持TDD eSRVCC的终端开始部署IMS，并对CS域进行改造终端采用CSFB方式保证语音业务继续由CS域提供网络演进到ICS架构，CS用户全部迁移到IMS终端只需支持VoLTE，不用切换IMS已部署，开始提供VoLTE业务终端采用eSRVCC方式保证切换到CS域时的语音连续性LTE部署初期，未部署IMS终端可采用SVLTE双待方式，语音业务仍由CS提供中国移动TD-LTE语音解决方案以VoLTE为主，兼顾CSFB以满足用户选择特殊终端及国际漫入的需求，同时双待机方案作为一种终端形态将长期存在。三种语音方案对比三种语音方案对比MGCF/MGWSCC ASIMSCSCFEPCPSTN/PLMNRAN/GERANMSCSMGWMMESAE-GWCSINTRENETSGseNodeBEPCPSTN/PLMNRAN/GERANMSCSMGWMMESAE-GWCSSveNodeBhandoverMSCSMGWMGWMSCSSGsVoLTE/SRVCCCSFBSvLTE特点：终端双待，语音业务由传统2G/3G网络提供优势：对网络改动小，用户体验不变，语音和数据可以并发，无需切换劣势：终端要支持双待，对手机芯片、电池续航力都有较高要求EPCPSTN/PLMNRAN/GERANMSCSMGWMMESAE-GWCSINTRENETeNodeBMSCSMGWVoice flowDate flowVoice flowVoice flowDate flowDate flow特点：终端单待，当有语音业务需求时，需要回落到传统2G/3G网络提供优势：对终端要求较低，重用传统2G/3G网络劣势：对传统2G/3G网络有改造要求，时延较长，语音和数据业务不可并发特点：语音业务基于IMS提供，并支持从LTE切换到2G/3G网络的语音连续性优势：基于LTE的语音，音质好，频谱利用率高，语音和数据业务可以并发劣势：需要部署IMS，终端支持SRVCC的终端较少INTRENETVoice flowLTE语音解决方案语音解决方案CSFB与与SRVCC1、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。2、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。3、CSFB快速回落方案，可以在2s内回落。1、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。2、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。3、eSRVCC方案相对于SRVCC方案的增强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。LTE语音解决方案语音解决方案CSFB与与SRVCCSRVCC：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。VoLTE网络架构网络架构VoLTE网络架构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。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域、用户域。其中其中，策略控制单元（策略控制单元（PCC）主要内容如下）主要内容如下：策略控制单元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。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QoS和基于流计费的网络控制功能。并结合PCRF的自定义信息做出PCC决策。信令网（信令网（DRA）主要内容如下）主要内容如下：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。VoLTE网络架构网络架构IMS域主要内容如下域主要内容如下：SBC（Session Border Control 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 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网络网络Qos要求要求QCI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1GBR2100 ms10-2会话语音24150 ms10-3会话视频（直播流媒体）3350 ms10-3实时游戏45300 ms10-6非会话视频（缓冲流媒体）5Non-GBR1100 ms10-6IMS 信令66300 ms10-6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）77100 ms10-3语音视频（直播流媒体）互动游戏88300 ms10-6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）99同样是传输IP，OTT为尽力而为，VOLTE有自己的标准QCI等级表VoLTE承载需求承载需求 从无线角度来看：VoLTE需要建立的承载QoS承载：QCI=1：语音承载；QCI=2：视频承载；QCI=5：SIP/SDP传输IMS信令承载；QCI=8/9：一般上网业务承载视频业务承载组合：SRB1+SRB2+2xAM DRB+2xUM DRB，其中，2个UM DRB的QCI=1和QCI=2，2个AM DRB的QCI分别为QCI=5和QCI=8/9语音业务载组合：SRB1+SRB2+2xAM DRB+1xUM DRB，其中，UM DRB的QCI=1，2个AM DRB的QCI分别为QCI=5和QCI=8/9按照协议，对于语音业务需要建立QCI=1承载，视频业务需要建立QCI=1和QCI=2的传输承载。根据延迟要求，无线侧用户面RLC选用UM模式传输，保证其实时性要求。走SIP信令流的QCI=5承载，无线侧控制面RLC采用AM模式，保障其准确性。VoLTE承载需求承载需求在LTE网络中，UE发起语音或视频业务时，需要建立对应的承载来完成业务的建立。无线侧需要建立的承载：（1）语音业务载组合：语音业务载组合：SRB1+SRB2+2xAM DRB+1xUM DRB，其中，其中，UM DRB的的QCI=1，2个个AM DRB的的QCI分别为分别为QCI=5和和QCI=8/9。（2）视频业务承载组合：视频业务承载组合：SRB1+SRB2+2xAM DRB+2xUM DRB，其中，其中，2个个UM DRB的的QCI=1和和QCI=2，2个个AM DRB的的QCI分别为分别为QCI=5和和QCI=8/9。核心网侧需要建立的QoS承载：（1）QCI=1：语音承载；QCI=2：视频承载。（2）QCI=5：SIP/SDP传输IMS信令承载。（3）QCI=8/9：一般上网业务承载。另外，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。因此，当VoLTE用户进行注册时，需要经过如下的流程：首先，EPC的注册：即需要完成建立QCI=8/9的承载。其次，IMS注册：支持VoLTE的终端在完成EPC的注册后，会通过EPC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。第一节第一节 VOLTE基本概念及框架基本概念及框架第二节第二节 VOLTE关键技术关键技术第三节第三节 VOLTE技术相关技术相关第二章第二章 VOLTE关键技术及原理关键技术及原理VoLTE关键技术关键技术问题4G无线网改造方案eNodeB支持eSRVCC测量及切换流程无线关键技术提高系统性能和QoSeNodeB是否需要配置GSM邻区支持头压缩、半静态调度SPS等无线增强功能 LTE覆盖边缘eNodeB需正确配置GSM邻区及eSRVCC测量控制相关参数 LTE覆盖不完善需要支持eSRVCCTTI Bundling（TTI 绑定）：通过连续使用4个上行子帧传输同一传输块来提高小区边缘UE上行增益（仿真提高4db），它是提高用户在小区边缘覆盖的有效方法。小区边缘QoS保障 ROHC主要功能是将核心网和UE之间的数据报文的报文头，如IP头、UDP头、RTP头进行压缩后，再进行传输，达到节省空口带宽资源的作用。头压缩在LTE系统中，对于小数据量的VoIP应用，制约系统容量的因素不是系统带宽，而是控制信道的容量，SPS（Semi-Persistent Scheduling）将资源周期性（20ms）分配给特定UE，具有“一次分配，多次使用”的特点，以降低对应控制信道（PDCCH）的开销。半静态调度DRXVoLTEVoLTE关键技术关键技术TTI BundlingTTI BundlingTTI Bundling（TTI捆绑或者子帧捆绑）用于提高用户在小区边缘覆盖的一种方法。当TTI Bundling使能时，上行调度DCI0一次授权后，在连续的4个上行子帧上传输同一传输块，且仅在第四次传输后有对应的PHICH反馈，重传也是4个连续上行TTI发射的一种调度方法，可以充分利用4个上行子帧发送的数据进行数据合并，通过合并增益提升数据可靠性。由于仅在第四次传输后有对应的PHICH反馈，所以此时反馈的为底层合并后数据的接收效果，从而大大提高的数据的可靠性。TTIB只适用于上行，通常在远点低 SINR下被激活，TTI 捆绑对TDD仅仅适用于上下行配比为0、1、6的情况。对于上下行1：3配置协议明确不适用TTIbundling技术做补偿增益。TTIB(TTI Bundling):VOLTE关键技术关键技术-TTIBTTI Bundling（Transmission Time Interval）功能主要针对上行传输的类似VoIP场景。TTI Bundling 功能通常在远点很低的 SINR下被激活，大幅提高小区的覆盖范围。在远点时，普通调度通常会有很高的HARQ传输失败，而TTI Bundling可以减少BLER和传输失败导致的延时。所以最终提高用户的 VoLTE体验。（例如：低速率的通话业务）。TD-LTE每TTI（传输时间间隔）时间内进行一次资源调度，为减少时延，LTE中物理层调度的基本单位是1ms，这也意味着HARQ要不断地确认包是否传送到。但在某些小区边缘，覆盖受限的情况下，UE受到其本身发射功率的限制，在1ms的时间间隔内，手机没有足够的时间去完成一个完整的语音包可靠传送。TTI Bundling解决方案是将多个连续TTI捆绑在一起，无需每个TTI都要等待HARQ反馈，一个数据包在绑定的连续的TTI发出，只需要在绑定的最后一次传输完成后才反馈HARQ。比如绑定4个TTI，一个数据包的副本会在4个上行子帧发送，仅在第4次传输后有对应的PHICH反馈。这样做的好处是：首先，不必每一个数据包都等待回应，减小了时延；其次，4个连续重复的数据包更有利于接收端的解码，也就是说，相当于减少了系统对小区边缘的最低信噪比的要求。4个TTI捆绑在一起可以提升4dB的上行覆盖增益。当TTI Bundling使能时，掉话率将会降低，同时远点的UE BLER 和流量指标将得到改善。激活TTI Bundling功能依靠两个重要的门限，SINR IN和 SINR OUT。简单来说，当UE 的SINR 值低于 SINR IN门限时，激活TTI Bundling，反之，若UE的 SINR 值大于 SINR OUT门限时，去激活 TTI Bundling功能。如果 SINR IN参数设置较高，则会导致TTI Bundling在不恰当的时刻激活，从而影响小区流量。如果 SINR IN门限较低，UE 将不会被激活而无法获得 TTI Bundling的增益。如果 SINR OUT 门限较高，则UE无法在合适的时候被去激活TTI Bundling功能，从而也会导致影响小区流量。VoLTE关键技术关键技术SPS 对于VoIP类型的业务，其数据包大小比较固定，到达时间间隔满足一定规律的实时性业务(典型的话音业务周期一般是20ms)，针对这种特性，LTE系统引入了半静态调度技术(Semi-Persistent Scheduling)。SPS是在指定子帧上按照预先分配的资源进行新传，但重传时为了降低时延，仍然采用动态调度的方式。系统资源（包括上行和下行）是通过PDCCH分配的，UE通过保存相应的资源分配，而后就可以周期性重复使用相同的时频资源。不需要在每个TTI都为UE下发DCI（包括上行或下行的），从而降低了对应的PDCCH CCE资源开销，有效提升了系统效率及容量。SPS(Semi Persistent Schedule)：SPS和数据业务包不同，语音业务包的尺寸小，发送频繁。LTE发送数据包时，需要控制信道来指示上下行共享信道的资源分配方式，这对于尺寸小且发送频繁的语音包来说，会消耗更多的控制区域资源，控制区域资源的不足将极大的限制小区内同时支持的VoLTE用户数。为解决这个问题，引入SPS调度，即半静态调度。与动态调度时每个TTI为UE分配一次无线资源不同（通过PDCCH指定），SPS允许半静态配置无线资源，并将该资源周期性地分配给某个特定UE。简单地说，eNodeB在某个TTI使用SPS C-RNTI加扰的PDCCH指定UE所使用的无线资源（这里将其称为SPS资源），每过一个周期，UE就使用该SPS资源来收或发数据。eNodeB无需在该子帧（这里将其称为SPS子帧）下发PDCCH来指定分配的资源。即，SPS具有“一次分配，多次使用”的特点，不需要在每个TTI都为UE下发DCI（包括上行或下行的DCI），从而降低了对应的PDCCH开销（CCE资源）。解决了控制区域资源的不足的问题。需要注意的是，配置了需要注意的是，配置了SPS调度的调度的UE可以同时进行动态调度，但是需要区分可以同时进行动态调度，但是需要区分PDCCH是用于是用于动态调度还是动态调度还是SPS调度。因此，配置了调度。因此，配置了SPS调度的调度的UE有有2个标志：一个正常的个标志：一个正常的C-RNTI，用，用于动态调度，在随机接入过程中分配；另一个是于动态调度，在随机接入过程中分配；另一个是SPS C-RNTI，用于，用于SPS调度，通过调度，通过SPS-Config的的semiPersistSchedC-RNTI字段配置。字段配置。VoLTEVoLTE关键技术关键技术ROHCROHCROHC(Radio Overhead Compression)：ROHC主要功能是将核心网和UE之间的数据报文的报文头，如IP头、UDP头、RTP头进行压缩后，再进行传输，达到节省空口带宽资源的作用。对于VoLTE来说，一般语音数据的平均长度只有十几个字节，但是报文头 RTP/UDP/IP头会占到40字节，在IPv6中达到60字节。空口带宽利用率非常低 (20%左右)。ROHC提供的头压缩算法能够在极差的信道条件下将RTP/UDP/IP头 压缩到最小的1个字节，带宽利用率最高可达97.5%，具有很高的实用价值。所以 3GPP LTE的协议规范中明确提出了要采用 ROHC压缩算法来实现PDCP层的头压缩 功能。由于相邻节点之间，同一数据流连续分组报文头中存在一些不变的冗余信息头和一些有变化规律的动态信息头，即压缩中的静态域和动态域。为了节省空口的带宽资源，可以在数据流开始传递时发送完整报文头部信息，后续数据包信头中只传递报文头部中变化的部分和相对于同一个流的关联标识符，达到缩小数据头的字节数，从而有效利用无线带宽资源。ROHC支持的头压缩算法类型VoLTEVoLTE关键技术关键技术ROHCROHC标清/高清理论速率计算 ROHC开启后理论速率计算 voice codec rate(kbps)codec bit numberpaddingIPv4/UDP/RTP headerPDCP headerPDCP sample bitPDCP rate(kps)RLC headerMAC header CRCL1 sample bitL1 rate(kbps)12.22444320857628.8882461630.823.854773320880840.4882484842.4voice codec rate(kbps)codec bit numberpadding