VoLTE及新增IMS网元介绍 - 图文

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. 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MSC

4. 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 AS

7-1. 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

1.不引入IMS,重用现有的CS网

CSFB

络 2.终端产业链较成熟 3.3GPP标准化

缺点

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

1.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

SRVCC 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CSFB

1.6 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。

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 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网络架构接口列表 功能域 接口名称 S1-MME S1-U S11 接口类型 信令 数据 信令 连接网元 MME-eNodeB SAE GW-eNodeB MME-SAE GW SAE GW-VoLTE SBC MME-LSP(GMLC) MME-LSP(eSMLC) MME-eMSC PCRF-VoLTE SBC PCRF-SAE GW VoLTE UE-VoLTE SBC VoLTE SBC-xCSCF xCSCF-IBCF I-CSCF/S-CSCF-MGCF BGCF-MGCF xCSCF-eMSC xCSCF-IMS AS 承载协议 GTP-C GTP-U GTP-C 分组域 SGi 数据 应用层协议 SLg SLs Sv Rx PCC Gx 信令 信令 信令 信令 信令 Diameter SCTP GTP Diameter Diameter Gm 信令 SIP Mw 信令 SIP Mx IMS域 Mg 信令 SIP 信令 SIP Mj Mw/I2 ISC 信令 信令 信令 SIP SIP SIP Ut 信令 VoLTE UE/VoLTE AS-业务配置代理网关 三合一HSS-xCSCF 三合一HSS-IMS AS 三合一HSS-业务配置代理网关 三合一HSS-LSP 三合一HSS-MME 三合一HSS-eMSC/GMSC XCAP Cx 信令 Diameter Sh 信令 Diameter 用户数据 Zh 信令 Diameter SLh S6a 信令 信令 Diameter Diameter C/D 信令 MAP J 信令 三合一HSS——IP-SM-GW MSC-MSC IMS SSF/MSC-智能网SCP SGSN-三合一HSS MAP Nc 2G/3G电路域 CAP 信令 BICC 信令 Camel Gr 信令 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: ~160ms 2 速率 负载净荷 （非压缩） ?AMR-NB :12.2kbps ?AMR-WB: 23.65kbps 语音包大小: ~32 bytes+ IP 包头(IPV4 40 bytes, IPV6 60bytes) 3 VoLTE QoS要求 NGMN关于VoLTE QoS的要求 序号 参数 参数值 ?NGSN推荐值: AMR-NB 12.2 kbps ?NGSN优选值:1 带宽 AMR-WB 23.65kbps ?AMR-NB @12.2kbps MOS: ~3.6 desired, ~3.8 pr2 MOS值 eferred ?AMR-WB @23.85kbps MOS: ~3.8 desired, ~ 4preferred ? 3 4 5 丢包率 抖动 时延 丢包率 < 0.5% 抖动 < 50 ms / reception point 端到端时延 < 250ms QCI等级 资源类型 优先级 数据包时延预数据包丢失率 典型业务

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，头开销降为4～6 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

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，VoIP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 bundling

TTI 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)VoLTE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：

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—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”。

RRCConnectionSetup 信令：主要用于SRB1无线承载的建立与无线配置。在这里可以看到SPS、TTIB等参数的配置。

RRCConnectionSetup 的srb_ToAddModList：srb_Identity=1，说明SRB1已经建立。

RRCConnectionSetup 的rlc_Config：t=1，代表显示配置。对于SRB1与SRB2的RLC_MODE必须采用AM模式。

RRCConnectionSetup 的mac_MainConfig：ttiBundling =FALSE, TTI绑定属性。TRUE表示TTI捆绑有效，而FALSE表示TTI捆绑无效。TTI 捆绑对FDD有效，对 TDD仅仅适用于配置为0、1、6的情况。

RRCConnectionSetup 的sps_Config ： t=1表示释放该配置（release），包括上行和下行两个配置项。

RRCConnectionSetupComplete 信令：当UE完成SRB1承载和无线资源的配置，向eNodeB回应该消息。同时，NAS层包含Attach Request信息。

Initial UE Message信令：eNodeB向MME注册，包含NAS层Attach Request信息以及TAI等信息。

Initial UE Message信令：还包括小区以及接入原因等信息。

Initial Context Setup Request信令： eNB_UE_S1AP_ID，eNB中S1口UE的上下文ID。该参数是UE在eNodeB侧S1接口上的唯一标识，由eNodeB分配，此处必须与Initial UE Message消息中的eNB_UE_S1AP_ID保持一致。同时，还包括切换、CSFB、SRVCC等信息。

Initial Context Setup Request信令eRAB建立： 包括e_RAB_ID与QCI ，同时，还包括eRAB的抢占能力，以及告知eNodeB目标S-GW的地址与用户面传输标识gTP_TEID 。

Initial Context Setup Request信令eRAB建立： 包括e_RAB_ID与QCI ，同时，还包括eRAB的抢占能力，以及告知eNodeB目标S-GW的地址与用户面传输标识gTP_TEID 。

RRC Connection Reconfiguration信令： 用于UE进行相关无线资源重配，以及建立SRB2与DRB。

RRC Connection Reconfiguration无线专用承载： 分别对应srb_ToAddModList与drb_ToAddModList。

RRC Connection Reconfiguration无线专用承载： srb_Identity=2，说明SRB2已经建立。

RRC Connection Reconfiguration无线专用承载： 对应eps_BearerIdentity =5与drb_Identity =3同时，这里headerCompression =1，表示使用头压缩。RLC TYPE采用AM方式。

RRC Connection Reconfiguration无线专用承载： 对应eps_BearerIdentity =6与drb_Identity =4同时，这里headerCompression =1，表示使用头压缩。 RLC TYPE采用AM方式。

Initial Context Setup Response信令： eNB_UE_S1AP_ID，eNB中S1口UE的上下文ID。该参数是UE在eNodeB侧S1接口上的唯一标识，由eNodeB分配，此处必须与Initial Context Setup Request消息中的eNB_UE_S1AP_ID保持一致。同时，还包括切换、CSFB、SRVCC等信息。

Initial Context Setup Response信令： QCI=9的eRAB回应。同时，还包括基站侧业务面IP地址与用户面传输标识gTP_TEID等信息。

Initial Context Setup Response信令： QCI=5的eRAB回应。同时，还包括基站侧业务面IP地址与用户面传输标识gTP_TEID等信息。

E_RAB_SETUP_REQUEST信令：建立专用承载QCI=1，对应e_RAB_ID=7。

E_RAB_SETUP_REQUEST信令：建立专用承载QCI=2，对应e_RAB_ID=8。

RRC Connection Reconfiguration 信令：包含DRB、头压缩、 RLC TYPE 、SPS等信息。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zx7o.html