EPS语音解决方案探讨

山东省邮电规划设计院有限公司 济南 250031

引言

语音业务是电信运营商赖以生存和发展的基础电信业务之一。在传统2G/3G移动通信网络中，语音业务在CS域(Circuit Switched Domain，电路域)以电路交换的方式提供，数据业务在PS域(Packet Switched Domain，分组域)以分组交换的方式提供。在LTE(Long Term Evolution，长期演进)阶段，鉴于LTE能够在空中接口上提供更高速率和更低时延的无线分组数据接入，3GPP(3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)在设计EPC(Evolved Packet Core，演进的分组核心网)时摒弃CS域而仅保留了PS域，并通过引入IMS(IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统)技术和架构完成多媒体会话类业务所必需的呼叫会话控制和管理功能，即通过VoLTE(Voice over LTE，LTE语音)为用户提供具有电信级QoS(Quality of Service，服务质量)保证的、包括语音在内的多媒体通信业务。

1 语音业务解决方案中存在的主要问题

在LTE/EPC网络部署和发展初期，完全通过VoLTE来提供语音业务还存在如下问题。

1) 部分运营商的IMS网络建设滞后LTE网络建设，无法基于IMS提供VoLTE业务。

2) LTE部署前期仅实现热点覆盖，当用户在网络覆盖边缘区域活动时，语音业务的提供需要LTE在2G/3G接入网络间进行切换，并保持业务的连续性。

为实现LTE语音业务的连续覆盖，本文主要就CSFB(Circuit Switched Fallback in Evolved Packet System，电路域回落)、SRVCC(Single Radio Voice Call Continuity，单无线语音呼叫连续性)和多模双待终端三种主流的EPS(Evolved Packet System，演进的分组系统)语音解决方案进行探讨。

2 LTE发展过程中的语音解决方案

2.1 CSFB语音解决方案

2.1.1 CSFB网络架构

CSFB是由EPC核心网和2G/3G电路域核心网联合作用来实现的。使用CSFB时，需在MME和MSC Server之间新增SGs接口，并利用SGs接口实现UE(User Equipment，用户终端)的EPS和IMSI(International Mobile Subscriber Identification Number，国际移动用户识别码)的联合附着、位置更新和寻呼等操作。支持CSFB的网络架构如图1所示。

图1 CSFB网络架构

2.1.2 CSFB基本流程

在CSFB方案中，UE平时驻留域LTE网络，当需要发起语音呼叫或者检测到有呼入请求时，回退到2G/3G网络的电路域来处理语音通信。

以UE被动接收语音呼叫为例，CSFB的基本流程[1]如图2所示。

当MSC接收到前往某UE的语音呼叫消息，MSC通过SGs接口向MME发送CS呼叫消息。MME首先从MSC接收到TMSI(Temporary Mobile Subscriber Identity，临时移动用户识别码)找到S-TMSI(System Architecture Evolution-Temporary Mobile Subscriber Identity , 系统架构演进临时移动用户识别码)、进而找到eNodeB；eNodeB在其列表小区范围内进行寻呼，通知UE并发起一个CS呼叫流程。

UE在接到寻呼消息后执行业务请求(业务请求消息中包含一个特殊的CSFB指示符)，建立RRC连接并将业务请求发送至MME(Mobility Management Entity，移动管理实体)，并要求MME进行CS域回落。MME向eNodeB发送S1-AP消息，指示eNodeB将UE迁移到UTRAN/GERAN。

UE、eNodeB进行小区切换或改变，UE检测新小区并建立无线连接，通过目标RAN(Radio Access Network，无线接入网络)向MSC发送寻呼响应消息；当寻呼消息到达MSC后，正常的2G/3G终端呼叫会话建立，UE的CS呼叫被激活。

2.2 VoLTE+SRVCC语音解决方案

2.2.1 VoLTE+SRVCC网络架构

VoLTE+SRVCC是一个基于IMS实现PS域和CS域语音业务连续性的通用方案。3GPP的SRVCC技术方案覆盖了从EPC和HSPA VoIP切换到2G/3G CS域语音的业务场景。从E-UTRAN(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，演进的通用陆地无线接入网络)向3GPP UTRAN(Universal Terrestrial Radio Access Network，通用陆地无线接入网络)/GERAN(GSM EDGE Radio Access Network，GSM EDGE无线接入网)电路域切换的SRVCC架构[2]见图3(只显示SRVCC增强的MSC Server相关的必要模块)，其中MME域MSC Server之间根据需要动态建立Sv接口连接，用于传递切换准备信令和语音业务接续号码。

2.2.2 SRVCC基本流程

与CSFB不同，SRVCC只有在LTE网络失去覆盖时，才发生从EPC网络到2G/3G网络电路域的关联和协作。在SRVCC方案中，UE平时在EPC网络中使用基于IMS的VoIP业务，当移动过程中离开EPC而进入2G/3G网络覆盖区域时，UE在EPC核心网的控制下将当前正在进行的VoIP通话接续到2G/3G网络的电路域来完成。

图2 CSFB流程举例(UE空闲状态下的终端呼叫流程)

图3 从E-UTRAN向3GPP UTRAN/GERAN切换的SRVCC架构

从E-UTRAN向GERAN切换的SRVCC流程[3](不支持DTM(Dual Transfer Mode，双模传输))如图4所示。

首先，UE在注册过程中与EPC网络交换支持的业务能力(携带SRVCC指示)，UE向E-UTRAN发送测量报告，基于该测量报告，源E-UTRAN决定发起面向GERAN的SRVCC切换过程。

源E-UTRAN向源MME发送切换请求消息，其中携带的“SRVCC HO Indication”明确指示UE在目标小区中PS业务不可用。基于语音承载相关的QCI(QoS Class Identifier，QoS参数)和“SRVCC HO Indication”，源MME将语音业务包从非语音承载中分离出来，并针对分离出的语音承载发起指向MSC Server的PS-CS的切换过程，MME向MSC Server发送SRVCC PS-CS请求消息。

MSC Server向目标MSC发送切换准备请求消息，MSC Server发起CS域MSC间的切换请求过程。目标MSC与目标BSS(Base Station Subsystem，基站子系统)交换切换请求/确认消息，在目标BSS上进行相关资源的分配。目标MSC向MSC Server回应切换准备响应消息，目标MSC和MGW之间建立电路连接。

图4 从E-UTRAN向GERAN切换的SRVCC流程(不支持DTM)

MSC Server向IMS发起会话转移过程，随后会话转移过程执行标准的IMS业务连续性过程或紧急的IMS业务连续性过程。

在执行会话转移的过程中，使用CS接入分支的SDP(Session Description Protocol，会话描述协议)信息进行远端的更新，此时VoIP分组的下行流转至CS接入分支，并依据3GPP TS23.237释放源IMS接入分支。

MSC Server向源MME发送SRVCC PS到CS响应消息。源MME向源E-UTRAN发送切换指令消息，源E-UTRAN向UE发送E-UTRAN到GERAN的切换指令消息，之后UE切换到GERAN。

UE启动挂起过程，触发目标SGSN向MME发送挂起通知消息。随后，MME向目标SGSN(Serving GPRS Support Node，服务GPRS支持节点)返回一条挂起确认消息，目标BSS向目标MSC发送切换完成消息。目标MSC向MSC Server发送切换完成SES消息，此时语音电路经由MSC Server/MGW获得连通，目标MSC使用指向MSC Server的ISUP应答消息完成建立过程。

2.3 多模双待终端语音解决方案

多模双待终端(即同时支持LTE和2G/3G等的终端)可同时注册在LTE网络和2G/3G的CS域上，使用LTE提供数据业务，使用2G/3G网络提供语音业务。

3 EPS语音解决方案比较

通过对CSFB、VoLTE+SRVCC、多模双待终端等在呼叫建立性能、信令开销、语音质量和频谱利用等方面进行分析，EPS语音各解决方案比较情况见表1。

通过表1比较，在呼叫建立时延方面，CSFB较2 G/3 G有1.5～3.3 s的时延，而多模双待、VoLTE+SRVCC则与2G/3G相同或类似；在信令开销方面，CSFB解决方案涉及到呼叫中的多种流程，信令开销最高，VoLTE+SRVCC解决方案略高于多模双待终端解决方案；在语音质量和业务提供方面，CSFB、多模双待技术的语音质量与2/3G系统相同，VoLTE+SRVCC切换前依赖于LTE网络所支持的QoS能力，具备提供视频、高清语音以及高速数据业务和语音业务的并发的能力；在频谱利用方面，VoLTE+SRVCC比现有CSFB、2G/3G的CS域效率高；在解决方案切入方面，CSFB和VoLTE+SRVCC是网络解决方案，多模双待终端是终端解决方案。

表1 EPS语音解决方案比较

4 不同应用场景下EPS语音解决方案与部署策略

EPS语音解决方案在标准支持、现网改造影响、对终端要求、适用场景及业务体验等方面存在较大区别[5]，比较分析情况见表2。

通过表2的比较，在LTE 网络部署的早中期，LTE网络覆盖还不太完善、VoLTE 技术和产品不够成熟之前，CSFB 和多模双待这两种方案是主要的语音解决方案；多模双待终端方案可快速推出语音业务，但需持续对2G/3G CS域进行投资，且成本高、功耗大、实现复杂，也无法解决国外LTE漫游用户语音接入；CSFB初期不依赖完善IMS网络，能充分利用现网2G/3G的CS域，是NGMN定义的LTE初期国际漫游的必选语音解决方案，具有较好网络过度可行性。VoLTE+SRVCC则需要首先部署IMS系统，该方案还处于早期阶段[6]，还有待进一步优化和验证，但其是GSMA(Global System for Mobile Communications assembly，GSM协会)和NGMN(Next Generation Mobile Network, 下一代移动通信网络联盟)认定的LTE下唯一的、端到端的目标语音解决方案，其通过SRVCC技术能有效实现LTE与2G/3G的网络协同，能为用户提供视频、高清语音和高速数据等业务，且具备为用户提供高速数据业务和语音业务的并发提供能力，使用户获得更好体验。

综上所述，三种方案各有优缺点，适合不同的应用场景和网络建设阶段。

1)在网络部署初期，LTE网络一般以孤岛形式覆盖，针对已建2G/3G网络的运营商，LTE覆盖区域如与2G/3G网络共同覆盖，出于投资保护及其他部署策略，建议运营商使用CSFB语音解决方案，LTE仅用来提供高速数据业务，或短期内使用多模双待终端语音解决方案；未部署IMS的运营商，则应考虑IMS的部署建设。2)在网络部署中期，LTE网络已在部分地区实现规模覆盖，对于已建2G/3G网络的运营商，如尚未部署完成IMS，此阶段仍可继续使用CSFB语音解决方案，但建议积极部署完成IMS，为网络演进奠定基础。对于已完成IMS部署的运营商，建议使用VoLTE+SRVCC语音解决方案。3)在网络部署后期，LTE网络将逐步扩大到全覆盖，运营商将逐步减少使用SRVCC技术，在全网范围内逐步使用基于IMS的VoLTE技术来提供语音业务。

根据EPS语音解决方案优缺点及网络演进趋势，结合2G/3G、IMS、LTE部署建设的情况，各个场景下EPS语音解决方案应用场景与部署策略见表3。

当然，运营商对EPS语音解决方案的选择，除考虑技术本身外，还受到终端产业链支持状况、技术选择与资本投入的平衡、现网投资保护以及整体网络发展战略定位等多方面因素的影响，三种EPS语音解决方案之间并不矛盾，可能将在一段时期内共存并互补[7]。

表2 EPS语音解决方案部署策略对比分析

表3 不同应用场景下EPS语音解决方案与部署策略

5 结束语

在LTE/EPC网络部署和发展初期，运营商尚不能完全通过VoLTE来实现语音业务的连续覆盖，文章给出三种EPS语音解决方案，并分别对三种EPS语音解决方案的网络架构和基本流程进行介绍，对各自的优缺点进行分析和比较，给出了不同场景下、不同时期EPS语音解决方案建议和部署策略，实现了LTE语音业务的连续性覆盖。本文对网络规划设计人员及运营商网络建设人员具有一定帮助，能帮助运营商有效地选择EPS解决方案和部署策略，对LTE网络建设指导具有一定的指导意义。

参考文献

[1]3GPP TS 23.272.Circuit Switched(CS)fallback in Evolved Packet System(EPS);Stage2(Release 10)[S/OL].[2014-08-06].http://www.3gpp.org/Dynareport/23272.htm

[2]3GPP TS 23.216.Single Radio Voice Call Continuity(SRVCC)；Stage2(Release 8)[S/OL].[2014-08-06].http://www.3gpp.org/Dynareport/23216.htm

[3]3GPP TS 23.401.General Packet Radio Service(GPRS)enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)access(Release 12)[S/OL].[2014-08-06].2014.http://www.3gpp.org/Dynareport/23401.htm

[4]庞韶敏,李亚波.3GUMTS与4GLTE核心网-CS,PS,EPC,IMS[M].北京:电子工业出版社,2011:367-370

[5]霍龙社,王健全,周光涛等.演进的移动分组核心网架构和关键技术[M].北京:机械工业出版社,2013:140-155

[6]吴琼,薛楠.网络演进中的语音解决方案[J].邮电设计技术,2012(5):15-20

[7]周晶,叶丹.运营商LTE语音解决方案研究[J].集成技术,2013(3):79-81