IMS升级支持VoLTE承载方案研究

2015-10-10孔亚青中国电信股份有限公司浙江分公司高级工程师

信息通信技术与政策 2015年12期

关键词：华信专网互通

孔亚青　中国电信股份有限公司浙江分公司高级工程师

钱科能　华信咨询设计研究院有限公司高级工程师

韦素萍　华信咨询设计研究院有限公司高级工程师

谢军建　华信咨询设计研究院有限公司高级工程师

李　伟　华信咨询设计研究院有限公司工程师

IMS升级支持VoLTE承载方案研究

孔亚青中国电信股份有限公司浙江分公司高级工程师

钱科能华信咨询设计研究院有限公司高级工程师

韦素萍华信咨询设计研究院有限公司高级工程师

谢军建华信咨询设计研究院有限公司高级工程师

李伟华信咨询设计研究院有限公司工程师

随着融合通信的发展，VoLTE业务极有可能成为未来语音业务的主要形态。结合LTE无线网络的覆盖日益完善，某省某运营商考虑采用现有IMS网络升级方案建设VoLTE核心网。本文分析了IMS和LTE网络的承载现状，提出了VoLTE承载方案，并就承载网接应VoLTE业务的策略进行了阐述。

IMS VoLTE VPN互通 QoS保障

1　引言

（1）VoLTE部署策略

伴随着移动互联网的快速发展，以VoLTE为核心的融合通信将不可避免地成为运营商加快转型、应对互联网公司跨界竞争的重要业务形态。在激烈的市场竞争形势下，在LTE无线覆盖达到一定程度后，各大运营商将规模化建设VoLTE网络。关于VoLTE核心网络的建设，某省某运营商考虑采用IMS升级方案，具体部署策略为：

●IMS网络按需新建MMTEL/VCC AS、HSS、P-CSCF/BAC，升级部分现有IMS网络的S-CSCF、MGCF/MGW、计费网关CG，利旧部分现有IMS网络的DNS/ENUM、网管和业务发放系统，支持VoLTE业务。

●现有IMS网络升级改造成支持VoLTE，EPC网络需开放Rx接口，EPC业务QoS控制实体PCRF适配VoLTEP-CSCF；建设VoLTEHSS与EPCHSS互通或建设融化HSS将原EPCHSS的业务数据全部转移到融合HSS，实现用户签约业务数据的同步。

●因IM-SSF暂时还没有支持WIN协议的产品，为保证现有智能业务的继承，需改造现有智能业务平台以支持接入IMS。目前，iVPN平台已经具备IMS SIP（ISC）协议接入条件，正在进行相关业务加载测试，待时机成熟，该平台改造成IMSAS。彩铃放音平台尚未完全实现放音IP化，后续考虑升级现网彩铃平台支持ISC接口，由S-CSCF直接触发，并为支持AMR-WB高清编解码进行相应的升级。ENIP平台2015年云化，云化时支持IMSSIP（ISC）协议接入。

（2）语音业务多接入场景

在LTE发展初期，LTE无线侧覆盖不完善，因此需要采用多种接入方式来保障语音业务。本课题主要讨论以下4种常见的语音业务应用场景：

●场景1：VoLTE——通过4G数据网接入

此场景通过4G网络接入，主要技术方案此处不再赘述，本文主要描述该场景下的承载接入情况。

该场景下，用户终端通过eNodeB（4G基站）接入网络，基站通过承载专网与EPC核心网互通，最终通过IMS进行语音业务的处理。接入场景如图1所示。

图1　VoLTE——通过4G数据网接入场景

●场景2：Wi-Fi接入——Wi-FiCalling

除了常规移动网络接入外，LTE网络还支持Wi-Fi接入，在业务方面可支持Wi-FiCalling业务，不仅可以为运营商的3/4G网络进行覆盖（特别是室内覆盖）补充，还可以大幅降低用户打电话（语音通信）的成本，因此其成为了全球运营商重点关注的对象。

Wi-FiCalling通常指终端通过非授信Wi-Fi接入。由于这种接入方式下，接入端走的是复杂的公网，因此需要在EPC网络部署一套网关，称为ePDG，该网关用于鉴权，接受非授信Wi-Fi接入附着。用户接入时，需要通过ePDG进行认证，ePDG建立到PGW的GTP隧道，PGW给远端用户分配地址。

如图2所示，该场景下用户终端通过非受信网络接入，AP接入后，经公网接入到该运营商网络的ePDG，ePDG作为网关将用户接入核心网P-GW网元，由IMS负责语音业务。

图2　Wi-Fi接入——Wi-Fi Calling接入场景

从核心网来看，Wi-FiCalling与VoLTE一样，均是基于IMS的方案。

从接入方式来看，对IMS网络来说，Wi-FiCalling与VoLTE类似，实现方式大同小异，各网元主要功能如表1所示。

表1　各网元主要功能

●场景3：软终端接入

软终端接入指的是软件客户端附着在移动设备上，经各类AP和相应的承载网接入，最后由IMS进行语音业务接续。

软终端接入场景下组网架构如图3所示。

该场景与VoLTE网络无关，对于接入网来说，没有设置保障语音业务质量的网元；对于承载网来说，不区分语音业务与数据业务，因此语音业务的QoS无法保障。

●场景4：2G语音接入

此场景为传统2G网络的CS业务，用户语音通过CS域承载，与数据独立。

2G语音场景下组网架构如图4所示。

该场景下，用户终端通过BTS基站接入，经承载网（IP/SDH）接入到BSC，然后经过接入到MGW进行语音业务的接续。

图3　软终端接入场景下组网架构图

图4 2G语音场景下组网架构图

2　VoLTE对承载网的要求

2.1IMS承载现状

IMS核心网、业务网的各网元通过承载专网的IMSVPN实现IMS信令流、媒体流的承载以及网元间、核心网与业务网之间以及与现网移动网络、软交换网络的互通和访问。

2.2LTE承载现状

无线基站依托承载专网接入EPC，EPC核心网网元之间的跨地市互通通过承载专网的EPC VPN来承载。

2.3VoLTE承载网规划

VoLTE业务采用升级现有IMS和EPC网络实现，因此VoLTE核心层和业务层信令流、媒体流均通过承载专网IMSVPN实现VoLTE网元间、VoLTE网元与其他网络互通和访问；EPC核心网元的接入通过承载专网EPC VPN实现EPC核心网网元之间的跨地市互通。为实现VoLTE业务，需在承载专网实现EPCVPN 和IMSVPN的互通。用户面：EPCVPN与IMSVPN间通过BAC、PCRF双跨互通；控制面：通过OPTIONA方式实现EPCVPN和IMSVPN的互通。

VoLTE承载网规划如图5所示。

图5　VoLTE承载网规划图

2.4质量要求

VoLTE网络可通过QCI、ARP、UE-AMBR、APNAMBR等不同手段进行更好的QoS保障。具体如下：

●QCI：基于业务类型的一组要求，包含优先级、延时、丢包率等指标。标准定义9个QCI，不同的QCI 的SDF被映射到不同的EPS承载（应用于GBR及Non-GBR承载）。

●ARP：分配和保留优先级，优先级等级、抢占能力、抢占易变性。主要用于承载建立时的接入控制，承载建立后，对承载级包转发和处理没有影响。

●GBR：保证比特速率，网络紧张情况下也能保障的带宽。

●MBR：给GBR承载分配最大的比特率。

●AMBR：定义了聚合带宽，可分为UE-AMBR（按UE的最大比特率）、APN-AMBR（按APN的最大比特率）。

其中，4G数据业务的QCI参数对应的参数定义如表2所示。

考虑到VoLTE的重要性，实施时需要EPC网络在QoS策略上对VoLTE业务做保障，设置较高的QCI等参数，以提高业务体验。根据前期厂家技术交流，VoLTE对承载网质量要求媒体面为单向时延不大于50ms、抖动不大于10ms、丢包率不大于1%；信令面为单向时延不大于100ms、抖动不大于20ms、丢包率不大于1%。

表2　4G数据业务的QCI参数对应的参数定义

3　承载网接应策略

3.1VPN互通

为实现VoLTE业务承载，需要解决VoLTE信令流和业务流在LTE网络和IMS网络的互通问题。

信令流通过在承载专网实现EPC VPN和IMS VPN的互通。建议某省IMS VPN和EPC VPN间的VPN跨域互通通过承载专网设置在省会城市的PE上以OPTIONA方式实现，互通示意图参见图6。

图6　VPN互通示意图1

媒体流承载通过BAC双跨EPCVPN和IMSVPN实现互通；QoS策略信息流承载通过PCRF网元双跨EPCVPN和IMSVPN实现互通，具体参见图7。

3.2承载质量

现有承载专网能够满足CDMA网络CS域媒体面为单向时延不大于50ms、抖动不大于10ms、丢包率不大于1%；信令面为单向时延不大于100ms、抖动不大于10ms、丢包率不大于0.1%的指标要求，并完全满足VoLTE时延、抖动、丢包率指标要求。

3.3多接入场景业务保障

根据分析，与VoTLE有关的语音业务接入有4G、Wi-FiCalling两种场景，具体承载路径如下：

●4G网络接入：用户终端→承载专网→EPC→IMS，与现有2G语音承载路径基本一致，网络质量满足语音承载要求。

●Wi-Fi Calling：用户终端→Internet→EPDG→EPC→IMS，接入层承载网络为Internet，承载质量无法保障。

考虑到VoLTE在4G和Wi-Fi之间能够平滑切换，在4G和2G之间切换会中断语音业务，因此建议语音业务承载策略如下：

图7　VPN互通示意图2

●优选4G网络接入。

●如用户在4G接入状态下移动至无4G网络区域，则切换为Wi-Fi网络接入，切换之后如语音质量太差无法满足用户要求，用户切断重新拨叫的话则选择2G网络接入。

●如用户在无4G网络区域发起拨叫需求，则直接接入2G网络。

4　IPv6接应策略

2/3G环境下，当用户停止产生流量15min后，网络侧会将IP地址收回；LTE环境下，网络侧将不再回收IP地址，VoLTE终端至少需要两个永久在线的PDN连接（两个APN，每个APN都需要一个地址），一个用于互联网访问，一个用于语音通信。现网2/3G用户同时在线率仅为约5.3%，而LTE用户同时在线率为100%，因此LTE的PS域相对2/3G对地址的需求将大幅增加。

GSMA/3GPP/IETF等国际标准化组织均要求VoLTE终端必选支持IPv6，必须优先使用IPv6。

建议对现有IMS网络和LTE核心网做IPv6改造，具体改造情况参见图8。

●IMS：VoLTESBC需支持对IPv6用户呼叫的代理，并将IPv6转换为IPv4进入IMS网络。

●MME/eNB：建议结合设备对IPv6支持能力选择IPv6部署方式，如设备支持IPv6能力良好，则优先使用IPv6互通；如设备本身IPv6支持能力较弱，可以继续使用IPv4地址进行互通，但需要支持用户IPv6数据的处理。

●P-GW：针对IMSAPN仅分配IPv6地址，改造支持IPv4/IPv6双栈。