LTE核心网语音解决方案比选研究

毕永刚，毕永强，朱雪平

（1.广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310；2.呼和浩特铁路局，内蒙古 呼和浩特 010020）

LTE核心网语音解决方案比选研究

毕永刚1，毕永强2，朱雪平1

（1.广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310；2.呼和浩特铁路局，内蒙古 呼和浩特 010020）

通过对LTE网络中语音业务的解决方案进行研究，详细比较了主流的解决方案，并结合实际情况对VoLTE解决方案的可操作性进行分析，对目前适用网络的方案提出了规划建议。

核心网 语音解决方案 CSFB SRVCC VoLGA

1 引言

随着无线数据业务需求的增长和LTE商用条件的成熟，运营商在现有2G/3G网络的基础上将逐步引入LTE网络，满足人们快速增长的无线数据业务需求。如何为用户提供LTE数据业务的同时提供语音服务，成为运营商引入LTE不得不面对的问题。

目前常见的语音解决方案有：双待机终端的语音解决方案、OTT语音解决方案、CSFB（Circuit Switched Fallback，电路域回落）的语音解决方案、VoIMS的语音解决方案等。

2 方案介绍

2.1 DR

DR（Dual-Radio，双待终端）是基于特定手机终端的语音解决方案，该方案的提出主要是为了满足通信运营商在早期快速抢占LTE市场的需求。双待机终端可以同时待机在LTE和2G/3G网络里，当有通话需求时，手机终端可以自动选择在传统模式下进行语音通信；当有数据业务需求时，手机终端可以自动选择使用LTE网络。

2.2 OTT

目前是互联网公司不断发展壮大的时代，他们利用运营商的无线网络作为承载，开发自己的APP应用，在手机终端实现语音、视频等多媒体通信业务。这与4G IP语音在业务内容和用户感知等方面有一定的相似性，但取决于承载网络的稳定性。OTT与运营商级别服务在网络互通、业务质量、服务保障等方面有较大的区别。

语音业务目前仍然是移动运营商最主要的收入来源，把语音通话业务完全交给互联网公司是一种非常激进的观点，这样运营商将完全成为管道，在电信领域并不支持这种方式。

2.3 CSFB

CSFB方案的主要思想是LTE用户优先驻扎在LTE网络以享受高速数据业务，在需要语音服务时才返回2G/3G网络，发起CS语音呼叫。用户附着在LTE，同时通过SGs接口附着到CS域，使其他用户可以呼叫该用户，该用户也可以呼叫其他用户。该方案无需部署IMS系统，只需要MSC、MME等网元支持相关功能即可。

假设当用户已经联合附着到MME和MSC上，并处于EMC Connected状态。eNodeB和RNC/BSC之间已经配置了切换数据，支持切换。

（1）主叫流程

CSFB主叫流程如图1所示：

图1 CSFB主叫流程

具体如下：

①UE向MME发送包含CSFB指示的服务请求；

②MME根据该指示要求eNodeB帮助UE切换到2G/3G的CS域；

③当UE切换到2G/3G后，在CS域发起呼叫流程。

（2）被叫流程

CSFB被叫流程如图2所示：

图2 CSFB被叫流程

具体如下：

①Server收到被叫请求消息；

②Server向MME发送寻呼消息；

③MME在LTE覆盖范围内UE发送寻呼消息，该消息中可以携带主叫号码等信息；

④收到消息后，UE向MME发送包含CSFB指示的服务请求；

⑤MME根据该指示要求eNodeB帮助UE切换到2G/3G的CS域；

⑥当UE切换到2G/3G后，在CS域向MSC发送寻呼相应，并完成后续呼叫流程。

（3）其他实现

LTE用户可以从LTE网络回落到2G/3G网络的PS域。当回落到PS域后，与2G/3G网络的呼叫方式相同。这种回落方式延迟较小，但对于设备厂家而言实现难度较大，而且基本没有终端支持该种方式回落。

2.4 SRVCC

SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity，单射频无线语音呼叫连续性）主要是为了解决当用户在LTE和2G/3G网络之间移动时，如何确保语音通话可以连续的问题。当LTE覆盖整网时，会采用最佳解决方案VoLTE。但在LTE早期部署期间，LTE和2G/3G共覆盖，如何保持语音业务的连续性这一问题就出现了，因此SRVCC解决方案便应运而生。

LTE/EPC作为一种IP网络，其标准的语音方案是采用IMS控制实现语音业务。但LTE/EPC初期部署时一定是热点覆盖，逐步由点及面，传统CS网络能弥补LTE覆盖的不足，因此需要考虑如何使用户感知不到LTE和CS网络之间切换时的语音中断。这样就在MSC Server和MME网元之间通过引入Sv接口来支持SRVCC的切换，MME需要兼顾语音的SRVCC切换和非语音的PS切换处理，SRVCC架构利用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。

（1）基于IMS呼叫建立

IMS呼叫流程一般包括2个步骤：UE发送一个请求，核心网和IMS中的SIP信令消息用于寻找被叫方并为语音业务流建立承载；语音承载建立后，UE就可以和被叫方进行通话。

IMS呼叫建立流程如图3所示：

图3 IMS呼叫建立流程

具体如下：

①UE向MME发送包含服务请求；

②MME尝试为语音会话建立承载，要求S/P-GW建立承载；

③P-GW要求PCRF确定QoS；

④P-GW与IMS进行通信（SIP信令消息中包含被叫信息）；

⑤IMS试图找到被叫方；

⑥为语音业务流建立专用承载后，UE就可以进行通话。

（2）SRVCC呼叫流程

首先由E-UTRAN发起切换请求，要求MME进行SRVCC切换。MME通过Sv接口发起LTE-CS切换请求。MSC Server完成请求响应及电路建立的同时向IMS域发起会话转移，IMS执行会话转换。MSC Server完成电路建立等准备工作后，通过Sv接口向MME发送LTE-CS切换响应。MME通过E-UTRAN向UE发送切换指令。另外，当数据用户由LTE网络移动到2G/3G网络时，MME可以发起LTE-PS切换流程，将数据用户切换到目的2G/3G网络的PS域。

LTE用户至2G网络的呼叫流程如图4所示。

具体如下：

1—2：源E-UTRAN根据UE发送的无线资源测量报告，eNodeB判决应发起SRVCC切换（不支持DTM/ DTM HO /PS HO）到2G/3G。

3：源E-UTRAN向MME发送切换请求消息，并标识该切换为SRVCC。

4：MME根据SRVCC切换指示和QCI=1，将语音承载（QCI＝1）和其他的PS承载进行分离。

5：MME根据切换请求中的目标ID选择具有SRVCC功能的源MSC，发送PS到CS的切换请求。

6：源MSC收到PS-CS切换请求后，根据目标ID来选择目标MSC以执行MSC间切换，然后向目标MSC发送准备切换请求。

7：目标MSC向目标SGSN发送切换请求，请求分配CS无线承载资源。

8：目标BSS确认CS无线承载资源已分配，目标MSC向源MSC发送准备切换响应。

9：目标MSC使用切换号码建立与源MSC CS承载连接。在目标MSC和源MSC合一的形态中，源MSC和目标MSC可能是同一个，这时候就是局内切换。

10：目标MSC发送IAM/INVITE给IMS的SRVCC AS。

11—12：MGCF是IMS域和CS的网关设备。MGCF将目标MSC发送的IAM消息转换成INVITE消息发送给SRVCC AS。SRVCC AS收到INVITE消息，检查确认这是一个切换的呼叫，SRVCC AS执行会话转换流程。

SRVCC AS将本端CS接入信息，即目标MSC控制下的MGW的IP地址，端口通知到对端，并释放本端IMS接入。SRVCC AS向远端呼叫发送re-INVITE消息，进行会话转换过程。

13：源MSC向源MME发送PS-CS响应，通知MME CS无线承载资源分配完毕。

14：源MME向源E-UTRAN发送切换指令，只包含语音成分。

15：源E-UTRAN向UE发送切换指令，指示UE开始切换。

16：UE开始向2G接入网的CS域下尝试接入。

17：UE切换到2G接入网下，UE向目标BSS发送切换检测，目标BSS检测到UE已切换到目标小区。

18：由于UE不支持DTM（双传输模式），故UE无法在切换后的PS接入上激活业务。UE向目标BSS发送挂起请求，目标BSS向目标SGSN转发挂起请求，目标SGSN向源MME转发挂起通知，MME做出挂起响应。

19—22：目标BSS通知目标MSC UE已切换成功。目标MSC发送切换成功到源MSC，同时发送SIP协议的INVITE响应消息，完成源MSC与目标MSC之间CS承载的建立。源MSC发送PS-CS完成通知MME切换完成。

22a：MME通知S-GW/P-GW挂起Non-GBR承载，删除其他GBR承载。

23a：如果此用户在目标MSC中的注册状态为Unkown，目标MSC发送位置更新到HLR更新用户位置信息，这样后续的CS域呼叫就可以正确地（通过目标MSC）路由到被叫。

23b：如果多个MSC/VLR都采用同一个位置区LAI，MSC要采用自己的网络资源标识NRI向终端发起TMSI重定位过程。

24：如果切换的会话是一个紧急会话，源MME和MSC都要向网关移动位置中心GMLC发起用户位置报告过程，将自己的MSC号码带给GMLC。

图4 SRVCC LTE用户至2G网络的呼叫流程

2.5 VoLGA

在LTE部署初期，考虑充分利用原有运营商覆盖较广的2G/3G网络。这种方案是将LTE网络作为一个单纯的IP网，通过新增加网元GANC（通用访问网络控制器）模拟无线网中的RNC或BSC网元，接入传统2G/3G核心网完成语音呼叫需求的处理。

VoLGA（Voice over LTE via Generic Access，LTE通用访问传送语音）架构利用现有的CS网络实现对LTE语音的控制，需要部署GANC网元，模拟BSC/ RNC的A/Iu接口。此方案的最大特点在于引入GANC网元而不需要部署IMS，不需要改造CS网络中的设备。VoLGA网络结构如图5所示：

图5 VoLGA网络结构

其中，A接口用于连接GANC和GSM的移动交换中心；Iu接口用于连接GANC和UMTS的移动交换中心。GANC类似于GSM网络的基站控制器（BSC）和UMTS网络的无线网络控制器（RNC）连接到移动交换中心（MSC）。GANC设备的A/Iu接口没有任何的增强功能，MSC不会意识到网络连接不是通过2G/3G网络而是通过LTE网络接入。

（1）注册登记

当某用户移动到LTE覆盖区域时，首先向MME发起登记的请求，MME通过S6a接口在HSS中对用户信息进行鉴权。用户在LTE网络登记的同时会建立一个同GANC的连接。同GANC连接的建立首先需要通过LTE核心网络和SGi接口建立一个适当的IP隧道，然后用户信息中必须包含VoLGA的特殊信息，在用户通过LTE网络建立同GANC连接的过程中需要通过D`接口对用户信息进行鉴权，这样LTE用户就可以通过安全的IP隧道和GANC注册到传统CS与网络。

图6 VoLGA主叫流程

（2）呼叫流程

假设在UE和GANC之间所有的信号及控制平面信息都可以在建立好的IP隧道上传输，则在LTE网络中通过VoLGA方式建立的语音呼叫过程如图6所示。

具体如下：

1：UE发送连接请求消息至GANC，使GANC由空闲态变为连接态。

2：UE发送服务请求消息至GANC，请求建立一个同MSC的连接。

3：当GANC接到连接消息时，创建一个至MSC专门的信号连接。

4：MSC对用户信息进行鉴权。

5：MSC对用户进行密码配置。

6：UE发送建立信息，包含被叫号码等信息。

7：MSC返回一个确认信息。

8：GANC对于MSC类似于BSC和RNC，MSC将任务请求消息发送给GANC，请求建立线路交换承载通道。

9：GANC将信息转换成激活通道上的信息（包含语音数据的IP包）发送给UE。

10：UE返回一个确认信息。

11：语音数据包服务质量可以被激活二次EPS承载确保。

12：激活通道建立成功。

13：一项任务响应信息回传至MSC，一个“伪”的电路交换通道将被建立。

14：一旦呼叫关系被建立，MSC将给UE发送提示信息。

15：同时MSC将给UE发送连接信息。

16：UE向MSC发送连接确认。

17：声音路径就可以建立和语音通话。

语音信号是GSM网络里以TDM方式传送的64kbps信号或在UMTS网络里以ATM/IP方式传送的Iu接口信号，GANC将这个数据流转换为IP数据包在LTE网络里传输。

3 结束语

随着LTE网络技术的不断成熟，语音业务IP化必将成为语音业务发展的趋势。然而，VoLTE的实现将经历一个非常漫长的过程。DR方案增加了终端厂家的研发难度，终端耗电也将是决定是否应用的一大问题；OTT方案将会导致运营商在语音业务方面的收入急剧下降，同时语音的通话质量要取决于EPC网络的质量；VoLGA是通过增加网元，在2G/3G网络来完成语音通话，并未实现在LTE网络中提供IP语音业务，该方案需要主设备厂家和电信运营商的广泛支持；CSFB和SRVCC的语音解决方案将是电信运营商目前主推的语音解决方案。但是，随着IMS网络的部署和LTE网络的大规模建设，VoLTE的语音解决方案将成为电信运营商语音解决方案的最终目标。

[1] 3GPP TS 23.216 V8.1.0. Single Radio Voice Call Continuty (SRVCC), Stage 2 (Release 8)[S]. 2008.

[2] 3GPP TS 23.272. Circuit Switched (CS) Fallback in Evolved Packet System (EPS)[S]. 2011.

[3] Martin Sau ter. Voice over LTE via Generic Access (VoLGA) A Whitepaper[S]. 2009.

[4] 杨昊勇. LTE时代语音解决方案一览[J]. 通信世界, 2012(15): 28-29.

[5] 李旭. LTE语音解决方案[J]. 中国信息化, 2012(18).

[6] 徐菲,杨红梅,许慕鸿,等. LTE语音三步走 CSFB技术凸显便捷性[J]. 通信世界, 2013(7): 46-47.

[7] 李波. LTE语音业务相关技术和建议[J]. 邮电设计技术, 2012(1): 10-13.

[8] 魏克军. LTE语音业务解决方案——CS Fallback技术分析与探讨[J]. 电信技术, 2011(8): 23-25.

[9] 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.

[10] 广州杰赛通信规划设计院. LTE网络规划设计手册[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2013.★

毕永刚：学士毕业于西安邮电大学通信与信息工程学院，现任职于广州杰赛科技股份有限公司通信规划设计院，主要从事移动核心网网络规划、设计相关工作。

毕永强：学士毕业于兰州交通大学自动化与电气工程学院，现任职于呼和浩特铁路局，主要从事电气化铁路的牵引供电、铁路运输信号供电的维护与保养等工作。

朱雪平：学士毕业于江西师范大学物理与通信电子工程学院，现任职于广州杰赛科技股份有限公司通信规划设计院，主要从事移动核心网网络规划、设计相关工作。

Comparative Study on Voice Solutions for LTE Core Network

BI Yong-gang1, BI Yong-qiang2, ZHU Xue-ping1
(1. GCI Science & Technology Co., Ltd., Guangzhou 510310, China; 2. Hohhot Railway Administration, Hohhot 010020, China)

Based on solution to voice service in LTE network, mainstream solutions were compared in detail. The operability of VoLTE solution was analyzed in the light of actual situation. Corresponding planning proposal suitable for current networks was presented.

core network voice solutions circuit switched fallback (CSFB) single radio voice call continuity (SRVCC) voice over LTE via generic access (VoLGA)

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.14.007

TN929.5

A

1006-1010(2015)14-0034-06

毕永刚,毕永强,朱雪平. LTE核心网语音解决方案比选研究[J]. 移动通信, 2015,39(14): 34-39.

2015-04-02

责任编辑：袁婷 yuanting@mbcom.cn