VoLTE小结

本文先简单介绍一下LTE下语音业务的解决方案，然后介绍当前流行的CSFB方案，最后介绍终极解决方案VoLTE。

1. LTE语音业务可选解决方案

1)     普通IP电话(General VoIP)

这种方式其实是OTT(Over The Top) VoIP业务，即通常所说的互联网IP电话，比如两个微信用户通过移动网络发起的语音或视频通话。这种方式的缺点是：Qos无法保证；不能与其他传统语音用户互通，比如PSTN的固话。

2)     电路交换域回落(CSFB)

在3GPP TS23.272 Rlease 8 版本中，增加了一个重要接口--SGs接口(介于MME和MSC之间)。基本原理是，移动用户在LTE网络驻留时发起的语音呼叫业务通过这个SGs接口被LTE网络重定向传统的GSM或WCDMA的CS电路域小区。这种方式的缺点是：语音呼叫建立的时延比较长；建网后期也需要维护2G/3G网络。

3)     LTE数据与CS语音方案并存方案(SV-LTE)

手机用户同时驻留在LTE网络和传统的2G/3G CS电路域网络。这种方式的缺点是：手机耗电大；双待机还存在干扰问题。

4)     LTE语音直接承载方案(VoLTE)

在LTE核心网上叠加部署一个IMS网络的方式，从而让LTE网络直接承载手机用户的语音呼叫业务。该IMS网络还连接了PSTN，因此可以呼叫固话。

5)     WiFi网络直接承载语音(VoWiFi)

VoWiFi跟VoLTE类似，都是以IMS为核心控制架构。

 

2. CSFB 方案

要想支持CSFB，UE和网络测必须具备下列条件：

·        网络侧配置SGs接口；

·        UE执行联合附着过程；

·        UE和MME通过S1-MME接口支持NAS扩展业务请求功能(Extend ServiceRequest)；

SGs接口的功能如下：

1) 实现联合附着/位置更新：MME通过SGs接口向CS网络(MSC/VLR/HLR)执行联合附着/位置更新。

2) 实现短信收发(UE不回落)：MME通过SGs接口向2G/3GCS网络转发来自终端UE的短信。

3) 实现语音业务被叫寻呼：2G/3GMSC通过SGs接口下发寻呼给驻留在LTE网络中的手机用户。

UE执行联合附着过程：略。

扩展业务请求功能：略。

 

3. VOLTE方案

3.1  IMS

3.1.1 IMS介绍

由于我们关注的是VOLTE的实现，因此对于IMS的内部实现不需要弄得特别清楚，只需要弄清楚IMS的网络架构，以及LTE与IMS是如何互联互通即可。

下图是LTE与IMS互联互通的网络架构图。从图中可以看出，对于控制面，流程路径是eNODEB->SGW->PGW->PCSCF->SCSCF。对于用户面，流程路径是eNODEB->SGW->PGW->IPnetwork->MGW->PTSN。

下图是IMS网络的分层架构。从图中可以看出，共分为3层：业务接入层，业务控制层，业务应用层。其中，对于业务接入层，LTE/UMTS/PTSN/WIFI都是属于该层。业务控制层是IMS的核心，主要有一系列的CSCF(callsession control function)组成。

3.1.2 IMS 网络实体

本节简单介绍一下IMS网络的主要实体模块单元。

P-CSCF：

P-CSCF是UE连接IMS网络的唯一接口点。UE开机时，会通过PDNConnectivityReq/ActivateDefaultEPSbearer context request流程来获取对应的P-CSCF的IP地址。

其主要功能包括：UESIP消息的转发；SIP信令消息的压缩和解压缩。

I-CSCF：

I-CSCF是用户连接到归属IMS网络的第1个接口点。下图是I-CSCF在网络架构中的位置。

其主要功能包括：分配S-CSCF。

S-CSCF：

S-CSCF是IMS网络的核心实体单元。其主要功能包括：

负责IMS用户注册的处理，包括UEIP地址的保存维护；

负责从HSS下载保存注册用户的业务订阅信息；

负责IMS用户注册信息的清除；

负责IMS用户的鉴权认证过程；

负责IMS用户主叫或被叫会话处理。

HSS：

HSS(Home Subscriber Server 归属用户服务器)，包含了传统2G/3G CN的HLR和AUC(鉴权中心)的功能。HSS中保存或产生的主要数据包括：

用户身份信息(IMPU,IMPI)；

用户注册信息；

用户业务订阅信息；

保存用户私有密钥，计算用户鉴权数据。

3.1.3 IMS 用户标识

一个IMS用户如果想要注册到IMS网络，必须要有一个ISIM卡来存储与用户注册相关的信息，包括：

唯一的私用用户标识(IMPI)。该标识保存在ISIM卡和HSS中。

一个或多个公有用户标识(IMPU)。IMS用户在完成IMS注册后，他的公有标识和他的私有标识就被关联起来。

安全密钥信息。

用户归属网络域名。UE使用这个域名来构建并发送SIP注册请求信息。当PCSCF获得该域名后，可以通过DNS查询获得用户归属网络的入口ICSCFIP地址，从而可以进一步转发该注册请求。比如：ims.mnc091.mcc244.3gppnetwork.org。

如果用户只有USIM，3GPP规范也定义了根据用户IMSI值来推导获得相关IMS用户信息，比如私有标识，公有标识，归属网络域名等。

3.2 VoLTE解决方案

对于完整的VoLTE解决方案而言，可以分为下面几部分：

1. UE开机attach/建立PDN 连接；

2. IMS承载建立；

3. IMS注册；

4. IMS会话流程。

3.2.1 UE开机attach/建立PDN连接

UE在开机过程中，需要获取PCSCFIP地址，为随后发起IMS注册流程做准备。

一般来说，UE可以通过包含在AttachRequest或PDNConnectivity Request消息中的PCOIE来要求LTE核心网提供PCSCFIP地址(对于CMCC 网络，UE是通过PDNConnectivity Request来实现的)。

LTE网络收到该消息后，会在Activedefault EPS bearer context request消息中，通过SM-Container IE回复UE PCSCF IP地址。

该流程的消息流程见下图。

3.2.2 IMS承载建立

当UE附着到LTE网络后，在它发起IMS注册流程及随后的IMS会话流程之前，还需要在LTE网络侧建立相应的EPS承载(EPSBearer)，用于传输IMSSIP信令消息和用户语音数据包。

建立一个IMS会话通常需要建立一个默认EPS承载和一个或两个专用EPS承载，前者用于承载SIP信令消息，后者用于承载用户语音数据包。这两种类型的承载共用一个IP地址。

见下图，信令承载和数据承载是包含在同一个IMSPDN Connection里面的。这就决定了承载的建立流程是：

1. UE 发送PDNconnectivity request

2. NW 发送Activedefault EPS bearer context request，建立信令承载

3. NW 发送ActiveDedicated EPS bearer context request，建立数据承载

对于IMS信令承载来说，UE开机获取PCSCFIP地址的过程和IMS承载建立过程，这两者是紧密耦合在一起完成的。

3.2.3 IMS 注册流程

1) 鉴权

2) IMS注册流程

注册流程见下图。只要熟悉SIP协议流程，那看这张图应该就不费劲。

3.2.4 IMS会话流程

IMS会话的建立有两种，不带预置条件(Pre-condition)和附带预置条件(Precondition)。目前来看，所有运营商都采用附带预置条件的方式。

预置条件，即建立专门传输用户语音数据的EPS承载的过程，见下图红字部分。从流程图中可以看出，这种方式有两次媒体协商过程。