语音方案
李文苡：LTE语音，运营商的难题
关键词：LTE 语音业务 互联网业务 电路域语音 VoLTE
作者：李文苡，高级工程师，中国电信广州研究院移动通信研究部一级工程师
1 引言
随着2012年共有146个LTE商用网络、近七千万LTE用户数（GSA统计）的发布，LTE已经开始大踏步地进入人们的视野中，全球移动通信开始了沸沸扬扬的“4G”时代。以下是摘自GSA网站截止到2013年7月16日的统计数据，194个商用网络，预计到2013年底为260个：
截止2013年7月16日的LTE商用网络数
LTE网络提供高速数据业务的设计初衷，完全迎合了移动宽带互联网应用的发展势头，LTE的商用步伐正所谓势不可挡。如何利用LTE在互联网领域一展拳脚，与纷繁复杂、眼花缭乱的互联网应用进行竞争，如何提高数据流量营收，纷纷成为了全球各移动运营商的重中之重。
2 移动网络的语音业务
我们看到，在今天这个世界上，随着互联网的普及，各种互联网语音工具、聊天工具、OTT应用等如雨后春笋似的冒出来，用户使用业务的习惯正悄然发生着从量变到质变的改变，从单一的音频通话向多媒体通话转变，从缴费使用向免费使用转变。可以预见，在LTE时代，作为运营商的基础业务——语音业务会进一步萎缩。但是，语音业务不同于多媒体业务的优势是“随机通信”，即不管何时何地，用户可以随时发起通话。而互联网的多媒体通信，则必须在通信双方两端都同时在线时才可进行通话。因此，不管互联网应用如何发展，对于运营商来说，语音仍然是移动网络首要的、用户默认的业务，而且在未来一段时期内，互联网的语音业务无法完全替代运营商的基础语音业务，语音业务依然是运营商业务收入稳定的来源。
这里，我们就可以看到一个问题：LTE网络是为提供高速数据业务设计的，那么运营商的语音业务在LTE时代如何继续开展呢？我们在LTE网络上该如何打电话呢？
本文中，我们就以语音业务来进行方案的探讨，但需要说明的是，电路域的短信业务和语音业务类似，同样也会存在这些问题，因此以下的技术探讨以语音为主，但是方案中也包括了短信业务的解决。
3 语音业务类型
目前，不同的运营商根据不同的网络发展策略、市场策略以及网络情况，设定出了很多种LTE语音的解决方案。虽然方案众多，运营商在不同时期又有不同的选择，但是仔细分析一下，其实每种方案的选择都是有特定的依据的。
各种LTE网络语音解决方案提供的语音业务主要分为两大类：
- 第一类依托原有的2G/3G网络，继续提供原来移动网络上普遍服务的电路域语音；
- 第二类是承载在IP网络上，使用包交换的IP语音，即俗称的VoIP。Skype类的语音工具提供的就是典型的互联网上的VoIP。由于LTE网络就是一张全IP网络，因此承载在LTE网络上的语音也属于VoIP的一种，称为VoLTE。
对于小的运营商、新的运营商或者虚拟运营商，因为没有现网的负累，可以直接部署LTE网络，因此，这些运营商的语音策略就是VoLTE。大的运营商，虽然在现阶段有2G/3G网络，但是长期发展趋势，也是逐渐以发展LTE网络为主，特别是CDMA运营商，会逐渐淘汰掉已有的CDMA网络，以LTE全覆盖网络提供全业务，因此，VoLTE也是大运营商的终极目标。
那么，第一类LTE网络的语音业务——依托原有2G/3G网络提供电路域语音，是拥有2G/3G移动网络的运营商——特别是大的移动运营商，在未达到LTE全覆盖的时候，为了能继续在LTE网络上提供语音业务才会考虑的场景。这些运营商在考虑网络演进的同时，由于已投资建设的网络的覆盖和质量都已非常成熟，用户群基数庞大，在LTE的演进路程中，除了保护投资，还要保证众多用户的业务体验，必然要继续利用已有的网络资源为LTE时代的用户提供业务。
4 LTE语音解决方案
基于LTE网络不同的语音业务类型，行业内提出了不同的解决方案。下面就具体分析下各种语音解决方案。
4.1 电路域语音方案
对于第一类电路域语音，目前有四种解决方案。这些解决方案的共同点都是使用LTE网络承载高速数据业务，CS域网络承载语音业务。
第一种，CSFB（电路域回落）方案。对于WCDMA/GSM网络来说，语音回落到WCDMA CS域或GSM网络；对于CDMA网络来说，语音回落到cdma 1x CS域。为了区别，通常回落到WCDMA/GSM网络的方案称为CSFB，回落到cdma 1x网络的方案称为1xCSFB。
这种方案的终端是单收单发的LTE和CS域的多模终端，LTE和CS域只有一套收发信机，终端只能在一个网络待机，只和LTE网络或CS域网络进行通信，因此。LTE网络和CS域网络之间要增加互通网元或接口，通过LTE网络隧道传递CS域网络的消息，达到终端即使驻留在LTE网络待机或数据业务时依然可以感知CS域网络的要求、进行CS域的语音主、被叫业务以及短信业务的目的。
由于WCDMA/GSM和LTE都是3GPP标准组织制定的通信技术，因此，LTE网络和WCDMA/GSM网络之间的接口和互操作流程浑然天成，对网络的要求不高。另一方面，WCDMA网络的CS域和PS域可以支持语音和数据业务的并发，因此当有语音需要从LTE回落到CS域时，数据业务也可以同时切换到PS域，依然可以保证数据业务的连续性，保证语音和数据业务的并发。终端方面，因为只有一套收发信机和射频芯片，对终端的物料成本、功耗等要求都适中。从这几个方面来说，WCDMA/GSM阵营的运营商基本都选择的是CSFB方案，包括苹果的iPhone终端。
由于终端方面的优势，比如硬器件少可以减少终端成本、减少干扰、减小终端体积和重量，单网待机减少终端功耗等，因此有部分CDMA运营商也选择了CSFB方案，如KDDI。
第二种，SVLTE（语音和LTE并发）方案。
这种方案的终端是双收双发的LTE和CS域的多模终端，LTE和CS域各有一套收发信机，终端能同时在两个网络待机，实现双待，也可以同时和LTE网络、CS域网络进行通信。由于通过终端就实现了和两个网络的交互，因此该方案对LTE网络和CS域网络都没有任何要求，属于纯终端的方案。
对于CDMA运营商来说，由于CDMA和LTE是不同标准组织的通信技术，使用1xCSFB方案对网络有一定的改造要求，而且由于CDMA网络不支持语音和数据业务的并发，使用1xCSFB方案也不能解决业务并发问题。从发展的要求看，CDMA运营商的最终目标是能摆脱CDMA产业链，同时为了考虑和对手的竞争要提供业务并发能力，因此CDMA运营商大部分选择的是SVLTE方案，特别是CDMA阵营中最具有影响力的Verizon。对于选择了CSFB的CDMA运营商，为了业务并发的需求，同时也提供SVLTE终端。
也是考虑了SVLTE终端方面的劣势，因此基本没有WCDMA/GSM运营商选择SVLTE方案。
第三种，CSFB with Dual Rx（双收CSFB）方案。
需要一提的是，这个方案是CDMA运营商候选的一种方案，对于WCDMA/GSM运营商来说，3GPP规范是没定义的。该方案的初衷也是因为CDMA运营商选择SVLTE方案，又发现SVLTE方案对终端要求太高，因此提出的一种折中方案。
该方案与前面两种方案的差异在于终端是双收单发的LTE和CS域多模终端，同SVLTE方案，终端在LTE和CS域各有一套接收信机，终端能同时在两个网络待机，实现双待；不同于SVLTE方案，终端只开启一套发射信机，只能和LTE网络或CS域网络进行通信。该方案可以同时接收LTE网络和CS域网络的信息，因此不需要像1xCSFB方案那样在网络侧增加网元和接口；终端离开LTE回落到CS域进行语音业务时，需要像1xCSFB方案那样通知LTE网络。因此，该方案对网络没有硬件要求，有软件要求。
可以看到，该方案对终端的要求，因为单发而没有干扰，没SVLTE方案要求高；对网络的要求，因为不增加网元和接口，没1xCSFB方案要求高。
目前只有极少数CDMA运营商网络中采用了这种方案，如MetroPCS早期LTE网络上就曾发布过Dual Rx终端，但是因为SVLTE方案和1xCSFB方案终端日益增多，而Dual Rx终端因为需求少、产业链弱而始终没有发展起来，因此该方案目前不是CDMA运营商的主流选择。
第四种，iPhone方案。
很好理解，这是苹果公司的终端方案，主要应用于CDMA运营商的LTE网络中。终端上只有一套收发信机，可以同时接收LTE网络和CS域网络的信息，在两个网络待机，实现双待，但是只能和LTE网络或CS域网络进行通信。终端在离开LTE回落到CS域进行语音业务时，需要像1xCSFB方案那样通知LTE网络。
可以看到，iPhone方案其实和CSFB with Dual Rx方案非常相似，不同的只是苹果公司在终端上的私有化处理，减少了一些硬器件，使得终端更小巧轻便些。因此，这两种方案，现在业界有一个统一的名称，称为SRLTE（Single Radio LTE）方案。
由于苹果的品牌效应，基本上CDMA运营商都采购了iPhone终端，因此也都根据和苹果公司的协议在网络上对iPhone方案进行了软件适配。
4.2 VoLTE语音方案
对于第二类VoLTE语音，语音其实就是LTE网络上跑的一种数据，网络像承载其它数据媒体一样承载语音媒体。
本文开始就提到过，VoLTE其实就是一种VoIP，互联网上的VoIP应用同样可以移植到LTE网络上，成为移动互联网的VoIP。
移动互联网VoIP现在比较火的应用就是Skype、微信、米聊等，只需一个应用服务器，开放一个客户端软件，用户下载客户端注册后即可使用此类业务。此类业务有如下特点：
- 业务由第三方开发和提供，运营商的网络只是通道，网络不保证业务质量，即可以随时中断、语音断续、时延大等，但是因为免费使用，用户基本能接受；
- 用户使用业务基本免费，只需支付运营商流量费用即可；
- 可与通讯录、用户状态呈现、消息业务等多媒体手段融合，客户端能提供很好的业务体验，可以预见，这种融合的方式未来可以更宽泛，业务形态会更多样化；
- 大部分应用的语音通话基本在同一个圈内进行，不能与运营商的语音业务互通，不同应用之间的语音互通也不能实现，比如微信和QQ；
- 用户必须登录运营商网络和应用服务器才可进行语音通信。
互联网语聊应用的如火如荼，分流了运营商部分语音业务。运营商不甘心沦为只是管道，纷纷也投入到业务转型中，或自研开发、或与第三方合作推出类似的OTT应用，凭借拥有的海量用户群，在移动互联网领域抢占一席之地，与互联网服务商一争高低。这其中有中国电信的“翼聊”、中国移动的“飞信”、中国联通的“沃友”。
如果说此前的这类互联网应用还存在技术开发复杂、具有一定的私有性等问题，那么由Google倡导的开源WebRTC（Web based Real-Time Communications）技术的出现，将Web浏览器中的实时通信作为免费技术开放给大量的Web开发者，则彻底降低了富媒体应用的开发门槛。WebRTC是一项在浏览器内部进行实时视频和音频通信的技术，其目的是让Web开发者能够基于浏览器（如Chrome、FireFox等），利用各种标准的API接口（下图中深紫色部分）轻易快捷开发出丰富的实时多媒体应用（下图中淡紫色部分即代表了各种应用），而无需下载安装任何插件，Web开发者也无需关注多媒体的数字信号处理过程，只需编写简单的Javascript程序即可实现。
WebRTC架构
在LTE时代，互联网VoIP的趋势将愈演愈烈，运营商必然也会利用LTE网络的优势继续拓展此类VoIP业务。
除此之外，移动运营商还有一种标准的VoLTE解决方案——基于IMS的VoLTE。
IMS方案是GSMA和3GPP指定的、LTE网络达到全覆盖时的终极语音解决方案。
IMS方案通过IMS域实现语音业务的信令控制、计费控制和业务控制，通过此方案可以提供如CS域语音同样要求的VoLTE语音，即可以实现电信级的基础语音业务、以及补充业务、紧急呼叫，可以与其他的电信网络如PSTN、CS域、其他运营商的LTE网络进行互通，可以在不同运营商的LTE网络内漫游，也可以通过RCS（Rich Communication Suite，富媒体通信业务套件）方案与通讯录、状态呈现、消息类业务等融合提供类似互联网VoIP的业务体验，可以提供高清语音，甚至还可以提供与CS域的切换方案——在LTE覆盖不足的时候，从VoLTE切换到CS域语音，保证语音业务的连续性体验，减少掉话。
可以看出来，IMS方案就如电信行业的其他业务一样，设计的是如此完美，考虑的是如此周全，电路域语音该有的能力，基于IMS方案提供的VoLTE语音都能做到，完全可以和电路域语音媲美。但是，也正因为如此，IMS方案也带来了一定的复杂度，不如互联网VoIP业务开放和灵活。
2012年底，基于IMS方案的VoLTE已在移动网络上开始商用，如MetroPCS、韩国的三家运营商，包括WCDMA阵营的SK和KT，CDMA阵营的LG U+。即将准备商用的运营商有Verizon、T-mobile、NTT DOCOMO。
5 运营商选择方案需考虑的因素
面对两类LTE语音和多种解决方案，各种方案带来的优势和劣势，移动运营商该如何选择呢？
首先，运营商要确定网络演进策略。
对于CDMA运营商，最明显的就是Verizon，为了摆脱CDMA产业链的约束，Verizon的策略明确，步伐激进。拥有低频段建网的优势，Verizon在建网的最初两年内就迅速铺开网络建设，以全覆盖为目标，减少和CDMA网络之间的纽带关系，因此先选择了SVLTE方案，对网络没有任何要求，后来引入的iPhone方案，对网络架构也没有任何改动。在此基础上，积极开展VoLTE的试验，解决VoLTE规模部署的问题。Verizon已宣布2014年初商用VoLTE。
大运营商如Verizon，小运营商如LG U+，更是可以快速推进LTE进程，全网覆盖，商用VoLTE，迁移CDMA业务和用户。
因此，运营商的网络演进策略是最关键的因素，演进过程可以分阶段，不同阶段可以选择不同方案，各时期的技术路线要能有承接性。
其次，运营商要预测业务发展趋势。
随着移动互联网应用的迅速发展，对运营商的业务分流不可避免。运营商是否还需要大规模地改造网络、增加设备投资来提供业务，是否还需要保护网络投资、充分利用已有的网络资源开展业务，以及是否要顺应时代发展趋势提供何种类型的业务，这些都是运营商在选择方案时必须要考虑的重要因素。
再者，运营商要考虑产业链的现状和发展。
这一点对CDMA运营商来说特别重要。根据上述的方案分析可以看出，WCDMA运营商的方案较为统一，产业链集中，不论从设备产品还是终端，都已经有一定的商用规模。但是对CDMA运营商，可选择的方案较多，目前各运营商的选择差异也非常大，进一步地分化了本已不是很强壮的CDMA产业链，其实是很不利于CDMA产业发展的。
对于弱势的CDMA产业链，CDMA运营商一方面还要依靠它，一方面又想要摆脱它，这是CDMA运营商面临的最大的难题。因此，CDMA运营商在选择方案时，必然要考虑尽量减少LTE网络与CDMA网络的耦合度，在保护已有的网络投资和加快LTE网络发展两个方面做好权衡。
6 结束语
LTE网络不同于原有的2G/3G网络，是一张纯分组域IP网络，没有2G/3G网络的电路域。LTE网络的发展，必然绕不开这样的问题：原有2G/3G网络上的基础业务——语音和短信业务，如何通过LTE网络承接下来？未来移动网络的语音业务到底将呈现何种态势进行演化？这些问题，就成为了目前各种LTE语音方案涌现的源头。
虽然方案众多，但是通过分析可以看出，各种方案都有其适用的场景，满足一定的运营需求。对于移动运营商来说，LTE语音方案选择这道多选难题，没有正确的答案，只有合适的答案。运营商需要考虑的是网络演进的策略、业务发展的趋势、已有网络的条件、技术的可行性、产品的成熟性等等多维因素，才能在众多的选择中理清头绪，解开这道题。