史上最强悍的VoLTE秘籍.docx
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史上最强悍的VoLTE秘籍
一VoLTE介绍
1.1LTE语音解决方案演进
SvLTE（SimultaneousVoiceandLTE）,即双待手机方式。
手机同时工作在LTE和CS，前者提供数据业务，后者提供语音业务。
是纯粹基于手机的方案。
对网络无特别要求，不需要部署IMS，缺点是手机成本高、耗电高。
目前已经有CDMA1x和LTE的双待手机，被一些CDMA运营商采用作为IMS部署前的过渡方案，而GSM/UMTS和LTE的双待手机目前还没有推出。
CSFB（CircuitSwitchedFallBack）,LTE只提供数据业务，当发起或者接受语音呼叫时，回落到CS域进行处理。
运营商无需部署IMS，只需要升级MSC就可以支持。
这是一种快速提供业务的方案，但缺点是呼叫接续速度慢。
CSFB适合作为IMS部署之前的过渡方案，另外还可以用来解决LTE手机漫游场景的语音呼叫问题，在拜访地网络没有部署IMS，或者IMS漫游协议尚未应用的情况下，CSFB可以为漫入的LTE用户提供语音业务。
SRVCC（SingleRadioVoiceCallContinuity）,解决语音控制和移动到CS网络切换时的语音连续性问题。
为基于IMS的VOIP呼叫解决方案，利用IMS核心网络提供LTEVoIP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。
SRVCC的实现过程实质上就是一个切换过程，在LTE网络中终端是通过IMS来实现语音功能的，当终端离开LTE网络后，则通过MSCserver（MobileSwitchingCenterserver）切换到2G/3G网络中从而实现z在2G/3G网络中的语音功能。
VoLTE（VoiceoverLongTermEvolution）,实现LTE网络中的IMS域提供高清晰的语音服务。
IMS由于支持多种接入和丰富的多媒体业务，成为全IP时代的核心网标准架构。
经历了过去几年的发展成熟后，如今IMS已经跨越裂谷，成为固定话音领域VoBB、PSTN网改的主流选择，而且也被3GPP、GSMA确定为移动语音的标准架构。
1.2LTE语音解决方案（CSFB）
LTE部署的初期，LTE只处理数据业务，语音业务回落到CS域处理。
作为部署IMS前的过渡方案，可以快速提供语音业务，但是接续速度慢。
CSFB快速回落方案，可以在2s内回落。
1.3LTE语音解决方案（SRVCC）
●在LTE覆盖区内提供基于IP的高清晰语音和视频业务，在LTE覆盖区外仍通过CS域提供语音业务
●SRVCC实现LTE网络中的IMS域语音到2G/3G网络中的CS域语音的无缝切换
1.4LTE语音解决方案（eSRVCC）
eSRVCC方案相对于SRVCC方案的增强在于减少了切换时长（切换时长小于300ms），使用户获得更好的通话体验。
●SRVCC：
媒体的切换点是对端网络设备（如对端UE），影响切换时长的主要因素是会话切换后需要在IMS网络中创建新的承载。
●eSRVCC：
相比于SRVCC，媒体切换点改为更靠近本端的设备。
具体方案就是增加ATCF/ATGW功能实体作为媒体锚定点，无论是切换前还是切换后的会话消息都要经过ATCF/ATGW转发。
后续在发生eSRVCC切换时，只需要创建UE与ATGW之间的承载通道，对端设备与ATGW之间的媒体流还是通过原承载通道传输。
这样其创建新承载通道的消息交互路径明显短于SRVCC方案，减少了切换时长。
1.eNodeB根据测量报告发起向RAN/GERAN的SRVCC切换过程
2.MME发送PStoCS的切换请求到EnhancedMSC（eMSC）
3.eMSC发送切换请求到MSC
4.MSC向RAN/GERAN发送切换请求，接受响应
5.建立eMSC和MSC之间的承载
6.eMSC发送会话请求，并路由到SCCAS
7-1.SCCAS发起新会话到远端用户，并将媒体流切换到MGW上
7-2.SCCAS释放旧会话
8.eMSC返回切换响应给eNodeB，eNodeB发送给切换响应给用户
1.5LTE语音解决方案（CSFB与SRVCC对比）
优点
缺点
CSFB
1.不引入IMS,重用现有的CS网络 2.终端产业链较成熟 3.3GPP标准化
1.现网需要改造 2.呼叫接续时间增加 3.语音通话期间，不能体验LTE高速数据业务
SRVCC
1.丰富的多媒体业务体验 2.高清语音和视频编解码明显提升用户感受 3.接续时间百毫秒级 4.提升频谱利用率，降低网络成本 5.3GPP标准化
1.需要建设IMS 2.终端产业链待成熟
SRVCC接续时间优于CSFB
1.6VoLTE网络架构
从整体上看，VOLTE网络分为终端、接入网、承载网、核心网、业务平台。
其中，较为复杂的是核心网，主要分为分组域（接入核心网）、策略控制单元、信令网、IMS域、CS域、用户域。
策略控制单元（PCC）
PCC（PolicyandChargingControl策略与计费控制）:
提供策略控制、计费控制功能、业务数据流的事件报告等功能。
包括:
PCEF（PolicyandChargingEnforcementFunction策略和计费执行功能）:
主要包含业务数据流的检测、策略执行和基于流的计费功能。
PCRF（PolicyandChargingRuleFunction策略和计费规则功能）:
包含策略控制决策和基于流计费控制的功能，PCRF接受来自PCEF、SPR和AF的输入，向PCEF提供关于业务数据流检测、门控、基于QoS和基于流计费的网络控制功能。
并结结合PCRF的自定义信息做出PCC决策。
信令网（DRA）
DRA（DiameterRoutingAgent路由代理）:
下一代信令网，可以真正实现未来核心网逐步的扩展，简化网络，实现快速部署、高效维护及增强网络安全。
部署DRA的好处:
解决移动用户漫游到其他网络时，用户的鉴权、认证、位置登记、计费策略等信息在漫游网络与归属网络之间的传递。
在一些业务应用场景中，保证对于同一个用户，AF和PCEF能够寻址到同一个PCRF，通过部署Diameter代理来实现IP地址和IMSI的动态绑定以完成寻址。
IMS域
SBC（SessionBorderControl会话边界控制器）:
IMS网络中一个重要的网络节点，其位于IMS网络的边界，起着将终端用户接入到IMS核心网的重要作用。
它的主要功能包括接入许可控制，网络拓扑隐藏，NAT以及NAT穿越，QoS及带宽策略，和网络安全机制等。
S-CSCF（ServingCallSessionControlFunction服务会话控制功能）:
是IMS的核心所在，它位于归属网络，为UE进行会话控制和注册请求，但当UE处于会话中时，S-CSCF处理网络中的会话状态。
在同一个运营商的网络中，可以有多个S-CSCF。
P-CSCF（ProxyCallSessionControlFunction代理会话控制功能）:
是IMS中用户的第一个联系点（在信令平面），从SIP的角度来看，它是一个出站/入站的SIP代理服务器，所有的SIP信令，无论是来自用户设备UE，还是发送给UE的，都必须经过P-CSCF。
UE使用本地CSCF发现机制可以获得P-CSCF的地址。
P-CSCF负责验证请求，将它转发给指定的目标，并且处理和转发响应。
I-CSCF（InterrogatingCallSessionControlFunction协商会话控制功能）:
I-CSCF是一个运营商网络内部的接触点，所有与这个网络运营商的用户连接都要经过这个实体。
在一个网络中可以有多个I-CSCF。
MGCF（MultimediaGatewayControlFunction多媒体网关控制功能）:
在IP多媒体子系统（IMS）的一个组成部分，与CSCF通信和控制媒体信道在一个IMS-MGW中的连接。
它在ISDN部分（ISUP）和IMS呼机控制协议之间执行协议转换。
IM-MGW（IPMultimediaGatewayIP多媒体网关）:
IM-MGW负责IMS与PSTN/CS域之间的媒体流互通，提供CSCN网络和IMS之间的用户面链路，支持PSTN/电路域TDM承载和IMS用户IP承载的转换。
主要功能是承载和媒体处理。
在IMS终端不支持CS端编码时IM-MGW完成编解码的转换工作。
IM-MGW也可以在MGCF的控制下完成呼叫的连续。
VoLTE网络架构接口列表
功能域
接口名称
接口类型
连接网元
承载协议
分组域
S1-MME
信令
MME-eNodeB
GTP-C
S1-U
数据
SAEGW-eNodeB
GTP-U
S11
信令
MME-SAEGW
GTP-C
SGi
数据
SAEGW-VoLTESBC
应用层协议
SLg
信令
MME-LSP（GMLC）
Diameter
SLs
信令
MME-LSP（eSMLC）
SCTP
Sv
信令
MME-eMSC
GTP
PCC
Rx
信令
PCRF-VoLTESBC
Diameter
Gx
信令
PCRF-SAEGW
Diameter
IMS域
Gm
信令
VoLTEUE-VoLTESBC
SIP
Mw
信令
VoLTESBC-xCSCF
SIP
Mx
信令
xCSCF-IBCF
SIP
Mg
信令
I-CSCF/S-CSCF-MGCF
SIP
Mj
信令
BGCF-MGCF
SIP
Mw/I2
信令
xCSCF-eMSC
SIP
ISC
信令
xCSCF-IMSAS
SIP
Ut
信令
VoLTEUE/VoLTEAS-业务配置代理网关
XCAP
用户数据
Cx
信令
三合一HSS-xCSCF
Diameter
Sh
信令
三合一HSS-IMSAS
Diameter
Zh
信令
三合一HSS-业务配置代理网关
Diameter
SLh
信令
三合一HSS-LSP
Diameter
S6a
信令
三合一HSS-MME
Diameter
C/D
信令
三合一HSS-eMSC/GMSC
MAP
J
信令
三合一HSS——IP-SM-GW
MAP
2G/3G电路域
Nc
信令
MSC-MSC
BICC
CAP
信令
IMSSSF/MSC-智能网SCP
Camel
Gr
信令
SGSN-三合一HSS
MAP
VoLTE特性参数
参数特性
序号
参数
参数值
1
时间周期
Ø语音包传输时间间隔:
~20ms Ø语音静默期:
~160ms
2
速率
ØAMR-NB :
12.2kbps ØAMR-WB:
23.65kbps
3
负载净荷
（非压缩）
语音包大小:
~32bytes+IP包头（IPV440bytes,IPV660bytes）
VoLTEQoS要求
NGMN关于VoLTEQoS的要求
序号
参数
参数值
1
带宽
ØNGSN推荐值:
AMR-NB12.2kbps ØNGSN优选值:
AMR-WB23.65kbps
2
MOS值
ØAMR-NB@12.2kbpsMOS:
~3.6desired,~3.8preferred ØAMR-WB@23.85kbpsMOS:
~3.8desired,~4preferred Ø
3
丢包率
丢包率<0.5%
4
抖动
抖动<50ms/receptionpoint
5
时延
端到端时延<250ms
QCI等级
资源类型
优先级
数据包时延预算
数据包丢失率
典型业务
1
GBR
2
100ms
10-2
会话语音
2
4
150ms
10-3
会话视频（直播流媒体）
3
3
50ms
10-3
实时游戏
4
5
300ms
10-6
非会话视频（缓冲流媒体）
5
Non-GBR
1
100ms
10-6
IMS信令
6
6
300ms
10-6
视频（缓冲流媒体）
基于TCP的业务（如www\e-mail\chat\ftp\p2p文件共享\逐行扫描视频）
7
7
100ms
10-3
语音
视频（直播流媒体）
互动游戏
8
8
300ms
10-6
视频（缓冲流媒体）
基于TCP的业务（如www\e-mail\chat\ftp\p2p文件共享\逐行扫描视频）
9
9
二VoLTE协议栈
从无线角度来看：
VoLTE需要建立的承载
要实现语音或视频业务需要UE同时建立三个数据承载外，还需要UE建立RRC链接信令承载：
SRB1和SRB2。
VoLTE用户注册：
VoLTE用户在体验高质量通话之前，必须先进行VoLTE的注册流程，从无线角度来看，注册分为两个步骤：
（1）LTE无线的无线注册:
由于VoLTE实质上对于无线来说只是一种数据业务，所以，E-UTRAN网络需要为VoLTE提供数据发送的通道。
即，建立QCI=8/9的承载。
（2）IMS注册：
支持VoLTE的终端在完成LTE的注册后，会通过LTE的承载向IMS网元发起注册（类似于高层应用的注册），即，建立QCI=5的承载；在该注册完成后，用户就可以使用VoLTE进行语音通话了。
即，会触发核心网建立一条QCI=1的专用承载用于传输IMS语音包。
VoLTE控制面协议栈
VoLTE用户面协议栈
三VoLTE无线功能
3.1VoLTE无线设备技术要求概览
部署VoLTE，除了要求无线侧eNB支持相关基本功能外，还可根据实际需求，进一步考虑引入增强功能，以优化方案性能，提升网络整体质量，改善用户业务体验
3.2VoLTE无线增强功能-IP包头压缩（RoHC）
效果
压缩后，头开销降为4～6byte（开销占比降为12.5%～18.8%）
典型的VoIP数据包的净荷为32byte，对VoIP这样的小的数据包，IP头开销甚至超过净荷本身（IPv6的包头为60byte，头开销可达188%，IPv4的包头为40byte，头开销也有125%）
原理
仅在初次传输时发送数据包头的静态信息，后续不再重复发送（如IP地址等）
通过一定信息可推知数据流中其他信息时，可仅发送必须的信息，其他信息可由上下文推算（如SN号和IP-ID号都是以1为单位递增，可通过上下文推算）
IP包头压缩可大大降低头开销，提高VoLTE语音用户容量，提高数据业务吞吐量，增强边缘覆盖
3.3VoLTE无线增强功能-半持续调度（SPS）
效果
半持续调度是LTE中为了节省PDCCH数量而提出的一种新的调度方法，最初主要是针对VoIP业务。
其可大大降低信令开销，使信令开销资源最低可仅为业务的1.3%
原理
实现原理：
●VoIP的新传包由于其达到间隔是20ms，所以可以由一条信令分配频域资源，以后每隔20ms就“自动”用分配的频域资源传输新来的包；
●重传包由于其不可预测性，所以动态的调度每一次重传，因而叫“半”持续调度
TDD特性（上行双周期配置）：
由于其HARQRTT与FDD有所差异，会导致重传包和新传包传输冲突，为解决这个TDD独有的问题，支持双周期的半持续性调度，即2DL:
2UL时为19ms和21ms；3DL:
1UL时为25ms和15ms
半持续调度可减少控制信令开销，节省PDCCH资源，在控制信道受限的情况下，提高系统容量；但在现网3:
1时隙配比下，因SPS采用保守调度算法（MSC不得高于15）,可能导致系统容量受限于PUSCH而有所下降，故初期暂不建议引入
3.4VoLTE无线增强功能-TTIbundling
原理
当小区边缘UE功率受限时，由于资源受限，导致丢包率增加。
使用TTIbundling，四个连续子帧中的立刻重传，能积累能量，增大传输成功率，从而提高接收成功率，避免过多的HARQ重传
效果
●在标准中，VoIP业务不能同时采用SPS调度和上行TTIbundling，但可仅针对边缘用户使用TTIbundling
●性能增益：
-不考虑重传的情况下，单从1个TTI和4个TTI传输角度，HARQ进程为4，增益大约4dB（链路级仿真得出）
-考虑重传情况下，TDD增益仅为2dB，性能增益有限，但在控制信令会节省开销
●TDD特性：
由于上下行时隙不连续，而语音包又有20ms的周期限制，因此仅在2DL:
2UL配置时可使用TTIbundling
TTIBundling可提高边缘用户的接收性能，并减小控制信令开销
TTIBundling不可用于3DL：
1UL时隙配比中，且不与SPS同时开启
3.5VoLTE异系统切换-eSRVCC
原理
eSRVCC（enhancedSingleRadioVoiceCallContinuity）是LTEPS语音（VoLTE）到2G/3GCS语音的增强型切换功能，但较原有SRVCC功能，无线侧无无差异；
效果
eSRVCC功能是VoLTE在LTE网络覆盖未达到全面覆盖之前的重要补充功能。
eSRVCC功能在LTE建设初期和中期可保证VoLTE语音业务的连续性，以减少当用户移动出LTE覆盖导致的掉话，减少用户投诉。
eSRVCC保证用户移出4G覆盖区域时仍然保持通话连续性
3.6VoLTE无线功能支持情况
1）VoLTE无线基本功能
●无线承载组合、QCI1/2承载、RLC层模式、IMS紧急呼：
所有厂商eNB产品均已支持
●所有厂商eNB产品支持在语音和数据并发业务下eSRVCC流程的优先级
2）VoLTE无线增强功能：
●头压缩、半持续/延迟调度：
所有厂商eNB产品均已支持，并可与CDRX同时配置并激活；
●TTIbundling：
部分厂商eNB仍不能支持；
●eSRVCC测控和切换流程：
所有厂商eNB产品均已支持
3）VoLTE/eSRVCC方案性能摸底，包括4大类：
●掉话SINR测试：
不同的终端测出的性能有差异；各厂商和终端的VoLTE语音掉话SINR均在-3dB以下，满足LTE无线覆盖指标
●系统内切换性能：
各厂商系统内切换性能接近（20±6ms）；开关DataForwarding、标清/高清语音、单语音/混合业务、X2切换/S1切换对于切换时延无明显影响
●语音用户容量：
单小区容量和调度算法紧密相关；在3:
1时隙配比下，所有主要厂商均能在正常通话条件下支持200用户。
RoHC头压缩算法对于容量提升效果明显，平均可达到26%左右的增益。
SPS厂商实现较差，部分厂商不支持多用户SPS
●SRVCC切换性能：
各厂商端到端时延均在300ms以下，满足SRVCC切换时延要求；单语音和混合业务对于SRVCC切换时延无明显影响
四VoLTE基本流程和信令解析
4.1VoLTE呼叫业务流程
上述A和B均是IDLE模式，互相进行拨打的方式是实际应用场景中最常见的一种方式了，具体流程如下。
1.用户A和B在注册成功后，无业务触发，MME发起上下文释放，将A和B均置为IDLE模式。
2.UEA呼叫UEB，此时A发现其为IDLE模式，则需要先建立信令连接。
首先缓存需要发送的数据，向eNodeB发起RRCConnectionRequest，携带初始UEID和S-TMSI（第一次是随机值，此时TMSI值应为有效）。
3.eNodeB向UE回复RRCConnectionSetup，其中携带无线资源专用配置信。
4.UE向eNodeB回复RRConnectionSetupComplete，确认RRC建立成功完成。
其中携带选择的PLMNID，注册的MME信息（plmn-id、mmegi、mmec），NAS消息（ServiceRequest）。
5.eNodeB发送InitialUEMessage到MME，其中携带eNodeBUES1APId，TAI，E-UTRAN-CGI，RRCEstablishmentCause，NASPDU为ServiceRequest。
6.MME侧用户面承载建立成功后向eNodeB返回InitialContextSetupRequest，携带MMEUES1APId，ERAB相关信息（QOS，GTP-TEID，ERABId，IP），UE安全能力和安全密钥，如果存在UE无线能力，也需要带回。
如果没有UE无线能力，则eNodeB需要向UE所要UE无线能力参数。
7.无线承载的建立，对上下文进行处理，eNodeB向UE发送RRCConnectionReconfiguration消息，其中包含测量配置，移动性配置，无线资源配置（RBs，MAC主要配置，物理信道配置），NAS信息和安全配置等信息。
8.eNodeB收到UE的RRCConnectionReconfigurationComplete消息，确认无线资源配置完成。
9.eNodeB向MME发送InitialContextSetupResponse消息，将eNodeB侧承载的IP和GTP-TEID带给MME。
在重配完成后，实际上已经可以发送上行数据了。
此时，完成建立EPS数据业务连接（QCI8/9承载），即完成在EPC侧的注册；以及IMS的注册（QCI5承载）。
10.用户A发送上行数据，呼叫用户B，首先向AS服务器发送INVITE请求，LTE系统中会以数据的方式进行传输，用户A发送上行数据到AS服务器，其中携带SIP信令INVITE请求。
11.AS服务器发送100Trying的确认消息给用户A，确认收到INVITE消息.。
12.同时转发INVITE到用户B，发送下行数据首先经过PDN网关到SGW网关。
13.SGW发现UEB为IDLE模式，发送下行数据到的通知到MME，同时缓存数据。
14.MME对UEB发起寻呼流程。
15.同上述步骤1-9:
步骤14-21，UEB也会完成在MME以及IMS的注册。
16.SGW将缓存的数据发往UEB，其中SIP信令为A呼叫B的INVITE消息。
UE发送上行数据到AS，携带回复的100Trying消息。
后续信令和数据的传输见A呼叫B（SIP呼叫业务流程）。
4.2SIP呼叫业务流程
上述步骤1-24详细描述了主叫与被叫之间的SIP信令流程，具体流程如下。
1.用户A，摘机对用户B发起呼叫，用户A首先向AS服务器发起INVITE请求。
2.AS服务器回复100Trying给用户A说明收到INVITE请求。
3.AS服务器通过认证确认用户认证已通过后，向被叫终端B转送INVITE请求。
4.用户B向AS服务器送呼叫处理中的应答消息，100Trying。
5.用户B向AS服务器送183SessionProgress消息，提示建立对话的进度信息。
（此时被叫QCI1专用承载建立）
6.AS服务器向主叫终端A转送18
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