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行动LTE装置语音演进的第二阶段:VoLTE与SRVCC
VoLTE与SRVCC

【作者: Qualcomm】2013年04月01日 星期一

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随着行动电信产业基础设施迈向更高阶 -最终将全面普及的- LTE网络之际,处理LTE手机语音传输的技术亦随之演进。这波语音技术演进可分成三大阶段,如图一所示。


在目前进行中的第一阶段,所有语音传输都是在既有的电路交换(CS)网络中进行,而数据传输则是在LTE分组交换(PS)网络中进行 (仅限已部署LTE网络的区域;在非LTE覆盖区域由既有网络负责传输。)


尽管LTE原本为数据传输设计,然而其服务质量(QoS)与容量增加亦为电信用户与营运商带来许多语音服务益处,包括HD高解析语音、增强型视讯功能、以及多元通讯方案。LTE智能型手机的发展关键,在于满足现今行动用户体验的高度期待,以及藉由更丰富的媒体服务强化语音功能,使整体通讯体验提升。


LTE语音技术演进的第二阶段在LTE网络上传输IP语音(VoIP),简称VoLTE,这种语音电信解决方案涵盖IP多媒体子系统(IMS)及多媒体电信(MMTel)服务(GSMA IR.92 [1]),并透过LTE网络提供各种语音服务。以IMS/MMTel为基础,各种语音服务可藉由视讯变得更多元丰富(GSMA IR.94 [2]),并结合其他增强型IP服务,如HD语音、在线状态显示、位置、以及含实时简讯、视讯分享、增强型/共享电话簿等多元通讯套装方案(RCS)。


在这个阶段,用户装置亦采用在成本、尺寸、电池效率等较双无线电方案更具优势的单一无线电解决方案 ,搭配单一无线电语音呼叫连续性(SRVCC)技术,因此在行动用户自LTE移动到非LTE覆盖区能无缝交递,维持通话不中断。若没有SRVCC,一旦装置移出LTE讯号覆盖范围,因为目前没有营运商能在3G网络中支持VoIP,VoLTE通话就会断线。


LTE语音技术演进的第三阶段 -全IP网络- 汇集IP的原生力量,以提供更高的容量、各种加值型服务(如IP语音与视讯传输,以及多元通讯服务等),另外还能在各种网络访问方法与营运商间(包括LTE、3G/HSPA、WiFi、以及既有电信技术)互通。



图一 : LTE语音技术演进的三个阶段
图一 : LTE语音技术演进的三个阶段

VoLTE的好处

使用因特网PS 2G/3G应用软件的行动VoIP(例如Skype行动通话)在2010年初已推出。这些透过因特网传输(OTT)的语音应用中,其数据串流和其他IP数据传输流无异,因此网络与用户装置的IP传输负载均会严重损及语音通话的质量。


相反地,VoLTE在用户装置以原生应用的方式运作,能设定为优先传输,藉此提供符合用户期盼的服务质量。


原生VoLTE亦提供更优异的原生语音通话质量,达到OTT VoIP无法匹敌的水平,其中有许多是用户在其2G/3G电信网络中习已为常的,包括:


  • ‧ 宽带(wideband)编译码器、双麦克风、远/近噪声消除


  • ‧ 跨网络通话连续性、手机即按即说的无线对讲、群组通话


  • ‧ 视讯电话


  • ‧ 增强型联络人功能,如上线状态显示、位置、通讯功能、图像、以及其他内容同步


  • ‧ 丰富多媒体档案分享



对于网络营运商来说,原生VoLTE提供许多营销与营运优势涵括:


  • ‧ 增进用户体验以及高竞争力方案,包括提高平均每用户平均收入(ARPU)。


  • ‧ 大幅提升且更有效率地运用网络容量,包括使用新释出频谱、更宽且非对称频谱、非连续的分散频谱、以及最适合10 MHz以上的频谱。


  • ‧ 对于某些拥有700-900MHzLTE执照,但具备有限或无2G/3G语音网络的网络营运商来说,VoLTE能支持网络内的语音服务。



SRVCC的好处

由于LTE全IP传输技术采用分组交换,因此衍生许多挑战,业界须满足用户对成熟服务质量的期盼,包括在LTE智能型手机上执行电路交换的行动语音及SMS简讯功能,更重要的是这些服务都得在LTE网络上提供。


许多网络营运商采渐进方式扩展其LTE网络,根据本身营运计划与用户需求扩增蜂巢与容量。因此,建构于其上之LTE网络与VoLTE服务必须和既有CS网络并存,而且在LTE网络覆盖率仍然不足下确保通话可顺利交递至既有CS网络。由于LTE与VoLTE服务是下一代行动网络的基石,因此在LTE覆盖率尚嫌不足的阶段,通话交递至既有CS系统会是一项关键的功能。


在这个转换期中,最核心的挑战是必须在通话过程中从现今存在许多LTE讯号空隙的混合网络环境(包括单一营运商网络以及跨网漫游下的多种营运商网络)交递至全LTE网络环境,以及后续的全VoLTE语音电话环境,把通话从LTE分组交换式VoIP系统交递到2G/3G既有网络的电路交换语音系统,且达到媲美现今既有网络的服务质量。


如前文所述,在手机语音技术演进的第一个阶段,所有的语音通话都是在CS网络中传递。LTE(PS数据)的通话,在现阶段会先回到既有的2G/3G CS语音网络进行传递,在建立网络联机后再启动通话程序。


通话进行时,VoLTE通话必须从LTE PS网络转交到既有CS语音网络并且满足对用户体验的期盼,尽可能减少通话中断及降低断线重拨比率。这种交递作业必须妥善规划,使效能水平媲美跨无线电存取技术(IRAT)的交递,达到现今CS网络中语音电话水平。这些成熟的服务质量标准,要求语音电话中断时间须低于0.3秒,断线重拨率须低于1%。


SRVCC是语音电话连续不间断的解决方案,它在用户装置上采用单一无线电组件,搭配后续的升级作业支持网络基础建设。这项解决方案不仅能将拨通的VoLTE通话从LTE交递到既有语音网络,且能符合各项严苛的服务质量标准。此外,SRVCC藉由确保语音电话的连续性,满足各种急难求助电话要求。


若没有SRVCC,在LTE网络覆盖缺口或收讯不良的地区(或于非LTE网络下提供漫游服务时),即LTE网络完全覆盖所有用户服务范围前,无法实现VoLTE在用户体验与网络效率方面的优势。


透过SRVCC,网络营运商能加快服务方案的上市时程,并在营运周期内(包括从现今的混合网络环境升级至未来全LTE的环境)任一时点实现这些好处。


SRVCC网络架构

SRVCC自从3GPP Release 8的初始规格化后便持续不断演进。为确保各版本技术与既有网络间互通,GSMA针对SRVCC提供一系列的规范方针(GSMA IR.64),详尽说明网络与用户装置的各项需求。SRVCC针对LTE与WCDMA/GSM间、从LTE至CDMA网络间(GSMA TS.23.216)的PS至CS交递作业,提供通话不间断的连续性。


GSMA方针建议SRVCC使用3GPP Release 10版架构(如图二所示),因为该架构较先前组态更能减少交递时的语音中断延迟以及断线重拨率。


当用户在LTE覆盖范围以外,网络会控制并指引用户装置从LTE切换至2G/3G网络。SRVCC交递机制完全由网络控制,通话作业仍由IMS核心网络控制,而且在交递前后都能存取先前由IMS/MMTel服务引擎提供的服务。


Release 10版组态包含管理用户装置与网络间在高时效讯号传递进行时所需组件,以及服务网络中各项网络元素(包括漫游时曾造访的网络)。因此讯号会循着最短路径传送,并维持最高稳定性,让用户装置无论在家庭网络或漫游时,自PS核心切换至CS核心切换造成的通话中断减至最低。业界普遍遵循3GPP标准与GSMA建议规范,使SRVCC用户装置与网络能互通运作,确保解决方案在所有重要通话状况均能正常进行。



图二 : SRVCC 3GPP R10网络架构
图二 : SRVCC 3GPP R10网络架构

网络升级

如同任何新交递技术,SRVCC在来源(LTE)系统以及目标(既有)系统皆需要额外的功能。


正如GSMA IR.64 规范及图三所示,SRVCC功能可藉由MSS子系统、IMS子系统及LTE/EPC子系统以软件升级加入网络,既有GSM/WCDMA RAN网络目标无线电存取则无须升级。



图三 : 藉由软件升级支持VoLTE
图三 : 藉由软件升级支持VoLTE

仅少部分的行动交换中心服务器(MSC-S)需经升级才能支持功能完备的SRVCC。这些服务器以CS核心的建议架构-丛集模式整合成许多集区(pool),只有LTE讯号覆盖区附近的集区才需进行升级以达成良好效能。此外,每个集区中仅2部服务器需升级,第2部升级的服务器主要作为备援之用。


若在服务器集区以内或之外的MSC-S无法对已部署的MSC-S进行升级,可加入一专属的MSC-S负责处理SRVCC功能,使效能的冲击减至最低。


SRVCC语音交递程序

当用户在LTE讯号覆盖区以外使用VoLTE进行语音通话(如图四所示)时在,讯号会分成两步骤交递至CS网络:亦即IRAT交递(IRAT handover)与通话转移(session transfer)。IRAT交递是用户装置从LTE无线电存取切换至WCDMA/GSM无线电存取的传统交递程序。通话转移是一种新机制,将访问控制与语音媒体定向(anchoring)从LTE演进式核心(EPC)转换到既有CS核心。


在LTE至2G/3G的整个语音交递程序中,IMS/MMTel仍维持对用户的控制。


向IMS/MMTel发出通话转移请求时(如图五所示)将启动交递程序。


IMS/MMTel会同时回复两个指令(如图六所示),其中一个送到LTE网络,另一个则送到2G/3G网络。处理用户通话的LTE网络会收到透过MEE与LTE RAN传来的执行指令,指示用户装置准备把语音通话作业转移至CS网络。而通话要传至的CS网络会收到通话转移讯息,并准备接收该手机通话。


当得知命令已被执行后,用户装置以及仍控制语音通话的IMS/MMTel会切换至CS网络,使通话继续进行(如图七所示)。



图四 : 进行中的VoLTE手机通话
图四 : 进行中的VoLTE手机通话

图五 : 通话转移请求
图五 : 通话转移请求

图六 : 同步IRAT交递与通话转移指令
图六 : 同步IRAT交递与通话转移指令

图七 : 转换至CS网络的语音传输作业
图七 : 转换至CS网络的语音传输作业

通话完毕时切换回LTE

虽然SRVCC的建置不会直接影响既有GSM/WCDMA的RAN节点,然而语音通话结束时让用户装置回到LTE PS数据存取网络所采用的方法,却会产生间接影响。为协助导引装置回到LTE,既有RAN可建置以下两种功能之一:


  • ‧ 向用户装置广播LTE系统信息,在链接释出后让装置能根据此信息执行蜂巢单元重选(若既有RAN设定用来执行此作业)


  • ‧ 向用户装置释出链接,并同步将链接导引至LTE



语音中断时间

两个平行程序(IRAT交递与通话转移),以及需要升级的子系统数量,使业界开始关切SRVCC是否能符合3GPP (TS22.278)语音中断效能低于0.3秒的目标。在RAN中的IRAT交递,以及核心网络中的通话转移,在断线与重新链接时都会造成通话中断。


为了达成目标,SRVCC 3GPP R10版网络架构(如图二所示)在设计之初便以同时启动两项程序、使其平行运作、减少中断。


效能测试结果显示,通话转移程序仅费时0.01秒,是两个平行程序中较快的一个。如此反快速的从EPS传输至MSS定向意谓语音通话中断时间主要来自IRAT交递延迟。


IRAT交递延迟,指的是用户装置接收到网络交递指令(如图六所示)后,一直到新的无线电存取程序完成同步化并传出确认讯息为止的这段时间(如图七所示)。语音通话的中断时间会稍微大过IRAT交递时间,中断时间的定义是由最后一个透过LTE网络传递的语音封包送出后算起,一直到语音媒体透过CS网络传出为止的这段时间。


此测试采用Ericsson公司的商用网络基础建设以及搭载高通芯片组的测试手机,结果显示语音通话中断时间接近既有CS IRAT在WCDMA与GSM网络间交递时间,以及在同RAT中进行跨频率交递的时间,在同RAT中,RAN会命令用户装置调至新频率。量测到的通话中断时间符合3GPP低于0.3秒的目标。


另一项相关的效能标准是网络准备进行SRVCC交递所需的时间。这个时间从用户装置量测并通报LTE讯号接收不足开始算起,一直到用户装置接收交递命令并执行交递程序所经过的时间。虽然交递准备时间不会让用户通话中断,但此时间必须缩短才能避免LTE接收讯号时影响启动交递作业,以及避免因LTE讯号覆盖率不足导致后续交递失败。


采用Ericsson公司的商用网络基础建设以及搭载高通芯片组的测试手机所得的测试结果显示,交递准备以及作业程序时间,接近既有CS IRAT在WCDMA与GSM网络间的交递时间,以及在同RAT中进行跨频率交递的时间,在过程中RAN会命令用户装置调至新频率,交递程序平均费时约0.2秒。


结论

VoLTE在快速发展的LTE网络环境中,为用户体验与营运商网络提供无可比拟的好处。


在逐步部署LTE与VoLTE的过程,SRVCC是确保与既有网络间互通的一项关键功能。GSMA为确保成功达成目标,故与业界合作以确保VoLTE及SRVCC部署作业依循一系列的建议规范,进而保证网络与用户装置间的互通。


在互操作性的研发与效能测试中,其结果显示具备SRVCC的VoLTE不仅可行,且符合语音中断与通话保留等服务质量的效能规范。


另外,对既有网络的冲击是可以掌控的。虽然LTE/EPC/IMS子系统需进行软件升级,但对既有RAN的冲击有限,甚至完全没有影响,至于已经部署的MSC-S仅有少部分需要升级。


综合以上所述,LTE语音技术演进的第二阶段,在混合LTE/2G/3G网络中,具备SRVCC的VoLTE, 已准备好朝向营运部署的目标迈进。


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