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行動LTE裝置語音演進的第二階段:VoLTE與SRVCC
 

【作者: Qualcomm】   2013年04月01日 星期一

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隨著行動電信產業基礎設施邁向更高階 -最終將全面普及的- LTE網路之際,處理LTE手機語音傳輸的技術亦隨之演進。這波語音技術演進可分成三大階段,如圖一所示。


在目前進行中的第一階段,所有語音傳輸都是在既有的電路交換(CS)網路中進行,而資料傳輸則是在LTE封包交換(PS)網路中進行 (僅限已部署LTE網路的區域;在非LTE覆蓋區域由既有網路負責傳輸。)


儘管LTE原本為資料傳輸設計,然而其服務品質(QoS)與容量增加亦為電信用戶與營運商帶來許多語音服務益處,包括HD高解析語音、增強型視訊功能、以及多元通訊方案。LTE智慧型手機的發展關鍵,在於滿足現今行動用戶體驗的高度期待,以及藉由更豐富的媒體服務強化語音功能,使整體通訊體驗提升。


LTE語音技術演進的第二階段在LTE網路上傳輸IP語音(VoIP),簡稱VoLTE,這種語音電信解決方案涵蓋IP多媒體子系統(IMS)及多媒體電信(MMTel)服務(GSMA IR.92 [1]),並透過LTE網路提供各種語音服務。以IMS/MMTel為基礎,各種語音服務可藉由視訊變得更多元豐富(GSMA IR.94 [2]),並結合其他增強型IP服務,如HD語音、線上狀態顯示、位置、以及含即時簡訊、視訊分享、增強型/共享電話簿等多元通訊套裝方案(RCS)。


在這個階段,使用者裝置亦採用在成本、尺寸、電池效率等較雙無線電方案更具優勢的單一無線電解決方案 ,搭配單一無線電語音呼叫連續性(SRVCC)技術,因此在行動使用者自LTE移動到非LTE覆蓋區能無縫交遞,維持通話不中斷。若沒有SRVCC,一旦裝置移出LTE訊號覆蓋範圍,因為目前沒有營運商能在3G網路中支援VoIP,VoLTE通話就會斷線。


LTE語音技術演進的第三階段 -全IP網路- 匯集IP的原生力量,以提供更高的容量、各種加值型服務(如IP語音與視訊傳輸,以及多元通訊服務等),另外還能在各種網路存取方法與營運商間(包括LTE、3G/HSPA、WiFi、以及既有電信技術)互通。



圖一 :  LTE語音技術演進的三個階段
圖一 : LTE語音技術演進的三個階段

VoLTE的好處

使用網際網路PS 2G/3G應用軟體的行動VoIP(例如Skype行動通話)在2010年初已推出。這些透過網際網路傳輸(OTT)的語音應用中,其資料串流和其他IP資料傳輸流無異,因此網路與使用者裝置的IP傳輸負載均會嚴重損及語音通話的品質。


相反地,VoLTE在使用者裝置以原生應用的方式運作,能設定為優先傳輸,藉此提供符合使用者期盼的服務品質。


原生VoLTE亦提供更優異的原生語音通話品質,達到OTT VoIP無法匹敵的水準,其中有許多是使用者在其2G/3G電信網路中習已為常的,包括:


  • ‧ 寬頻(wideband)編解碼器、雙麥克風、遠/近雜訊消除


  • ‧ 跨網路通話連續性、手機即按即說的無線對講、群組通話


  • ‧ 視訊電話


  • ‧ 增強型聯絡人功能,如上線狀態顯示、位置、通訊功能、圖像、以及其他內容同步


  • ‧ 豐富多媒體檔案分享



對於網路營運商來說,原生VoLTE提供許多行銷與營運優勢涵括:


  • ‧ 增進用戶體驗以及高競爭力方案,包括提高平均每用戶平均收入(ARPU)。


  • ‧ 大幅提升且更有效率地運用網路容量,包括使用新釋出頻譜、更寬且非對稱頻譜、非連續的分散頻譜、以及最適合10 MHz以上的頻譜。


  • ‧ 對於某些擁有700-900MHzLTE執照,但具備有限或無2G/3G語音網路的網路營運商來說,VoLTE能支援網路內的語音服務。



SRVCC的好處

由於LTE全IP傳輸技術採用封包交換,因此衍生許多挑戰,業界須滿足用戶對成熟服務品質的期盼,包括在LTE智慧型手機上執行電路交換的行動語音及SMS簡訊功能,更重要的是這些服務都得在LTE網路上提供。


許多網路營運商採漸進方式擴展其LTE網路,根據本身營運計畫與用戶需求擴增蜂巢與容量。因此,建構於其上之LTE網路與VoLTE服務必須和既有CS網路並存,而且在LTE網路覆蓋率仍然不足下確保通話可順利交遞至既有CS網路。由於LTE與VoLTE服務是下一代行動網路的基石,因此在LTE覆蓋率尚嫌不足的階段,通話交遞至既有CS系統會是一項關鍵的功能。


在這個轉換期中,最核心的挑戰是必須在通話過程中從現今存在許多LTE訊號空隙的混合網路環境(包括單一營運商網路以及跨網漫遊下的多種營運商網路)交遞至全LTE網路環境,以及後續的全VoLTE語音電話環境,把通話從LTE封包交換式VoIP系統交遞到2G/3G既有網路的電路交換語音系統,且達到媲美現今既有網路的服務品質。


如前文所述,在手機語音技術演進的第一個階段,所有的語音通話都是在CS網路中傳遞。LTE(PS資料)的通話,在現階段會先回到既有的2G/3G CS語音網路進行傳遞,在建立網路連線後再啟動通話程序。


通話進行時,VoLTE通話必須從LTE PS網路轉交到既有CS語音網路並且滿足對用戶體驗的期盼,儘可能減少通話中斷及降低斷線重撥比率。這種交遞作業必須妥善規劃,使效能水準媲美跨無線電存取技術(IRAT)的交遞,達到現今CS網路中語音電話水準。這些成熟的服務品質標準,要求語音電話中斷時間須低於0.3秒,斷線重撥率須低於1%。


SRVCC是語音電話連續不間斷的解決方案,它在用戶裝置上採用單一無線電元件,搭配後續的升級作業支援網路基礎建設。這項解決方案不僅能將撥通的VoLTE通話從LTE交遞到既有語音網路,且能符合各項嚴苛的服務品質標準。此外,SRVCC藉由確保語音電話的連續性,滿足各種急難求助電話要求。


若沒有SRVCC,在LTE網路覆蓋缺口或收訊不良的地區(或於非LTE網路下提供漫遊服務時),即LTE網路完全覆蓋所有用戶服務範圍前,無法實現VoLTE在用戶體驗與網路效率方面的優勢。


透過SRVCC,網路營運商能加快服務方案的上市時程,並在營運週期內(包括從現今的混合網路環境升級至未來全LTE的環境)任一時點實現這些好處。


SRVCC網路架構

SRVCC自從3GPP Release 8的初始規格化後便持續不斷演進。為確保各版本技術與既有網路間互通,GSMA針對SRVCC提供一系列的規範方針(GSMA IR.64),詳盡說明網路與用戶裝置的各項需求。SRVCC針對LTE與WCDMA/GSM間、從LTE至CDMA網路間(GSMA TS.23.216)的PS至CS交遞作業,提供通話不間斷的連續性。


GSMA方針建議SRVCC使用3GPP Release 10版架構(如圖二所示),因為該架構較先前組態更能減少交遞時的語音中斷延遲以及斷線重撥率。


當使用者在LTE覆蓋範圍以外,網路會控制並指引使用者裝置從LTE切換至2G/3G網路。SRVCC交遞機制完全由網路控制,通話作業仍由IMS核心網路控制,而且在交遞前後都能存取先前由IMS/MMTel服務引擎提供的服務。


Release 10版組態包含管理用戶裝置與網路間在高時效訊號傳遞進行時所需元件,以及服務網路中各項網路元素(包括漫遊時曾造訪的網路)。因此訊號會循著最短路徑傳送,並維持最高穩定性,讓使用者裝置無論在家庭網路或漫遊時,自PS核心切換至CS核心切換造成的通話中斷減至最低。業界普遍遵循3GPP標準與GSMA建議規範,使SRVCC使用者裝置與網路能互通運作,確保解決方案在所有重要通話狀況均能正常進行。



圖二 :  SRVCC 3GPP R10網路架構
圖二 : SRVCC 3GPP R10網路架構

網路升級

如同任何新交遞技術,SRVCC在來源(LTE)系統以及目標(既有)系統皆需要額外的功能。


正如GSMA IR.64 規範及圖三所示,SRVCC功能可藉由MSS子系統、IMS子系統及LTE/EPC子系統以軟體升級加入網路,既有GSM/WCDMA RAN網路目標無線電存取則無須升級。



圖三 :  藉由軟體升級支援VoLTE
圖三 : 藉由軟體升級支援VoLTE

僅少部分的行動交換中心伺服器(MSC-S)需經升級才能支援功能完備的SRVCC。這些伺服器以CS核心的建議架構-叢集模式整合成許多集區(pool),只有LTE訊號覆蓋區附近的集區才需進行升級以達成良好效能。此外,每個集區中僅2部伺服器需升級,第2部升級的伺服器主要作為備援之用。


若在伺服器集區以內或之外的MSC-S無法對已部署的MSC-S進行升級,可加入一專屬的MSC-S負責處理SRVCC功能,使效能的衝擊減至最低。


SRVCC語音交遞程序

當使用者在LTE訊號覆蓋區以外使用VoLTE進行語音通話(如圖四所示)時在,訊號會分成兩步驟交遞至CS網路:亦即IRAT交遞(IRAT handover)與通話轉移(session transfer)。IRAT交遞是用戶裝置從LTE無線電存取切換至WCDMA/GSM無線電存取的傳統交遞程序。通話轉移是一種新機制,將存取控制與語音媒體定向(anchoring)從LTE演進式核心(EPC)轉換到既有CS核心。


在LTE至2G/3G的整個語音交遞程序中,IMS/MMTel仍維持對使用者的控制。


向IMS/MMTel發出通話轉移請求時(如圖五所示)將啟動交遞程序。


IMS/MMTel會同時回覆兩個指令(如圖六所示),其中一個送到LTE網路,另一個則送到2G/3G網路。處理使用者通話的LTE網路會收到透過MEE與LTE RAN傳來的執行指令,指示用戶裝置準備把語音通話作業轉移至CS網路。而通話要傳至的CS網路會收到通話轉移訊息,並準備接收該手機通話。


當得知命令已被執行後,用戶裝置以及仍控制語音通話的IMS/MMTel會切換至CS網路,使通話繼續進行(如圖七所示)。



圖四 :  進行中的VoLTE手機通話
圖四 : 進行中的VoLTE手機通話

圖五 :  通話轉移請求
圖五 : 通話轉移請求

圖六 :  同步IRAT交遞與通話轉移指令
圖六 : 同步IRAT交遞與通話轉移指令

圖七 :  轉換至CS網路的語音傳輸作業
圖七 : 轉換至CS網路的語音傳輸作業

通話完畢時切換回LTE

雖然SRVCC的建置不會直接影響既有GSM/WCDMA的RAN節點,然而語音通話結束時讓用戶裝置回到LTE PS數據存取網路所採用的方法,卻會產生間接影響。為協助導引裝置回到LTE,既有RAN可建置以下兩種功能之一:


  • ‧ 向使用者裝置廣播LTE系統資訊,在連結釋出後讓裝置能根據此資訊執行蜂巢單元重選(若既有RAN設定用來執行此作業)


  • ‧ 向使用者裝置釋出連結,並同步將連結導引至LTE



語音中斷時間

兩個平行程序(IRAT交遞與通話轉移),以及需要升級的子系統數量,使業界開始關切SRVCC是否能符合3GPP (TS22.278)語音中斷效能低於0.3秒的目標。在RAN中的IRAT交遞,以及核心網路中的通話轉移,在斷線與重新連結時都會造成通話中斷。


為了達成目標,SRVCC 3GPP R10版網路架構(如圖二所示)在設計之初便以同時啟動兩項程序、使其平行運作、減少中斷。


效能測試結果顯示,通話轉移程序僅費時0.01秒,是兩個平行程序中較快的一個。如此反快速的從EPS傳輸至MSS定向意謂語音通話中斷時間主要來自IRAT交遞延遲。


IRAT交遞延遲,指的是使用者裝置接收到網路交遞指令(如圖六所示)後,一直到新的無線電存取程序完成同步化並傳出確認訊息為止的這段時間(如圖七所示)。語音通話的中斷時間會稍微大過IRAT交遞時間,中斷時間的定義是由最後一個透過LTE網路傳遞的語音封包送出後算起,一直到語音媒體透過CS網路傳出為止的這段時間。


此測試採用Ericsson公司的商用網路基礎建設以及搭載高通晶片組的測試手機,結果顯示語音通話中斷時間接近既有CS IRAT在WCDMA與GSM網路間交遞時間,以及在同RAT中進行跨頻率交遞的時間,在同RAT中,RAN會命令使用者裝置調至新頻率。量測到的通話中斷時間符合3GPP低於0.3秒的目標。


另一項相關的效能標準是網路準備進行SRVCC交遞所需的時間。這個時間從用戶裝置量測並通報LTE訊號接收不足開始算起,一直到用戶裝置接收交遞命令並執行交遞程序所經過的時間。雖然交遞準備時間不會讓使用者通話中斷,但此時間必須縮短才能避免LTE接收訊號時影響啟動交遞作業,以及避免因LTE訊號覆蓋率不足導致後續交遞失敗。


採用Ericsson公司的商用網路基礎建設以及搭載高通晶片組的測試手機所得的測試結果顯示,交遞準備以及作業程序時間,接近既有CS IRAT在WCDMA與GSM網路間的交遞時間,以及在同RAT中進行跨頻率交遞的時間,在過程中RAN會命令使用者裝置調至新頻率,交遞程序平均費時約0.2秒。


結論

VoLTE在快速發展的LTE網路環境中,為用戶體驗與營運商網路提供無可比擬的好處。


在逐步部署LTE與VoLTE的過程,SRVCC是確保與既有網路間互通的一項關鍵功能。GSMA為確保成功達成目標,故與業界合作以確保VoLTE及SRVCC部署作業依循一系列的建議規範,進而保證網路與使用者裝置間的互通。


在互通性的研發與效能測試中,其結果顯示具備SRVCC的VoLTE不僅可行,且符合語音中斷與通話保留等服務品質的效能規範。


另外,對既有網路的衝擊是可以掌控的。雖然LTE/EPC/IMS子系統需進行軟體升級,但對既有RAN的衝擊有限,甚至完全沒有影響,至於已經部署的MSC-S僅有少部分需要升級。


綜合以上所述,LTE語音技術演進的第二階段,在混合LTE/2G/3G網路中,具備SRVCC的VoLTE, 已準備好朝向營運部署的目標邁進。


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