LTE语音业务解决方案研究.doc

1 40 武汉工程大学邮电与信息工程学院武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计 论文 毕业设计 论文 LTE 语音业务解决方案研究语音业务解决方案研究 Study on the Solution of LTE Voice Service 学生姓名 包拯包拯 学 号 专业班级 通信通信 1104 指导教师 2015 年年 5 月月 2 40 作者声明作者声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果 除了文中特别加以标注的地方外 没有任何剽窃 抄袭 造假等违反学术 道德 学术规范的行为 也没有侵犯任何其他人或组织的科研成果及专利 与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意 如本毕业设计 论文 引起的法律结果完全由本人承担 毕业设计 论文 成果归武汉工程大学邮电与信息工程学院所有 特此声明 作者专业 作者学号 作者签名 年 月 日 3 40 摘摘 要要 随着移动通信技术的迅猛发展 移动通信宽带化已经成为未来移动通信系统 的主要发展趋势 LTE 作为目前移动通信系统的主要演进方向 越来越受到各大 运营商和设备商的重视 在 LTE 网络建设初期 在使用 LTE 接入时 无法收 发电路域业务信号 为 了使得终端在 LTE 接入下能够发起语音业务 以及收到语音业务的寻呼 并且能 够对终端在 LTE 接入下正在进行的 PS 业务进行正确地处理 产生了双待机终端 方案 CSFB 技术和 VoLTE 即运营商已经有成熟的 2G 3G 网络 出于对 CS 投 资的保护 结合 EPS 的部署策略 可以采用原有的 CS 域语音业务来提供语音业 务 而 LTE 网络仅处理 PS 域数据业务 因此如何通过 LTE 提供语音业务以及 LTE 和 2G 3G 网络的互操作也越来越引起大家的关注 本论文在讨论 LTE 语音业务的必要性以及 LTE 架构的基础上 探讨了 LTE 的关键技术 包括 OFDM MIMO 技术 随后通过 LTE 语音业务连续性问题 分析了双待机终端方案 CSFB 和 VoLTE 的内容 网络构架和关键技术以及三种 方案的对比分析 最后 通过某地 CSFB 测试并对测试未接通案例进行分析 得 出 CSFB 只能作为 LTE 部署初期的过渡方案 VoLTE 是终极语音方案 关键词 关键词 LTE 双待机终端方案 CSFB VoLTE 4 40 Abstract With the rapid development of mobile communication technology Mobile Broadband had become the main tread of the mobile communication system The major operators and equipment manufactures are playing more and more attention to the LTE which had become the main evolution solutions of mobile communication system In the LTE network construction and the use of LTE access we cannot receive transmit the signal of CS In order to make the terminal in the LTE access to initiate voice service as well as to receive a voice paging and to handle the ongoing PS service correctly we produce the dual standby terminal solutions the technology of CSFB and Volte that is to say operator has a mature 2G 3G network Io order to protect the CS investment combined with EPS development strategy we can use original CS domain to provide voice service and only use the PS domain of LTE network to process data service So now how to provide voice call business over LTE system and the interoperability between LTE and 2G 3G system has become critical issue This paper discussed the necessity and the LTE voice service based on the LTE architecture and discusses the key technology of LTE including the OFDM MIMO technology then through the LTE voice service continuity problems analysis of the comparative analysis of dual standby terminal program CSFB and volte content network architecture and the key technology and the three schemes Finally through a CSFB test and the test is not switched on case analysis that CSFB could be used as a LTE deployment plan at the beginning of the transition volte is the ultimate voice solutions Key Words LTE the Dual Standby Terminal Solutions Circuit Switched Fallback Voice over LTE 目目 录录 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 1 LTE 语音业务研究背景 1 1 2 国内外研究现状 2 1 3 本论文研究内容 2 第第 2 章章 LTE 系统的原理系统的原理 3 2 1 LTE 系统的网络架构 3 2 2 LTE 系统的协议栈构架 5 2 3 LTE 系统的关键技术 6 第第 3 章章 LTE 语音业务解决方案研究语音业务解决方案研究 10 3 1 基于双待机终端方案 10 3 1 1 单卡多模双待方案技术架构 10 3 1 2 多模双待终端模式选择过程 11 3 1 3 多模双待终端业务过程 12 3 2 基于 CSFB 的方案 13 3 2 1 CSFB 语音呼叫流程 13 3 2 2 CSFB 回落方式分析 15 3 3 基于 VOLTE 的方案 17 3 4 LTE 三大话音方案比较 21 第第 4 章章 CSFB 测试未接通案例分析测试未接通案例分析 24 4 1 CSFB 典型事件 24 4 2 CSFB 呼叫流程及关键信令 25 4 3 CSFB 外场测试规范方法 26 4 4 CSFB 典型案例分析 27 第第 5 章章 总结与展望总结与展望 30 参考文献参考文献 31 2 40 致谢致谢 32 附录附录 主要英文缩写语对照表主要英文缩写语对照表 33 1 40 第第 1 章章 绪论绪论 随着移动通信技术的迅猛发展 无线移动通信系统呈现出数字化 宽带化和 分组化的发展趋势 随着 WiMAX 技术的崛起 3GPP 也开始了对 LTE Long Term Evolution 长期演进 的项目研究 从而实现 3G 技术到 B3G 和 4G 技术的 平滑过渡 LTE 的目标是能够实现更高的数据传输速率 更短的时延 更低的成 本 更高的系统容量以及改进的覆盖范围 LTE 发展初期 由于覆盖规模的限制和考虑到保护运营商先前的投资等原因 LTE 网络将会和 2G 3G 网络长期并存 当然语音业务依然会是各网络中的主要业 务 为了保证在 LTE 网络中也能进行语音业务并且保证用户网络和 2G 3G 网络 间切换时的业务的连续性 在现有网络基础上形成了三种不同的语音解决方案 基于双待机终端方案 CSFB 和 VoLTE CSFB 和 VoLTE 均为 3GPP 定义的 LTE 语音解决方案 VoLTE 需要终端 无线和核心网的全面支持和优化 从目前来看 实现难度较大 CSFB 是在产业界未实现 VoLTE 时提出的一种相对较为简单的语 音解决方案 1 本章介绍 LTE 语音业务研究背景作 随后分析国内外研究现状 最后阐述本 论文的研究内容 1 1 LTE 语音业务研究背景语音业务研究背景 语音业务是目前的移动通信系统中的主要业务 在未来的移动通信系统中仍 然扮演着很重要的角色 由于语音业务对时延的要求比较高 在目前的 3G 及其 以前的系统中 都通过电路域承载 利用专用资源 语音业务通过 IP 承载已经成 为发展趋势 在 LTE 系统中 只存在分组域 语音业务通过 VoIP Voice over Internet Protocol 网络电话 承载 VoIP 业务具有的特点 例如包比较小 为几 十个字节 包的到达间隔和包的大小基本上是固定的 如果针对 VoIP 业务的这 些小包采用动态调度方法 信令负荷会很大 在 LTE 系统中要达到一定的 VoIP 用户容量 需要减少开销 2 因此 提出了持续调度的方法 即为 VoIP 业务周期 性的持续分配 如何利用 VoIP 业务的特点进行有效的调度 保证 QoS Quality 2 40 of Service 服务质量 最大程度的减少信令开销 是需要研究的问题 1 2 国内外研究现状国内外研究现状 伴随着科技的发展 在 3G 与智能的结合尚未完全开花结果之时 4G 智能终 端的概念就被推出 有关 4G 的话题几年前就出现了 但一直以来很少有实质性的 进展 而当前 一些国家 4G 网络的日益完善 甚至在美国等一些发达国家已经 呈现出发展迅速的态势 业界存在 CSFB 单卡双待机 VoLTE 等多种 LTE 手机语音解决方案 CSFB 和双待机方案由 2 3G 电路域提供语音 VoLTE 方案由 LTE 分组域提供语 音 并通过 SRVCC 功能保证与 2 3G 话音平滑切换 目前业界主流 LTE 运营商选择部署 CSFB 为过渡语音方案 以回落 WCDMA 为主 包括 DoCoMo AT T VF 德国 葡萄牙 KT SKT 等 为 改善性能 DoCoMo 等运营商做了私有优化 美国 Verizon MetroPCS 已部署 LTE FDD CDMA2000 双待机方案 广东在 试点 2G TD 与 TD LTE 双待机方案 全球 VoLTE 量快速增长 SKT LGU 和 MetroPCS 已于 2012 年 8 月商用 VoLTE KT Verizon AT T NTT DoCoMo 等多家运营商也已制定了明确的 VoLTE 部署时间表 3 1 3 本论文研究内容本论文研究内容 本论文拟研究以下内容 1 LTE 系统的原理 包括网络架构和关键技术等 2 LTE 三大语音解决方案的研究 包括研究三种方案的呼叫流程 回落 方式以及三种语音方案的比较 3 通过 CSFB 测试案例研究了 CSFB 存在的问题 分析得出 CSFB 只能是 过渡方案 3 40 第第 2 章章 LTE 系统的原理系统的原理 第 1 章介绍 LTE 的业务研究背景 本章研究 LTE 系统的网络架构和协议栈 构架 分析 LTE 系统的关键技术 包括 OFDM 和 MIMO 这两种关键技术 2 1 LTE 系统的网络架构系统的网络架构 由于 LTE 不能支持 CS 域的语音业务 所以当发生语音业务请求时 LTE 网络 会通过 SGs 接口连接到 2G 3G 网络 从而发生语音回落 UE GERAN UTRAN MME SGSN MSC Serve r E UTRAN Uu Um LTE Uu Iu ps S1 MMEE GbIu cs A S3 Gs SGs 图图 2 1 LTE 网络与网络与 2G 3G 网络连接结构图网络连接结构图 LTE 网络与 2G 3G 网络连接如图 2 1 所示 图 2 1 给出了互联网络中的一些 主要节点和接口 包含移动用户 UE 各种无线接入技术 RAT 的空中接口 主要 的网络功能实体 以及功能实体间的连接接口 S3 SGs 4 图 2 1 中主要的功能实体包括 1 UE 用户设备 CSFB 要求 UE 能够同时接入 E UTRAN 和 GERAN UTRAN 的 CS 电路域 支持 EPS IMSI 的联合附着 更新 去附着 支 持 CS 域的语音和短消息业务 4 40 2 MME 移动性管理实体 支持 CS 域的多 PLMN 选择 无线接入选择 从当前小区的 TAI 得到一个 VLR 号码和 LAI 为 eNodeB 提供已登记了的 PLMN ID 对于 CSFB 可产生一个 TAI 表 维持 MSC VLR 与 EPS IMSI 的 SGs 连接 连接释放 当 UE 要进行 CS 域业务时 通过 eNodeB 发起寻呼程序 支持 SMS 过程 可以拒绝 CSFB 呼叫请求 3 MSC 移动交换中心 通过 MME 支持维持 EPS IMSI 之间的 SGs 连接 支持 SMS 过程 4 E UTRAN 演进的通用陆地无线接入网 E UTRAN 是 TD LTE 采用 的接入网架构 它对传统 3G 的网络架构进行了优化 采用简单的 扁平化的网 络结构 接入网仅包含基站 eNodeB 不再有 RNC eNodeB 具有独立的资源 管理功能 各个 eNodeB 之间通过直接的互联实现相互的协调与合作 支持 CS 域的寻呼请求 定向 UE 到目标 CS 域的小区并考虑从 MME 得到的已登记的 PLMN ID 和可能的 LAC 支持在位置区边界的合适的小区重选以降低跟踪区更 新量 允许选择目标回落 RAT 和频率 5 GERAN GSM EDGE 无线接入网 采用 EDGE 的无线传输技术 网 络组成与 GPRS 相同 能够提供更高的数据速率 比特率和频谱效率 它既能真 正实现快至 384kbit s 的速率 又能完全兼容现有的网络设备 充分保护运营商的 投资 6 UTRAN UMTS 陆地无线接入网 UTRAN 是一种全新的接入网 是 UMTS 最重要的一种接入方式 UTRAN 由 NodeB 和无线控制器 RNC 构成 NodeB 相当于 GSM 中的 BTS RNC 相当于 GSM 中的 BSC 可提供话音 数据 图像等多媒体业务 终端多种多样 实现全球无缝连接 5 7 SGSN GPRS 服务支持节点 SGSN 作为 GPRS TD SCDMA WCDMA 核心网分组域设备重要组成部分 主要完成分组域数据包的路由转发 移动性管 理 会话管理 逻辑链路管理 鉴权和加密 话单产生和输出等功能 除了上述功能实体外 在 LTE 中涉及的主要功能实体还包括 1 S GW 服务网关 用户 IP 数据包通过 S GW 转发 提供 E UTRAN 与 EPC 之间的路由 当用户在 eNodeB 之间移动 充当本地移动性管理实体 对 5 40 下行用户数据进行缓存 等待 MME 发起寻呼 建立无线承载 2 HSS HLR 归属用户服务器 存储用户的开户信息 QoS 配置和漫 游接入限制 存储用户可连接的 PDN 的信息 集成鉴权功能 2 2 LTE 系统的协议栈构架系统的协议栈构架 E UTRAN 的无线协议结构包括用户面和控制面两个部分 用户面的协议栈结构如图 2 2 所示 PDCP RLC MAC 和 PHY 子层在网络 侧都终止于 eNodeB 完成包头压缩 加密 调度以及 ARQ 和 HARQ 等功能 6 图图 2 2 用户面协议栈用户面协议栈 控制面协议栈结构如图 2 3 所示 各子层功能简单描述如下 PDCP 子层 网络侧终止于 eNB 完成加密和完整性保护等功能 RLC 和 MAC 子层 网络侧终止于 eNB 完成与用户面一样的功能 RRC 子层 网络侧终止于 eNB 完成广播 寻呼 RRC 连接管理 无线承 载控制 移动性等功能以及 UE 的测量报告和控制 NAS 控制协议 网络侧终止于 MME 负责 EPS 的承载管理 鉴权 安全控 制等 UEeNB PDCP RLC MAC PHY PDCP RLC MAC PHY 6 40 图图 2 3 控制面协议栈控制面协议栈 2 3 LTE 系统的关键技术系统的关键技术 1 OFDM 技术技术 OFDM 技术的主要思想就是在频谱内将给定信道分成许多正交子信道 在每 个子信道上使用一个子载波进行调制 其实现架构如图 2 4 所示 图图 2 4 OFDM 系统实现架构系统实现架构 UE NAS RRC PDCP RLC MAC PHY RRC PDCP RLC MAC PHY NAS MMEeNB 串并 变换 子载 波 映射 子载 波 均衡 并串 变换 IFFT 并串 变换 插入 CP 数模 转换 FFT 串并 变换 去掉 CP 模数 转换 信道 输入 输出 7 40 从图 2 4 可以看出 OFDM 系统是将数据符号调制在传输速率相对较低的 相互之间具有正交性的多个并行子载波上进行传输 这样 尽管总的信道是非平 坦的 具有频率选择性 但是每个子信道是相对平坦的 在每个子信道上进行的 是窄带传输 信号带宽小于信道的相对带宽 因此就可以大大消除信号波形间的 干扰 此外 由于该技术允许子载波频谱重叠 接收端利用各子载波间的正交性 恢复出发送的数据 因此 OFDM 系统具有更高的频谱利用率 7 同时 在 OFDM 符号之间插入循环前缀 可以消除由于多径效应而引起的符号间干扰 而 且能避免在多径信道环境下因保护间隔的插入而影响子载波之间的正交性 这使 得 OFDM 系统非常适用于多径无线信道环境 OFDM 信号频谱如图 2 5 所示 从图 2 5 可以看出 OFDM 信号的载波互相 重叠 说明其频谱利用率相当高 图图 2 5 OFDM 信号频谱图信号频谱图 OFDM 的优点如下 1 抗多径衰落的能力强 3 频谱效率高 3 OFDM 将信道划分为若干个子信道 而每个子信道内部可以认为是平 8 40 坦衰落的 4 可采用基于 IFFT FFT 的 OFDM 快速实现方法 5 在频率选择性信道中 OFDM 接收机的复杂度比带均衡器的单载波系 统低 OFDM 的缺点如下 1 对频偏和相位噪声比较敏感 2 峰值平均功率比大 3 小区间干扰严重 2 MIMO 技术技术 MIMO 技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线 使信号 通过发射端与接收端的多个天线传送和接收 从而改善通信质量 它能充分利用 空间资源 通过多个天线实现多发多收 在不增加频谱资源和天线发射功率的情 况下 可以成倍的提高系统信道容量 被视为下一代移动通信的核心技术 无线电发送的信号被反射时 会产生多份信号 每份信号都是一个空间流 使用单输入单输出 SISO 的系统一次只能发送或接收一个空间流 MIMO 允许 多个天线同时发送和接收多个空间流 并能够区分发往或来自不同空间方位的信 号 各天线技术原理如图 2 6 所示 包括单入单出 SISO 单入多出 SIMO 多出单入 MISO 多入多出 MIMO 图图 2 6 各天线技术原理图各天线技术原理图 SISO SIMO MISO MIMO 9 40 MIMO 系统原理框图如图 2 7 所示 在发射和接收端均有多根天线 图图 2 7 MIMO 系统原理框图系统原理框图 从图 2 7 可以看出 在发射端 输入的串行码流通过一系列预处理 调制 编码 加权 映射 转换成几路并行的独立子码流 通过不同的发射天线发送出 去 在接收端 利用不少于发送天线数目的天线组进行接收 并利用估计出的信 道传输特性与发送子码流间一定的编码关系对多路接收信号进行空域与时间域上 的处理 从而分离出几路发送子码流 再转换成串行数据输出 MIMO 技术分类如下 1 空分复用 工作在 MIMO 天线配置下 能够在不增加带宽的条件下 相比 SISO 系统成倍地提升信息传输速率 从而极大地提高了频谱利用率 在发 射端 高速率的数据流被分割为多个较低速率的子数据流 不同的子数据流在不 同的发射天线上在相同频段上发射出去 如果发射端与接收端的天线阵列之间构 成的空域子信道足够不同 即能够在时域和频域之外额外提供空域的维度 使得 在不同发射天线上传送的信号之间能够相互区别 因此接收机能够区分出这些并 行的子数据流 而不需付出额外的频率或者时间资源 8 空间复用技术在高信噪 比条件下能够极大提高信道容量 并且能够在 开环 即发射端无法获得信道 信息的条件下使用 2 空间分集 利用发射或接收端的多根天线所提供的多重传输途径发送 相同的资料 以增强资料的传输品质 3 波束赋型 借由多根天线产生一个具有指向性的波束 将能量集中在 欲传输的方向 增加信号品质 并减少与其他用户间的干扰 空 时 信 号 处 理 空 时 信 号 处 理 输入流输出流 多 径 信 道 10 40 第第 3 章章 LTE 语音业务解决方案研究语音业务解决方案研究 电信网络正经历巨大的变革时期 IP 多媒体业务直接挑战电信运营商的运营 角色和运营模式 运营商的语音收入将逐年减少 但是对用户而言 语音业务仍 将是 必须 的基本通信需求 并且根据预测到 2015 年 语音收入仍将占运营 商整体收入的 65 左右 因此 LTE 时代的语音解决方案无论对运营商还是用户都 十分重要 如何通过 LTE 提供语音业务以及实现 LTE 和 2 3G 网络的互操作已经 成为眼下全球运营商共同关注的热门话题 本章节主要研究 LTE 系统语音业务解决方案 包括双待机 CSFB 和 VoLTE 介绍各个方案的呼叫流程以及三种方案的优缺点 3 1 基于双待机终端方案基于双待机终端方案 3 1 1 单卡多模双待方案技术架构单卡多模双待方案技术架构 TD LTE TD SCDMA GSM GPRS 多模双待手持终端根据业务类型自动选 择不同的通信模块 语音业务选择注册 建立在 GSM GPRS TD SCDMA 双模 单待模块 数据业务优先选择注册 建立在 TD LTE 模块 若多模双待手持终端离 开 TD LTE 覆盖区 或 TD LTE 模式无法提供正常数据业务支持 则选择在 GSM GPRS TD SCDMA 双模单待模块注册 建立 重建数据业务 9 系统架构 如图 3 1 所示 图图 3 1 TD LTE TD SCDMA GSM GPRS 单卡多模双待技术架构 单卡多模双待技术架构 TD SCDMA GSM GPRS SIM TD LTE E UTRAN 接入网 EPC 核心网 Internet 传统 2 3G 接入网 传统 CS 域 核心网 PSIN PLMN 接入网 PS CS 11 40 图 3 1 的 SIM 卡与普通单模终端相同 双待的两个模式依据各自的流程操作 同一 SIM 卡的相应参数区 当两个模式同时操作 SIM 卡时 终端控制两个模块 顺序操作 避免冲突 当一个模式操作某参数区时 若该参数区为两个模式共享 参数区 终端能够控制一个模式的操作不影响另一模式下的数据 3 1 2 多模双待终端模式选择过程多模双待终端模式选择过程 终端开机后 同时启动 TD SCDMA GSM GPRS 和 TD LTE 两个模式分别 搜索网络 1 TD SCDMA GSM GPRS 模式的开机选网和注册流程与现在的 TD SCDMA GSM GPRS 双模单待终端一致 终端优先选择 TD SCDMA 网络 若 TD SCDMA 无法提供服务 按普通双模单待终端流程选择 GSM 网络 正常驻留 后 发起 CS 域注册流程 完成后进入 TD SCDMA GSM GPRS 待机状态 如 图 3 2 所示 图图 3 2 TD LTE TD SCDMA GSM GPRS 单卡多模双待开机流程 单卡多模双待开机流程 多模双待终端TD LTE 网络 TD SCDMA GSM GPRS 网络 开机 双待机 初搜 小区同步 接收广播 驻留 初搜 小区同步 接收广播 驻留 PS 域注册请求 CS 域注册请求 PS 域注册接受 PS 域注册完成 CS 域注册接受 CS 域注册完成 12 40 2 TD LTE 模式的开机选网流程与单模 TD LTE 终端搜网机制一致 选择 合适的 TD LTE 小区正常驻留后 发起 PS 域注册流程 完成后进入 TD LTE 待 机状态 PS 和 CS 域注册完成后 终端在 TD SCDMA GSM GPRS 模式和 TD LTE 模式同时待机 并分别依据 TD SCDMA GSM GPRS 双模单待终端和 TD LTE 终端的技术规范 完成两种模式空闲状态下的移动性管理 3 1 3 多模双待终端业务过程多模双待终端业务过程 TD LTE 正常待机状态下 终端优先选择在 TD LTE 模式上发起 PS 域数据业 务 业务保持过程中 若 TD LTE 网络覆盖不好或丢失覆盖 数据业务在 TD LTE 模式上中断 终端应将 PS 域转移到 TD SCDMA GSM GPRS 双模单待模 式上注册 成功后在该模式上重建 PS 域数据业务连接 同时 终端控制关闭 TD LTE 模式或进入慢搜索状态 如图 3 3 所示 图图 3 3 TD LTE TD SCDMA GSM GPRS 单卡多模双待终端数据业务流程 单卡多模双待终端数据业务流程 多模双待终端TD LTE 网络 TD SCDMA GSM GPRS 网络 双待机 PS 域数据业务建立和保 持 CS 域待机 PS 域数据业务中断 PS 域注册成功 PS 域数据业务重建和恢 复 小区搜索驻留成功 PS 域数据业务中断 PS 域注册成功 PS 域数据业务重建和恢 复 CS 域待机 13 40 从图 3 3 可以看出 TD SCDMA GSM GPRS 单待机状态 TD LTE 丢失 覆盖或无法提供正常 PS 服务 终端选择在 TD SCDMA GSM GPRS 双模单 待模式实现数据业务 业务保持过程中 若 TD LTE 网络恢复正常覆盖或服务能 力 终端应在现有网络完成业务或根据需要中断该数据业务连接 将 PS 域转移 到 TD LTE 模式上注册 成功后在 TD LTE 模式上重建连接 恢复该数据业务 因多模双待方案针对的 TD LTE 网络目前不支持语音业务 所有 CS 域业务 只能在 TD SCDMA GSM GPRS 双模单待模式上进行 业务流程及行为同普通 双模单待终端 3 2 基于基于 CSFB 的方案的方案 3 2 1 CSFB 语音呼叫流程语音呼叫流程 CSFB 技术中 在 LTE 和 2G 3G 的双覆盖区域 对话音 LCS 和补充业务 LTE EPC 网络能触发终端从 LTE 接入回退到 2G 3G 网络接入并进行 CS 业务 只有在 E UTRAN 与 UTRAN GERAN 的重叠区域 并且 UE 也具有 CSFB 功能的 时候 CSFB 技术才能使用 对于话音业务 在起呼的时候 UE 从 LTE 回退到 CS 域发起呼叫 终呼时 UE 在 LTE 网络收到寻呼 触发 UE 回退到 CS 网络 对短消息业务 UE 不需要回退到 CS 网络 在 LTE 下即可收发短消息 为支持 CSFB 功能 对于终端 MME MSC 以及 E UTRAN 都必须支持相 应的功能 具备 CSFB 能力的 UE 能接入 E UTRAN EPC 也能接入 GERAN UTRAN 的 CS 域 还支持联合附着 位置更新和去附着 以及语音的 CSFB 和短消息流程 MME 能够根据终端当前驻扎的 TAI 导出 LAC 或者配置 一个默认的 LAI 然后根据 LAT 导出 VLR 号码 对于联合的 EPS IMSI 附着的 终端 维护到 MSC VLR 的 SGs 连接 当 EPS 去附着的时候 触发 IMSI 去附着 当 MSC 通知要寻呼终端的时候 在 E UTRAN 里触发寻呼 并且支持短消息流 程 10 为支持 CSFB MSC 需要维护联合的 EPS IMSI 附着的终端到 MME 的 SGs 连接 并且支持 SGs 口下发 Page 消息和支持短消息流程 E UTRAN 能够发 送 CS 寻呼消息给终端 并引导终端到 CS 域 14 40 1 MO 语音呼叫流程 对于 MO 语音呼叫业务 用户会向 E UTRAN 网络发送 CS 业务请求 在 EPS 网络的帮助下完成目的小区选择 接入到 CS 域中完成后续 CS 业务 在此过 程中 eNodeB 可以通过 PSHO 和重定向方式将 UE 转移到目标小区 MO 的语音呼叫包括用户在空闲态和激活态下发起的呼叫 如果用户是空闲 状态 先要变成 EMM CONNECTED 激活状态 才能发起呼叫 基于 R8 重定向方式 CSFB 的 MO 呼叫流程如图 3 4 所示 图图 3 4 CSFB 的的 MO 呼叫流程呼叫流程 图 3 4 中 UE 通过 Extended Service Request 消息 NAS 消息 通知 MME 发起 CS 域业务 MME 通过 S1 AP Request 消息指示 eNodeB 触发 CSFB 过程 若 MME 支持 SGSNMSCMMERNCeNodeBUE 3 Optional measurement report S1 UE context release 5 LAU combined RAU LAU or RAU and LAU 6 CS call establishment procedure 1 Extended Service Request containing a CS Fallback Indicator 2 S1 AP Message with CS Fallback Indicator S1 AP Reponse Message 4 RRC Connection Release with UTRAN fequency 15 40 LAI 特性 则同时下发 LAI 给 eNodeB eNodeB 根据 UE 能力 配置参数及算法策略决定是否启动盲切换 eNodeB 在 RRC Connection Release 消息中携带一个目标 UTRAN 的频点 指 示 UE 进行重定向 并发起 S1 UE 上下文释放过程 UE 在目标小区可能发起 LA 更新 或联合的 RA LA 更新 或同时发起 LA 和 RA 更新 UE 在 UTRAN 小区发起 CS 域业务建立过程 2 MT 语音呼叫流程 MT CSFB 流程只比 MO CSFB 多了一个寻呼环节 MSC 收到对该 UE 的呼 叫时 通过 MSC MME eNodeB UE 的路径传递寻呼消息 如果当前 UE 处于 ECM IDLE 状态 则 MME 向 UE 发送 CS 寻呼消息 如果当前 UE 处于 ECM CONNECTED 状态 MME 通过 CS Service Notification 消息通知 UE UE 收到消 息后 向 MME 回 Extended Service Request 消息触发和执行 CSFB eNodeB 根据 MME 的指示帮助 UE 完成小区重选并指示 UE 通过 UTRAN GERAN 接入到 CS 域 UE 在 CS 与响应 MSC 的寻呼建立呼叫 3 2 2 CSFB 回落方式分析回落方式分析 1 CSFB 回落方式对比回落方式对比 评价一种 CSFB 方式优劣 需要考虑用户感知 呼叫建立可靠性以及网络复 杂度等多个方面 1 用户感知对比分析 对于 CSFB 技术来说 影响用户感知的主要是两个方面 呼叫接续时长和数 据业务终端时长 根据高通的 CSFB 技术白皮书提供的数据 在现网 3G 下 各 种 CSFB 方式接续时长的测试数据如表 3 1 所示 16 40 表表 3 1 各种各种 CSFB 接续时长测试结果接续时长测试结果 项目项目3G 基准PSHOR8 重定向R8 优化重定向R9 重定向 主叫时延主叫时延 秒秒44 46 94 94 5 增幅增幅 107 32313 被叫时延被叫时延 秒秒2 635 23 53 2 增幅增幅 151003523 数据业务中断时数据业务中断时 间间 秒秒 0 36 85 14 8 根据表 3 1 数据 PSHO 方式 CSFB 无论主叫还是被叫均能获得最短时长 而 R8 重定向方式则最长 在重定向方式中 R9 重定向方式性能最优 R8 优化 重定向方式其次 R8 重定向方式最差 2 呼叫建立可靠性对比 在 PSHO 方式下 呼叫建立的成功率与 PS 切换的成功率密切相关 如果 PS 切换失败将直接导致呼叫建立失败 在切换过程中 UE 测量信息结果是在 UE 尝 试接入网络之前 0 3 秒进行的 如果网络情况发生变化 很可能会导致切换失败 特别是在 UE 高速移动的时候尤为明显 而且在现网维护中 无论是同频切换还 是异频切换都存在较高的失败率 这也将导致呼叫建立的成功率进一步降低 因为基于重定向方式下 UE 在尝试接入指定小区之前才进行测量 基于重 定向的 CSFB 能够提供比基于切换的 CSFB 更高的呼叫建立的可靠性 根据高通 提供的测试数据 在现网 3G 网络进行的呼叫建立可靠性测试中 基于重定向方 式进行的 160 次呼叫中没有一次建立失败 根据高通搜集的数据 重定向方式的 呼叫建立成功率高于 99 而由于 PSHO 方式的使用时间问题 暂时还没有 PSHO 方式的呼叫建立成功率数据 3 网络复杂度分析 每种 CSFB 方案由于涉及网元不同而需要对现网进行改造的量也不同 表 3 2 是 4 种 CSFB 的改造范围以及产业支持情况 17 40 表表 3 2 改造范围及产业支持情况改造范围及产业支持情况 回落方式回落方式复杂度复杂度涉及改造网元涉及改造网元产业支持产业支持 R8 重定向最简单 目前广泛部署的主流 方案 实现简单 性 能尚可 R9 重定向网络侧需要支持 RIM 流程 需现网 LTE 同覆盖区 及边界 RNC SGSN 改造支持 RIM 流程 多数运营商计划部署 的优化方案 实现代 价较大 性能好 R8 优化重定向 需要网络和终端支持 deferred SIB11 12 不采用 DMCR 时对 网络无改造 需终端 支持 采用 DMCR 需要 RNC 支持 高通及海思芯片已支 持 部分厂商网络不 支持 DMCR PSHO 流程复杂 现网 LTE 同覆盖区及边界 BSC SGSN 均需改造 改造难度大 需要终端 RNC 和 SGSN MME 支持 运营商部署较少 2 结论结论 CSFB 技术只是在未实现 VoLTE 前的一种过渡方案 一旦 IMS 网络建成 就可以采用 SRVCC 来实现 LTE 网络与 2G 3G 系统间的语音连续 此时 CSFB 将 仅提供国际漫游支持 因此 选择采用哪种回落方式需要综合考虑用户感知 可 靠性以及建设成本问题 根据这一原则 建议优选 R8 重定向方式 虽然这种方 式在用户体验方面略有不足 但它的特点是部署快 对现网改造小 而且网络之 间优化简单 维护和建设成本最低 3 3 基于基于 VoLTE 的方案的方案 1 VoLTE 介绍介绍 VoLTE 是基于 IMS 的语音业务 IMS 由于支持多种接入和丰富的多媒体业 18 40 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 VoLTE 即 Voice over LTE 它是一 种 IP 数据传输技术 无需 2G 3G 网 全部业务承载于 4G 网络上 可实现数据与 语音业务在同一网络下的统一 11 换言之 4G 网络下不仅仅提供高速率的数据 业务 同时还提供高质量的音视频通话 后者便需要 VoLTE 技术来实现 VoLTE 技术带给 4G 用户最直接的感受就是接通等待时间更短 以及更高质 量 更自然的音视频通话效果 VoLTE 与 2G 3G 语音通话有着本质的不同 VoLTE 是架构在 4G 网络上全 IP 条件下的端到端语音方案 VoLTE 相较 2G 3G 语音通话 语音质量能提高 40 左右 因为它采用高分辨率编解码技术 VoLTE 为用户带来更低的接入时延 拨号后的等待时间 比 3G 降 50 大概在 2 秒 左右 而 2G 时代在 6 7 秒 此外 2G 3G 下的掉线率时有发生 但 VoLTE 的 掉线率接近于零 2 VoLTE 系统架构系统架构 VoLTE 解决方案中 实现 VoIP 语音业务时 除了由 EPS 演进的分组系统 LTE 和 EPC 合起来称为 EPS 系统提供承载 由 IMS 系统提供业务控制外 通 常还要由 PCC 架构实现用户业务 QoS 控制以及计费策略的控制 VoLTE 业务的 典型系统架构如图 3 5 所示 图图 3 5 VoLTE 网络架构网络架构 UEeNodeB B S P GW MME MM Tel AS I S CSCF P CSCF PCRF HSS Sh ISC Cx Mw Rx SGi 英英 文摘文摘 要要 声 明 摘要 正文 后记 等部 分的 正文 一律 采用 宋 体 小四 号 字 西文 文字 或字 符采 用 编 页 码 应应 西西 文文 文文 字字 采采 用用 N e w Ti m es R o m an 小小 四四 号号 字字 1 5 倍倍 行行 距 距 段段 首首 缩缩 进进 2 字字 符符 英英 文文 间间 的的 标标 点点 符符 号号 统统 一一 用用 半半 角角 字字 符 符 并并 在在 标标 点点 符符 号号 后后 加加 一一 空空 格格 MME S11 S6a S1 U e Uu 19 40 图 3 5 中主要包括 UE eNodeB MME S GW P GW HSS PCRF IMS 域 P CSCF I CSCF S CSCF AS MM Tel AS 等 网元 IMS 域主要完成 CSCF 呼叫控制等功能 支持基于 ISIM 的鉴权 信令的 IPSec 保护 Tel URI 和 SIP URI 信令压缩 MMTtelAS 支持类似 GSM 的多媒 体电话补充业务 EPC 域主要包括 MME S GW P GW HSS 等网元 除了基本的 EPC 相关 功能之外 还需要额外支持 IMSAPN 初始附着的信令承载建立 P CSCF 发现 以及信令和 GBR 承载丢失的处理等功能 12 PCRF 策略和计费规则功能 主要完成策略控制决策和基于流进行计费控 制的功能 eNodeB 主要负责 RRM 无线资源管理 功能 IP 头压缩及用户数据流加密 UE 附着时的 MME 选择 寻呼信息的调度传输 广播信息的调度传输 以及设 置和提供 eNodeB 的测量等 3 VoLTE 呼叫流程呼叫流程 这个方案是最接近 ICS 架构的方案 不管 VoLTE 用户在 IMS 域或 CS 域接 入 其业务域总在 IMS 域中 CS 域的业务功能基本放弃 只做呼叫接续之用 VoLTE 呼叫流程如图 3 6 所示 UE AMSC ServerMGWS CSCFSCC ASUE B 1 CS call setup 2 INVITE 3 INVITE 4 INVITE 5 INVITE 6 Completion of Session Setup Procedures CS domain bearerIMS bearer 20 40 图图 3 6 VoLTE 呼叫流程呼叫流程 图 3 6 中 SCC AS Service Centralization and Continuity Application Server 是 3GPP 在 ICS SRVCC 架构中提出的 提供会话转移 Session Transfer 功能 以及域选择功能 图 3 6 中各步骤如下 1 UE A 发起 CS 呼叫消息 包括被叫 UE B 的号码 发给 ICS 增强的 MSC Server 2 MSC 发 SIP Invite 消息给 S CSCF 3 S CSCF 执行标准的业务控制过程 S CSCF 按 IFC 规则触发到 SCC AS 4 SCC AS 作为 B2BUA 网元 发起一个新的 SIP 呼叫到 S CSCF 5 S CSCF 继续标准的主叫侧 IMS 会话处理 路由请求到 B 侧的 IMS 网 络 6 会话建立成功 4 VoLTE 关键技术关键技术 VoLTE 语音解决方案的核心思想是采用 IMS 系统作为业务控制层 EPC 仅 作为承载层 借助 IMS 系统 不仅能够实现语音呼叫控制等功能 还能够合理 灵活地对多媒体会话进行计费 运营商可以基于用户的 QoS 针对用户业务的不 同内容 比如 是 VoIP 会话还是一次网页浏览或者是一条即时消息等 提供不 同的资费标准 另外 IMS 定义了为业务开发商使用的标准接口 通过这些接口 使得运营商能够在多厂商环境下提供业务 避免绑定在单一厂商来获取新业务 VoLTE 是全 IP 条件下端到端语音解决方案 涉及终端 无线 PS 分组域 IMS IP 多媒体子系统 CS 电路域 各技术领域 旨在提供和电路域话音相 媲美的语音业务 采用 VoLTE 语音解决方案 对终端域 无线域和核心网分别 有如下要求 核心网需要全面部署 IMS 系统 IMS 域需要提供 CSCF 等呼叫控制以及 HSS MMTelAS 和 IP SM GW MGCF IBCF TrGW 等互通功能 需要引入 LTE 21 40 的设备 S P GW MME 以及为 VoLTE 提供承载通道和 QoS 控制能力 终端域需要支持 VoLTE 相关特性 包括 RoHC 鲁棒头压缩 RLCUM 无 线链路连接非确认模式 以及 LTEDRX 非连续接收 等功能 无线域需要引入 LTE 的设备 eNodeB E UTRAN 5 VoLTE 演进的相关技术和策略演进的相关技术和策略 任何一个新网络的部署 都不能做到一蹴而就 LTE 网络也一样 很难在 短时间内达到全面覆盖 因此在很长一段时间之内 会存在 LTE 网络以及传统的 2G 和 3G 网络共存的情况 13 在 LTE EPC 网络发展过程中 可能会出现 LTE EPC 网络在部分地区能够提