VoLTE原理及关键技术_V5.1.1.ppt

VoLTE原理及关键技术,DTM.PX3.016.124v5.1.0,了解LTE语音解决方案熟悉VoLTE的原理熟悉VoLTE的关键技术了解VoLTE的测试方案和结果,3GPPTS23.216:SingleRadioVoiceCallContinuity(SRVCC)TS24.147:ConferencingusingtheIPMultimedia(IM)CoreNetwork(CN)subsystem;TS24.173:IMSMultimediatelephonycommunicationserviceandsupplementaryservices;VoLTE技术白皮书(2013),2,VoLTE原理及关键技术,1.VoLTE概述,2.VoLTE原理,3.VoLTE关键技术,3,4.VoLTE测试,LTE语音解决方案,1VoLTE概述,4,VoLTE即VoiceoverLTE，它是一种IP数据传输技术，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，通过VoLTE技术4G网络除了能提供高速率的数据业务，同时还能提供高质量的音视频通话。而且与目前2G、3G网路下打电话相比，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是中国移动“三新”新通话、新消息、新联系的核心。,VoLTE标准演进,1VoLTE概述,24,3GPP：主要制定VoLTE网络技术方案，通过R8到R10的标准化工作，和IMS网络相关的技术标准已基本成熟，能够满足业界部署需求。GSMA：主要制定VoLTE国际运营相关的需求，对于国际漫游和互通的相关需求也基本确定。,5,基于IMS语音业务，是架构在LTE网络上全IP条件下的端到端语音解决方案,VoLTE通过IMS实现呼叫控制等功能，并和EPC、电路域配合提供语音连续性功能,VoLTE技术架构,1VoLTE概述,6,VoLTE技术架构,升级扩容IMSCore，以支撑VOLTE,改造支持eSRVCC功能,融合的数据库,支持IMSAPN、QoS保证、eSRVCC等,VoLTE的QoS控制,4G：TTIBundling,RLC分片，ROHC头压缩，半静态调度等,支持IPv6/IPv4双栈,计费、业务发放系统的改造,网元信令互通,可灵活扩充配置的业务平台,新建VoLTEAS等业务平台。,VoLTE业务特性,1VoLTE概述,8,1/10,10X,2X,话音质量,3X,频谱效率,呼叫时延,视频质量,1VoLTE概述,9,全IP低成本高清语音视频频谱利用率高，容量大业务灵活扩展接续时延低融合通信未来趋势,VoLTE业务特性,4,Qos保障,1,2,3,5,半持续调度,IP头压缩,核心特性,关键技术,VoLTE核心特性与关键技术,1VoLTE概述,10,TTIBundling,VoLTE原理及关键技术,VoLTE概述,VoLTE原理,VoLTE关键技术,11,4.VoLTE测试,HDVideo/H.264,HDVoice/AMR-WB,eSRVCC,VoIMS/SIP,VoLTE原理,2VoLTE原理,12,IMS系统架构,2VoLTE原理,IP基于IP的传输基于IP的会话控制基于IP的业务实现Multimedia语音、视频、图片、文本等多种媒体的组合多种接入方式、各种不同能力的终端Subsystem基于现有网络技术和设备，最大程度重用现有网络系统无线网络将PS/GPRS网络作为承载网络固定网络将固定接入IP系统作为承载网络,主要网元及功能,2VoLTE原理,主要网元及功能,2VoLTE原理,CSCF功能会话控制和路由CSCF是IMS系统的呼叫控制核心，它的主要作用是在IP传输平台上实现多个实时业务的分发，具有中心路由引擎、策略管理和策略执行功能。P-CSCF（代理会话控制）连接UE和IMS网络的入口节点所有UE的SIP信令都要通过P-CSCF将终端的请求路由到正确的I-CSCFI-CSCF（查询会话控制）查询HSS为用户分配提供服务的S-CSCF将其他网络传来的SIP请求路由到S-CSCFS-CSCF（业务会话控制）SIP信令中心节点。IMS用户注册认证鉴权，通过HSS使注册请求生效进行业务触发，控制已注册的会话，与业务层交互,主要网元及功能,2VoLTE原理,HSSSLF用户数据管理HSS的功能（类似于HLR）记录每个IMS用户的用户信息和业务数据：用户号码、地址信息；认证和授权的安全信息用户签约的业务触发规则和业务触发逻辑SLF功能域内存在多个HSS时，选择用户数据存储的HSS单一HSS环境下不需要SLF,主要网元及功能,2VoLTE原理,MRF（媒体资源功能）的功能MRFC(多媒体资源控制器)IMS域内部的媒体资源控制通过H.248协议来控制MRFP中资源的控制与S-CSCF互通，间接受AS控制MRFP(多媒体资源处理器)实现所有与多媒体相关的功能多媒体业务的播放、混合、解析处理,IMS系统架构,2VoLTE原理,AS应用服务器业务逻辑处理,IMS系统架构,2VoLTE原理,BGCFMGCF互通功能BGCF（BreakoutGatewayControlFunction）IMS域与外部网络的分界点将用户的会话路由到正确的传统语音网络与本网用户互通，选择能路由至被叫网络的MGCF与其他运营商互通，选择与其他运营商的BGCF互通MGCF（MediaGatewayControlFunction）实现IMS域与CS域控制面信令的互通将SIP协议映射成在IP上承载的传统信令通过H.248控制IM-MGW完成CS域与IMS域用户面的实时转换IMMGW（IMS-MediaGatewayFunction）完成IMS与CS域用户面媒体的变换提供编解码、回声消除、通知音、DTMF、会议桥等资源,IMS系统架构,2VoLTE原理,IMS网络中其他网元PDF(PolicyDecisionFunction)&PEP(PolicyEnforcementpoint)：策略决策功能(PDF)：PDF完成基于策略的业务控制和QOS控制，完成与AS以及策略信息库的查询交互等功能；策略执行点(PEP)：接受QoS参数，完成QoS资源的控制处理，为IMS业务提供QoS保证。DNS、ENUMServer：DNS(DomainNameSystem)服务器负责URL地址到IP地址的解析。ENUM(E.164NumberURIMapping)服务器负责电话号码到URL的转换。NAT/ALG设备：为企业IP私网内的SIP终端进行安全保护。对IMSSIP信令地址及SIP信令所包含的SDP地址信息进行解析，从而实现SIP控制面UDP/IP公私网地址及相应承载面RTP/IP公私网地址变换。,2VoLTE原理,SIP信令,SIP信令,2VoLTE原理,SIP(SessionInitiationProtocol会话初始协议)基本概念SIP协议是互联网行业标准组织IETF提出的，是一个应用层的信令控制协议，用于创建、修改和释放一个或多个参与者的会话。会话包括文本，视频，游戏和传统的语音与HTTP协议一样是基于文本的，广泛应用于internet基于请求/响应机制可使用UDP、TCP和SCTP传输，目前最常用UDPVOLTE中IMS对会话的管理全部通过SIP消息完成，VOLTE选择了SIP协议，最主要的原因就是免费。SIP消息可以被分为两类请求信息发起一个会话响应信息对请求的响应,SIP信令,2VoLTE原理,SIP信令,2VoLTE原理,SIP消息基于文本包含3部分Start-Line首行Header头域Body消息体,SIP信令,SIP信令侧注册流程,注册过程中各主要网元的功能见下表,SIP信令侧注册流程,空口信令侧注册流程,28,注销流程和注册流程一样，唯一的区别就是用户发起的Register消息中的Expires头域或参数的值是否为0。如果为0表示注销，否则就是注册或重注册。,SIP信令侧注销流程,2VoLTE原理,IMS侧呼建流程,IMS到IMS,SIP信令侧呼建流程,被叫QCI=1建立,主叫QCI=1建立,协商SDP信息,大部分终端省略此PRACK和200OK来节省时延,SIP信令侧呼建流程-空口侧呼建流程,2VoLTE原理,SIP信令侧呼建流程,2VoLTE原理,34,被叫涉及“域选择”原则：为了保护运营商投资，保证终端用户顺利过渡到VOLTE的使用。IMS域与CS域将处于长期共存状态。,IMS侧呼建流程,2VoLTE原理,35,VoLTE手机既可以在电路域使用语音业务，也可在IMS域（LTE承载）使用语音业务，且使用同样的号码，因此存在“被叫接入网络选择（T-ADS）”问题，即网络如何识别用户当前的驻留网络，接续到该用户。目前国际标准默认IMS统一做域选择，所有会话统一锚定到IMS域判断用户可在哪个域接听呼叫。,IMS侧呼建流程,2VoLTE原理,36,SCCAS查询HLR/HSS，获取T-ADS信息SCCAS确定呼叫选择IMS域,呼叫从IMS网络发起,TADS选择IMS,IMS侧呼建流程,2VoLTE原理,37,呼叫从IMS网络发起,TADS选择CS,SCCAS查询HLR/HSS，获取T-ADS信息SCCAS选择CS域，通过UDR查询HLR/HSS获取CSRN(HLR使用PRN获取MSRN),1.Invite(MSISDN),CSNetwork,IMSNetwork,IMS侧呼建流程,域选择TADS原则,2VoLTE原理,38,HSS综合考虑用户当前附着的网络、网络侧支持VoLTE的能力等因素，向AS返回域选择结果。,IMS侧呼建流程,2VoLTE原理,终端有卡时，默认用户已经进行EPC正常附着用户发起紧急呼叫时，终端建立紧急PDN连接，之后发起紧急注册和呼叫,IMS用户紧急呼叫流程,SRVCC（SingleRadioVoiceCallContinuity）：主要解决当单射频UE在LTE网络和2G/3G网络之间移动时，如何保持语音业务连续性的问题，也就是单射频UE在IMS控制的VoIP语音和CS语音之间无缝切换。考虑到网络运营及用户的体验，SR-VCC应遵循以下基本原则：(1)业务中断时间不超过300ms(2)应能够与DR-VCC方案完全兼容(3)尽量避免升级或修改传统的2G/3G网络,双射频(DR)模式是在VCC切换的过程中，UE能同时在源网络和目标网络接收和发送数据。单射频(SR)模式是假设UE在一个时间点只能接收一个载频的无线信号。,SRVCC概述,2VoLTE原理,23,2VoLTE原理,SRVCC关键技术点：1.在MSCServer和MME之间定义Sv接口，提供异构网络间接入层切换控制2.通过设置IWF互通网元，终结Sv接口，避免对原有电路域设备的改造3.IMS网络作为会话锚定点，统一进行会话层切换，保证会话跨网切换的连续性,在LTE覆盖范围内通过IMS提供VoIP语音，IMS提供呼叫控制及后续的切换控制在用户通话过程中移出LTE覆盖范围时，IMS作为控制点与CS域交互，将原有通话切换到CS域，保证语音业务连续性,25,SRVCC概述,SRVCC流程及性能,2VoLTE原理,EPC,2G/TD,SRVCCeMSC,MGW,MME,SAE-PGW,HSS,CS,Sv,MGCF,SCCAS,IMS,CSCF,MGW,MSCS,LTE,远端IMS终端,1.SRVCC终端发起向另一IMS终端的语音呼叫,信令,媒体,2.呼叫成功，媒体连接建立，双方进行通话,3.用户离开LTE覆盖，发生SRVCC切换,SAE网络通知SRVCCMSC准备切换，MSC完成预留资源,4.通知终端切换到2G/TD，切换过程中语音发生中断，中断时间T1约为200ms,5.SRVCCMSC发起远端媒体更新，通知远端IMS终端通过SRVCCMSC接收和发送语音,6.远端IMS终端将媒体连接切换至SRVCCMSC,7.从SRVCC终端切换到2G/TD到远端IMS终端切换媒体连接完成，这段时间语音将发生中断，中断时间T2约为800ms左右（如果远端终端处于漫游中，这段时间还会更长）,SRVCC,26,2VoLTE原理,通过拜访地增加锚定节点，缩短媒体更新路径，eSRVCC实现了不超300ms的切换性能要求：信令面在用户所在本地网络锚定，媒体面切换也在本地进行，不需要通知远端切换媒体面，通常不超过100ms，避免了可能的语音中断（约800ms），空口切换带来的语音中断无法避免（约200ms）,新增锚定点,方案基于IMS锚定，在SBC内增加SIP信令锚定点ATCF和媒体锚定点ATGW。ATCF和ATGW均为逻辑功能实体，可以和P-CSCF、IBCF和MSCServer等功能进行合设ATCF在注册和会话发起阶段均处于SIP信令路径中，并控制ATGW对媒体面进行锚定当发生SRVCC切换时，ATCF控制ATGW将媒体面切换到MGW上，其余媒体面保持不变,27,eSRVCC流程及性能,SRVCC流程（fromE-UTRANtoGERANwithoutDTMsupport）,移动规范要求与版本支持情况,语音+数据混合业务时，要求只开启对语音业务目标网络的测量，而不开启对数据业务目标网络的测量当存在VoLTE业务时，终端不支持SRVCC时，由运营商选择VoLTE按一般数据业务处理（重定向到3G）还是语音业务处理（重选到2G）当语音业务与数据业务并存时系统间切换处理策略保障语音业务体验,SRVCC演进,2VoLTE原理,SRVCC相关参数配置,2VoLTE原理,SRVCC演进,rSRVCC,实现锚定与IMS的语音呼叫从CS到PS接入网切换的增强SRVCC技术。支持场景：fromUTRAN/GERANtoE-UTRAN.fromGERANtoUTRAN(HSPA),2VoLTE原理,SRVCC演进,2VoLTE原理,PCM（PulseCodeModulation）脉冲编码调制采样：将话音、图像等模拟信号每隔一定时间进行取样量化：将抽样值按分层单位四舍五入取整量化转制：将量化值赋予一个十进制数字代码、区分正负，转成二进制码系统,采样带宽越大越接近原声采样频率越高越接近原声量化转制编码率越高越接近原声,AMR-WB,AMR-WB,2VoLTE原理,使用AMR-WB+，语音带宽范围：2015000Hz，采样频率为1648KHz，混合的ACELPTCX编码模型。,AMR-WB,2VoLTE原理,AMR-WB,2VoLTE原理,AMR-WB,2VoLTE原理,无线资源是宝贵的，VOLTE语音要接近原声，也要考虑无线带宽占用情况。语音包的传输基于RTP协议：带宽占用传输的总字节数/传输的总时间（打包时间）RTP包的传输，计算传输总字节数时，需要考虑报头封装。一个语音包的实际大小计算方式为：IPHeader(20Byte)+UDPHeader(8Byte)+RTPHeader(12Byte)+Payload(数据)语音变成RTP包，打包时间，是影响端到端时延这一客户感知的关键因素。打包时间越短则会产生一下情况：坏处：包太多，会导致服务器负荷过高；包头和相关的控制位消耗太多的带宽；好处：消除了打包可能造成的时延和丢包对语音音质的影响。打包时间越长，所占用的实际带宽越小，但时延越大。针对报头封装，VOLTE推出头压缩技术。针对打包时延，VOLTE推出半持续性调度技术。,H.264,2VoLTE原理,依据GSMAIR94国际标准建议，VoLTE视频通话将采用H.264编解码,视频通话,中国移动VoLTE技术白皮书中要求VoLTE业务功能要求支持H.264VGA30fps编解码目前VoLTE视频通话业务策略推荐支持720P30fps,H.264是国际标准化组织（ISO）和国际电信联盟（ITU）在继MPEG4之后共同提出的新一代数字视频压缩格式。有以下优势，更能适应多变的无线网络传输环境，节省无线网络资源。,VoLTE原理及关键技术,VoLTE概述,VoLTE原理,VoLTE关键技术,54,4.VoLTE测试,TTIBundling,头压缩,半持续调度,QoS保障,VoLTE关键技术,3VoLTE关键技术,55,VoLTE关键技术,3VoLTE关键技术,视频电话QCI5QCI1QCI2QCI8/9,语音电话QCI5QCI1QCI8/9,QoS保障,3VoLTE关键技术,57,QoS保障,3VoLTE关键技术,标准定义的QCI参数,58,VOLTE采用双APN（数据APN+语音APN）：语音APN的默认承载qci=5，数据APN的默认承载qci=9.,QoS保障,3VoLTE关键技术,59,LTE附着-2个APN建立,60,2个默认承载的建立对比,QoS保障,3VoLTE关键技术,61,半持续调度,3VoLTE关键技术,62,TransientState,TalkSpurt,SilentPeriod,TalkSpurt,20ms,160ms,SIDFrame,半持续调度,3VoLTE关键技术,63,根据VOIP业务模型的频域（PRB）和时域（周期）参数，配置SPS调度资源。LTE系统中上下行控制区域CCE个数受限于系统带宽，SPS调度时不需要每个TTI都发送PDCCH，减少了对CCE的占用。减少了控制信道的资源开销，提高了系统用户的容量。信令开销资源最低可仅为业务的1.3%。,功能,激活期/静默期识别：根据160ms内的业务包数。语音激活期激活SPS资源，语音静默期去激活SPS资源。根据VOIP业务类型选择合适的PRB/TBS资源，激活SPS。语音编码率识别：窄带语音12.2k：净荷32字节宽带23.85k：净荷62字节SPS激活后每次SPS传输不需要再发送PDCCH，节省控制区资源。只能使用16QAM（MCS15），在好点频谱效率低于动态调度。SPS作为特殊元素调度，不进行优先级排队：包括半持续首次激活、半持续周期生效点的调度、半持续释放（不包括半持续的动态调度和重传调度）。对于激活期语音包的重传，和静默期SID包的重传，均使用动态调度为其分配PRB资源。如果由于头压缩率的调整导致数据包变大，则对该数据包分段发送，剩余部分通过动态调度发送。,策略,3VoLTE关键技术,根据160ms时间窗内收到的数据包数，控制静默态和激活态之间的转换。如果在160ms内收到3个或者以上（数量可以配置）VOIP语音包，认为VOIP进入激活期如果在160ms内收到语音包不超过2个（数量可以配置），认为VOIP进入静默期。eNB通过以SPS-C-RNTI掩码的PDCCH指示UE进行上行/下行半静态调度资源的释放，并对PDCCH的格式做出了相应的规定。释放成功后UE需向eNB进行ACK/NACK的反馈。下行采用显式方式激活和去激活上行采用显式方式激活，采用显式或者隐式的方式去激活显式：通过PDCCH的DCI控制。隐式：RRC中定义了信令参数implicitReleaseAfter，UE没有收到eNodeB的释放指令，但在定义的implicitReleaseAfter的SPS传输上，UE没有任何数据发送。那么UE会自动停止SPS的传输，释放SPS资源。,静默期与激活期的转化,3VoLTE关键技术,半持续调度,3VoLTE关键技术,上行冲突解决方案,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双周期的SPS启用后，SPS的周期将变为（T1，T2，T1，T2）的形式。其中T1=SPSperiodicity+subframe_offsetT2=SPSperiodicitysubframe_offset根据Subframe_Offsetvalues获悉2DL:2UL时为19ms和21ms，3DL:1UL时为25ms和15ms,减少报头开销语音包头开销：RTP开销占12Byte，UDP头开销占8Byte，IP层的IP头开销占20Byte（IPv4）/40Byte（IPv6）。ROHC头压缩后IP+UDP+RTP头开销4Byte左右。以12.2k语音为例，头压缩前60+32=92字节，压缩后4+32=36字节，压缩率为60%。,实现策略只对用户面的数据执行头压缩；可以分承载配置是否打开头压缩：默认头压缩仅针对QCI=1语音承载开启；对于视频通话业务中QCI=2的视频承载默认不开启；,IP头压缩,3VoLTE关键技术,67,头压缩算法提高了空口资源的利用率,头压缩流程,IP头压缩,3VoLTE关键技术,68,在某些小区边缘，覆盖受限的情况下，UE由于受到发射功率的限制，在1ms内，可能无法满足数据发送的BLER要求，大量重传会导致时延，使得语音用户体验感知变差。UE在连续多个TTI（协议规定为4个）上传输固定数目的数据，不需要等待HARQ进程。从而降低了分片带来的系统头开销和丢包出错的概率。,TTIbundling的必要性,TTIBundling,3VoLTE关键技术,eNB,小区边缘用户,69,对于上行的连续TTI进行绑定，分配给同一UE，这些上行的TTI中，发送的是相同内容的不同RV版本。TDDconfiguration0/1/6，才支持TTIbundling。对于其它4种TDDconfiguration，由于一个系统帧内的上行子帧数小于4个，所以不支持TTIbundling使用8天线可以有效提升上行性能，正常按照数据业务做的网络规划可以满足VoLTE的要求，因此基本不需要开启TTIbundling。主要应用于FDD2天线。考虑重传情况下，TDD增益仅为2dB，性能增益有限，但控制信令节省开销。TDD下，不能和SPS同时开启，根据上行信道质量自适应。,TTIBundling功能,TTIBundling,3VoLTE关键技术,提高数据解码成功的概率，提高上行34dB的SINR提升30%上行覆盖范围,70,VoLTE原理及关键技术,VoLTE概述,VoLTE原理,VoLTE关键技术,71,4.VoLTE测试,测试方法,4VoLTE测试,统计项,峰值容量进展,测试指标进展,呼叫体验进展,VoLTE测试,4VoLTE测试,73,4VoLTE测试,74,VoLTE统计项,4VoLTE测试,75,版本升级后数据,移动集团公布去年1112月各厂家VOLTE测试进展如下表，整体来看接通率、掉话指标不及3G语音指标。从集团公布的指标来看，大唐在语音接通率指标及接入时延上排名倒数，在版本升级后，接通率和接入时延有了很大改观。,VoLTE测试指标进展,4VoLTE测试,76,大唐20M峰值容量测试中平均达到了208个用户，友商可达206用户；最大用户时mos值几乎一样都在3.6随着用户数递增，各厂家抖动和端到端时延都在递增；随着用户数递增，下行丢包率也在上升；随着用户数递增，大唐PUSCH资源利用率由36%升至51%，PDSCH和PDCCH利用率变化不大；但是友商PUSCH资源利用率上升很大由67%至91%,VoLTE峰值容量,VoLTE呼叫体验-MOS（MeanOpinionScore）,优秀(excelent)很好，听的清楚，延迟很小，交流流畅,良好(good)稍差，听的清楚，延迟小，交流欠缺顺畅，有点杂音,一般(fair)还可以，听不太清，有一定延迟，可以交流,差(poor)勉强，听不太清，延迟较大，交流重复多次,很差(bad)极差，什么都听不到,通过一个语音盒单元将主、被叫手机相连。被叫手机端发一个标准的声音波形，经过网络达到主叫手机，测试软件对收到的波形与发出的波形进行比较、计算后得出MOS值(POLQA)。,用户感知,4VoLTE测试,77,VoLTE呼叫体验-影响MOS的因素,4VoLTE测试,78,4VoLTE测试,79,VoLTE语音呼叫不论在好/差点，MOS值均在3.5以上，能够提供高品质的通话质量。VoLTE拨打2G和CSFB通话时，相比VoLTE互拨，MOS值下降1左右，主要由于和2G端不支持AMR-WB，所以通话将协商成AMR-NB，语音质量略低；另外，由于VoLTE采用POLQA算法（48k）打分，比2/3G采用的PESQ算法（8k）更为严格，因而2G分数较低。静止状态下，VoLTE语音呼叫建立时延在2.9s左右，视频呼叫建立时延为4s左右，用户体验良好；VoLTE拨打2G时，平均呼叫建立时延约56s左右（跨网元更多，寻呼时间更长），相比2G打2G减少2s左右；VoLTE拨打CSFB平均时延约7s，等于在2G的呼叫建立时延上增加1s的“被叫回落2G”时间，符合预期；,VoLTE呼叫体验,与OTT语音MOS对比测试,在网络资源不受限情况下，OTT语音、QCI9语音的话音质量略低于QCI1承载的话音质量。在网络资源受限情况下，QCI1承载的标清和高清话音可以被优先调度，从而可以保证话音的MOS质量，而QCI9承载的话音及OTT业务由于调度资源不能被保证，导致MOS质量大幅下降