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CM-IMS帶動(dòng)語(yǔ)音進(jìn)入LTE時(shí)代

2010/06/30

　　摘要：語(yǔ)音業(yè)務(wù)在移動(dòng)通信中占有重要地位，當LTE系統部署時(shí)，移動(dòng)運營(yíng)商需要支持語(yǔ)音業(yè)務(wù)在LTE和目前已有的2G/3G系統之間保持連續性。目前，針對LTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)的互操作，基于IMS網(wǎng)絡(luò )和SRVCC方案已經(jīng)被業(yè)界一致認為是LTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)的目標提供方案。本文主要目的是研究基于CM-IMS網(wǎng)絡(luò )和SRVCC方案提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)時(shí)的切換性能。通過(guò)對SRVCC流程的分析，明確SRVCC切換性能的關(guān)鍵因素，并提出可能的優(yōu)化方案思路。

1. 引言

　　LTE是下一代移動(dòng)通信系統重要的候選技術(shù)，具有頻譜利用率高、高帶寬、大容量的優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)隨著(zhù)LTE(TD-LTE和LTE-FDD)網(wǎng)絡(luò )的大規模開(kāi)展，網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)將面臨LTE和2G/3G多種網(wǎng)絡(luò )長(cháng)期共存的情況，有針對性的互操作技術(shù)和策略可以實(shí)現多種網(wǎng)絡(luò )間的互補和共贏(yíng)，極大地提高運營(yíng)商的投資效率，并通過(guò)多種業(yè)務(wù)在不同網(wǎng)絡(luò )間的合理分配，提高用戶(hù)的體驗，改善服務(wù)。

　　語(yǔ)音業(yè)務(wù)在移動(dòng)通信中占有重要地位，在2G網(wǎng)絡(luò )中是運營(yíng)商收入的主要來(lái)源，可以預期，在未來(lái)的LTE網(wǎng)絡(luò )中，語(yǔ)音業(yè)務(wù)將仍然是重要的一種業(yè)務(wù)。由于LTE主要設計目標是提供寬帶高速業(yè)務(wù)，對于如何提供對時(shí)延敏感而帶寬要求較低的語(yǔ)音業(yè)務(wù)，并使得LTE與2G/3G互操作時(shí)保持連續性，目前產(chǎn)業(yè)界存在有兩種觀(guān)點(diǎn)。

　　一種觀(guān)點(diǎn)認為，在LTE部署初期，運營(yíng)商主要提供寬帶數據業(yè)務(wù)，語(yǔ)音業(yè)務(wù)可以利用傳統的GSM網(wǎng)絡(luò )，由于GSM網(wǎng)絡(luò )有很高的覆蓋率并經(jīng)過(guò)長(cháng)期優(yōu)化，因此在LTE部署初期，用戶(hù)仍然可以得到高質(zhì)量的語(yǔ)音服務(wù)。在這種策略的指導下，3GPP發(fā)展了CS Fallback技術(shù)[1],當用戶(hù)駐留LTE網(wǎng)絡(luò )時(shí)，如果需要發(fā)起，或者接收電話(huà)，用戶(hù)需要從LTE模式轉回到2G網(wǎng)絡(luò )中完成通話(huà)。這種方式的主要缺點(diǎn)是并未從本質(zhì)上解決LTE提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)的問(wèn)題，而且每當用戶(hù)需要語(yǔ)音業(yè)務(wù)時(shí)，用戶(hù)在LTE下的業(yè)務(wù)都需要被中斷，切換或掛起，從而影響用戶(hù)的體驗。頻繁的系統間的模式轉換由語(yǔ)音業(yè)務(wù)觸發(fā)，因此與傳統意義上的系統間切換觸發(fā)條件，例如由于LTE覆蓋不好引發(fā)的向2G系統的切換不同，無(wú)法通過(guò)在網(wǎng)絡(luò )部署階段的優(yōu)化來(lái)改善。因此，CS Fallback一般被看作LTE網(wǎng)絡(luò )部署初期的過(guò)渡性技術(shù)。

　　另一種觀(guān)點(diǎn)是直接通過(guò)LTE提供基于IP的語(yǔ)音服務(wù)，該方案將基于IMS為用戶(hù)提供多媒體語(yǔ)音業(yè)務(wù)，并具備融合業(yè)務(wù)的提供能力。這種方式被業(yè)界看作未來(lái)語(yǔ)音業(yè)務(wù)的目標解決方案，得到了全球絕大多數運營(yíng)商和設備商的支持。考慮到LTE覆蓋不可能在很短時(shí)間內做到全覆蓋，因此當用戶(hù)離開(kāi)LTE的覆蓋區域時(shí)，為保證語(yǔ)音呼叫的連續性，需要制定一種機制能夠將LTE上的語(yǔ)音呼叫切換到2G/3G網(wǎng)絡(luò )上。3GPP制定了一種基于多模單待終端的語(yǔ)音業(yè)務(wù)連續性方案Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC)[5]。

　　中國移動(dòng)將在近期建設覆蓋全國的CM-IMS網(wǎng)絡(luò )，初期主要為固定寬帶用戶(hù)提供多媒體業(yè)務(wù)。由于CM-IMS網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )融合及業(yè)務(wù)融合能力，未來(lái)如果基于CM-IMS提供LTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)，將能夠提供固定移動(dòng)融合業(yè)務(wù)，將語(yǔ)音業(yè)務(wù)與CM-IMS提供的其他多媒體業(yè)務(wù)進(jìn)行融合，進(jìn)一步提升中國移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )全業(yè)務(wù)能力，符合網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)趨勢。CM-IMS網(wǎng)絡(luò )的建設和部署將使得中國移動(dòng)具有LTE語(yǔ)音融合業(yè)務(wù)的提供能力，因此基于CM-IMS網(wǎng)絡(luò )提供LTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)將是中國移動(dòng)目標方案。其網(wǎng)絡(luò )架構如圖1所示。

基于CM-IMS提供LTE語(yǔ)音的網(wǎng)絡(luò )架構

　　圖1:基于CM-IMS提供LTE語(yǔ)音的網(wǎng)絡(luò )架構

　　基于CM-IMS提供LTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)面臨的一個(gè)主要問(wèn)題是SRVCC切換性能問(wèn)題，由于SRVCC方案基于多模單待模式，因此切換將不可避免出現語(yǔ)音的中斷現象。而語(yǔ)音中斷的時(shí)間長(cháng)短是用戶(hù)體驗的重要影響因素，提高SRVCC切換的性能，將語(yǔ)音中斷減少到用戶(hù)無(wú)明顯察覺(jué)的程度，將是影響基于CM-IMS提供LTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)的關(guān)鍵因素。因此本文重點(diǎn)對SRVCC的切換流程和切換中導致語(yǔ)音中斷的原因進(jìn)行分析，明確切換性能的關(guān)鍵因素，并提出可能的優(yōu)化方案思路。

2. SRVCC切換性能分析

　　2.1 SRVCC技術(shù)概述

　　SRVCC是為了保證語(yǔ)音呼叫連續性，而提出的在LTE的覆蓋邊界處，將錨定在IMS域(VCC AS)的語(yǔ)音呼叫從LTE或HSPA切換到GERAN/UTRAN CS域的一種切換技術(shù)。該切換過(guò)程包括承載層的PS-CS切換和業(yè)務(wù)層的IMS域切換兩部分。這兩部分切換處理相互獨立。

　　當UE駐扎在LTE或HSPA網(wǎng)絡(luò )時(shí)，采用通常的IMS呼叫流程建立語(yǔ)音呼叫，區別在于該IMS呼叫需要保定在IMS域的VCC AS上。該VCC AS也可稱(chēng)為SCC AS。SRVCC用于EUTRAN和UTRAN/GERAN之間互操作的網(wǎng)絡(luò )體系結構和概念流程如圖2和圖3所示。

　　圖2:EUTRAN和UTRAN/GERAN的SRVCC網(wǎng)絡(luò )體系結構　

　　圖3:從E-UTRAN到UTRAN/GERAN的SRVCC基本切換流程

　　2.2 SRVCC切換信令流程及性能影響分析

　　根據SRVCC技術(shù)規范[5]，從EUTRAN切換到GERAN/UTRAN的流程分為兩種場(chǎng)景：有DTM支持和無(wú)DTM支持。考慮到目前DTM實(shí)驗數據的缺乏，不失一般性，我們主要以無(wú)DTM支持的情況來(lái)分析SRVCC的切換流程，有DTM支持的情況下，切換中斷時(shí)延的性能相同，切換準備時(shí)間要略長(cháng)于無(wú)DTM的場(chǎng)景。

　　SRVCC從ETRAN向UTRAN/GERAN切換的過(guò)程如圖4所示[5]：　

　　圖4:無(wú)DTM支持的情況下，從EUTRAN向UTRAN/GERAN切換的SRVCC流程圖

　　整個(gè)切換流程，大概可以分為四個(gè)階段：切換發(fā)起階段;切換準備階段;切換執行階段;切換后處理階段。

　　2.2.1 切換發(fā)起階段：Step 1-2

　　SRVCC切換流程圖(圖4)中的Step 1-2，是切換發(fā)起階段，在這一階段，源網(wǎng)絡(luò )正常工作，因此用戶(hù)不會(huì )受影響。

　　2.2.2 切換準備階段：Step 3-9 和Step 13-14

　　SRVCC切換流程圖(圖4)中的Step 3-9和Step 13-14，是SRVCC的切換準備階段。這一階段對切換性能的影響主要體現在，如果該時(shí)間過(guò)長(cháng)，則用戶(hù)可能由于已經(jīng)走出覆蓋區或者某種原因導致的信號惡化而掉話(huà)。

　　2.2.3 切換執行階段：Step 10-12 和Step 15-17

　　SRVCC切換流程圖(圖4)中，Step 10-12是IMS域中的切換過(guò)程;Step 15-17是空中接口發(fā)生的中斷。這兩個(gè)中斷過(guò)程都會(huì )導致用戶(hù)的業(yè)務(wù)發(fā)生中斷。這兩部分時(shí)延是影響用戶(hù)業(yè)務(wù)中斷的最重要的因素，我們詳細分析如下。

　　在第10步，由MSC Server向IMS發(fā)送一條ISUP IAM (STN-SR)消息來(lái)發(fā)起 Session Transfer, 這一步驟可以在第8步之后就開(kāi)始進(jìn)行。Session Transfer過(guò)程是IMS標準流程[6]，第11步執行該過(guò)程，主要是用CS接入支路的SDP對遠端進(jìn)行更新，VoIP的下行數據流在這個(gè)時(shí)點(diǎn)上切換至CS接入支路。當這個(gè)過(guò)程完成后，IMS接入部分的資源進(jìn)行釋放。根據IMS實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )測試的經(jīng)驗值，由IMS域導致的時(shí)延取決于不同的網(wǎng)絡(luò )部署場(chǎng)景以及遠端的情況，該過(guò)程可以長(cháng)達200ms~500ms，無(wú)法滿(mǎn)足語(yǔ)音業(yè)務(wù)的技術(shù)要求。

　　SRVCC有關(guān)的信令流程如下圖所示：

　　在典型配置條件下，各段有關(guān)時(shí)延分析如下 [7]：

　　Step15-17是發(fā)生在空中接口的中斷，根據中國移動(dòng)2G/3G切換測試的經(jīng)驗([8])，這個(gè)時(shí)延在90ms-200ms之間，基本可以滿(mǎn)足語(yǔ)音業(yè)務(wù)的基本要求。

　　值得注意的是，IMS域的中斷步驟Step10-12和空中接口發(fā)生的業(yè)務(wù)中斷步驟Step15-17是并行發(fā)生的，因此，用戶(hù)體驗的中斷取決于這兩個(gè)時(shí)延的最大值。由于空中接口的中斷時(shí)間較短，因此，主要的問(wèn)題出在IMS核心網(wǎng)側。

　　2.2.4 切換后處理階段：Step 18-23

　　這一階段中，用戶(hù)已經(jīng)和新的網(wǎng)絡(luò )建立連接并開(kāi)始業(yè)務(wù)，但是由于不支持DTM，原有的數據業(yè)務(wù)需要被掛起，網(wǎng)絡(luò )資源需要進(jìn)行狀態(tài)更新。從用戶(hù)的語(yǔ)音業(yè)務(wù)角度看，該過(guò)程不會(huì )產(chǎn)生影響，因此我們可以不考慮這個(gè)階段的時(shí)延問(wèn)題。

　　2.3 SRVCC切換性能分析總結

　　綜合2.2節的詳細詳細流程描述，分析結果表明，從切換時(shí)延看，SRVCC導致用戶(hù)通話(huà)中斷的時(shí)間主要是由于IMS核心網(wǎng)過(guò)程導致的，其主要原因是需要到遠端終端做媒體面更新，從典型網(wǎng)絡(luò )配置的測試值看，該部分時(shí)延較長(cháng)(約200ms~500ms)，而且變動(dòng)較大，如果考慮到遠端終端的漫游情況及媒體處理能力，該時(shí)延還會(huì )大大增加，因此基本無(wú)法滿(mǎn)足語(yǔ)音業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性的要求;而在空中接口的中斷時(shí)間從邏輯上看，和2G/3G切換的時(shí)間相當(90ms~200ms)，根據中國移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )部署經(jīng)驗看，該段時(shí)延的性能基本可以滿(mǎn)足部屬要求。

　　從SRVCC的流程圖分析，除中斷時(shí)延外，SRVCC信令過(guò)程的復雜性將影響切換的成功率，由于IMS域的切換過(guò)程和空中接口的切換過(guò)程是并行發(fā)生的，兩者缺乏同步機制，在網(wǎng)絡(luò )部署階段，這種機制會(huì )為網(wǎng)絡(luò )調試和優(yōu)化帶來(lái)額外的困難。

3. SRVCC優(yōu)化方案探討

　　由第二章分析可知，目前標準化規范定義的SRVCC無(wú)法滿(mǎn)足運營(yíng)商部署需求，從商業(yè)運營(yíng)的角度，SRVCC有必要在如下幾方面進(jìn)行優(yōu)化以滿(mǎn)足商業(yè)部署的技術(shù)需求：　　

優(yōu)化SRVCC的切換時(shí)延，使其滿(mǎn)足語(yǔ)音業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性要求，切換時(shí)延應 (<300ms)

簡(jiǎn)化SRVCC信令流程，使LTE和2G/3G網(wǎng)絡(luò )間的切換成功率達到中國移動(dòng)2G/3G網(wǎng)絡(luò )切換成功率要求(~95%)

在SRVCC的IMS域和無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)并行流程中增加同步機制，使其便于網(wǎng)絡(luò )部署階段工程測試。

　　上述SRVCC優(yōu)化技術(shù)要求中，最重要的技術(shù)指標是減小SRVCC切換中斷時(shí)延，由第二節分析可知，該時(shí)延過(guò)長(cháng)主要原因是IMS域產(chǎn)生的，相關(guān)優(yōu)化的主要工作應該主要解決IMS核心網(wǎng)流程導致的切換時(shí)延過(guò)長(cháng)問(wèn)題。

　　從原理和邏輯上分析，我們建議幾種可能的途徑來(lái)優(yōu)化SRVCC：

　　1) 在完成session transfer之后再進(jìn)行空口切換： MGW從MSC Server獲取UE VoIP使用的IP地址和端口號，IMS的SCC AS在完成Leg in的切換后，下行數據就會(huì )發(fā)送給MGW而不是PGW，此時(shí)MGW獲取該下行語(yǔ)音數據包，剝除IP頭(目的地址為MGCF分配的地址而不是UE的IP地址)，使用UE在EPS網(wǎng)絡(luò )使用的VoIP語(yǔ)音包IP地址和端口號重新封裝成IP包，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )路由到PGW，并進(jìn)而通過(guò)PGW在EPS網(wǎng)絡(luò )中發(fā)送給UE。但是UE的上行包在Inter-RAT切換之前仍然通過(guò)EPS網(wǎng)絡(luò )的PGW發(fā)送給對端UE。當UE完成Inter-RAT切換，在2G/3G接入后，MSC Server收到Handover Detect消息后即指示MGW停止數據轉發(fā)，而將下行包發(fā)送給RNC/BSC，從而發(fā)送給UE。

　　2) 預切換： IMS核心網(wǎng)由于需要到對端更新RAN側切換導致的改變而導致過(guò)長(cháng)的時(shí)延，因此，如果我們可以通過(guò)優(yōu)化IMS核心網(wǎng)的信令過(guò)程，通過(guò)調整SRVCC時(shí)序，使二者大致同步，這樣可以使SRVCC的切換性能滿(mǎn)足技術(shù)需求。

　　3) 歸屬地用戶(hù)面錨定及雙播：在呼叫建立時(shí)在歸屬地插入一個(gè)用戶(hù)面的錨定點(diǎn)。當收到切換請求后，該錨定點(diǎn)進(jìn)行目的和源側的雙播處理。當檢測到IRAT切換完成后錨定點(diǎn)再改為單播。該方案能夠避免對遠端UE進(jìn)行媒體更新。

　　4) 拜訪(fǎng)地用戶(hù)面錨定：呼叫建立時(shí)將用戶(hù)面錨定在拜訪(fǎng)網(wǎng)絡(luò )的SGW/PGW上，當收到切換請求時(shí)，首先在MSC server上重建UE的SIP UA，之后MME通知SGW/PGW將原來(lái)到eNodeB的GTP隧道改向到MSC server，這樣IMS將不感知切換的發(fā)生，也不會(huì )觸發(fā)遠端媒體更新流程，切換時(shí)延將大大減少。

　　上述各種優(yōu)化途徑各有優(yōu)劣，目前在中國移動(dòng)的主導建立的SRVCC 優(yōu)化研究項目中，3GPP正在對SRVCC的切換性能優(yōu)化方案進(jìn)行研究，上述優(yōu)化途徑將在3GPP進(jìn)行深入研究和討論，最終SRVCC的切換性能將得到優(yōu)化，并滿(mǎn)足中國移動(dòng)對其切換性能的要求。

4. 結束語(yǔ)

　　本文結合實(shí)驗測試和經(jīng)驗數據，詳細分析了語(yǔ)音業(yè)務(wù)互操作技術(shù)SRVCC在LTE和2G/3G網(wǎng)絡(luò )間切換時(shí)的技術(shù)性能。分析結果表明，目前3GPP R8標準化的SRVCC解決方案，存在切換時(shí)延長(cháng)，信令流程復雜等缺點(diǎn)，這將導致未來(lái)部署LTE網(wǎng)絡(luò )時(shí)，語(yǔ)音業(yè)務(wù)的連續性無(wú)法得到保證，并為未來(lái)網(wǎng)絡(luò )部署階段的調試工作帶來(lái)困難。進(jìn)一步對SRVCC的分析表明，IMS域發(fā)生的中斷是切換時(shí)延過(guò)長(cháng)和復雜度增加的主要原因。針對SRVCC的缺點(diǎn)，本文提出了四種主要的優(yōu)化思路，并根據分析結果，向3GPP SA2建議并主導成立了SRVCC 優(yōu)化研究項目，使SRVCC切換性能在國際標準組織中得到優(yōu)化和增強，最終滿(mǎn)足中國移動(dòng)的性能要求。

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移動(dòng)Labs

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