采用LTE數據包交換實(shí)現語(yǔ)音傳輸功能和測試策略

1 引言

2009年，第一個(gè)商用LTE網(wǎng)絡(luò )在瑞典投入運營(yíng)。緊接著(zhù)，全球18個(gè)國家共26個(gè)網(wǎng)絡(luò )提供商用LTE服務(wù)（含美國、亞洲和歐洲）。

這種新LTE技術(shù)的數據傳輸率可高達100Mbit/s。盡管其實(shí)際可達數據傳輸率遠低于理想條件下的100Mbit/s，該技術(shù)還是極大地提高了已有移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的性能。換句話(huà)說(shuō)，LTE仍然需要證明其在高負荷場(chǎng)合下的突出性能。但是，業(yè)界主要人士目前已經(jīng)深信LTE必將促進(jìn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的應用。

圍繞著(zhù)LTE是否可以采用數據包交換傳輸語(yǔ)音這一復雜問(wèn)題，當前正在進(jìn)行著(zhù)一場(chǎng)激烈的爭論。此前，對于移動(dòng)式應用，語(yǔ)音傳輸基本上僅由電路交換實(shí)現。在這場(chǎng)爭論中，終端用戶(hù)的期望不容忽視。實(shí)際上，由于GSM網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)成功地運營(yíng)了20多年，用戶(hù)希望能夠實(shí)現無(wú)論身在何處均能獲得優(yōu)良的語(yǔ)音品質(zhì)。

在LTE中如何實(shí)現語(yǔ)音傳輸？如何確保實(shí)際運營(yíng)網(wǎng)絡(luò )仍然擁有研發(fā)階段所實(shí)現的功能和性能？本文將描述這兩個(gè)問(wèn)題。

2 從SV-LTE和CSFB至VoLTE

通過(guò)LTE傳輸語(yǔ)音要獲得可被接受的音質(zhì)，要求無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)和核心網(wǎng)均采用合適的機制和架構。由于無(wú)法保證可以立即獲得全球性L(fǎng)TE覆蓋率，因此這可能會(huì )影響LTE網(wǎng)絡(luò )以及傳統的2G和3G網(wǎng)絡(luò )。

另一個(gè)考慮因素是語(yǔ)音用戶(hù)的移動(dòng)性。在LTE覆蓋區發(fā)起呼叫之后，用戶(hù)移出LTE覆蓋區并進(jìn)入某個(gè)現有2G或3G網(wǎng)絡(luò )時(shí)，該呼叫不得被中斷。

3 LTE語(yǔ)音傳輸

LTE語(yǔ)音傳輸的設計前提是可以使用IP多媒體子系統(IMS)。用于支持多媒體應用的完整解決方案，由用戶(hù)設備(UE)中的IMS支持功能、IP連接訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )（IP-CAN）和核心網(wǎng)中的專(zhuān)用IMS功能等組成。

IMS盡可能地以標準IETF協(xié)議為基礎。3GPPTS23.228中描述了IMS參考架構（包含該架構至已有網(wǎng)絡(luò )和其它IP多媒體系統的接口），清晰地展示了該系統的靈活性和復雜性。借助該系統，可以組合任意的多媒體應用，并在移動(dòng)環(huán)境中使用這些應用。

然而，語(yǔ)音傳輸僅需要這些功能和功能單元的一部分（見(jiàn)圖1）。建立語(yǔ)音呼叫之前，LTEUE必須向IMS系統完成注冊。LTE系統為信令和語(yǔ)音數據使用不同的“承載”。信令承載的丟失率極低，保證UE能夠可靠地接收控制命令。語(yǔ)音承載既具備低延遲，又具備低延遲變動(dòng)，因此可以提供良好的語(yǔ)音質(zhì)量。信令傳輸采用會(huì )話(huà)發(fā)起協(xié)議(SIP)，語(yǔ)音數據包的傳輸則采用實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTP)。此外，特殊的數據包分配算法還保證IMS可以滿(mǎn)足用于語(yǔ)音傳輸的特殊要求。其中的一個(gè)示例就是半靜態(tài)調度(SPS)，它可以近似靜態(tài)的方式將頻率資源和時(shí)間資源分配至空中接口。此處必須注意，LTE系統通過(guò)同一個(gè)無(wú)線(xiàn)信道，同時(shí)傳輸語(yǔ)音和數據服務(wù)。

圖1　語(yǔ)音功能所需要的IMS架構的示意圖

為了降低需要以不同方式實(shí)施IMS系統的風(fēng)險，對數量眾多的IMS系統進(jìn)行了主動(dòng)限制，使其僅包含語(yǔ)音傳輸（含常規的路由功能，即在本地網(wǎng)之外也可使用語(yǔ)音傳輸）所需要的那些功能。

由此，2009年，聲音共享計劃(One Voiceinitiative)發(fā)布了一個(gè)IMS草案。此后，2010年2月，全球移動(dòng)通信系統協(xié)會(huì )(GSMA)將該草案并入了LTE語(yǔ)音傳輸計劃(voiceover LTE，VoLTE)。IMS的前提條件同樣考慮了LTE的全面覆蓋無(wú)法立即實(shí)現。向現有網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸時(shí)，只要有可能，UE將始終僅使用一個(gè)空中接口（切換）。關(guān)于網(wǎng)絡(luò )和UE側中的相應過(guò)程，詳見(jiàn)單無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音呼叫連續性(SRVCC)下的相關(guān)描述。

通過(guò)引入該功能，IMS系統可以對同時(shí)運行的語(yǔ)音服務(wù)和任意數據服務(wù)的切換進(jìn)行控制：對于LTE中的PS域業(yè)務(wù)，將語(yǔ)音業(yè)務(wù)切換到3G網(wǎng)絡(luò )中的CS域，同時(shí)將數據業(yè)務(wù)切換至3G網(wǎng)絡(luò )中的PS域。

4 IMS的替代方案

IMS在許多年以前已經(jīng)提出，盡管僅有少量幾個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )實(shí)施了IMS，但經(jīng)過(guò)連接不斷的擴展已包含了眾多其它功能。

其原因在于已經(jīng)找到，并已經(jīng)在最近實(shí)施了其中的一些替代性解決方案，具體有：

●SV-LTE=同步語(yǔ)音和LTE(simultaneousvoiceandLTE)，語(yǔ)音傳輸使用已有的2G/3G網(wǎng)絡(luò )，數據傳輸則使用LTE網(wǎng)絡(luò )。

●CSFB=CS回退(CSfallback)，該方案不使用LTE中的信令連接，并通過(guò)2G/3G網(wǎng)絡(luò )建立語(yǔ)音連接?；赟V-LTE的UE使用兩個(gè)獨立的空中接口，這兩個(gè)接口同時(shí)用于不同的服務(wù)。語(yǔ)音通過(guò)2G/3G網(wǎng)絡(luò )傳輸，LTE則專(zhuān)門(mén)用于數據傳輸。然而，這種簡(jiǎn)單的解決方案能耗較大，因此對電池的使用壽命不利。

此外，以這種方式配置的UE的制造成本也較高。該解決方案在美國已經(jīng)投入了商業(yè)應用，并可用于某些UE。CSFB解決方案，則避免同時(shí)使用兩個(gè)空中接口。如果某個(gè)LTEUE處于某個(gè)LTE小區中，無(wú)論是接收還是發(fā)起語(yǔ)音呼叫，則該呼叫均通過(guò)2G或3G網(wǎng)絡(luò )而非LTE建立。其假設前提是，只要有LTE網(wǎng)絡(luò )覆蓋的地方，就有2G或3G的網(wǎng)絡(luò )。否則，要么以語(yǔ)音郵件的方式轉發(fā)該呼叫，要么不即時(shí)建立該呼叫。其優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)：用戶(hù)可以從GSM網(wǎng)絡(luò )獲得他們所期望的語(yǔ)音質(zhì)量，且語(yǔ)音呼叫不使用LTE網(wǎng)絡(luò )的任何功能。但是，該過(guò)程必須首先終止LTE中的已有信令連接，接下來(lái)在2G/3G網(wǎng)絡(luò )內重新建立語(yǔ)音服務(wù)。

因此，其耗費時(shí)間需要多出數秒。此外，呼叫建立時(shí)正在進(jìn)行的數據服務(wù)，通常無(wú)法與語(yǔ)音服務(wù)同時(shí)進(jìn)行?；赝酥?G網(wǎng)絡(luò )（UMTS或cdma2000?），通過(guò)切換至該網(wǎng)絡(luò )，可以繼續支持該數據服務(wù)。然而，因商用GSMUE尚未實(shí)現雙傳輸模式（DTM，即允許并行傳輸數據和語(yǔ)音），該選項不適用于回退至2G網(wǎng)絡(luò )(GSM)。圖2為相關(guān)網(wǎng)絡(luò )單元，和接收呼叫觸發(fā)CSFB過(guò)程之前和之后的信令和數據呼叫。

圖2　CSFB過(guò)程之前和之后的數據與信令信道