LTE核心网EPC语音解决方案探析
LTE核心网EPC语音解决方案探析
张艳1钟橙1张姝1
（1。江苏省邮电规划设计院有限责任公司南京 210006）
摘要：LTE/EPC是一个单纯的分组交换系统，不支持传统的电路交换业务，因此对传统的语音业务继承面临很多挑战，是全球运营商进行LTE/EPC网络部署的焦点问题。本文旨在分析各种LTE/EPC语音解决方案原理的基础上，探析LTE/EPC语音部署策略，并重点分析SRVCC部署需要解决的关键问题及优化解决方案eSRVCC。
关键字：EPC LTE SVLTE（双模双待） CSFB（电路交换域业务回落） SRVCC（单频语音业务连续性）eSRVCC（Enhanced SRVCC）
1 引言
用户对移动数据业务的需求增长以及技术的发展成熟推动了4G LTE的商用进程，全球移动设备供应商协会（GSA）2013年1月发布的LTE最新数据显示，全球已有66个国家推出145张LTE商用网络，预计 2013年LTE部署还将迎来井喷。
LTE核心网EPC是以GPRS架构为基础而演进的，是扁平化的全IP架构，电路域不再存在，但近期内语音通信业务仍是用户的刚性需求，并且是运营商收入的主要来源，因此LTE/EPC网络部署需要考虑在不改变用户使用习惯，不影响用户使用感知的情况下，对语音业务进行继承。
2 LTE语音解决方案概述
目前，业界讨论较多的LTE/EPC语音解决方案大致有四种: SVLTE解决方案（Simultaneous Voice and LTE）、CSFB解决方案（Circuit Switched Fallback）、VoIMS 解决方案(包含SRVCC，Single Radio Voice Call Continuity)以及OTT解决方案（Over-The-Top）。
2.1 SVLTE解决方案
为了快速部署LTE/EPC网络，并减少对现网的影响，目前绝大多数运营商选择在LTE/EPC 商用初期独立建网，针对数据业务热点区域进行LTE覆盖且仅部署数据业务，语音仍然由传统电路交换网络提供。
该方案需要终端支持多模双待，能同时收发2G/3G（可选）和LTE信号，语音业务和消息业务使用2G/3G网络，数据业务优先使用LTE网络。
2.2 CSFB解决方案
CSFB解决方案是3GPP定义的“单待”LTE终端的语音业务解决方案之一，要求驻扎在
LTE网络中的“单待”终端通过MME注册到MSC上，基于3GPP标准规定的SGs接口（EPC 核心网MME与2G/3G核心网MSC Server之间接口）执行联合鉴权和位置更新操作，由HLR 记录用户附着MSC Server信息；针对3GPP2定义的1xRTT网络，需升级原有MSC Server 或新建IWS网元支持S102接口以完成上述功能。在需要开展语音业务（去话/来话）时, 终端执行“LTE至2G/3G网络的切换（重选）”流程，回落至2G/3G后接入电路域核心网完成语音接续。该方案需要2G/3G完全覆盖，且所有与LTE网络存在切换关系（无线覆盖范围重叠）的MSC Server均需升级改造。
2.3 V oIMS+SRVCC解决方案
VoIMS+SRVCC解决方案是3GPP定义的“单待”LTE终端的最终语音业务解决方案，同时也是实现富通信业务的基础。“单待”终端驻留在LTE网络时，通过EPC作为透明传送的IP 通道接入IMS网络提供VoIMS语音业务；当终端移出LTE进入2G/3G覆盖区域，需要EPC 与CS域进行协商，并由CS域发起IMS的会话转移（Session Transfer）流程以及2G/3G 无线侧资源准备，确保会话的连续性，即SRVCC； SRVCC方案允许语音呼叫从LTE侧(或HSPA)的IMS呼叫切换到2G\3G的CS域。
2.4 OTT解决方案
基于OTT的LTE语音解决方案并不是运营商级的语音解决方案，主要是SP（包括运营商合作方或独立第三方）利用运营商建立的LTE网络作为承载，采用各自私有或开放的架构实现VOIP通信，例如Google Talk 和Skype等软件实现互联网语音通信。
该方案对运营商传统语音业务具有较大的冲击，即使无法保证运营商级的语音质量，但是其低廉的价格以及友好界面已吸引了越来越多的用户。运营商应对OTT语音的冲击，应该充分考虑产业链的开放合作，智能管道的运营以及用户价值的提升。
3 LTE语音部署策略探析
运营商级的LTE/EPC语音解决方案在标准支持、现网改造影响、业务体验及适用场景等方面均存在较大区别，比较分析情况如下表所示：
运营商针对LTE/EPC部署时的语音解决方案选择在考虑技术本身外，还受到终端产业链支持状况、技术选择与资本投入的平衡、现网投资保护以及整体网络发展战略定位等多方面因素的影响。例如，已经部署或计划部署IMS的LTE运营商（现网有CS域）与部分不打算通过IMS提供语音业务（定位于纯管道运营，只提供数据业务）的LTE运营商对CSFB和SRVCC 方案的选择具有明显的偏向性。
综合考虑，“VoIMS+SRVCC方案”相比“CSFB方案”具有更强的业务能力，是LTE网络提供语音业务的目标方案，但是需要IMS网络的支持，且SRVCC方案有待进一步优化和验证。考虑不同运营商对IMS网络的投入成本、建设周期规划等因素以及SRVCC技术成熟度，语音业务部署初期可考虑多模双待方式或较易实现的“CSFB方案”，后续根据IMS网络建设情况以及VoIMS+SRVCC方案的成熟，适时引入该方案；另外，三种LTE语音解决方案之间也并不矛盾，可能将在一段时期内长期共存并互补。
4 SRVCC解决方案
4.1 SRVCC
UE从LTE（语音呼叫承载在GBR上（Guaranteed Bit Rate），数据会话承载在非GBR 上，UE上语音呼叫与数据会话可能并存）切换到2G/3G时，语音呼叫按照SRVCC流程（在3GPP TS 23.216中定义）切换到CS域，而数据会话按照Inter RAT（多无线技术间）切换流程（在3GPP TS 23.401中定义）切换至PS域。
3GPP提出的SRVCC网络架构以及切换前后的媒体流示意如下图所示：
图1 3GPP定义的SRVCC网络架构示意图
SRVCC技术实现要求网络架构（如图1）中相关网元均需进行升级改造以支持相关流程：（1）3GPP 2G/3G新增 Enhanced MSC Server（简称eMSC）与MME之间增设Sv接口（基于GTPv2协议）；3GPP2 2G/3G MSC与MME之间新增IWS网元（互操作功能实体），引入S102接口（基于UDP/IP协议）。Sv/S102接口用于发送LTE与2G/3G切换时的鉴权信息，执行切换发起与确认等流程。eMSC还类似于eAGCF，作为CS域在IMS核心网的接入设备。
（2）EPC核心网中MME升级支持Sv（或S102）接口向eMSC（或IWS）发起SRVCC切换请求，并执行VoIP和非VoIP媒体分离功能及协调PS切换与SRVCC切换。
（3）IMS核心网新增SCC AS（Service Centralization and Continuity AS）作为信令锚点协助完成LTE至2G/3G语音的切换。在LTE侧呼叫时，SSC AS为主叫侧第一个触发的AS，被叫侧最后一个触发的AS；SSC AS在接收切换指示消息后判断切换消息的合法性、寻找原呼叫、用新呼叫的leg更新远端leg，释放原始呼叫的近端leg。
（4）EPC核心网中HSS新增用于SRVCC的参数STN-SR（Session Transfer Number Single-Radio,会话迁移号）、C-MSISDN。
SRVCC简要的业务流程如下：
（1）支持SRVCC功能的用户在LTE侧发起IMS注册时，SCC AS会为其分配STN-SR，且更新到IMS-HSS上，并通过IMS-HSS传递给EPC-HSS，EPC-HSS更新至用户注册的 MME。
（2）终端在通话过程中，E-UTRAN根据网络状况，指示MME 执行SRVCC切换。
（3）MME根据当前承载业务状况决定是否分别进行语音业务的SRVCC切换和数据业务的Inter RAT切换过程；SRVCC切换过程中，转发相关参数（STN-SR、C-MSISDN）给eMSC。
（4）eMSC向IMS域发起SIP会话切换流程（STN-SR作为被叫号码被路由到SCC AS，然后SCC AS通过C-MSISDN关联到原呼叫，并发起到远端的媒体切换），以及向CS域发起无线侧承载切换流程。
（5）eMSC完成CS域承载资源准备后，通过 Sv 接口通知 MME（携带了CS切换命令信息），MME 通知 E-UTRAN 指示UE 开始切换。
上述业务流程中，步骤（4）中的无线侧切换和IMS侧切换部分并发，该步骤决定了SRVCC 整体切换时延和切换成功率。如果提前进行IMS侧切换，可以改善上行媒体流中断时延，但下行改善不明显且整体切换时长增加；如果先无线侧切换，再IMS侧切换，可以改善下行时延和整体切换成功率，但是整体时延加大，仍影响用户感知。
针对SRVCC存在的问题，3GPP进行方案优化，讨论增加媒体锚定以减少Session Transfer导致的中断时长，即方案eSRVCC。
4.2 eSRVCC
eSRVCC在3GPP R10中定义，存在多种解决方案，其中最为主流的方案是在SRVCC网络架构的基础上新增ATCF/ATGW（信令锚定点/媒体锚定点）网元，切换前后的信令与媒体流均要经过ATCF与ATGW；另外，SCC AS功能增强，HSS新增部分透明数据（ATU-STI），其它网元功能不变(MME、eMSC、UE)。
ATCF代替SCC AS进行STN-SR分配，并作为终端切换的本地信令锚点，而SCC AS则同时支持ICS、SRVCC以及eSRVCC多种方案的IMS域远端信令锚定，整个信令锚定流程由ATCF 与SCC AS共同完成。
eSRVCC的最大变化是增加了媒体锚点ATGW。当ATGW SDP不变时，则LTE至2G/3G的切换可以不需要更新远端媒体，切换时延大大减少。当切换后媒体类型（如audio、video）发生变化，或ATGW无法完成Transcoding，以及ATCF发现用户有多路呼叫时，eSRVCC流程才需执行远端媒体更新，即ATCF发起Invite给SCC AS，SCC AS关联到远端用户，并更新远端媒体。
截至目前，华为、中兴、CMCC、NTT和NEC等均对eSRVCC提出了技术提案，其中中兴、华为/高通等主流设备厂商在试验网中对eSRVCC进行了验证，推动基于IMS的VoLTE语音解决方案的尽快商用。
5 结束语
2G/3G核心网到LTE/EPC是一个长期演进的过程，而不是技术革命，需要考虑业务继承、用户粘度及现有网络保护等因素，不同运营商之间的技术选择会因其网络现状和战略定位而选择不同的策略，因此同一运营商内部以及不同运营商之间多种语音解决方案并存的局面都可能持续相当长的一段时间。“CSFB方案”以及“VoIMS+SRVCC方案”将在后续进一步优化，充分考虑不同技术之间的网络互通性与融合性，最终实现全IP网络下的VoIP。
参考文献：
[1]3GPP TS 23.216 V11.1.0. Single Radio V oice Call Continuity SRVCC S 2011.06
[2]3GPP TS 23.237 V12.0.0. Architecture when using A TCF enhancements S 2012.06
[3]3GPP TR 23.856. Single Radio V oice Call Continuity (SRVCC) enhancements(Stage 2) S2012.06
[4]姜海宁,马跃.SRVCC切换过程优化方案,中国科技论文在线
[5]刘辉,高文昌, 马跃. LTE语音业务连续性标准化方案研究, 中国科技论文在线
[6]梅承力,杨峰义. CDMA与LTE互操作相关标准的进展, 电信网技术,2010.04