VoLTE基本原理及关键技术

1、VoLTE基本原理与关键技术省网优中心2015年11月2目录1. VoLTE网络架构及基本流程2. VoLTE关键技术3. VoLTE覆盖与容量分析3LTE2G/3G2G/3G电路域LTEEPCCSFB手机CSFB手机VoCS2：寻呼SGs1：入呼3：寻呼响应LTE2G/3G2G/3G电路域LTEEPCIMSCoreVoLTE手机VoLTE手机VoCSVoIPVCC切换切换请求域转移请求SvLTE2G/3G2G/3G电路域LTEEPC单卡双待手机VoCS语音通道数据通道CSFB方案简介1. 终端空闲态下驻留在LTE网络上2. 发起/收到呼叫时，回落到2G/3G网络3. 呼叫结束后，再返回到LT

2、E网络VOLTE/SRVCC方案简介1. 终端同一时刻只能在一个网络上进行业务（LTE或者2/3G）2. LTE覆盖区，数据和语音业务都承载在LTE网络3. 非LTE覆盖区，由2/3G网络为其服务, 支持LTE到2/3G切换(SRVCC)多模双待方案简介（仅终端相关）1. 终端空闲态同时驻留在2/3G CS和LTE网络上2. 用户通过2G/3G的CS网络发起语音呼叫3. 用户通过LTE网络发起数据业务呼叫双待CSFBVoLTE什么是VoLTE?4PTN（QoS）三合一HSSSBCCSCFMGCF/IM-MGWIBCFENUM/ DNSSAE GWMMEPCCDRALTE接入IMS域业务平台Vo

3、LTE AS彩铃AS彩印ASIM-SSFeMSCGMSC电路域eNodeBBSC分组域VoLTE终端/芯片2G接入网管系统BOSS系统支撑系统CMNET/IP专网（IPV6/QoS）信令网用户数据VoLTE引入从无线网、核心网、信令网、承载网、用户数据等端到端的网络改变VoLTE网络架构-VoLTE涉及端到端的网络改变5VoLTE网络架构-IMS系统架构 P-CSCF（代理会话控制） S-CSCF（查询会话控制） I-CSCF（业务会话控制）会话控制和路由 HSS（Home Subscriber Server） SLF（用户签约地的定位功能实体）用户数据管理认证鉴权 MRFC（Multimed

4、ia Resource Function Controller） MRFP（Multimedia Resource Function Processor）媒体资源（MRF） AS（应用服务器）业务控制 MGCF（Media Gateway Control Function） BGCF（Breakout Gateway Control Function） MGW（IMS-Media Gateway Function）互通功能6VoLTE网络架构lIMS域： 升级扩容IMS Core, 新建VoLTE AS等业务平台l电路域：MSC: 改造支持eSRVCC功能l用户数据：HLR/SAE-HSS/I

5、MS-HSS融合的数据库l信令网：建设可靠的DRA信令网l分组域：EPC：支持IMS APN、QoS保证、SRVCC切换等lPCC：PCRF支持VoLTE的QoS控制l4G无线接入网：TTI Bundling, RLC分片，ROHC头压缩，半静态调度等l承载网：支持IPv6/IPv4双栈l支撑系统：计费、业务发放系统的改造BOSSNMSOMC支撑系统业务平台核心网IMS域分组域PCC2G/3G电路域eNodeBBTS/BSCLTE接入接入网2G接入终端VoLTE UEI/S-CSCF /BGCF信令网用户数据DRAPCRFVoLTE SBCMGCFIBCFSAE GW/GGSN/PCEF三合一

6、HSSDNS/ENUM(e)MSCGMSC彩印业务平台彩铃业务平台VoLTE AS/IM-SSF智能网SCPMME/SGSNIP短信网关ShMwSGiRxGxMxSvS11/GnMg/MjNcNcCAPCAPS1-MMES1-UUuMw/I2UmAGbISC承载网定位业务平台CxRx/GxS6a/SLgCx/Sh/Zh/S6a/SLhSLh/SLgSLs承载网JUtGm业务配置代理网关UtZhC/DGr7VoLTE网络架构-主要接口说明功能域接口名称接口类型连接网元承载协议分组域S1-MME信令MME-eNodeBGTP-CS1-U数据SAE GW-eNodeBGTP-US11信令MME-SA

7、E GWGTP-CSGi数据SAE GW-VoLTE SBCSIP/RTCP/RTPSLg信令MME-LSP(GMLC)DiameterSLs信令MME-LSP(eSMLC)SCTPSv信令MME-eMSCGTPPCCRx信令PCRF-VoLTE SBCDiameterGx信令PCRF-SAE GWDiameterIMS域Gm信令VoLTE UE-VoLTE SBCSIPMw信令VoLTE SBC-xCSCFSIPMx信令xCSCF-IBCFSIPMg信令I-CSCF/S-CSCF-MGCFSIPMj信令BGCF-MGCFSIPMw/I2信令xCSCF-eMSCSIPISC信令xCSCF-IM

8、S ASSIPUt信令VoLTE UE/VoLTE AS-业务配置代理网关XCAP用户数据Cx信令三合一HSS-xCSCFDiameterSh信令三合一HSS-IMS ASDiameterZh信令三合一HSS-业务配置代理网关DiameterSLh信令三合一HSS-LSPDiameterS6a信令三合一HSS-MMEDiameterC/D信令三合一HSS-eMSC/GMSCMAPJ信令三合一HSSIP-SM-GWMAP2G/3G电路域Nc信令MSC-MSCBICCCAP信令IMS SSF-智能网SCPCamelCAP信令锚定SCP-(e)MSCCamelGr信令SGSN-三合一HSSMAP8V

9、oLTE基本流程-EPC附着与IMS注册eNBMMESAE-GW3in1HSSPCRFSBCS-CSCFVoLTE ASEPCIMS1. 用户开机进行EPC附着 2. 使用IMS APN建立PDN连接，并为用户建立QCI=5的默认承载3. 终端通过上述默认承载发起IMS注册请求并完成IMS核心网注册4. S-CSCF发起第三方注册，向VolTE AS更新STN-SR，之后VOlTE AS 通过HSS向MME下发STN-SR终端首先会进行EPC网络的附着，之后进行IMS域的注册和鉴权。以数据业务和IMS业务使用不同APN，通过LTE接入时，IMS使用独立APN专用承载建立的场景为例EPC附着：终

10、端通过EPC附着，建立IMS信令默认（缺省）承载，用于承载SIP信令IMS注册：终端通过建立起来的IMS信令默认（缺省）承载，向IMS网络进行注册鉴权基本原理基本流程9VoLTE基本流程-VoLTE基本呼叫PCRFEPCSBCS-CSCFS-CSCFEPCPCRFSBCVoLTE AS3in1HSS主叫域被叫域1. 主叫发起呼叫,信令路由至被叫域2. 被叫侧触发VoLTE AS进行被叫域选择，根据HSS返回的信息决定在IMS进行呼叫3. 信令路由至被叫终端4. 被叫接听后返回200 OK响应，被叫SBC根据INVITE和200 OK中的SDP信息向PCRF申请资源，PCRF通知EPC预留资源5

11、. 资源预留成功后，被叫SBC向主叫转发200 OK响应6. 主叫SBC收到200 OK响应后根据INVITE和200 OK中的SDP信息向PCRF申请资源，PCRF通知EPC预留资源7. 资源预留成功后，主叫SBC向主叫终端转发200 OK响应8. 媒体链接建立10VoLTE基本流程-SRVCC切换SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity）存在切换性能问题，无法达到语音中断时长小于300ms的部署要求，会严重影响VoLTE用户体验中断时长为800ms左右EPC2G/TDSRVCC eMSCMGWMMESAE-PGWHSSCSSvMGCFSCC ASIM

12、SCSCFMGWMSCSLTE远端IMS终端1. SRVCC终端发起向另一IMS终端的语音呼叫语音中断时长T1语音中断时长T2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，eNodeB触发SRVCC切换,MME通知SRVCC MSC准备切换，MSC完成预留资源4. MME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200ms5. SRVCC MSC发起远端媒体更新，通知远端IMS终端通过SRVCC MSC接收和发送语音6. 远端IMS终端将媒体连接切换至SRVCC MSC7. 从SRVCC终端切换到2G/TD到远端IMS终端切换媒体连接完成，

13、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）SRVCC11VoLTE基本流程-eSRVCC(对原有SRVCC的优化)eSRVCC：在SRVCC基础上，通过在拜访地引入ATCF作为媒体锚定点，节省远端媒体更新时间，可将切换时延减低至300ms以内。（注：ATCF功能集成在SBC内实现）eSRVCCEPC2G/TDeSRVCC eMSCMGWMMESAE-PGWHSSCSATCFSCC ASIMSCSCFMGWMSCSLTE远端IMS终端SIP信令CS信令媒体中断时长为300ms以内12目录1. VoLTE网络架构及基本流程2. VoLTE关键

14、技术3. VoLTE覆盖与容量分析13VoLTE无线设备技术要求概览 QCI=1/2的承载 RLC层 UM模式 无线承载组合：至少2个AM DRB（分别为默认承载和IMS信令承载）+ 2个UM DRB（分别承载高清语音和高清视频）IMS紧急呼叫无线基本功能 保证eNB在资源调度、接入控制时给VoLTE最高优先级 无需RLC层重传，减小时延；减小RLC头开销 eNB可进行承载不同级别的QoS控制作用和效果 IP包头压缩、半持续/延迟调度 TTI bundling 语音连续性：eSRVCC连接态DRX周期可基于承载QCI等级分别配合无线增强功能增强VoLTE容量；增加数据业务容量；增强边缘覆盖增强

15、边缘覆盖(3:1时隙配比下不可用）；作用和效果上述所有技术要求已在企标中明确，并已购买上述所有技术要求已在企标中明确，并已购买部署VoLTE，除了要求无线侧eNB支持相关基本功能外，还可根据实际需求，进一步考虑引入增强功能，以优化方案性能，提升网络整体质量，改善用户业务体验 保证UE在移动出LTE覆盖时，语音可连续，避免掉话（考虑现网条件，语音切换至GSM承载） eNB可通过广播标识该功能支持情况，优先接入紧急呼叫 基于不同业务特点设置合理DRX周期，兼顾性能及节电14VoLTE关键技术- IP包头压缩（RoHC）32字节20字节voiceIP8字节UDP12字节RTP压缩包头32字节voic

16、e5字节共共37字节字节压缩后，头开销降为46 byte（开销占比降为12.5%18.8%）典型的VoIP数据包的净荷为32 byte，对VoIP这样的小的数据包，IP头开销甚至超过净荷本身（IPv6的包头为60 byte，头开销可达188%，IPv4的包头为40 byte，头开销也有125%）效果仅在初次传输时发送数据包头的静态信息，后续不再重复发送（如IP地址等）通过一定信息可推知数据流中其他信息时，可仅发送必须的信息，其他信息可由上下文推算（如SN号和IP-ID号都是以1为单位递增，可通过上下文推算）原理IPIP包头压缩可大大降低头开销，提高包头压缩可大大降低头开销，提高VoLTEVoL

17、TE语音用户容量，提高数据业语音用户容量，提高数据业务吞吐量，增强边缘务吞吐量，增强边缘覆盖覆盖15VoLTE关键技术- 半持续调度（SPS）15半持续调度是LTE中为了节省PDCCH数量而提出的一种新的调度方法，最初主要是针对VoIP业务。其可大大降低信令开销，使信令开销资源最低可仅为业务的1.3%效果实现原理：VoIP的新传包由于其达到间隔是20ms，所以可以由一条信令分配频域资源，以后每隔20ms就“自动”用分配的频域资源传输新来的包；重传包由于其不可预测性，所以动态的调度每一次重传，因而叫“半”持续调度TDD特性（上行双周期配置）：由于其HARQ RTT与FDD有所差异，会导致重传包和

18、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，即2DL:2UL时为19ms和21ms；3DL:1UL时为25ms和15ms原理半持续调度可减少控制信令开销，节省半持续调度可减少控制信令开销，节省PDCCHPDCCH资源，在控制信道受限的资源，在控制信道受限的情况下，提高系统容量；但在现网情况下，提高系统容量；但在现网3:13:1时隙配比下，因时隙配比下，因SPSSPS采用保守调采用保守调度算法度算法(MSC(MSC不得高于不得高于15),15),可能导致系统容量受限于可能导致系统容量受限于PUSCHPUSCH而有所下降，而有所下降，故初期暂不建议引入故初期暂不建议引入1

19、6VoLTE关键技术- TTI bundlingU U S D D U U S D DU U U U当小区边缘UE 功率受限时，由于资源受限，导致丢包率增加。使用TTI bundling，四个连续子帧中的立刻重传，能积累能量，增大传输成功率，从而提高接收成功率， 避免过多的HARQ重传原理在标准中，VoIP业务不能同时采用SPS调度和上行TTI bundling，但可仅针对边缘用户使用TTI bundling性能增益：-不考虑重传的情况下，单从1个TTI和4个TTI传输角度，HARQ进程为4，增益大约4dB（链路级仿真得出）-考虑重传情况下，TDD增益仅为2dB，性能增益有限，但在控制信令会节

20、省开销TDD特性：由于上下行时隙不连续，而语音包又有20ms的周期限制，因此仅在2DL:2UL配置时可使用TTI bundling效果TTI BundlingTTI Bundling可提高边缘用户的接收性能，并减小控制信令开销可提高边缘用户的接收性能，并减小控制信令开销TTI BundlingTTI Bundling不可用于不可用于3DL3DL：1UL1UL时隙配比中，且不与时隙配比中，且不与SPSSPS同时开启同时开启17VoLTE关键技术- eSRVCC eSRVCC（enhanced Single Radio Voice Call Continuity）是LTE PS语音（VoLTE）到

21、2G/3G CS语音的增强型切换功能，但较原有SRVCC功能，无线侧无无差异；目前公司已决策以GSM作为切换目标网络SRVCC对eNB的功能要求 支持配置GSM邻区关系 支持GSM邻区测量控制的配置及下发 针对正在执行VOLTE业务的终端，可正确识别终端SRVCC能力，并适时触发切换流程保障用户体验 支持SRVCC切换流程 用户语音和数据业务并发执行时，优先保障语音连续性SRVCC无线侧流程 下发针对服务小区频点的A2事件测控- UE上报后下发GSM邻区的B2事件测控- UE上报后选定切换目标小区-eNB向MME发起eSRVCC切换请求并等待目标网络完成资源预留 - eNB收到MME切换响应

22、- eNB向UE下发切换命令- 切换成功eNB在MME指示下释放本地资源原理 eSRVCC功能是VoLTE在LTE网络覆盖未达到全面覆盖之前的重要补充功能。eSRVCC功能在LTE建设初期和中期可保证VoLTE语音业务的连续性，以减少当用户移动出LTE覆盖导致的掉话，减少用户投诉。效果eSRVCC保证用户移出保证用户移出4G覆盖区域时仍然保持通话连续性覆盖区域时仍然保持通话连续性18原理回顾原理回顾 若基站调度的数据量大于终端可传输的数据量，终端将自主计算分段大小并进行分段处理。RLC分段不是VoLTE专有功能，数据业务也可进行RLC分段。优化算法优化算法针对任一MCS，存在不同分段策略，如容

23、量最优策略，覆盖最优策略。如下图。 VoLTE外场测试结果显示，大部分厂家RLC一般分2-3段，但却未能充分利用RLC分段增益；另一些厂家做了RLC分段但有待优化 建议厂家引入RLC分段并优化以保证容量和覆盖现状与问题VoLTE关键技术-RLC分段 分段后，一方面可以降低针对每TTI所传输数据的MSC解调门限要求，另一方面可以减少每TTI传输RB总数，降低对上行发射功率的需求：19VoLTE关键技术-上行MU-MIMO上行MU-MIMO：基站通过空分隔离区分出不同终端发射信号，形成虚拟MIMO传输满足条件的终端可以采用相同时频资源，提高小区吞吐量计划在下阶段VoLTE测试中进行外场验证配对终端

24、未开启MU-MIMO开启MU-MIMO后0.005.0010.0015.0020.0025.0030.00MU-MIMOMU-MIMO开启前后小区吞吐量对比开启前后小区吞吐量对比关闭MU-MIMO开启MU-MIMO41.9%41.3% MU-MIMO开启后小区吞吐量增益可达40%左右 上行MU-MIMO方案适用于较好的信道质量场景 位于极好点、好点、中点的终端在MU-MIMO开启后可成功配对，双终端吞吐量增益可达39%71% 差点用户由于配对算法设置，受限于信道质量，配对成功率较低，无明显增益厂家一厂家二20VoLTE关键技术-下行ICICICIC：预留部分频域资源为“受保护频带”，受保护频带

25、内使用高发射功率，而之外的频带上用较低的发射功率；可用于解决小区边缘VoLTE业务下行资源占用较大的问题静态静态ICICICIC小区边缘（差点）吞吐量性能：ICIC可获得50%60%的增益小区中心（中点、好点）吞吐量性能：ICIC使小区中心性能下降3%10%小区整体吞吐量性能：无变化动态动态ICICICIC相比静态ICIC，动态ICIC对5%边缘用户吞吐量有10%的增益实测实测结果结果计划在下阶段VoLTE试验中验证ICIC对节约边缘资源的增益，以及增益能否覆盖小区中心性能的下降程度SFR边缘用户使用中心用户使用IR21目录1. VoLTE网络架构及基本流程2. VoLTE关键技术3. VoL

26、TE覆盖与容量分析22VoLTE业务特性业务发展情况VoIP业务存在3个状态：暂态：业务建立初期尚未稳定的状态通话期：对应用户正在通话的状态，每20ms传送一次数据静默期：对应用户通话停顿的状态，每间隔160ms发一个很短的SID帧VoIP业务特性VoIP业务：上下行对称QCI=1、低时延、周期性小包类业务4G发展的关键战略，基于VoLTE的“三新”新通话、新消息、新联系2014年移动在5个城市进行VoLTE试点验证VoLTE被中移动集采结果引爆2015年将进入广泛部署期移动能否继续“快人一步”?如何利用现有工具和手段评估网络结构和覆盖现状对VoLTE各类业务的支撑情况，实现资源提前部署VoL

27、TE带来巨大的容量弹性，容量优化工作将成为常态，其容量与哪些因素有关，如何定量分析为资源优化调整做好支撑23VoLTE覆盖预算-链路仿真预算对比VoIP和数据业务覆盖规划要求，VoIP对覆盖的要求比现网数据业务要低TTI BundingQoS时延要求RoHC子帧配比在子帧配比0，1，6时可以开启，理论上获取6dB的上行增益包头压缩技术减小了数据包的大小，数据包越容易被解调，增强覆盖业务时延和2个因素有关：RLC分片，分片越多，TBS越小，覆盖越好，但会增加时延；HARQ重传，重传次数越多，获得重传增益覆盖越好，但会增加时延上行子帧配置越多，在一定时延要求下支持的重传数更多，增强覆盖影响VoIP

28、覆盖的特有因素450 741 408 672 284 467 318 444 438 537 0 100 200 300 400 500 600 700 800 D-8T8RF-8T8RD-8T8RF-8T8RD-8T8RF-8T8RD-8T8RF-8T8RD-8T8RF-8T8RAMR12.2kAMR23.85k高清视频数据业务RSRP标准数据业务SINR标准1:3配比VoIP和数据业务覆盖能力对比-系统仿真24uLTE弱信号场景下，VoLTE用户起呼困难、掉话率高VoLTE语音对无线信号质量要求更高： 现网LTE数据业务驻留门限-124dBm，VoLTE异系统切换门限-118dBm，数据与

29、VoLTE语音业务存在6dB的覆盖差异。后续工作：加强VoLTE室内测试力度，通过小站等灵活手段建设，改善室内弱覆盖，加大VoLTE精细优化，做好LTE数据业务与VoLTE语音业务协调优化VoLTE覆盖预算-现网实测分析数据业务覆盖边缘用户，每次发起VoLTE呼叫，大概率会发生呼叫失败： 根据现网MR统计：问题区域用户占比4%，因无线质量差、SRVCC异系统测量时间长等原因，这些用户的语音接通率只有87%，掉话率高达8%。25PDCCHVoLTE容量受限因素分析系统带宽业务信道PDSCH：12.2k标清1600个用户，23.85k高清1600个用户（PBCH块忽略）PUSCH：12.2k标清1

30、80个用户, 23.85k高清180个用户VoLTE特性TTI Bunding、 RLC分段，降低系统容量RoHC、半静态调度，有效提升系统容量静默态：确定合理的激活因子对容量评估非常重要控制信道 20M,3:1(3:9:2)/2:2(10:2:2) - Ng为1/6，用户数384- 公共16 CCE，用户数502- Shift为1, 4组, 用户576 子帧配比PHICHPUCCHPDSCHPUSCH静默态半静态调度系统级因素-VoIP是上下行对称业务，容量受限于资源少的一方（3:1的容量低于2:2）-直接决定系统容量-PhichDuration、phichResource即Ng-8*Mi*

31、 Ng(100/8)-PHICH资源、PDCCH符号数及自适应开关、公共控制信令聚集级别-用户在小区内的分布-SRI周期、自适应开关-CQI周期、预留资源-deltaPUCCHShift-VoIP业务类别（高清、标清）-用户在小区内的分布-VoIP业务类别（高清、标清）-PUCCH、PRACH资源占用-用户在小区内的分布上行4子帧合并传输，增强覆盖降低延迟提高覆盖,连续TTI发送减小数据包开销，提升用户数资源调度周期/数据包大幅下降只有激活和释放半静态资源时才消耗PDCCH资源 提升容量（业务信道）降低容量（业务信道）提升容量（控制信道）影响对应信道容量TTI BundingRLC分段RoHC

32、PDCCH和PUSCH受限26VoLTE容量分析PUSCH容量估算PDCCH容量估算1系统带宽2子帧配比3用户分布4PUCCH资源5是否开启RoHC6激活因子/)1()1(ACKSIDACKSIDACKACKRESATTOTALUETTPRBPPRBPRPPRBN1PHICH资源2PDCCH符号数3用户分布4公共CCE聚合级别5使用的调度方式6激活因子基于成都现网分析确定PDCCH容量估算使用CCE聚合等级为427VoLTE容量分析结论VoIP特性组合3DL:1UL(3:9:2)2DL:2UL(10:2:2)标清（12.2kb/s）高清（23.85kb/s）标清（12.2kb/s）高清（23.85kb/s）PDCCHPUSCHPDCCHPUSCHPDCCHPUSCHPDCCHPUSCHSPS调度是否开启，SPS调度平均有效时间80msVoIP激活因子1或0.6RoHC是否开启忽略公共搜索空间CCE平均聚合等级=4用户分布：远点30%，中点40%，近点30%PUCCH占10RB忽略公共搜索空间CCE平均聚合等级=4用户分布：远点30%，中点40%，近点30%PUCCH占10RB忽略公共搜索空间CCE平均聚合等级=4用户分布：远点30%，中点40%，近点30%PUCCH占用10RB忽略公共搜索空间CCE平均聚合等级=4用户分布：远点