VOLTE技术原理与信令流程

VOLTE原理报告

项目名称中移动福州VOLTE测试

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作者苏晓群

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大唐移动通信设备有限公司

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文档更新记录

目录

1引言

编写目的

本文主要对VOLTE的原理进行介绍，并对VOLTE小区主要参数配置及测试信令进行详细说明，使读者对VOLTE有个基本的了解；由于VOLTE现在未商用，所以实际优化经验较少，优化可以参考R9及2/3G的优化经验。

预期读者和阅读建议

本文档预期读者为网络技术优化人员、系统测试人员等。

参考资料

[1]《TD-LTE半持续调度特性实现报告》

[2] 3GPP TS Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC)

[3] IETF RFC 3261 Session Initiation Protocol

[4] -IMS Profile for Voice and SMS

[5]《中国移动VoLTE总体建设方案》—移动集团设计院

2VOLTE原理介绍

VOLTE介绍

技术背景

目前业界对LTE语音的解决方案有三种，分别是VOLTE、CSFB、SGLTE， VOLTE 与CSFB是3GPP标准化方案，SGLTE为终端实现方案，其中VOLTE是移动4G语音解决方案的终极方案；SGLTE不需要对网络进行改动，VOLTE与CSFB均需对网络进行改造。

VOLTE是什么最直接简单的理解就是VOIP，只是网络的承载体由互联网变成了LTE，同时在LTE的业务中给了一个高优先级保证QOS。

VoLTE是GSMA IR 92定义的标准LTE语音解决方案，最大的网络改动就是引入IMS网络，由IMS配合LTE和EPC网络实现端到端的基于分组域的语音、视频通信业务。通过IMS系统的控制，VoLTE解决方案可以提供和电路域性能相当的语音业务及其补充业务，包括号码显示、呼叫转移、呼叫等待、会议电话等。

技术优势

VoLTE开启了向移动宽带语音演进之路，其给运营商带来两方面的价值，一是提升无线频谱利用率、降低网络成本。LTE的频谱利用效率GSM的4倍以上。另一个价值就是提升用户体验，VoLTE的体验明显优于传统CS语音。首先，高清语音和视频编解码的引入显着提高了通信质量；其次，VoLTE的呼叫接续时长大幅缩短，VoLTE比CS呼叫缩短一半以上。

下面是实际测试的一些指标：

呼叫建立时延更短：第一条随机接入消息到终端接收到网络侧下发的SIP 180 Ring消息之间的时间差，在外场短呼测试中看到平均时延为2S左右，而2G 时代在6-7秒，用户感知为秒通。

语音质量更高：因为使用宽带AMR技术，语音质量相比2G、3G语音质量有质的提高，在外场测试时，在好点MOS值在左右，而3G MOS值在—之间，在同一地点的OTT语音在左右（无线资源不受限）。对运营商来说在这一点上体现了移动网络相对于OTT的优势。

系统间切换方面使用eSRVCC切换，测试切换时延在150MS以内，对用户感知无影响，且切换成功率高。

视频质量更好：在同一地点，视频通话的图像远比OTT视频通话的图像清晰。

VOLTE系统架构

VOLTE采用IMS作为业务控制层系统，EPC仅作为承载层；要求终端、无线网络、分组域、电路域和IMS域端到端的技术配合以实现基于IMS的分组域语音和多媒体业务。SRVCC切换解决了语音连续性问题，呼叫时延短，无需回落2G/3G发起语音，避免频繁网间重选。VOTLE网络框架图如下：

中移动二阶段VOLTE福州测试的网络拓朴如下：

VOLTE的协议架构如下图，从图中可以看到，SIP协议只在终端和IMS支持，对于无线接入网只是一个透传做用：

VOTLTE关键技术

无线承载Qos等级标识

EPS系统中，QoS控制的基本粒度是EPS承载(Bearer)，即相同承载上的所有数据流将获得相同的QoS保障（如调度策略，缓冲队列管理，链路层配置等），不同的QoS保障需要不同类型的EPS承载来提供，在接入网中，空口上承载的QoS是由eNodeB来控制的，每个承载都有相应的QoS参数QCI（QoS Class Identifier）。

根据QoS的不同， EPS Bear可以划分为两大类： GBR(Guranteed Bit Rate) 和 Non－GBR。所谓GBR，是指承载要求的比特速率被网络“永久”恒定的分配，即使在网络资源紧张的情况下，相应的比特速率也能够保持。MBR(Maximum Bit Rate)参数定义了GBR Bear在资源充足的条件下，能够达到的速率上限。MBR的值有可能大于或等于GBR的值。相反的，Non－GBR指的是在网络拥挤的情况下，业务（或者承载）需要承受降低速率的要求，由于Non－GBR承载不需要占用固定的网络资源，因而可以长时间地建立。而GBR承载一般只是在需要时才建立。 LTE中共有9种不同的QCI，在VOLTE业务中主要用到了QCI 1、QCI 2、QCI 5，而普通的数据业务主要是QCI 8/9。不同QCI列表如下图，IMS信令使用QCI 5，语音业务共使用QCI 1、QCI 5、QCI 8/9，视频电话业务共使用QCI 1、QCI 2、QCI 5、QCI 8/9。

SIP(Session Initiation Protocol)&SDP

SIP协议是互联网行业标准组织IETF提出的，SIP(Session Initiation Protocol)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。这些会话可以是Internet多媒体会议、IP电话或多媒体分发。会话的参与者可以通过组播（multicast）、网状单播（unicast）或两者的混合体进行通信。VOLTE选择了SIP协议，最主要的原因就是免费。

在VOLTE中引入了IMS，对VOLTE进行业务控制，MME只是做为业务的承载体，IMS对业务的控制全部通过SIP消息完成，在学习VOLTE的过程中必须学习SIP消息。

SIP有两种类型的消息，它们是：

（1）请求：从客户机发到服务器的消息。

（2）响应：从服务器发到客户机的消息。

其中VOLTE常用的请求消息包括下列几种，表中也列出了消息的定义文档：

响应消息包含数字响应代码，SIP响应代码集部分基于HTTP响应代码。

有两种类型的响应，它们是：？

·临时响应（1XX）：临时响应被服务器用来指示进程，但是不终结SIP事物。？

·最终响应（2XX，3XX，4XX，5XX，6XX）：最终响应终止SIP事物。

SIP由于是采用文本格式编码，所以消息格式很简单，是由Message Header 加可选的Message body构成，Message Header 从第二行开始每一行都由“Tag :Valued”格式组成，每一行描述一个属性，SDP也是用文本格式描述的，一个SDP Description可以包含很多行，每一行的格式如下：？

Type = Value？

Type只用一个字母来表示；一个SDP Description通常有一个

Session-level和多个Media-level信息组成，常见的SDP属性如下：

RoHC健壮性报头压缩协议

在LTE中，为了在分组交换域(PS)提供语音业务且到达接近常规电路交换域的效率，必须对IP/UDP/RTP报头进行压缩。对于话音数据包，其包长较小，封装成IP包后，采用头压缩技术能有效提高频谱利用率，对于视频业务数据包，同样压缩后也可以提高频谱效率。在LTE系统中，规定PDCP子层支持健壮性报头压缩协议(ROHC)来进行报头压缩，并且同时支持IPv4和IPv6。

典型的，对于一个含有32 Byte有效载荷的VoIP分组传输来说，IPv6报头增加60 Byte，IPv4报头增加40 Byte，即188%和125%的开销。为了解决这个问题，在LTE系统中PDCP子层采用ROHC报头压缩技术，可压缩成4～6个字节，即%～%的相对开销，从而提高了信道的效率和分组数据的有效性。

SPS半持续调度

Semi-Persistent Scheduling，简称SPS，半永久性调度，又称为半静态调度，LTE引入SPS调度模式的主要目的是为了支持VOIP业务。SPS调度方式可以减少控制信道的资源开销和时延抖动，但会增加PDSCH的开销；VOIP业务用户语音包发送频率较大，SPS周期调度时不需要每次都发送PDCCH，减少了控制区CCE的占用量，理论上可以提高系统用户容量。

从语音业务模型上看可以知道SPS适用于语音业务，VoIP业务的状态分为激活期和静默期,在激活期，数据包的发包间隔为20ms，每个数据包的大小固定为35~47Byte。对于暂态时的数据包大小由于没有压缩，数据包大小为92Byte, 在静默期，SID包的发包间隔为160ms，每个SID包的大小固定为10~22Byte，

这样规律的发送方式适用SPS调度。

总的来说，SPS就相当于给用户分配了固定的PDSCH，可以减少PDCCH占用数，但会增加PDSCH占用数，是否开启需对两者进行权衡。对于SPS的详细内容，可以参考《SPS调度-李翔》。

eSRVCC(Enhanced Single Radio Voice Call Continuity)

SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity）是3GPP提出的一种VoLTE 语音业务连续性方案，主要是为了解决当单射频UE 在LTE/Pre-LTE 网络和

2G/3G CS 网络之间移动时，如何保证语音呼叫连续性的问题，即保证单射频UE 在IMS 控制的VoIP 语音和CS 域语音之间的平滑切换，SRVCC类似于UTRAN中的3G至2G的切换，主要是在CN侧多了PS域到CS域的转换过程。当LTE覆盖较差时，UE通过SRVCC切换到UTRAN/GERAN，目前移动公司的方案是切换到GERAN，3GPP TS 中定义E-UTRAN切换到UTRAN/GERAN的流程图及主要信令流程如下：

eSRVCC即为增强的SRVCC，与SRVCC一样为3GPP在R8阶段引入的方案，相比SRVCC最大的改进就是缩短了切换时延，改善用户感知。SRVCC与eSRVCC的主要区别如下：

1.SRVCC：媒体的切换点是对端网络设备（如对端UE），影响切换时长的主

要因素是会话切换后需要在IMS网络中创建新的承载。

2.eSRVCC：相比于SRVCC，媒体切换点改为更靠近本端的设备。具体方案就

是增加ATCF/ATGW功能实体作为媒体锚定点，无论是切换前还是切换后的会话消息都要经过ATCF（Access Transfer Control Function）/ATGW

（AccessTransfer Gateway）转发。后续在发生eSRVCC切换时，只需要创建UE与ATGW之间的承载通道，对端设备与ATGW之间的媒体流还是通过原承载通道传输。这样相当于减少了SBC至SCC AS之间的时延，明显短于SRVCC方案，减少了切换时长。

3VOLTE KPI分类及定义

VOLTE测试类指标主要有三大类指标，详见下表，部分指标为VOLTE新增指标，指标具体定义可以参考下面附件：

VOLTE网管KPI指标类主要如下表，目前移动集团尚未给出KPI指标具体公式，所以在后期KPI定义可能会出现更改