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
文档编号
版本号 1.0.1
作者苏晓群
版权所有
大唐移动通信设备有限公司
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目录
1引言 (4)
1.1 编写目的 (4)
1.2预期读者和阅读建议 (4)
1.3参考资料 (4)
2VOLTE原理介绍 (4)
2.1 VOLTE介绍 (4)
2.1.1 技术背景 (4)
2.1.2 技术优势 (4)
2.2 VOLTE系统架构 (5)
2.3 VOTLTE关键技术 (6)
2.3.1 无线承载Qos等级标识 (6)
2.3.2 SIP(Session Initiation Protocol)&SDP (7)
2.3.3 RoHC健壮性报头压缩协议 (9)
2.3.4 SPS半持续调度 (10)
2.3.6 eSRVCC(Enhanced Single Radio Voice Call Continuity) (10)
3VOLTE KPI分类及定义 (12)
4VOLTE信令流程 (14)
4.1 注册流程及重要信令详解 (14)
4.1.1 Activate Default EPS Bearer Context Request（QCI=5） (16)
4.1.2 REGISTER(1ST Sip Register Request)& REGISTER 401（Unauthorized） (17)
4.1.3 REGISTER(2nd Sip Register Request)& REGISTER 200 (18)
4.1.4 SUBSCRIBE& NOTIFY (19)
4.2 语音通话流程及重要信令详解 (21)
4.2.1 INVITE (23)
4.2.2 RRCConnectionReconfiguration （QCI=1） (24)
4.2.3 UPDATE & UPDATE 200 (26)
4.2.4 视频通话流程与语音通话流程的异同 (27)
4.3 eSRVCC切换及重要信令详解 (30)
4.3.1 Attach Request& Initial Context Setup Request (32)
5测试案例 (34)
6.1 异系统门限参考参数不合理导致无法eSRVCC切换 (34)
6.2 核心网EPS承载未释放导致下次视频业务接入失败 (36)
6.3 核心网和终端协商速率过低导致视频电话质量差 (39)
1引言
1.1 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。
1.2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。
1.3参考资料
[1]《TD-LTE半持续调度特性实现报告》
[2]3GPP TS 23.216 Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC)
[3] IETF RFC 3261 Session Initiation Protocol
[4] IR.92 -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
2.1 VOLTE介绍
2.1.1 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。
2.1.2 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著提高了通信质量；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23.85K 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4.1左右，而3G MOS 值在3.0—3.5之间，在同一地点的OTT 语音在3.5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。
2.2 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：
HSS
SGSN
BS
SAE-GW
Sv
S1-C
Iu/Gb
IMS CN MME UE
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：
2.3 VOTLTE关键技术
2.3.1 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。
2.3.2 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。
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：
2.3.3 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12.5%～18.8%的相对开销，从而提高了信道的效率和分组数据的有效性。
2.3.4 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》。
2.3.6 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 23.216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
KPI定义.docx
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
4VOLTE信令流程
VOLTE是基于SIP协议的语音通话，所有与IMS交互的信令全部为SIP信令，在理解VOLTE信令方面必须对SIP信令进行了解，EPC只是做为业务承载体。由于SIP信令是以加密方式传输，SIP信令只有在CN侧和终端侧才能解码，基站CDL无法记录SIP信令，同时CDL无法解码较多NAS层直传消息，所以本文中的信令说明部分不结合CDL信令进行说明；对于某些重要信令的详细解码，本文以附件方式显示，主要为CDS导出的详细解码并对重要IE进行标注解释，建议参考。
4.1 注册流程及重要信令详解
SIP 提供了发现机制，如果用户要发起和另一个用户的会话，SIP 必须发现可到达目的用户的当前主机，注册将记录地址 URI 和一个或者多个联系地址相关联，这样才能进行呼叫等业务。
严格意义上说，SUBSCRIBE和NOTIFY过程不属于注册过程，但由于该过程在注册完成后紧跟着出现，所以本文将该过程放在注册流程中进行说明。用户的注销过程与注册过程相似，主要就是注销请求中,expire值为0，所以本文中不再进行单独说明，注销过程无SUBSCRIBE信令，是因为UE注册时已有SUBSCRIBE。
信令说明如下：
1、UE进行Attach，建立QCI=9的默认承载，并使用IMS APN建立PDN连接；
2、建立立QCI=5的默认承载，用于传送SIP信令；
3、UE通过QCI=5的默认承载向P-CSCF发起注册请求；
4、P-CSCF通过HSS获知用户信息不在数据库中，便向终端代理回送401 Unauthorized 质
询信息，其中包含安全认证所需的令牌；
5、终端将用户标识和密码根据安全认证令牌加密后，再次用REGISTER消息报告给P-CSCF
服务器；
6、P-CSCF将REGISTER 消息中的用户信息解密，验证其合法后，IMS核心网将该用户信息
登记到数据库中，并向终端返回成功响应消息200 OK；
7、用户向IMS订阅注册事件包
8、服务器应答订阅成功
9、IMS服务器发送notify消息，由于订阅的用户已经注册，所以IMS服务器回应Notify消
息中，状态为active，同时携带XML信息
10、终端发送Notify 200表示接收成功
注册过程测试信令载图如下：
注销过程测试信令截图如下：
4.1.1 Activate Default EPS Bearer Context Request（QCI=5）
该信令是用于建立QCI=5的默认承载，所有SIP信令都通过QCI=5的承载传输，该信令的内容已在该信令前的RRC重配置中附带下来。
CDS导出的详细解码如下：
主要说明如下：
该信令中主要是关注QCI等级，必须是QCI=5，才能传输SIP信令，ERAB ID=6
4.1.2 REGISTER(1ST Sip Register Request)& REGISTER 401（Unauthorized）
REGISTER信令是用于网络注册，建立关联
从CDS上导出的详细解码如下：
主要说明如下：
这是用户的第一个REGISTER REQUST信令，所以鉴权方面部分内容为空，需要网络回
应后才能补齐
REGISTER 401信令是用于向终端回送401 Unauthorized 质询信息，其中包含安全认证所需的令牌，令牌对应用户第一个REGISTER REQUST信令中鉴权摘要为空的部分，并指明算法，主要说明如下：
4.1.3 REGISTER(2nd Sip Register Request)& REGISTER 200
第二条Register信令是终端将用户标识和密码根据安全认证令牌加密后回送给服务器CDS上导出的详细解码如下：
主要说明如下：
REGISTER 200信令是用是确认注册流程完成，并生成SIP-URI和TEL URI，3GPP TS 23.003定义了三种URI如下，VOLTE中使用了后面两种：
Alphanumeric SIP-URIs
Example: sip:voicemail@https://www.sodocs.net/doc/9412115829.html,
MSISDN represented as a SIP URI:
Example: sip:+447700900123@https://www.sodocs.net/doc/9412115829.html,;user=phone
MSISDN represented as a Tel URI:
Example: tel:+447700900123：
REGISTER 200信令截图如下：
4.1.4 SUBSCRIBE& NOTIFY
SUBSCRIBE是一个用来请求对方节点的当前状态以及后续状态变化的请求方法,从网络订阅消息，NOTIFY是用于向服务器请求返回当前状态消息。
VOLTE中典型的消息流如下：
SUBSCRIBE 200 CDS信令截图如下
网络通过NOTIFY向UE发送订阅的内容，UE通过NOTIFY 200确认已收到，NOTIFY的CDS 信令截图如下：