采用LTE數據包交換實現語音傳輸功能和測試策略

1 引言

2009年，第一個商用LTE網絡在瑞典投入運營。緊接著，全球18個國家共26個網絡提供商用LTE服務（含美國、亞洲和歐洲）。

這種新LTE技術的數據傳輸率可高達100Mbit/s。盡管其實際可達數據傳輸率遠低于理想條件下的100Mbit/s，該技術還是極大地提高了已有移動無線網絡的性能。換句話說，LTE仍然需要證明其在高負荷場合下的突出性能。但是，業界主要人士目前已經深信LTE必將促進移動互聯網的應用。

圍繞著LTE是否可以采用數據包交換傳輸語音這一復雜問題，當前正在進行著一場激烈的爭論。此前，對于移動式應用，語音傳輸基本上僅由電路交換實現。在這場爭論中，終端用戶的期望不容忽視。實際上，由于GSM網絡已經成功地運營了20多年，用戶希望能夠實現無論身在何處均能獲得優良的語音品質。

在LTE中如何實現語音傳輸？如何確保實際運營網絡仍然擁有研發階段所實現的功能和性能？本文將描述這兩個問題。

2 從SV-LTE和CSFB至VoLTE

通過LTE傳輸語音要獲得可被接受的音質，要求無線接入網和核心網均采用合適的機制和架構。由于無法保證可以立即獲得全球性LTE覆蓋率，因此這可能會影響LTE網絡以及傳統的2G和3G網絡。

另一個考慮因素是語音用戶的移動性。在LTE覆蓋區發起呼叫之后，用戶移出LTE覆蓋區并進入某個現有2G或3G網絡時，該呼叫不得被中斷。

3 LTE語音傳輸

LTE語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，由用戶設備(UE)中的IMS支持功能、IP連接訪問網絡（IP-CAN）和核心網中的專用IMS功能等組成。

IMS盡可能地以標準IETF協議為基礎。3GPPTS23.228中描述了IMS參考架構（包含該架構至已有網絡和其它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，并在移動環境中使用這些應用。

然而，語音傳輸僅需要這些功能和功能單元的一部分（見圖1）。建立語音呼叫之前，LTEUE必須向IMS系統完成注冊。LTE系統為信令和語音數據使用不同的“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。語音承載既具備低延遲，又具備低延遲變動，因此可以提供良好的語音質量。信令傳輸采用會話發起協議(SIP)，語音數據包的傳輸則采用實時傳輸協議(RTP)。此外，特殊的數據包分配算法還保證IMS可以滿足用于語音傳輸的特殊要求。其中的一個示例就是半靜態調度(SPS)，它可以近似靜態的方式將頻率資源和時間資源分配至空中接口。此處必須注意，LTE系統通過同一個無線信道，同時傳輸語音和數據服務。

圖1　語音功能所需要的IMS架構的示意圖

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

由此，2009年，聲音共享計劃(One Voiceinitiative)發布了一個IMS草案。此后，2010年2月，全球移動通信系統協會(GSMA)將該草案并入了LTE語音傳輸計劃(voiceover LTE，VoLTE)。IMS的前提條件同樣考慮了LTE的全面覆蓋無法立即實現。向現有網絡進行傳輸時，只要有可能，UE將始終僅使用一個空中接口（切換）。關于網絡和UE側中的相應過程，詳見單無線語音呼叫連續性(SRVCC)下的相關描述。

通過引入該功能，IMS系統可以對同時運行的語音服務和任意數據服務的切換進行控制：對于LTE中的PS域業務，將語音業務切換到3G網絡中的CS域，同時將數據業務切換至3G網絡中的PS域。

4 IMS的替代方案

IMS在許多年以前已經提出，盡管僅有少量幾個移動網絡實施了IMS，但經過連接不斷的擴展已包含了眾多其它功能。

其原因在于已經找到，并已經在最近實施了其中的一些替代性解決方案，具體有：

●SV-LTE=同步語音和LTE(simultaneousvoiceandLTE)，語音傳輸使用已有的2G/3G網絡，數據傳輸則使用LTE網絡。

●CSFB=CS回退(CSfallback)，該方案不使用LTE中的信令連接，并通過2G/3G網絡建立語音連接?；赟V-LTE的UE使用兩個獨立的空中接口，這兩個接口同時用于不同的服務。語音通過2G/3G網絡傳輸，LTE則專門用于數據傳輸。然而，這種簡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投入了商業應用，并可用于某些UE。CSFB解決方案，則避免同時使用兩個空中接口。如果某個LTEUE處于某個LTE小區中，無論是接收還是發起語音呼叫，則該呼叫均通過2G或3G網絡而非LTE建立。其假設前提是，只要有LTE網絡覆蓋的地方，就有2G或3G的網絡。否則，要么以語音郵件的方式轉發該呼叫，要么不即時建立該呼叫。其優點顯而易見：用戶可以從GSM網絡獲得他們所期望的語音質量，且語音呼叫不使用LTE網絡的任何功能。但是，該過程必須首先終止LTE中的已有信令連接，接下來在2G/3G網絡內重新建立語音服務。

因此，其耗費時間需要多出數秒。此外，呼叫建立時正在進行的數據服務，通常無法與語音服務同時進行。回退至3G網絡（UMTS或cdma2000?），通過切換至該網絡，可以繼續支持該數據服務。然而，因商用GSMUE尚未實現雙傳輸模式（DTM，即允許并行傳輸數據和語音），該選項不適用于回退至2G網絡(GSM)。圖2為相關網絡單元，和接收呼叫觸發CSFB過程之前和之后的信令和數據呼叫。

圖2　CSFB過程之前和之后的數據與信令信道