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1、VoLTE详解讲解VoLTE新技术培训1 概述2 VoLTE概念介绍VoIP是Voice Over Internet Protocol的简称，意为在Internet上传输语音。VoIP简而言之就是将模拟声音信号数字化，以数据封包的型式在 IP 数据网络上做实时传递。VoLTE指的是基于IMS网络承载语音业务。由于语音业务具备的特性（周期性、激活期、静默期、小数据量），eNodeB针对语音承载可以采用SPS、ROHC技术，以发挥最大的网络性能；当UE处于远点时采用TTI Bundling来提升边缘覆盖。UE发起语音业务时，有以下几种承载组合： 当UE仅发起语音业务时，QCI=1的承载用来传输语音

2、数据，QCI=5的承载用来传输IMS信令，QCI=8/9的承载用来作为默认承载； 当UE发起视频语音业务时，除了上述的QCI 1/5/8/9外，还存在一条QCI=2的承载，用来传输视频数据；图2-1 VoIP数据流程示意图3 VoLTE架构VoLTE的架构主要是从功能整体出发，描绘出引入VoLTE后，各个功能模块的分工。便于后续描述流程时，理解更直观。图3-1 VoLTE协议栈图3-1 是一个E-UTRAN整体架构，可以看到不同网元之间的接口，图1中弱化了IMS部分，强化了EPS部分的描述。图3-2 E-URAN架构图2 是24.301中E-UTRAN整体架构，同样看到不同网元之间的接口，图2

3、中可以看到IMS与PCRF是通过Rx接口进行通讯的。图3-3 E-URAN架构图3-4 是强化IMS架构后，2G、3G、4G的基于IMS的架构，可以看出 IMS 可以独立称呼为业务层，那么IMS业务层与UE直接如何进行沟通，沟通的语言就是SIP信令，EPS和相关的2G、3G各个RAN需要为SIP信令建立专有的通道即bearer。图3-4 基于IMS的业务架构（4G、3G、2G）图3-5 与图3-4基本相似，只是画出了PCRF。 PCRF与PCEF在什么时候启动建立QCI1具备重要作用，因为一旦启动建立QCI1，那么就意味着就开始收费了。在后续章节承载建立的时候进行描述。图3-5基于IMS的业务

4、架构（PCRF）图3-6 IMS模块的架构图3-6是IMS模块的整体示意图，红色字体部分是比较重要模块，在UE注册、会话中起关键作用。S-CSCF（Serving Call Session Control Function）S-CSCF是IMS的核心所在，它位于归属网络，为UE进行会话控制和注册请求，但当UE处于会话中时，S-CSCF处理网络中的会话状态。在同一个运营商的网络中，可以有多个S-CSCF。S-CSCF执行的功能包括： 作为注册服务器，对来自UE的注册请求消息进行处理 与归属用户服务器的交互，完成对用户的认证和鉴权，更新归属用户服务器上用户的注册状态信息 认证通过之后，从归属用户服

5、务器下载用户相关信息 为移动终端提供业务相关的信息，并对移动终端的会话进行控制 从数据库中获得I-CSCF的地址，并转发SIP请求或响应到I-CSCF 对于路由到PSTN或CS域的呼叫，转发SIP请求或响应到出口网关控制功能BGCF模块p-cscf（Proxy Call Session Control Function）P-CSCF是IMS中用户的第一个联系节点(在信令平面)，从SIP的角度来看它是一个出站/入站的SIP代理服务器，所有的SIP信令，无论是来自用户设备(UE)，还是发送给UE的，都必须经过P-CSCF。UE使用本地CSCF发现机制可以获得P-CSCF的地址。P-CSCF负责验证

6、请求，将它转发给指定的目标，并且处理和转发响应。P-CSCF执行的功能包括： 转发从UE接收的SIP注册请求到由UE归属域名决定的I-CSCF 转发从UE接收的SIP消息到S-CSCF，该服务器的名字由P-CSCF在该UE发起注册规程时得到 转发SIP请求或响应到UE 负责维持UE和P-CSCF之间的安全关联以及为SIP信令应用完整性和机密性保护 执行SIP消息压缩和解压缩 和策略决策功能(PDF)交互，授权承载资源并进行QOS管理 发送计费相关的信息给计费采集功能(CCF)I-CSCF（Interrogating Call Session Control Function）I-CSCF是一个

7、运营商网络内部的接触点，所有与这个网络运营商的用户连接都要经过这个实体。在一个网络中可以有多个I-CSCF。I-CSCF执行的功能包括： 为一个发起SIP注册请求的用户分配一个S-CSCF 在对会话相关和会话无关的处理中，将从其他网络来的SIP请求路由到S-CSCF 查询HSS，从HSS中获取为某个用户提供服务的S-CSCF韵地址 根据从HSS获取的S-CSCF地址，转发SIP请求或响应到S-CSCF 执行拓扑隐藏网络间网关功能，运营商可使用I-CSCF中的拓扑隐藏网络间网关(THIG)功能来向网络外部隐藏配置、能力以及网络拓扑 发送计费相关的信息给CCFIM-MGW (IP Multimed

8、ia Media Gateway，IP多媒体网关)IM-MGW负责IMS与PSTN/CS域之间的媒体流互通，提供了CS CN网络和IMS之间的用户平面链路，支持PSTN/电路域TDM承载和IMS用户面IP承载的转换(即IP媒体流与PCM媒体流之间的编解码转换) 。提供承载控制和传输资源。mgw还具有媒体处理设备（如码型变换器、回声消除器、会议桥等），执行媒体转换和帧协议转换。媒体网关，主要功能是承载和媒体处理。在IMS终端不支持CS端编码时IM-MGW完成编解码的转换工作。IM-MGW也可在MGCF的控制下完成呼叫的接续。IM-MGW可以终止来自电路交换网的承载信道和来自分组网的媒体流(例如：

9、IP网络中的RTP流或者ATM骨干网中的AAL2/ATM连接)，执行这些终端之间的转换并且在需要时为用户平面进行代码转换和信号处理。IM-MGW网元功能根据来自MGCF的资源控制命令，完成互通两侧的承载连接的建立/释放和映射处理。根据来自MGCF的资源控制命令，控制用户面的特殊资源处理，包括音频Codec(编解码)的转换、回声抑制控制等。在Iu接口上,MGW可以支持媒体转化,承载控制和有效负荷处理.MRFPMRFP（Multimedia Resource Function Processor，多媒体资源处理器）和MRFC（Multimedia Resource Funtion Controll

10、er，多媒体资源控制器）是3G核心网中实现多方呼叫和多媒体业务提供和控制的逻辑功能实体。在核心网分层模型中，MRFP是处于接入层的逻辑功能实体，主要实现多媒体资源的提供和承载。MRFC则是处于控制层的逻辑功能实体，主要实现对MRFP中多媒体资源的控制。MGCF媒体网关控制功能（MGCF），在 IP 多媒体子系统（IMS）的一个组成部分，与呼叫会话控制功能（CSCF）通信和控制媒体信道在一个 IMS-MGW 中的连接。它在 ISDN 部分（ISUP）和 IMS 呼机控制协议之间执行协议转换。APNAPN最常见的是指一种网络接入技术。APN的英文全称是Access Point Name，中文全称叫

11、接入点，是您在通过手机上网时必须配置的一个参数，它决定了您的手机通过哪种接入方式来访问网络。接入点名字（APN Access Point Name）在GPRS骨干网中用来标识要使用的GGSN，在GGSN中用于表征外部数据网络，它由以下两部分组成：APN网络标识：这部分是必有的，它是由网络运营者分配给ISP或公司的、与其固定Internet域名一样的一个标识。APN运营者标识：这部分是可选的，其形式为“xxx.yyy.gprs”（如MNC.MCC.gprs），用于标识归属网络。cmnet.000.460.gprsAPN网络标识通常作为用户签约数据存储在HLR中，用户在发起分组业务时也可向SGSN

12、提供APN，用于SGSN选择应接入相应的GGSN以及用于GGSN判断接入相应的外部网络。此外，HLR中也可存储一个通配符，这样用户或SGSN就可以选择接入一个没有在HLR中存储的APN。用户可以通过不同的APN选择GGSN，即用户可以激活多个PDP上下文，每个PDP上下文与一个APN相联系。用户选择不同的APN的目的就是通过不同的GGSN选择外部网络。APN需要通过DNS进行域名解析才能获取GGSN或外部网络节点的真实的IP地址。注解：简单来说，APN实际上就是对一个外部PDN(Packet data network)的标识，这些PDN包括企业内部网，Internet，WAP网站，黑莓，行业内

13、部网如公交电力系统等等专用网络。网络侧如果知道MS到底做了激活以后要访问哪个网络，给你分配哪个网段的IP呢（因为每个网络分配的IP可能都是不一样的，有的是私网，有的是公网IP)？这就要靠APN来区分了？现网中，APN=cmnet就代表internet, APN=cmwap就代表专用WAP数据网络，当然各个运营商可能名字不一样，如联通是uniwap,uninet等。4 VoLTE UE注册流程和呼叫流程VoIP用户在可以享受权利时，必须是注册过的。尤其是漫游的用户必须在本地注册。注册流程相关消息也是在QCI=5是传输上的，在23.228中反复强调需要接入网（LTE、UTRAN、GRAN）为SIP

14、信令建立一条用于承载信令的承载。对于下图，LTE侧传输的是1.Register(上行)和11.200 OK（下行）。两条信息，在QCI5上传输。 图4-1 Registration User not registered呼叫SIP流程和时延分析：T1时刻：UE1的IMS模块生成SIP消息Invite时刻T2时刻：下图的11步骤，UE2的IMS模块生成SIP消息Ringing(180)，即生成Ringing(180)时刻，即此时UE2开始响铃T1时刻：下图的15步骤，UE1的IMS模块接收到SIP消息Ringing(180)，即解析出Ringing(180)时刻，即此时UE1听到响铃。T3时刻：

15、下图的16步骤，UE2的IMS模块生成SIP消息: 200 OK(Invite)，即UE2采取行动，挂掉、接通、保持，依据用户操作IMS模块生成对应的SIP消息。T4时刻：下图的20步骤，UE1的IMS模块解析出SIP消息：200 OK(Invite)，即此刻UE1知道UE2的行动结果，是接通还是挂断了。局方关注以下时间差：T4-T1-(T3-T2)：刨除UE2接电话时间，这部分取决于人的行为影响，网路的提供语音接通服务中的时延长度T1-T1： UE1从拨打电话到听到嘟嘟嘟声音，即听到回铃音。这部分时间也与用户操作无关，全部是网络处理。 5 VoLTE中的承载核心网在S1-AP: Initia

16、l Context Setup Request消息中携带eRAB信息请求eNB建立无线接入承载，并对业务携带QoS信息：QCI业务配置表QCIResource TypePriorityPacket Delay Budget （ms）Packet Error Loss RateExample Services1GBR 210010-2Conversational Voice2415010-3Conversational Video (Live Streaming)335010-3Real Time Gaming4530010-6Non-Conversational Video (Buffered

17、 Streaming)5Non-GBR 110010-6IMS Signalling6630010-6Video (Buffered Streaming)TCP-based (e.g., www, e-mail, chat, ftp, p2p file sharing, progressive video, etc.)7710010-3Voice, Video (Live Streaming)Interactive Gaming8830010-6Video (Buffered Streaming)TCP-based (e.g., www, e-mail, chat, ftp, p2p file

18、99sharing, progressive video, etc.)基于IMS话音的应用流由三部分组成：1）SIP/SDP流：SIP/SDP在UDP/IP之上，用于终端之间的应用控制。SIP信令用于多媒体会话控制。2）RTP流：话音载荷承载在终端之间的RTP/UDP/IP上。编码后的语音和负载描述符一起被装载在RTP的负载中。DTMF和SID分组也同话音分组装在一起。3）RTCP流：在UDP/IP之上的RTCP用于终端之间的媒体控制。它被用于向源端反馈的质量信息。在IMS域语音业务，一般RTCP流和RTP流复用在同一个PDP上下文，用一个eRAB无线接入承载。也可以分离。因此，从EUTRAN

19、看，需要至少2个无线接入承载，一个用于RTCP和RTP流复用，一个用于SIP/SDP流传输。语音业务和音频业务组合需要建立以下承载：语音业务载组合：SRB1+SRB2+2xAM DRB+1xUM DRB，其中，UM DRB的QCI=1，2个AM DRB的QCI分别为QCI=5和QCI=8/9；视频业务承载组合：SRB1+SRB2+2xAM DRB+2xUM DRB，其中，2个UM DRB的QCI=1和QCI=2，2个AM DRB的QCI分别为QCI=5和QCI=8/9；LTE网络注册需要建立默认承载QCI8/9，数据业务需要QCI8和9。QCI 5也是一条默认承载，用于承载SIP信令。因此，要

20、实现语音或音频业务需要UE同时建立三个数据承载外，还需要支持UE要建立RRC链接信令承载建立SRB1和SRB2。图 51 VoLTE承载示意图VOLTE中QCI1和QCI5示意图5.1 QCI 5建立流程在LTE中很多业务是基于IMS业务的，典型的就是语音，即IMS voice。因为IMS整个业务框架，也是需要内部信令的支撑的，这些信令来源于核心网，所以为了保证内部信令的就定义了QCI=5的，且最高优先级。其实也隐含一点，某一用户在进行QCI=1的语音时，一定会伴随一个QCI=5的IMS 信令业务，但是反之建立一个QCI=5的承载，不一定一定会有一个QCI=1的业务，因为QCI5是先于QCI1

21、建立的，且QCI5的面更广，后续可能会有更多的基于IMS的业务。签约用户发出请求一个VoIP call，LTE知道需要建立与IMS连接。 LTE预先定义了一个PDN Gateway (P-GW)，提供连接到IMS网络，并建立一个默认承载连接UE和对应的PDN Gateway (P-GW)。在IMS网络中，所有的签约用户都是用SIP交流，所有的用户都在IMS网络中先注册。P-CSCF相当于秘书，处理SIP消息，注册请求消息，S-CSCF相当于经理，处理最终是否授权用户进行VOIP。图1 QCI5作为默认承载示意图一个默认承载QCI5建立起来了，用于连接签约用户和对应的P-GW，此时签约用户可以直

22、接发出建立VoIP会话的申请了。 Invite传输到 P-CSCF，P-CSCF打开这个信息，提取UE的QoS 需求，进一步将信息传递到S-CSCF，然后通过Rx接口sent to PCRF， PCRF通过Gx接口发送给PCEF，此时是第一时间LTE意识到它必须支持voice traffic. 前面都是签约者与IMS系统在对话，通过SIP语言。 PCEF是真正计费的地方。此时P-GW开始计费了，开始建立专有承载QCI=1针对这个签约者。当签约者知道LTE已经为其建立了一个新的专有承载，那么随后，发送一个UP DATE to IMS网络。这是一个信号，已经完成建立一个call的流程，需要指出的是

23、，注意的是：VoIP call 会通过LTE网络到达P-GW，但是voice packets是不通过IMS网络的信元的。IMS当BYE”的结束这个call。途经S-CSCF和P-CSCF。图 53携带语音请求的Attach过程建立QCI5过程图 54 Idle状态进行语音建立QCI5过程在attach过程中，需要建立两条PDN连接，具体NAS消息上面过程中省略了，在过程中应该先建立EPS 数据业务连接，并在EPS注册完成后，在VoLTE终端应支持IMS专用APN，自动建立IMS PDN连接，完成IMS注册过程；VoLTE终端应支持同时建立多个PDN连接；5.2 QCI1建立流程在5.1节描述Q

24、CI5建立时，获知在初始附着过程中，通过建立 IMS专用的PDN连接过程建立 QCI5，并没有描述QCI1是什么时候建立起来的，只是简单描述在当UE发出Invite后，IMS中的S-CSCF告知PCRF，PCRF进一步告知PCEF，执行QCI1承载的建立，那么在具体的信令流程中，QCI1是什么时候启动建立的？可见如上面描述一致，当UE发起 INVITE后，IMS连续回复两条SIP消息，同时会触发E-UTRAN建立专有承载QCI1。图 54主叫流程中的QCI1专有承载建立但是QCI1采用什么样的速率，两个UE之间需要协商cod，协商 cod时，也是在 INVITE发起的时候携带了cod。协商好c

25、ode后，UE发起NAS请求资源，MME建立QCI1的承载。或者是EPS IP CAN直接发起。同时在IR.92中说明：仅会建立一个QCI1的承载，网络禁止建立多于一个语音承载。因此，UE和网络必须能够多路从多个并发的语音会话的媒体流。图 54 2.228( 5.30: Codec negotiation during initial session establishment)5.3 VoIP 业务流建立及通话过程简化版（4G to 4G）图2 VoIP 业务流建立及通话过程主要流程如下：1. 主叫UE 建立RRC 连接；2. 主叫UE 建立承载IMS 信令的E-RAB；3. 寻呼被叫，触发

26、被叫UE 建立RRC 连接及承载IMS 信令的E-RAB；4. 通过IMS 信令协商会话所需的信息；5. 主叫UE 和被叫UE 协商好信息后，主叫UE 和被叫UE 建立承载VoIP 语音包数据的E-RAB；6. 被叫UE 通过IMS 信令向主叫发回铃音；7. 被叫UE 应答后，VoIP 会话开始；8. eNodeB 调度器对VoIP 业务进行调度，根据调度策略决定采用动态调度或半静态调度。6 VoLTE语音编/解码标准根据3GPP TS 26.071、TS 26.090、TS 26.073和TS 26.104中的定义，UE和IMS中的媒体面网元必须支持AMR和AMR-WB语音编码，以及3GPP

27、 TS 26.093中定义的所有8种模式和源速率控制操作，还应支持这8种编码模式的所有子集。在发送时，UE和IMS中的媒体面网元能够将变化的编码模式与每个帧的边界对齐，并且能够限制编码模式变化，以与其他任何一个帧边界对齐，如同3GPP TS 26.103 UMTS_AMR_2的定义；还能限制编码模式变化，以使得编码模式与协商的编码模式集接近。在接收时，UE和IMS中的媒体面网元能够任何帧边界的编码模式变化，或者改变为协商的编码模式集合中的任何一种编码模式。在协议中也经常称呼AMR和AMR-WB，AMR就代表窄带AMR。6.1 AMR编码特点在3GPP LTE中，目前考虑VoLTE业务的编码主要

28、是AMR-NB和AMR-WB编码两种。这2种编码都具有如下特点：1) 每20ms产生一个语音包，这个包括了RTP/UDP/RLC-Security压缩头；2) 每160ms生成一个SID数据包，也包括上面所说的压缩头。AMR-NB编码的特点为：1) 4.75kbps到12.2kbps；2) 8个码率：4.75、5.15、5.9、6.7、7.4、7.95、10.2、12.2kbps；3) 帧长20ms；4) 采样率为8kHz，因此，一个语音帧采样160个点。AMR-WB编码的特点为：5) 6.6kbps到23.85kbps；6) 8个码率：6.6、8.85、12.65、14.25、15.85、1

29、8.25、19.85、23.05、23.85kbps；7) 帧长20ms；8) 采样率为16kHz，因此，一个语音帧采样320个点。 Mode 0 - AMR 4.75 - Encodes at 4.75kbit/s Mode 1 - AMR 5.15 - Encodes at 5.15kbit/s Mode 2 - AMR 5.9 - Encodes at 5.9kbit/s Mode 3 - AMR 6.7 - Encodes at 6.7kbit/s Mode 4 - AMR 7.4 - Encodes at 7.4kbit/s Mode 5 - AMR 7.95 - Encodes a

30、t 7.95kbit/s Mode 6 - AMR 10.2 - Encodes at 10.2kbit/s Mode 7 - AMR 12.2 - Encodes at 12.2kbit/s6.2 AMR业务模型AMR业务的特点基本可以用下图来表示：图 3.21 AMR业务模型示意图AMR通话过程由3个部分组成：1) 短暂 (Transient State)状态，间隔20ms，是指每次业务建立初期尚未稳定的状态，此状态下的数据包较大。这部分的数据开销大约在97字节，可以认为是RTCP数据包和非ROHC的数据包。2) 通话期(Talk spurt)状态，间隔20ms，数据开销参考2.2.3，是

31、指对应用户正在通话的状态。在通话状态下，每20ms 传送一次数据，通话期的语音包大小取决于当前采用的编码速率。3) 静默期(Silent Period)是对应用户通话停顿的状态，间隔160ms发送SID数据包6.3 AMR速率对应的GBR速率6.3.1 GBR速率计算细节 AMR and WB-AMR对应不同的编码速率和方式，方式就是帧、频率、采样不一样，下面是详细计算不同模式下的开销和最终确定的GBR速率。bandwidth-efficient模式和octet-aligned模式是两种方式，其中bandwidth-efficient模式bit利用率更高。表 6.31 AMR-NB (IPv4, bandwidth-efficient模式)Mode4.755.155.96.77.47.9510.212.2SIDBits per speech frame9510311813414815920424439Payload header and ToC101