采用LTE數(shù)據(jù)包交換實(shí)現(xiàn)語音傳輸功能和測(cè)試策略

1 引言

2009年，第一個(gè)商用LTE網(wǎng)絡(luò)在瑞典投入運(yùn)營(yíng)。緊接著，全球18個(gè)國(guó)家共26個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供商用LTE服務(wù)（含美國(guó)、亞洲和歐洲）。

這種新LTE技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸率可高達(dá)100Mbit/s。盡管其實(shí)際可達(dá)數(shù)據(jù)傳輸率遠(yuǎn)低于理想條件下的100Mbit/s，該技術(shù)還是極大地提高了已有移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)的性能。換句話說，LTE仍然需要證明其在高負(fù)荷場(chǎng)合下的突出性能。但是，業(yè)界主要人士目前已經(jīng)深信LTE必將促進(jìn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。

圍繞著LTE是否可以采用數(shù)據(jù)包交換傳輸語音這一復(fù)雜問題，當(dāng)前正在進(jìn)行著一場(chǎng)激烈的爭(zhēng)論。此前，對(duì)于移動(dòng)式應(yīng)用，語音傳輸基本上僅由電路交換實(shí)現(xiàn)。在這場(chǎng)爭(zhēng)論中，終端用戶的期望不容忽視。實(shí)際上，由于GSM網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成功地運(yùn)營(yíng)了20多年，用戶希望能夠?qū)崿F(xiàn)無論身在何處均能獲得優(yōu)良的語音品質(zhì)。

在LTE中如何實(shí)現(xiàn)語音傳輸？如何確保實(shí)際運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)仍然擁有研發(fā)階段所實(shí)現(xiàn)的功能和性能？本文將描述這兩個(gè)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(zhì)，要求無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)均采用合適的機(jī)制和架構(gòu)。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(huì)影響LTE網(wǎng)絡(luò)以及傳統(tǒng)的2G和3G網(wǎng)絡(luò)。

另一個(gè)考慮因素是語音用戶的移動(dòng)性。在LTE覆蓋區(qū)發(fā)起呼叫之后，用戶移出LTE覆蓋區(qū)并進(jìn)入某個(gè)現(xiàn)有2G或3G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，該呼叫不得被中斷。

3 LTE語音傳輸

LTE語音傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)前提是可以使用IP多媒體子系統(tǒng)(IMS)。用于支持多媒體應(yīng)用的完整解決方案，由用戶設(shè)備(UE)中的IMS支持功能、IP連接訪問網(wǎng)絡(luò)（IP-CAN）和核心網(wǎng)中的專用IMS功能等組成。

IMS盡可能地以標(biāo)準(zhǔn)IETF協(xié)議為基礎(chǔ)。3GPPTS23.228中描述了IMS參考架構(gòu)（包含該架構(gòu)至已有網(wǎng)絡(luò)和其它IP多媒體系統(tǒng)的接口），清晰地展示了該系統(tǒng)的靈活性和復(fù)雜性。借助該系統(tǒng)，可以組合任意的多媒體應(yīng)用，并在移動(dòng)環(huán)境中使用這些應(yīng)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(tǒng)完成注冊(cè)。LTE系統(tǒng)為信令和語音數(shù)據(jù)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(dòng)，因此可以提供良好的語音質(zhì)量。信令傳輸采用會(huì)話發(fā)起協(xié)議(SIP)，語音數(shù)據(jù)包的傳輸則采用實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTP)。此外，特殊的數(shù)據(jù)包分配算法還保證IMS可以滿足用于語音傳輸?shù)奶厥庖?。其中的一個(gè)示例就是半靜態(tài)調(diào)度(SPS)，它可以近似靜態(tài)的方式將頻率資源和時(shí)間資源分配至空中接口。此處必須注意，LTE系統(tǒng)通過同一個(gè)無線信道，同時(shí)傳輸語音和數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖1　語音功能所需要的IMS架構(gòu)的示意圖

為了降低需要以不同方式實(shí)施IMS系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)數(shù)量眾多的IMS系統(tǒng)進(jìn)行了主動(dòng)限制，使其僅包含語音傳輸（含常規(guī)的路由功能，即在本地網(wǎng)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(jì)劃(One Voiceinitiative)發(fā)布了一個(gè)IMS草案。此后，2010年2月，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)(GSMA)將該草案并入了LTE語音傳輸計(jì)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(shí)現(xiàn)。向現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸時(shí)，只要有可能，UE將始終僅使用一個(gè)空中接口（切換）。關(guān)于網(wǎng)絡(luò)和UE側(cè)中的相應(yīng)過程，詳見單無線語音呼叫連續(xù)性(SRVCC)下的相關(guān)描述。

通過引入該功能，IMS系統(tǒng)可以對(duì)同時(shí)運(yùn)行的語音服務(wù)和任意數(shù)據(jù)服務(wù)的切換進(jìn)行控制：對(duì)于LTE中的PS域業(yè)務(wù)，將語音業(yè)務(wù)切換到3G網(wǎng)絡(luò)中的CS域，同時(shí)將數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)切換至3G網(wǎng)絡(luò)中的PS域。

4 IMS的替代方案

IMS在許多年以前已經(jīng)提出，盡管僅有少量幾個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施了IMS，但經(jīng)過連接不斷的擴(kuò)展已包含了眾多其它功能。

其原因在于已經(jīng)找到，并已經(jīng)在最近實(shí)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(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸則使用LTE網(wǎng)絡(luò)。

●CSFB=CS回退(CSfallback)，該方案不使用LTE中的信令連接，并通過2G/3G網(wǎng)絡(luò)建立語音連接?；赟V-LTE的UE使用兩個(gè)獨(dú)立的空中接口，這兩個(gè)接口同時(shí)用于不同的服務(wù)。語音通過2G/3G網(wǎng)絡(luò)傳輸，LTE則專門用于數(shù)據(jù)傳輸。然而，這種簡(jiǎn)單的解決方案能耗較大，因此對(duì)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(guó)已經(jīng)投入了商業(yè)應(yīng)用，并可用于某些UE。CSFB解決方案，則避免同時(shí)使用兩個(gè)空中接口。如果某個(gè)LTEUE處于某個(gè)LTE小區(qū)中，無論是接收還是發(fā)起語音呼叫，則該呼叫均通過2G或3G網(wǎng)絡(luò)而非LTE建立。其假設(shè)前提是，只要有LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方，就有2G或3G的網(wǎng)絡(luò)。否則，要么以語音郵件的方式轉(zhuǎn)發(fā)該呼叫，要么不即時(shí)建立該呼叫。其優(yōu)點(diǎn)顯而易見：用戶可以從GSM網(wǎng)絡(luò)獲得他們所期望的語音質(zhì)量，且語音呼叫不使用LTE網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)內(nèi)重新建立語音服務(wù)。

因此，其耗費(fèi)時(shí)間需要多出數(shù)秒。此外，呼叫建立時(shí)正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)服務(wù)，通常無法與語音服務(wù)同時(shí)進(jìn)行?；赝酥?G網(wǎng)絡(luò)（UMTS或cdma2000?），通過切換至該網(wǎng)絡(luò)，可以繼續(xù)支持該數(shù)據(jù)服務(wù)。然而，因商用GSMUE尚未實(shí)現(xiàn)雙傳輸模式（DTM，即允許并行傳輸數(shù)據(jù)和語音），該選項(xiàng)不適用于回退至2G網(wǎng)絡(luò)(GSM)。圖2為相關(guān)網(wǎng)絡(luò)單元，和接收呼叫觸發(fā)CSFB過程之前和之后的信令和數(shù)據(jù)呼叫。

圖2　CSFB過程之前和之后的數(shù)據(jù)與信令信道

CSFB存在多種衍生。例如，對(duì)于帶重定向的RRC重連接釋放和PS切換就進(jìn)行了不同處理。其中，普遍認(rèn)為切換更加可靠。借助切換，UE可以接收專用信令，指出它應(yīng)該切換到2G或3G系統(tǒng)中哪個(gè)小區(qū)。

對(duì)于RRC重連接釋放，情況卻有所不同。這種情況下，例如，UE可以自主地選擇新的小區(qū)，此后UE將以相同方式穿透某個(gè)隧道。呼叫建立之前，必須進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)來自廣播信道的相關(guān)訪問信息進(jìn)行解碼。這就是呼叫建立期間產(chǎn)生額外延遲的主要原因。然而，在切換至2G/3G網(wǎng)絡(luò)之前，可以通過LTE網(wǎng)絡(luò)，將所有必須的訪問信息傳輸至UE，可以提高基于RRC重連接釋放的CSFB過程的速度。

圖3描述了業(yè)界應(yīng)用中將語音傳輸引入LTE網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程。CSFB被認(rèn)為是即使漫游時(shí)，也可保證足夠的語音質(zhì)量的最低功能。然而，從中、長(zhǎng)期看，引入基于IMS的VoLTE卻更加有利。2011年2月，下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(NGMN)行業(yè)協(xié)會(huì)為此提出一個(gè)建議。然而，如上所述，已經(jīng)在商用LTE網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)了SV-LTE。

圖3　LTE網(wǎng)絡(luò)中引入語音的發(fā)展歷程

5 實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)中的語音

為了保證不同解決方案所設(shè)計(jì)的功能和性能，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)際使用期間仍然具備可用性，必須在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行一系列測(cè)試。圖4所示測(cè)試設(shè)置可用于測(cè)試功能。該例中的測(cè)試儀器為羅德與施瓦茨公司的R&S?CMW500，它可以仿真測(cè)試所需要的所有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)功能。除了LTE之外，它還包括各種2代和3代移動(dòng)無線電技術(shù)（含GSM，UMTS和cdma2000?）。

圖4　用于檢測(cè)各種LTE語音傳輸解決方案功能的測(cè)試設(shè)置

在測(cè)試CSFB時(shí)，可以重現(xiàn)回退至UMTS的完整過程。這種情況下，測(cè)試儀器首先建立一個(gè)至UE的LTE信令連接。此后，發(fā)起一個(gè)撥入呼叫，并命令UE回退至3G網(wǎng)絡(luò)。UE在該測(cè)試儀器仿真的3G網(wǎng)絡(luò)中建立信令和語音信道。測(cè)試儀器和UE在不同信令層（物理層、媒體訪問控制（MAC）層、無線鏈路控制（RLC）層和無線資源控制（RRC）層等）所交換的全部信息均可完整地記錄下來。因此，可以檢驗(yàn)UE的功能是否正常，也可以檢測(cè)并排除所有的實(shí)施錯(cuò)誤。測(cè)試LTE語音傳輸(VoLTE)功能時(shí)，IMS功能則在另外一臺(tái)PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)。該P(yáng)C機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)試儀器和測(cè)試流程進(jìn)行控制。此時(shí)，相關(guān)過程（如SIP注冊(cè)過程或者P-CSCF發(fā)現(xiàn)過程）的功能是否正確無誤，也必須在UE中進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)于IMS(IP)層，每一條報(bào)文均可記錄并進(jìn)行分析。這一點(diǎn)，與第2和第3層（MAC至RRC）協(xié)議的實(shí)現(xiàn)完全相同。

完成了UE功能測(cè)試之后，下一步需要評(píng)估語音質(zhì)量。在LTE系統(tǒng)中，語音傳輸僅采用數(shù)據(jù)包交換實(shí)現(xiàn)。模擬語音信號(hào)經(jīng)過數(shù)字化、填入數(shù)據(jù)包、通過LTE空中接口進(jìn)行傳輸、在接收側(cè)轉(zhuǎn)換回模擬語音信號(hào)，接下來，輸出至揚(yáng)聲器。

因此，語音質(zhì)量不僅受到空中接口所采用的技術(shù)的影響，還受到所采用的語音編碼解碼器，以及麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器等的影響。整個(gè)傳輸鏈的評(píng)估，采用主觀語音質(zhì)量評(píng)估(PESQ)方法。PESQ基于參考信號(hào)進(jìn)行評(píng)估，參考信號(hào)則源于各種語種大量的語音樣本。R&S?UPV為羅德與施瓦茨公司的產(chǎn)品，是完成該測(cè)試任務(wù)極佳的工具。它可以生成所需要的參考信號(hào)，并將其與接收到的語音信號(hào)進(jìn)行比對(duì)。PESQ方法可以實(shí)現(xiàn)量化評(píng)估，其結(jié)果值的范圍為-0.5（差）~4.5（極好）。

6 LTE，大勢(shì)所趨

憑借在移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)中的高效數(shù)據(jù)傳輸，LTE技術(shù)已經(jīng)開創(chuàng)了該技術(shù)的成功一頁。盡管LTE已經(jīng)包含了語音傳輸所需技術(shù)，語音仍然通過2G和3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。盡管VoLTE的商業(yè)應(yīng)用，可能在2012年或更晚才可以啟動(dòng)，具體視各種移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的具體戰(zhàn)略而定，但用于檢驗(yàn)LTE語音的測(cè)試設(shè)備目前已經(jīng)面市。