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

1 引言

2009年，第一個商用LTE網(wǎng)絡(luò)在瑞典投入運營。緊接著，全球18個國家共26個網(wǎng)絡(luò)提供商用LTE服務(wù)（含美國、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)行著一場激烈的爭論。此前，對于移動式應(yīng)用，語音傳輸基本上僅由電路交換實現(xiàn)。在這場爭論中，終端用戶的期望不容忽視。實際上，由于GSM網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成功地運營了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中如何實現(xiàn)語音傳輸？如何確保實際運營網(wǎng)絡(luò)仍然擁有研發(fā)階段所實現(xiàn)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(zhì)，要求無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)均采用合適的機制和架構(gòu)。由于無法保證可以立即獲得全球性LTE覆蓋率，因此這可能會影響LTE網(wǎng)絡(luò)以及傳統(tǒng)的2G和3G網(wǎng)絡(luò)。

另一個考慮因素是語音用戶的移動性。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)入某個現(xiàn)有2G或3G網(wǎng)絡(luò)時，該呼叫不得被中斷。

3 LTE語音傳輸

LTE語音傳輸?shù)脑O(shè)計前提是可以使用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。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，因此可以提供良好的語音質(zhì)量。信令傳輸采用會話發(fā)起協(xié)議(SIP)，語音數(shù)據(jù)包的傳輸則采用實時傳輸協(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)通過同一個無線信道，同時傳輸語音和數(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施IMS系統(tǒng)的風(fēng)險，對數(shù)量眾多的IMS系統(tǒng)進(jìn)行了主動限制，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，聲音共享計劃(One Voiceinitiative)發(fā)布了一個IMS草案。此后，2010年2月，全球移動通信系統(tǒng)協(xié)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(xiàn)。向現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(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)可以對同時運行的語音服務(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，盡管僅有少量幾個移動網(wǎng)絡(luò)實施了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使用兩個獨立的空中接口，這兩個接口同時用于不同的服務(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(jīng)投入了商業(yè)應(yīng)用，并可用于某些UE。CSFB解決方案，則避免同時使用兩個空中接口。如果某個LTEUE處于某個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，要么不即時建立該呼叫。其優(yōu)點顯而易見：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，其耗費時間需要多出數(shù)秒。此外，呼叫建立時正在進(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)中哪個小區(qū)。

對于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隧道。呼叫建立之前，必須進(jìn)行測量，并對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，也可保證足夠的語音質(zhì)量的最低功能。然而，從中、長期看，引入基于IMS的VoLTE卻更加有利。2011年2月，下一代移動網(wǎng)絡(luò)(NGMN)行業(yè)協(xié)會為此提出一個建議。然而，如上所述，已經(jīng)在商用LTE網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)了SV-LTE。

圖3　LTE網(wǎng)絡(luò)中引入語音的發(fā)展歷程

5 實際網(wǎng)絡(luò)運營中的語音

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

圖4　用于檢測各種LTE語音傳輸解決方案功能的測試設(shè)置

在測試CSFB時，可以重現(xiàn)回退至UMTS的完整過程。這種情況下，測試儀器首先建立一個至UE的LTE信令連接。此后，發(fā)起一個撥入呼叫，并命令UE回退至3G網(wǎng)絡(luò)。UE在該測試儀器仿真的3G網(wǎng)絡(luò)中建立信令和語音信道。測試儀器和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UE的功能是否正常，也可以檢測并排除所有的實施錯誤。測試LTE語音傳輸(VoLTE)功能時，IMS功能則在另外一臺PC機上實現(xiàn)。該PC機負(fù)責(zé)對測試儀器和測試流程進(jìn)行控制。此時，相關(guān)過程（如SIP注冊過程或者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。對于IMS(IP)層，每一條報文均可記錄并進(jìn)行分析。這一點，與第2和第3層（MAC至RRC）協(xié)議的實現(xiàn)完全相同。

完成了UE功能測試之后，下一步需要評估語音質(zhì)量。在LTE系統(tǒng)中，語音傳輸僅采用數(shù)據(jù)包交換實現(xiàn)。模擬語音信號經(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，接下來，輸出至揚聲器。

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)和揚聲器等的影響。整個傳輸鏈的評估，采用主觀語音質(zhì)量評估(PESQ)方法。PESQ基于參考信號進(jìn)行評估，參考信號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，是完成該測試任務(wù)極佳的工具。它可以生成所需要的參考信號，并將其與接收到的語音信號進(jìn)行比對。PESQ方法可以實現(xiàn)量化評估，其結(jié)果值的范圍為-0.5（差）~4.5（極好）。

6 LTE，大勢所趨

憑借在移動無線網(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，具體視各種移動網(wǎng)絡(luò)運營商的具體戰(zhàn)略而定，但用于檢驗LTE語音的測試設(shè)備目前已經(jīng)面市。