1. Dylemat Głosu: Konsekwencja Sieci All-IP

Architektura LTE (Long Term Evolution) była rewolucyjnym krokiem w komunikacji mobilnej. Jej projektanci podjęli odważną i przyszłościową decyzję o stworzeniu sieci All-IP. Oznacza to, że w przeciwieństwie do poprzednich generacji (2G i 3G), sieć LTE nie posiada oddzielnej, dedykowanej infrastruktury do obsługi tradycyjnych połączeń głosowych. W świecie LTE wszystko jest danymi.

Poprzednie generacje opierały się na technologii zwanej komutacją łączy dla połączeń głosowych. Gdy dzwoniłeś w sieci 2G lub 3G, ustanawiany był dedykowany, ciągły obwód między Tobą a osobą, z którą rozmawiałeś. Ten obwód był zarezerwowany wyłącznie dla Twojej rozmowy na cały czas jej trwania. Było to niezawodne, ale i nieefektywne. Sieć LTE, będąc w całości siecią z komutacją pakietów, tak jak internet, nie ma koncepcji dedykowanego obwodu.

Stworzyło to poważne wyzwanie: Jak wykonać normalne połączenie telefoniczne w sieci, która została zbudowana tylko do obsługi pakietów danych? We wczesnych dniach 4G problem ten rozwiązano za pomocą tymczasowego i dość niezdarnego obejścia, znanego jako Circuit-Switched Fallback (CSFB).

2. Tymczasowe Rozwiązanie: Circuit-Switched Fallback (CSFB)

Circuit-Switched Fallback było sprytnym, ale ostatecznie przejściowym rozwiązaniem, które pozwalało telefonom obsługującym LTE na wykonywanie i odbieranie tradycyjnych połączeń głosowych poprzez tymczasowe "wycofanie się" do starszej technologii sieciowej.

Jak Działa CSFB

Wyobraź sobie, że używasz telefonu w sieci 4G, przeglądając internet z dużą prędkością. Nadchodzi połączenie telefoniczne. W przypadku CSFB następuje następująca sekwencja zdarzeń:

1. Sieć LTE (w szczególności MME) wykrywa przychodzące połączenie głosowe dla Twojego urządzenia.
2. MME wysyła polecenie do Twojego telefonu, instruując go, aby tymczasowo zawiesił połączenie danych LTE.
3. Radio w Twoim telefonie "wycofuje się" i łączy z starszą siecią 3G (UMTS) lub 2G (GSM) operatora, która posiada niezbędną infrastrukturę z komutacją łączy do obsługi połączeń głosowych.
4. Po połączeniu z siecią 2G/3G połączenie zostaje nawiązane i możesz rozmawiać.
5. Przez cały czas trwania rozmowy Twój telefon pozostaje w sieci 2G/3G. Wszelkie usługi internetowe, z których korzystałeś, są całkowicie zawieszone lub działają ze znacznie niższymi prędkościami starszej sieci.
6. Gdy rozmowa się kończy, Twój telefon rozłącza się z siecią 2G/3G i ponownie dołącza do sieci 4G LTE, aby wznowić szybkie usługi danych.

Wady CSFB

Mimo że było funkcjonalne, CSFB zapewniało słabe doświadczenie użytkownika i miało kilka istotnych wad technicznych:

• Dłuższy Czas Ustanawiania Połączenia: Cały proces przełączania się do innej sieci, a następnie ustanawiania połączenia, trwa kilka sekund, co skutkuje zauważalnym opóźnieniem między wybraniem numeru a usłyszeniem pierwszego sygnału.
• Brak Jednoczesnego Głosu i Danych: To był poważny krok wstecz. Podczas rozmowy w trybie CSFB Twoje szybkie połączenie danych 4G jest nieaktywne. Nie możesz przeglądać mapy w poszukiwaniu wskazówek, rozmawiając z kimś, ani sprawdzać e-maili podczas telekonferencji.
• Nieefektywne Wykorzystanie Zasobów Sieciowych: Utrzymywanie zarówno nowoczesnej sieci 4G, jak i starszych sieci 2G/3G wyłącznie w celu obsługi fallback jest kosztowne i skomplikowane dla operatorów. Wymaga również ciągłej sygnalizacji między różnymi rdzeniami sieci.

Było jasne, że potrzebne jest natywne, długoterminowe rozwiązanie dla głosu w sieci All-IP LTE. Tym rozwiązaniem jest VoLTE.

3. VoLTE: Prawdziwy Głos 4G

VoLTE to skrót od Voice over Long Term Evolution. Jest to standardowa technologia dostarczania wysokiej jakości komunikacji głosowej jako kolejnej usługi danych w wydajnej sieci LTE. Zamiast przełączać się do starej sieci, połączenie VoLTE jest traktowane jak strumień pakietów IP, tak samo jak wideo z YouTube czy strona internetowa z serwera.

Kluczowe Korzyści VoLTE

Dzięki natywnej obsłudze głosu w architekturze LTE, VoLTE zapewnia lepsze doświadczenia i liczne zalety techniczne:

• Wyższa Jakość Połączeń (HD Voice): Połączenia VoLTE oferują znacznie czystszy i bardziej naturalnie brzmiący dźwięk niż tradycyjne połączenia 2G/3G. Osiąga się to dzięki użyciu zaawansowanych, szerokopasmowych kodeków audio, takich jak AMR-WB (Adaptive Multi-Rate Wideband). Podczas gdy tradycyjne połączenia są ograniczone do wąskiego zakresu częstotliwości od $300$ Hz do $3.4$ kHz, co sprawia, że głosy brzmią "płasko", HD Voice przechwytuje znacznie szerszy zakres, zazwyczaj od $50$ Hz do $7$ kHz, zachowując więcej niuansów ludzkiego głosu.
• Szybszy Czas Ustanawiania Połączeń: Ponieważ telefon nie musi zmieniać sieci, czas ustanawiania połączeń VoLTE jest drastycznie skrócony, często zajmując mniej niż połowę czasu połączenia CSFB. Połączenie jest nawiązywane niemal natychmiast po wybraniu numeru.
• Jednoczesny Głos i Szybkie Dane: To jedna z najbardziej zauważalnych korzyści dla użytkowników. Dzięki VoLTE Twój telefon pozostaje w sieci 4G podczas rozmowy. Oznacza to, że możesz bez przerwy korzystać z szybkich usług danych podczas rozmowy. Możesz rozmawiać przez głośnik, jednocześnie nawigując za pomocą Map Google, przeglądać internet w poszukiwaniu informacji podczas rozmowy lub pobierać załącznik e-mail.
• Poprawiona Żywotność Baterii: Proces CSFB, polegający na wyszukiwaniu i łączeniu się z inną siecią, zużywa znaczną ilość energii baterii. Pozostając w sieci LTE, VoLTE może prowadzić do poprawy żywotności baterii w porównaniu z częstymi rozmowami w środowisku CSFB.
• Umożliwienie Bogatych Usług Komunikacyjnych (RCS): Oparta na IP natura VoLTE jest podstawą dla zaawansowanych usług komunikacyjnych, znanych jako RCS. Może to obejmować funkcje takie jak rozmowy wideo zintegrowane z natywnym dialerem, udostępnianie plików w czasie rzeczywistym i zaawansowane wiadomości, przekształcając podstawowe połączenie telefoniczne w bogatsze doświadczenie multimedialne.

4. Jak Działa VoLTE: Spojrzenie od Kuchni

Dostarczanie niezawodnego, wysokiej jakości głosu jako pakietów danych nie jest tak proste, jak uruchomienie aplikacji typu Skype na 4G. VoLTE wymaga dedykowanej i zaawansowanej architektury, aby zapewnić, że połączenia głosowe są zawsze priorytetowe i obsługiwane bezbłędnie. Ta architektura nazywa się Podsystemem Multimedialnym IP (IMS).

IMS: Centrum Sterowania dla VoLTE

IMS to warstwa komponentów sieciowych, która znajduje się na szczycie standardowej sieci danych LTE (EPC). Jej zadaniem jest zarządzanie sesjami multimedialnymi, co obejmuje połączenia VoLTE. "Językiem" używanym w IMS do ustanawiania, zarządzania i zrywania tych sesji jest protokół o nazwie SIP (Session Initiation Protocol). Gdy wykonujesz połączenie VoLTE, Twój telefon używa SIP do wysłania wiadomości "INVITE" do IMS, który następnie kieruje połączenie do celu.

Jakość Usługi (QoS): Sekret Sukcesu VoLTE

Jest to najważniejsza koncepcja, która odróżnia VoLTE od standardowych aplikacji VoIP typu "over-the-top" (OTT). Gdy używasz aplikacji takiej jak WhatsApp czy Skype do rozmowy, Twoje pakiety głosowe są wysyłane przez internet na zasadzie "najlepszej możliwej obsługi". Są one traktowane tak samo jak każdy inny pakiet danych, konkurując o przepustowość z e-mailami, strumieniami wideo i pobieranymi plikami. Jeśli sieć jest przeciążona, jakość Twojej rozmowy ucierpi.

VoLTE działa inaczej. Po zainicjowaniu połączenia VoLTE system IMS instruuje sieć LTE, aby ustanowiła dedykowany nośnik EPS z określonym Identyfikatorem Klasy Jakości Usługi (QCI).

• Dla sygnalizacji VoLTE (wiadomości SIP) ustanawiany jest dedykowany nośnik z QCI = 5.
• Dla faktycznych mediów głosowych (pakietów RTP przenoszących Twoją mowę) ustanawiany jest dedykowany nośnik o najwyższym priorytecie, QCI = 1.

Nośnik z QCI 1 to specjalny pas VIP na autostradzie danych. Ma on gwarantowane niskie opóźnienie i priorytetowy przepływ ruchu. Pakiety na tym nośniku mają absolutny priorytet nad wszystkimi innymi rodzajami ruchu danych. Zapewnia to, że Twoje pakiety głosowe zawsze docierają szybko i bez przerw, nawet jeśli komórka jest mocno obciążona przez innych użytkowników danych. Ta gwarantowana Jakość Usługi jest tym, co daje VoLTE niezawodność i czystość dźwięku na poziomie operatorskim, czyniąc ją prawdziwym zamiennikiem tradycyjnego głosu z komutacją łączy.

Przepływ Połączenia VoLTE: Przewodnik Krok po Kroku

Oto uproszczona sekwencja zdarzeń podczas wykonywania połączenia VoLTE:

1. Rejestracja w IMS: Gdy Twój telefon obsługujący VoLTE po raz pierwszy łączy się z siecią LTE, przeprowadza procedurę rejestracji w rdzeniu IMS. Ustanawia to jego tożsamość i gotowość do wykonywania i odbierania połączeń VoLTE. Obejmuje to utworzenie domyślnego nośnika EPS dla sygnalizacji.
2. Inicjacja Połączenia: Wybierasz numer i naciskasz przycisk połączenia. Aplikacja VoLTE w Twoim telefonie tworzy wiadomość SIP INVITE. Wiadomość ta zawiera informacje o połączeniu, takie jak numer, który wybierasz, i kodeki audio obsługiwane przez Twój telefon.
3. Ścieżka Sygnalizacyjna: SIP INVITE jest wysyłany przez nośnik sygnalizacyjny QCI 5 do rdzenia IMS.
4. Ustanowienie Nośnika: Rdzeń IMS otrzymuje INVITE i sygnalizuje sieci rdzeniowej danych (EPC) oraz sieci radiowej (eNodeB), aby utworzyć nowy, dedykowany nośnik z QCI 1 specjalnie dla nadchodzących mediów głosowych.
5. Powiadamianie o Połączeniu: Sieć IMS kieruje SIP INVITE do osoby, do której dzwonisz. Jej telefon otrzymuje wiadomość i zaczyna dzwonić. Jej telefon odsyła wiadomość SIP "Ringing".
6. Połączenie Odebrane: Druga osoba odbiera połączenie. Jej telefon wysyła wiadomość SIP 200 OK z powrotem do sieci IMS, która przekazuje ją do Twojego telefonu.
7. Przepływ Mediów: Oba telefony są teraz gotowe. Rozpoczyna się rozmowa. Twoja mowa jest digitalizowana, kompresowana przez kodek AMR-WB, umieszczana w pakietach RTP (Real-time Transport Protocol) i wysyłana przez wysoko priorytetowy, dedykowany nośnik QCI 1.
8. Zakończenie Połączenia: Gdy jedna z osób się rozłączy, jej telefon wysyła wiadomość SIP BYE. Sieć następnie zrywa dedykowany nośnik QCI 1, zwalniając zasoby, i połączenie zostaje zakończone.