Voice over LTE (VoLTE)

1. Głos w sieci All-IP LTE

Architektura LTE (Long Term Evolution) została zaprojektowana jako sieć . W przeciwieństwie do poprzednich generacji (2G i 3G), EPC nie zawiera oddzielnego obwodu do obsługi tradycyjnych połączeń głosowych. Głos w LTE wymaga usługi IMS albo mechanizmu przejścia do wcześniejszej sieci.

Poprzednie generacje opierały się na technologii zwanej dla połączeń głosowych. W połączeniu 2G lub 3G sieć rezerwowała obwód między stronami na czas rozmowy. W LTE sesja użytkownika korzysta z transmisji pakietowej, więc głos musi zostać opisany i obsłużony jako usługa IP.

Powstało więc pytanie, jak wykonać zwykłe połączenie w sieci zaprojektowanej dla pakietów danych. We wczesnych wdrożeniach 4G stosowano rozwiązanie przejściowe znane jako Circuit-Switched Fallback (CSFB).

2. Circuit-Switched Fallback (CSFB)

Circuit-Switched Fallback było rozwiązaniem przejściowym. Telefon obsługujący LTE wykonywał i odbierał tradycyjne połączenia, przechodząc na czas rozmowy do starszej technologii sieciowej z domeną komutacji łączy.

Jak Działa CSFB

Przykładowy przebieg CSFB dla telefonu korzystającego z transmisji danych LTE obejmuje następującą sekwencję zdarzeń:

MME odbiera przez interfejs SGs żądanie wywołania z MSC i wykonuje stronicowanie UE w sieci LTE.
MME oraz eNodeB zwalniają albo przekierowują UE, aby mogło opuścić połączenie radiowe LTE na czas obsługi domeny komutowanej.
Radio w telefonie przechodzi do starszej sieci 3G (UMTS) lub 2G (GSM) operatora, która ma infrastrukturę komutacji łączy dla połączeń głosowych.
Po połączeniu z siecią 2G/3G połączenie zostaje nawiązane i może rozpocząć się rozmowa.
Przez czas rozmowy telefon pozostaje w sieci 2G/3G. Usługi internetowe mogą zostać zawieszone albo działać z przepływnością zależną od możliwości wybranej sieci i urządzenia.
Gdy rozmowa się kończy, telefon rozłącza się z siecią 2G/3G i ponownie dołącza do sieci 4G LTE, aby wznowić usługi danych.

W CSFB MME żąda obsługi przez interfejs SGs w kierunku MSC. eNodeB zwalnia zasoby albo przekierowuje UE do GERAN lub UTRAN, gdzie za połączenie komutowane odpowiada MSC. Szczegóły sygnalizacji i transmisji danych zależą od zastosowanego wariantu współpracy z siecią 2G lub 3G.

Wady CSFB

CSFB spełniało funkcję przejściową, ale wprowadzało kilka ograniczeń technicznych:

Dłuższy Czas Ustanawiania Połączenia: Proces przełączenia do innej sieci i ustanowienia połączenia może trwać dłużej niż zestawienie rozmowy w jednej technologii, co opóźnia pierwszy sygnał po wybraniu numeru.
Brak Jednoczesnego Głosu i Danych LTE: Podczas rozmowy w trybie CSFB nośnik LTE jest zwalniany albo zawieszany. Nie można więc korzystać z mapy ani sprawdzać poczty elektronicznej w ramach tej sesji LTE. Transmisja pakietowa przez starszą technologię może pozostać dostępna, jeśli obsługują ją terminal i sieć.
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.

Sieć All-IP LTE wymagała usługi głosowej opartej na IMS. Tę funkcję zapewnia VoLTE.

3. Usługa głosowa VoLTE w sieci 4G

VoLTE to skrót od Voice over Long Term Evolution. Jest to usługa głosowa oparta na IMS, która przenosi sygnalizację i media głosowe jako pakiety IP w sieci LTE. Telefon nie musi przełączać się do starszej technologii, jeśli operator udostępnia VoLTE i urządzenie jest poprawnie skonfigurowane.

Właściwości techniczne VoLTE

Obsługa głosu w architekturze LTE daje VoLTE następujące właściwości techniczne:

Wyższa Jakość Połączeń (HD Voice): VoLTE może zapewnić szersze pasmo mowy niż tradycyjna telefonia 2G/3G, jeśli oba końce rozmowy i sieć wybiorą odpowiedni . Jednym z używanych kodeków jest AMR-WB (Adaptive Multi-Rate Wideband). Dla porównania, wąskopasmowa telefonia obejmuje zwykle około $300$ Hz do $3.4$ kHz, a AMR-WB może przenosić pasmo mowy około $50$ Hz do $7$ kHz.
Krótszy Czas Ustanawiania Połączeń: Telefon nie wykonuje przełączenia do 2G/3G, dlatego VoLTE może skrócić zestawianie rozmowy względem CSFB. Rzeczywisty czas zależy od rejestracji IMS, sygnalizacji i obciążenia sieci.
Jednoczesny Głos i Szybkie Dane: Telefon pozostaje w sieci 4G podczas rozmowy, więc transmisja danych może działać równolegle. Pozwala to na przykład używać nawigacji, przeglądać strony internetowe lub pobierać załącznik poczty elektronicznej.
Możliwe Ograniczenie Zużycia Energii: CSFB wymaga wyszukania i utrzymania drugiej technologii radiowej. Pozostanie w LTE może ograniczyć tę dodatkową pracę, ale wynik zależy od warunków radiowych i konfiguracji urządzenia.
Współdzielenie Platformy IMS: IMS może obsługiwać także usługi RCS, takie jak wiadomości, udostępnianie plików lub rozmowy wideo. Sama aktywacja VoLTE nie włącza RCS, ponieważ usługi te wymagają osobnego wdrożenia i profilu operatora.

4. Architektura i działanie VoLTE

Dostarczanie głosu jako pakietów wymaga obsługi sesji, negocjacji kodeka i reguł jakości usług. VoLTE korzysta z , który oddziela sygnalizację rozmowy od transportu mediów.

Sterowanie sesjami VoLTE w IMS

IMS to warstwa komponentów sieciowych działająca nad standardową siecią danych LTE (EPC). Zarządza sesjami multimedialnymi, w tym połączeniami VoLTE, za pomocą protokołu SIP (Session Initiation Protocol). Przy inicjowaniu połączenia urządzenie wysyła do IMS wiadomość "INVITE", a IMS kieruje sesję do strony wywoływanej.

Jakość usługi (QoS) w VoLTE

QoS odróżnia profil operatorski VoLTE od typowej aplikacji VoIP typu "over-the-top" (OTT). Aplikacja OTT zwykle wysyła media przez publiczny internet na zasadzie "najlepszej możliwej obsługi", gdzie pakiety konkurują z innym ruchem. VoLTE wykorzystuje reguły EPC i IMS, ale jakość nadal zależy od zasięgu, obciążenia oraz konfiguracji operatora.

VoLTE wykorzystuje reguły IMS i EPC. Dla mediów głosowych sieć może ustanowić dedykowany nośnik EPS z określonym .

Dla sygnalizacji IMS, w tym wiadomości SIP, stosuje się charakterystykę QCI = 5, zwykle na nośniku sygnalizacyjnym.
Dla mediów głosowych, czyli pakietów RTP, stosuje się charakterystykę GBR QCI = 1, często na dedykowanym nośniku EPS.

QCI = 1 opisuje usługę głosową jako GBR z budżetem opóźnienia pakietu 100 ms i docelowym współczynnikiem utraty pakietów 10^-2 w profilu LTE. Nie oznacza to absolutnego pierwszeństwa w każdej sytuacji, ponieważ scheduler nadal przydziela zasoby radiowe, a warunki kanału mogą pogorszyć rozmowę. QCI 5 ma inną charakterystykę i służy sygnalizacji IMS.

QCI jest identyfikatorem profilu przekazywanym w regułach polityki i nie stanowi gwarancji przepływności na każdym odcinku. Funkcje PCRF i PCEF wiążą przepływ mediów z nośnikiem, natomiast eNodeB stosuje harmonogram dla aktualnych warunków radiowych. Dlatego poprawna konfiguracja QCI nie zastępuje zasięgu ani zasobów radiowych.

Domyślny nośnik EPS przenosi rejestrację IMS i sygnalizację SIP, a nośnik dedykowany powstaje po autoryzacji mediów przez reguły polityki. PCRF dostarcza reguły, PCEF egzekwuje je w bramie, a eNodeB realizuje decyzję harmonogramowania radiowego.

RTP przenosi zakodowane ramki mowy, a SIP pozostaje kanałem sterowania sesją. Rozdzielenie obu strumieni pozwala zmienić kodek lub parametry mediów bez mieszania ich z komunikatami ustanawiania i kończenia połączenia.

SDP przenoszony w SIP opisuje parametry kodeka i punkty końcowe mediów. Po zaakceptowaniu sesji RTP transportuje zakodowane ramki, dzięki czemu sygnalizacja i media pozostają rozdzielone podczas rozmowy.

Przepływ połączenia VoLTE

Uproszczona sekwencja zdarzeń podczas wykonywania połączenia VoLTE jest następująca:

Rejestracja w IMS: Gdy usługa VoLTE jest skonfigurowana i włączona, urządzenie obsługujące VoLTE po połączeniu z siecią LTE rejestruje się w rdzeniu IMS. Ustanawia to jego tożsamość i gotowość do wykonywania oraz odbierania połączeń VoLTE, a także domyślny nośnik EPS dla sygnalizacji.
Inicjacja Połączenia: Wybranie numeru powoduje utworzenie przez aplikację VoLTE wiadomości SIP INVITE. Wiadomość zawiera numer strony wywoływanej oraz listę kodeków audio obsługiwanych przez urządzenie.
Ścieżka Sygnalizacyjna: SIP INVITE jest wysyłany przez nośnik sygnalizacyjny QCI 5 do rdzenia IMS.
Ustanowienie Nośnika: Rdzeń IMS przekazuje wymagania usługi do funkcji polityki i sieci EPC, która wraz z eNodeB może utworzyć dedykowany nośnik z QCI 1 dla mediów głosowych.
Powiadamianie o Połączeniu:Sieć IMS kieruje SIP INVITE do strony wywoływanej. Jej telefon odbiera wiadomość, sygnalizuje dzwonienie i odsyła komunikat SIP "Ringing".
Połączenie Odebrane: Strona wywoływana odbiera połączenie. Jej telefon wysyła wiadomość SIP 200 OK do sieci IMS, która przekazuje ją do urządzenia wywołującego.
Przepływ Mediów: Oba telefony są gotowe. Mowa jest digitalizowana, kompresowana przez wynegocjowany kodek, na przykład AMR-WB, umieszczana w pakietach RTP (Real-time Transport Protocol) i wysyłana przez nośnik głosowy o charakterystyce QCI 1.
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.