1. Wyzwanie Zasięgu Komórkowego: Geneza VoWiFi

Pomimo wszystkich niesamowitych postępów w technologii mobilnej, od 1G przez 4G LTE aż po 5G, jedno fundamentalne wyzwanie pozostaje: idealny zasięg komórkowy jest niemożliwy do osiągnięcia. Fale radiowe, choć wydają się magiczne, podlegają prawom fizyki. Mogą być blokowane, odbijane i pochłaniane przez liczne przeszkody, co prowadzi do powstawania obszarów o słabym sygnale lub kompletnych "martwych stref", w których wykonanie prostego połączenia telefonicznego staje się frustrującym lub niemożliwym zadaniem.

Ten problem objawia się w wielu codziennych sytuacjach, których użytkownicy doświadczają każdego dnia:

• Wnętrza budynków: Nowoczesne materiały budowlane, takie jak beton, stal i energooszczędne szkło, bardzo skutecznie blokują sygnały komórkowe. Dlatego możesz mieć pełny zasięg na ulicy, ale stracić połączenie w chwili wejścia do piwnicy biurowca, dużego centrum handlowego czy stacji metra.
• Obszary wiejskie i oddalone: Budowa stacji bazowych jest kosztowna. Na słabo zaludnionych obszarach ekonomiczne uzasadnienie dla gęstej infrastruktury komórkowej jest słabe, co prowadzi do rozległych terenów z niepełnym lub brakiem zasięgu mobilnego.
• Tymczasowe przeciążenie sieci: Nawet w obszarach z dobrym zasięgiem, nagły napływ użytkowników, na przykład podczas koncertu czy wydarzenia sportowego, może przeciążyć pojemność lokalnej stacji bazowej, co skutkuje nieudanymi połączeniami i wolnym transferem danych.

Paradoksalnie, w wielu z tych miejsc, gdzie zawodzi usługa komórkowa, często dostępna jest inna, potężna sieć bezprzewodowa: Wi-Fi. VoWiFi, czyli Voice over Wi-Fi, zostało wymyślone jako genialne rozwiązanie tego problemu. Zamiast próbować walczyć z fizyką sygnałów komórkowych, VoWiFi wykorzystuje wszechobecność sieci Wi-Fi, aby radykalnie rozszerzyć zasięg i niezawodność podstawowej usługi głosowej operatora komórkowego.

2. Czym Jest VoWiFi? Rozwiązanie Natywne

Voice over Wi-Fi to technologia, która pozwala na wykonywanie i odbieranie standardowych połączeń telefonicznych o jakości operatorskiej przy użyciu sieci Wi-Fi zamiast tradycyjnej sieci komórkowej. Kluczowe jest zrozumienie, że VoWiFi fundamentalnie różni się od używania aplikacji typu "over-the-top" (OTT), takich jak Skype, WhatsApp czy Messenger, do prowadzenia rozmów głosowych.

• Brak Potrzeby Osobnej Aplikacji: VoWiFi to natywna funkcja wbudowana w system operacyjny telefonu i sieć operatora komórkowego. Korzysta ze standardowego dialera i listy kontaktów telefonu. Wykonujesz i odbierasz połączenia dokładnie tak, jak zawsze.
• Używa Twojego Prawdziwego Numeru Telefonu: Kiedy dzwonisz za pomocą VoWiFi, osoba, do której dzwonisz, widzi Twój normalny numer komórkowy. Gdy ktoś dzwoni na Twój numer komórkowy, Twój telefon dzwoni, niezależnie od tego, czy jesteś w sieci komórkowej, czy Wi-Fi. Doświadczenie jest płynne.
• Usługa o Jakości Operatorskiej: VoWiFi nie jest usługą internetową typu "best-effort". Połączenie jest kierowane przez bezpieczną infrastrukturę sieci rdzeniowej Twojego operatora komórkowego. Pozwala to operatorowi zarządzać połączeniem, zapewniać jakość usług i bezpieczeństwo, tak jak w przypadku tradycyjnego połączenia komórkowego.

W istocie, VoWiFi traktuje zaufaną sieć Wi-Fi jako alternatywną Radiową Sieć Dostępową (RAN). Twój telefon jest wyposażony w inteligencję, która pozwala mu płynnie wybierać najlepsze dostępne łącze radiowe dla połączenia głosowego, czy to sieć 4G LTE, czy lokalną sieć Wi-Fi.

3. Architektura VoWiFi: Rozszerzenie VoLTE

Genialność architektury VoWiFi polega na tym, że nie jest to samodzielny system. Zamiast tego, jest to bezpośrednie rozszerzenie infrastruktury już wdrożonej dla VoLTE (Voice over LTE). To sprawia, że jest to wysoce opłacalne i wydajne rozwiązanie do wdrożenia przez operatorów.

Wykorzystanie Rdzenia EPC i IMS

Przypomnijmy, że połączenia VoLTE są zarządzane przez wyspecjalizowany rdzeń sieciowy zwany Podsystemem Multimedialnym IP (IMS), który używa Protokołu Inicjacji Sesji (SIP) do sygnalizacji połączeń. Cała inteligencja do trasowania połączeń, zarządzania funkcjami i uwierzytelniania użytkowników znajduje się w IMS.

VoWiFi ponownie wykorzystuje całą tę infrastrukturę IMS. Z perspektywy rdzenia IMS, połączenie VoWiFi wygląda prawie identycznie jak połączenie VoLTE. Jedyna różnica to "drzwi wejściowe", którymi połączenie wchodzi do sieci operatora. Zamiast przybywać z wieży radiowej LTE, przybywa z publicznego internetu przez punkt dostępowy Wi-Fi. Aby obsłużyć ten nowy punkt wejścia, architektura wprowadza jeden kluczowy nowy element sieciowy.

ePDG (Evolved Packet Data Gateway)

ePDG to bezpieczna brama między niezaufanym publicznym internetem (przez który podróżuje ruch Wi-Fi) a zaufaną Evolved Packet Core (EPC) operatora. Jest to bezpieczny strażnik dla całego ruchu VoWiFi.

ePDG pełni kilka krytycznych funkcji:

• Terminacja Bezpieczeństwa: Sieci Wi-Fi są uważane za "niezaufane". Połączenie z Twojego telefonu do publicznego hotspotu Wi-Fi w kawiarni podróżuje przez otwarty internet. Aby chronić prywatność i integralność Twojej rozmowy, telefon i ePDG ustanawiają wysoce bezpieczny, zaszyfrowany tunel. ePDG działa jako punkt końcowy tego tunelu wewnątrz bezpiecznej sieci operatora.
• Ustanowienie Tunelu IPsec: Bezpieczeństwo jest zapewniane przez pakiet protokołów zwany IPsec (Internet Protocol Security). Gdy VoWiFi jest aktywowane, telefon inicjuje tunel IPsec do ePDG operatora. Wszystkie późniejsze pakiety sygnalizacyjne i głosowe VoWiFi są hermetyzowane w tym zaszyfrowanym tunelu, co czyni je niemożliwymi do odczytania przez kogokolwiek w sieci Wi-Fi lub w internecie.
• Brama do Sieci Rdzeniowej: Po uwierzytelnieniu i odszyfrowaniu ruchu w ePDG, jest on przekazywany do PGW (Packet Data Network Gateway), tego samego węzła, który obsługuje ruch danych pochodzący z sieci radiowej LTE. Z PGW pakiety trafiają do rdzenia IMS w celu przetworzenia połączenia, tak jak w przypadku połączenia VoLTE.

4. Płynne Przełączenie: Magia VoWiFi

Naprawdę niezwykłą cechą ekosystemu VoWiFi i VoLTE jest zdolność do płynnego przełączania (handover) rozmowy między tymi dwiema technologiami bez żadnych przerw. Zapewnia to spójne i wysokiej jakości doświadczenie głosowe, gdy poruszasz się wchodząc i wychodząc z zasięgu komórkowego i Wi-Fi.

Przełączenie z Wi-Fi do LTE

Wyobraź sobie, że prowadzisz rozmowę przez VoWiFi w domu i wychodzisz na zewnątrz, opuszczając zasięg swojej sieci Wi-Fi.

1. Twój telefon stale monitoruje siłę i jakość zarówno sygnału Wi-Fi, jak i dostępnych sygnałów komórkowych LTE w tle.
2. Gdy oddalasz się od domu, telefon wykrywa, że sygnał Wi-Fi słabnie i że dostępny jest silny, stabilny sygnał LTE.
3. Na podstawie polityk ustalonych przez operatora, oprogramowanie telefonu podejmuje decyzję, że przełączenie jest konieczne do utrzymania jakości rozmowy.
4. Telefon sygnalizuje sieci (przez istniejące połączenie Wi-Fi) swoją intencję przełączenia. Sieć przygotowuje kanał radiowy LTE i ustanawia wymagany nośnik QCI 1 dla głosu.
5. Gdy ścieżka LTE jest gotowa, strumień pakietów głosowych (RTP) jest płynnie przekierowywany ze ścieżki tunelu Wi-Fi/IPsec na nową ścieżkę nośnika radiowego LTE.
6. Cały ten proces odbywa się w ciągu kilku milisekund i jest całkowicie niezauważalny dla Ciebie i osoby, z którą rozmawiasz. Twoja rozmowa trwa bez ani jednego urwanego słowa.

Przełączenie z LTE do Wi-Fi

Odwrotny proces jest równie płynny. Wyobraź sobie, że rozmawiasz przez VoLTE, idąc w kierunku swojego biurowca, gdzie masz słaby zasięg komórkowy, ale silną sieć Wi-Fi w biurze.

1. Twój telefon, już połączony z biurowym Wi-Fi dla danych, wykrywa, że jakość sygnału Wi-Fi jest bardzo wysoka, podczas gdy sygnał LTE pogarsza się, gdy wchodzisz do budynku.
2. Telefon ustala, że przełączenie na Wi-Fi zapewni lepszą jakość rozmowy.
3. Autonomicznie ustanawia bezpieczny tunel IPsec do ePDG przez połączenie Wi-Fi w tle, podczas gdy połączenie VoLTE trwa nadal przez LTE.
4. Gdy bezpieczna ścieżka VoWiFi jest gotowa i uwierzytelniona, telefon i sieć koordynują przełączenie strumienia pakietów głosowych z nośnika LTE na nowy tunel IPsec Wi-Fi.
5. Teraz nieużywany nośnik głosowy LTE jest zwalniany, a Twoja rozmowa jest kontynuowana przez Wi-Fi bez przerw.

5. Podsumowanie: Siła Konwergencji

VoWiFi jest świadectwem siły konwergencji technologicznej. Mistrzowsko łączy światy sieci komórkowych i Wi-Fi, tworząc usługę głosową, która jest bardziej niezawodna, elastyczna i bogata w funkcje, niż którakolwiek z nich mogłaby zapewnić samodzielnie.

Kluczowe wnioski architektoniczne i funkcjonalne to:

• Rozwiązanie na Luki w Zasięgu: VoWiFi bezpośrednio rozwiązuje problem słabego zasięgu komórkowego w budynkach i na obszarach wiejskich, wykorzystując wszechobecne sieci Wi-Fi.
• Natywne i Płynne Doświadczenie Użytkownika: Jest zintegrowane z natywnym dialerem telefonu i używa numeru komórkowego użytkownika, nie wymagając dodatkowych aplikacji ani wysiłku ze strony użytkownika.
• Rozszerzenie Architektoniczne VoLTE: Wykorzystuje istniejący rdzeń EPC i IMS operatora, z dodaniem ePDG jako bezpiecznej bramy dla ruchu z niezaufanych sieci Wi-Fi.
• Bezpieczeństwo przez IPsec: Komunikacja jest zabezpieczona od końca do końca między telefonem a siecią rdzeniową operatora za pomocą solidnego szyfrowania IPsec, zapewniając prywatność nawet w publicznych sieciach Wi-Fi.
• Płynna Mobilność: Zdolność do automatycznego i niezauważalnego przełączania rozmów między sieciami LTE i Wi-Fi jest cechą definiującą, zapewniając nieprzerwane rozmowy, gdy użytkownicy przemieszczają się między różnymi obszarami zasięgu.

Inteligentnie traktując Wi-Fi jako kolejną technologię dostępu radiowego, operatorzy komórkowi mogą zaoferować znacznie ulepszoną i bardziej niezawodną usługę głosową swoim abonentom. VoWiFi, działając w parze z VoLTE, zapewnia, że czyste, szybkie i wysokiej jakości połączenie głosowe jest dostępne wszędzie tam, gdzie użytkownik ma dostęp do przyzwoitego łącza danych, czy to komórkowego, czy Wi-Fi.