Voice over Wi-Fi (VoWiFi)

1. Zasięg komórkowy a VoWiFi

Mimo rozwoju sieci od 1G przez 4G LTE do 5G nie da się zapewnić jednolitego zasięgu komórkowego w każdym miejscu. Fale radiowe są tłumione, odbijane i pochłaniane przez przeszkody, dlatego powstają obszary o słabym sygnale lub całkowite "martwe strefy", w których wykonanie połączenia jest trudne albo niemożliwe.

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. Urządzenie może więc mieć pełny zasięg na ulicy, ale stracić połączenie po wejściu 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.

W wielu takich miejscach dostępna jest jednak inna sieć bezprzewodowa: Wi-Fi. VoWiFi, czyli Voice over Wi-Fi, przenosi usługę głosową operatora przez dostęp WLAN, gdy operator, urządzenie i sieć obsługują ten tryb.

2. VoWiFi jako usługa operatora

Voice over Wi-Fi to technologia, która pozwala wykonywać i odbierać połączenia numeru komórkowego przez sieć Wi-Fi zamiast przez radio komórkowe, jeśli usługa jest udostępniona przez operatora. Różni się od aplikacji typu "over-the-top" (OTT), takich jak Skype, WhatsApp czy Messenger, ponieważ korzysta z profilu operatora i jego infrastruktury IMS.

• Brak Potrzeby Osobnej Aplikacji: W obsługiwanym urządzeniu VoWiFi jest funkcją systemową współpracującą z siecią operatora. Korzysta ze standardowego dialera i listy kontaktów, więc połączenie można wykonać bez osobnej aplikacji.
• Numer komórkowy: Przy połączeniu VoWiFi odbiorca zwykle widzi numer komórkowy przypisany przez operatora. Połączenie przychodzące na ten numer może dotrzeć przez Wi-Fi albo sieć komórkową, zależnie od konfiguracji usługi.
• Usługa Operatorska:Odcinek Wi-Fi może działać na zasadzie "best-effort", ale sygnalizacja i media trafiają przez zabezpieczoną infrastrukturę operatora. Operator może stosować własne reguły QoS, uwierzytelniania i obsługi sesji.

VoWiFi wykorzystuje Wi-Fi jako dostęp non-3GPP do sieci operatora, zamiast radiowego E-UTRAN. Telefon i sieć wybierają dostęp zgodnie z polityką operatora oraz warunkami połączenia, korzystając z LTE albo WLAN.

Sieć WLAN może być traktowana przez EPC jako zaufana albo niezaufana. Przy zaufanym dostępie WLAN brama TWAN łączy się z rdzeniem pakietowym przez S2a, więc UE nie korzysta z takiego samego tunelu IPsec między UE a ePDG. Przy niezaufanym dostępie WLAN UE ustanawia przez SWu tunel IPsec do ePDG, a ePDG łączy się z PGW przez S2b. Dostępny model zależy od profilu operatora.

3. Architektura VoWiFi

VoWiFi nie jest osobnym rdzeniem usług głosowych. Jest rozszerzeniem infrastruktury używanej przez VoLTE (Voice over LTE), przede wszystkim IMS i EPC, z dodatkowym dostępem przez WLAN.

Rdzeń EPC i IMS

Połączenia VoLTE są zarządzane przez wyspecjalizowany rdzeń sieciowy zwany Podsystemem Multimedialnym IP (IMS), który używa Protokołu Inicjacji Sesji (SIP) do sygnalizacji połączeń. Funkcje trasowania połączeń, obsługi usług i uwierzytelniania użytkowników są realizowane w IMS.

VoWiFi wykorzystuje tę samą infrastrukturę IMS do rejestracji i sygnalizacji. Z punktu widzenia IMS sesja jest podobna do VoLTE, ale dostęp prowadzi przez sieć non-3GPP, a w wariancie niezaufanym przez ścieżkę IP, która może obejmować publiczny internet. Do obsługi tego punktu wejścia architektura wykorzystuje dodatkowy element sieciowy.

ePDG (Evolved Packet Data Gateway)

ePDG to brama między niezaufanym dostępem non-3GPP a Evolved Packet Core (EPC) operatora. Terminuje on zabezpieczony tunel z urządzenia i przekazuje ruch do sieci pakietowej.

ePDG pełni kilka funkcji:

• Terminacja Bezpieczeństwa:Dostęp WLAN spoza zaufanej domeny operatora traktuje się jako "niezaufany". Telefon i ePDG ustanawiają tunel chroniący sygnalizację oraz media, a ePDG jest jego punktem końcowym po stronie operatora.
• Ustanowienie Tunelu IPsec: Zabezpieczenie zapewnia pakiet protokołów IPsec (Internet Protocol Security). Telefon negocjuje z ePDG tunel IKEv2/IPsec, a wiadomości EAP-AKA mogą służyć do uwierzytelnienia. Sygnalizacja i media VoWiFi są następnie przenoszone w tunelu.
• 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.

Telefon wybiera nazwę ePDG zgodnie z mechanizmami operatora, uruchamia IKEv2 i przesyła komunikaty EAP do uwierzytelnienia. Po ustanowieniu IPsec ePDG przekazuje sesję do PGW przez interfejs S2b, a dalej do IMS. Rozdzielenie dostępu WLAN od rdzenia pozwala operatorowi stosować te same procedury rejestracji IMS co dla VoLTE.

Sieć Wi-Fi pozostaje poza kontrolą radiową operatora. Opóźnienie, jitter i utrata pakietów na odcinku do punktu dostępowego wpływają więc na rozmowę, nawet gdy tunel IPsec i nośnik w EPC działają prawidłowo.

Interfejs S2b przenosi nośnik płaszczyzny użytkownika między ePDG i PGW. W wariancie opartym na GTP nośnik jest tunelem GTP, natomiast inne warianty S2b korzystają z określonego dla nich protokołu mobilności. IMS nadal obsługuje rejestrację i sterowanie sesją SIP. Ochrona dostępu nie steruje warunkami radiowymi wewnątrz sieci WLAN.

4. Przełączanie między Wi-Fi i LTE

W profilach obsługujących mobilność można wykonać przełączenie (handover) rozmowy między VoWiFi i VoLTE. Procedura zależy od operatora, urządzenia oraz dostępnych warunków radiowych, dlatego nie każda zmiana dostępu przebiega bez przerwy.

Przełączenie z Wi-Fi do LTE

Przykładowy scenariusz obejmuje rozmowę przez VoWiFi w domu i wyjście poza zasięg lokalnej sieci Wi-Fi.

1. Telefon stale monitoruje siłę i jakość sygnału Wi-Fi oraz dostępnych sygnałów komórkowych LTE.
2. Gdy urządzenie oddala się od punktu dostępowego, wykrywa słabnięcie sygnału Wi-Fi i dostępność stabilnego sygnału LTE.
3. Na podstawie polityk operatora oprogramowanie telefonu ustala, czy przełączenie jest potrzebne do utrzymania jakości rozmowy.
4. Telefon sygnalizuje sieci przez istniejące połączenie Wi-Fi zamiar przełączenia. Sieć przygotowuje kanał radiowy LTE i wymagany nośnik QCI 1 dla głosu.
5. Gdy ścieżka LTE jest gotowa, sieć przenosi strumień pakietów głosowych (RTP) z tunelu Wi-Fi/IPsec na nośnik radiowy LTE zgodnie z procedurą operatora.
6. Czas przełączenia zależy od sygnalizacji, uwierzytelnienia i warunków kanału. Dobrze przygotowana procedura ogranicza przerwę, ale nie gwarantuje jej braku.

Przełączenie z LTE do Wi-Fi

W drugą stronę telefon może przygotować dostęp Wi-Fi podczas rozmowy VoLTE. Przykładem jest wejście do biurowca, gdzie zasięg LTE słabnie, a sieć Wi-Fi ma odpowiednią jakość.

1. Telefon, już połączony z biurowym Wi-Fi dla danych, wykrywa, że jakość tego dostępu jest wystarczająca, podczas gdy sygnał LTE pogarsza się w 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. Po zakończeniu procedury nieużywany nośnik głosowy LTE może zostać zwolniony, a rozmowa jest kontynuowana przez Wi-Fi. W razie niepowodzenia telefon pozostaje przy pierwotnym dostępie albo kończy sesję zgodnie z polityką operatora.

5. Podsumowanie architektury VoWiFi

VoWiFi łączy dostęp WLAN z usługami głosowymi operatora. W tej konfiguracji telefon może korzystać z Wi-Fi w miejscach, w których radio komórkowe ma niewystarczający zasięg, przy zachowaniu procedur IMS operatora.

Kluczowe wnioski architektoniczne i funkcjonalne to:

• Uzupełnienie Zasięgu: VoWiFi może obsłużyć głos w budynkach i innych obszarach ze słabym zasięgiem komórkowym, jeśli dostępna sieć Wi-Fi oraz operator spełniają wymagania usługi.
• Integracja z Telefonem: W obsługiwanej konfiguracji funkcja korzysta z natywnego dialera i numeru komórkowego, bez osobnej aplikacji OTT.
• 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: Tunel IKEv2/IPsec między telefonem a ePDG chroni ruch przed dostępem WLAN, także w publicznej sieci Wi-Fi. Zakres ochrony zależy od punktów zakończenia tunelu.
• Mobilność: Profile operatora mogą przełączać rozmowę między LTE i Wi-Fi, gdy zmieniają się warunki dostępu. Rezultat zależy od obsługi procedury po obu stronach.

Operator, który połączy VoWiFi z VoLTE, może kierować głos przez LTE albo WLAN i zachować wspólny profil IMS. Dostępność oraz jakość rozmowy zależą od zasięgu, opóźnień i strat pakietów w wybranym łączu.