方琰崴

1 引言

據(jù)GSA（Global Mobile Suppliers Association）報告預(yù)測：到2018年，語音業(yè)務(wù)仍然占運營商業(yè)務(wù)收入的50%以上。隨著LTE時代的到來，如何快速提供高質(zhì)量、廣覆蓋的語音解決方案就顯得格外重要。

隨著LTE技術(shù)在國內(nèi)的大規(guī)模應(yīng)用，語音業(yè)務(wù)越來越多地承載在LTE網(wǎng)絡(luò)上。通信業(yè)界一般認為SRVCC/eSRVCC（Enhanced Single Radio Voice Call Continuity，增強的話音連續(xù)性）是比較完善的VoLTE（Voice over LTE，基于LTE的語音）解決方案，即通過引入IMS（IP MultiMedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng)）為用戶提供基于IP的高清4G語音業(yè)務(wù)。

隨著用戶數(shù)量的快速增長和城市化建設(shè)所帶來的無線環(huán)境改變，不論是傳統(tǒng)的2G/3G還是LTE，要實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋和不斷優(yōu)化，都是需要耗費時間和資金的大工程。尤其是高層樓宇和購物中心，無線傳播環(huán)境復(fù)雜，人員流動性大，對通信質(zhì)量要求更高。運營商迫切需要一種既節(jié)省投資，又快速有效的無線接入模式作為傳統(tǒng)無線室內(nèi)覆蓋的有效補充。

隨著智能手機的普及，Wi-Fi已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到生活的各個方面，不論是公交車、商業(yè)中心的接入熱點，還是個人家庭的無線路由器，都實現(xiàn)了廣泛的覆蓋。截止到2015年，全球的Wi-Fi熱點覆蓋超5000萬個，年均增長率超過20%，預(yù)計到2018年，全球熱點數(shù)量將達到3.4億個。據(jù)統(tǒng)計，接近70%的語音通話業(yè)務(wù)集中在室內(nèi)，因此和VoLTE同樣基于IMS來實現(xiàn)的VoWiFi（Voice over Wi-Fi，基于Wi-Fi的語音）方案將成為對傳統(tǒng)無線覆蓋進行有效補充的首選。自802.11ac標準推出后，Wi-Fi技術(shù)得到了飛速發(fā)展，其傳輸速率在百兆以上，不遜于LTE的100MHz～150MHz帶寬。同時，Wi-Fi所采用的2.4GHz和5GHz是免費的公共頻段，部署VoWiFi也有利于降低運營商成本，這也是VoWiFi得到飛速發(fā)展的技術(shù)驅(qū)動力。

然而，VoWiFi并不等于簡單的使用缺乏QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）保障的互聯(lián)網(wǎng)電話，而是要結(jié)合已部署的核心網(wǎng)，發(fā)揮高可靠性、端到端話音質(zhì)量保證以及與傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡(luò)進行無縫切換等優(yōu)勢。

2 VoWiFi組網(wǎng)方案

根據(jù)3GPP的定義以及采用的不同移動性管理協(xié)議，VoWiFi的組網(wǎng)方式有三種主要方案：信任域EPC（Evolved Packet Core，演進的分組核心網(wǎng)）接入方案、非信任域EPC接入方案、直連IMS接入方案。具體如圖1所示：

（1）信任域EPC接入方案：運營商或者合作方的Wi-Fi熱點等信任域接入設(shè)備，通過S2a接口直接和EPC中PGW（Packet Data Network GW，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)）互通，也稱為S2a接口組網(wǎng)方案。需要對現(xiàn)有WLAN（Wireless LAN，無線接入點）設(shè)備進行增強改造，使之支持移動性要求。

（2）非信任域EPC接入方案：所有Wi-Fi熱點等非信任域設(shè)備均可以接入，通過ePDG（Evolevd Packet Data Gateway，演進型分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)）接入PGW，實現(xiàn)和EPC的互通。由于非受信域接入網(wǎng)絡(luò)和EPC互通采用S2b接口，因此這種組網(wǎng)也稱為S2b接口組網(wǎng)方案。這種方案對WLAN沒有改造要求，安全性高，支持無縫切換，解決了語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的連續(xù)性問題。

（3）直連IMS接入方案：終端和EPC網(wǎng)絡(luò)交互數(shù)據(jù)通過S2c接口實現(xiàn)透明傳輸，所有Wi-Fi熱點等設(shè)備直接連接到IMS接入，也稱為S2c接口組網(wǎng)方案。

三種組網(wǎng)方案的對比如表1所示。

如表1所示，對三種組網(wǎng)方案從技術(shù)方面來進行分析，尤其是從對網(wǎng)絡(luò)的影響和終端成熟度來看，對于已經(jīng)部署大量WLAN接入點的運營商來說，采用信任域EPC接入方案，要升級改造或者直接替換全網(wǎng)WLAN接入點設(shè)備，施工周期長、成本高、難度大。而采用非信任域EPC接入方案，則可以結(jié)合公共Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的開放性和運營商核心網(wǎng)的高可靠性、QoS保證等特性，以較低成本實現(xiàn)語音在WLAN和LTE網(wǎng)絡(luò)間的無縫切換。因此，非信任域EPC接入方案將逐步取代信任域EPC接入方案，成為目前業(yè)界公認的較可行的VoWiFi方案。在該方案中，用戶終端通過非信任域Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)接入到運營商的EPC網(wǎng)絡(luò)，認證鑒權(quán)后將呼叫請求路由到IMS進行處理，實現(xiàn)語音、短信、補充業(yè)務(wù)等IMS業(yè)務(wù)。

如圖2所示，在非信任域EPC接入方案中，為實現(xiàn)VoWiFi業(yè)務(wù)，需要新增ePDG和3GPP AAA（Authentication Authorization and Accounting，驗證、授權(quán)和記賬）網(wǎng)元?？紤]到簡化組網(wǎng)，可以通過升級PGW支持ePDG功能，升級HSS（Home Subscriber Server，歸屬用戶服務(wù)器）來支持AAA功能。而對于WLAN設(shè)備無特殊要求，也就是不需要升級替換網(wǎng)絡(luò)中已部署的Wi-Fi熱點設(shè)備。無論是家里的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，還是企業(yè)、運營商的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)都可以提供非可信Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)接入。

ePDG需要支持如下主要功能：

（1）與3GPP AAA進行接口完成用戶的EAP-AKA（Extensible Authentication Protocol，擴展認證協(xié)議；Authentication and Key Agreement，認證和密鑰協(xié)商）認證；

（2）與PGW開通S2b接口，完成用戶業(yè)務(wù)流與PGW之間的轉(zhuǎn)發(fā)；

（3）發(fā)布ePDG公網(wǎng)IP到因特網(wǎng)；

（4）支持IMS域中P-CSCF（Proxy-Call Session Control Function，代理呼叫會話控制功能）發(fā)現(xiàn)；

（5）專用承載建立和QoS映射。

3GPP AAA需要支持如下主要功能：

（1）提供與ePDG的SWm接口，完成用戶EAP-AKA認證；

（2）提供與PGW的S6b接口，完成用戶所在PGW IP地址和APN（Access Point Name，接入點名）到HSS的注冊登記，以便HSS保存用戶接入的PGW IP地址；

（3）提供與HSS的SWx接口。

此外，在EPC網(wǎng)絡(luò)完成支持VoLTE的改造后，為了實現(xiàn)非信任域EPC接入方案的要求，對EPC還要進行相應(yīng)的軟件升級，包括：

（1）MME（Mobile Management Entity，移動管理實體）：支持LTE+WLAN無縫切換；

（2）PGW：支持LTE+WLAN無縫切換，提供與3GPP AAA的S6b接口，提供與ePDG的S2b接口。

（3）HLR/HSS：需支持基于IMSI（AKA）的鑒權(quán)用戶，鑒權(quán)APN，提供SWx接口。

（4）IMS應(yīng)用服務(wù)器：支持VoWiFi基本業(yè)務(wù)及補充業(yè)務(wù)。

在非信任域EPC接入VoWiFi方案下，可以實現(xiàn)如下業(yè)務(wù)：

（1）語音業(yè)務(wù)：基本語音業(yè)務(wù)，支持AMR和AMR-WB編解碼；

（2）視頻業(yè)務(wù)：基本視頻業(yè)務(wù)，支持H.264高清視頻編碼；

（3）補充業(yè)務(wù)：主叫標識顯示，主叫標識顯示限制，被叫標識顯示，被叫標識顯示限制，無條件呼叫前轉(zhuǎn)，未注冊呼叫前轉(zhuǎn)，遇忙呼叫前轉(zhuǎn)，不可及呼叫前轉(zhuǎn)，無應(yīng)答呼叫前轉(zhuǎn)，閉鎖所有出呼叫，閉鎖所有國際出呼叫，閉鎖除歸屬PLMN（Public Land Mobile Network，公共陸地移動網(wǎng)絡(luò)）國家外所有國際出呼叫，閉鎖所有入呼叫，當漫游出歸屬PLMN國家時閉鎖入呼叫，呼叫保持，呼叫等待，多方通話等；

（4）短消息業(yè)務(wù)：需要支持SMS over IP等多種短信方式。

3 非信任域EPC接入方案業(yè)務(wù)流程及對

終端的要求

非信任域EPC接入方案的業(yè)務(wù)流程可以分為三個步驟，具體如圖3所示：

第一步：終端執(zhí)行WLAN認證，WLAN為終端分配本地IP地址。

第二步：終端通過靜態(tài)配置或者DNS機制獲取ePDG地址，發(fā)起IKEv2/EAP-AKA流程。在IKEv2過程，EAP-AKA用于對UE鑒權(quán)并且協(xié)商加密鍵，ePDG獲取終端的IMSI和APN地址。完成認證后，ePDG從3GPP AAA獲取終端的號碼和簽約數(shù)據(jù)。

第三步：ePDG和PGW之間建立GTP隧道，PGW分配遠端IP地址，并把P-CSCF IP地址通過GTP消息送給ePDG。IKEv2過程結(jié)束后，ePDG將終端的遠端IP地址發(fā)送給終端，終端獲取IP后向P-CSCF發(fā)起IMS注冊流程。

在第二步中，由于ePDG提供了公網(wǎng)IP地址，終端獲取ePDG的IP地址有兩種模式：通過靜態(tài)配置ePDG IP地址或者利用DNS機制獲取ePDG地址。具體如圖4所示：

模式一：終端預(yù)先配置ePDG的靜態(tài)IP地址。根據(jù)IP地址，終端直接路由訪問ePDG。在這種方案中，終端選擇固定的IP地址，因此如果終端配置的ePDG負荷較高時，會拒絕終端接入且多個ePDG也無法做到自主負荷分擔。

模式二：終端根據(jù)DNS（Domain Name System，域名系統(tǒng)）機制獲取ePDG地址。終端根據(jù)PLMN信息來構(gòu)造FQDN（Fully Qualified Domain Name，全域名）。如ePDG.epc.mnc002.mcc460.3gppnetwork.pub.org，終端訪問互聯(lián)網(wǎng)DNS做域名解析或者配置ePDG.chinamobile.com.cn?；ヂ?lián)網(wǎng)DNS到EPC DNS查詢，EPC DNS返回ePDG IP地址，終端獲取ePDG IP地址進行訪問。在這種方案中，需要將運營商EPC DNS和互聯(lián)網(wǎng)DNS進行互通，把ePDG域名發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)DNS。由于同一個FQDN可以對應(yīng)多臺ePDG設(shè)備，ePDG之間可以做到負荷分擔，避免了模式一中靜態(tài)配置的弊端，因此模式二中，終端根據(jù)DNS返回的ePDG列表選擇可用的ePDG接入。

目前的終端中，iPhone對上述兩種方案都可以支持。推薦運營商采用模式二。

終端除了要支持VoWiFi非信任域EPC接入方案、IPSec隧道建立和EAP-AKA認證外，還要保持WLAN和EPC兩套IP協(xié)議。兩套IP協(xié)議棧，底層的隧道IP地址由WLAN分配，用于傳輸核心網(wǎng)的語音信令和業(yè)務(wù)流，而核心網(wǎng)PGW分配的IP地址用于實際的VoWiFi信令和業(yè)務(wù)流。終端通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)認證后，與ePDG建立IKEv2 IPSec隧道，建立專用承載，所建立的數(shù)據(jù)會話在PGW錨定。這也是目前各終端和解決方案提供廠商考慮的發(fā)展方向。蘋果iOS系統(tǒng)和安卓操作系統(tǒng)都實現(xiàn)了對VoWiFi非信任域EPC接入方案的支持。美國運營商T-Mobile和Sprint正式發(fā)布支持VoWiFi的終端類型包括蘋果、三星、LG、HTC、NOKIA等。在我國市場大規(guī)模發(fā)售的iPhone6/6 plus已經(jīng)支持VoWiFi的非信任域EPC接入方案。

4 非信任域VoWiFi接入關(guān)鍵技術(shù)

非信任域EPC接入實現(xiàn)VoWiFi的方案主要應(yīng)用于已安裝并開通WLAN寬帶接入資源的家庭或企業(yè)用戶。WLAN可以是運營商的，也可以是第三方的。固定寬帶用戶，自主通過無線路由器形成室內(nèi)單點Wi-Fi部署。當用戶在室外時，接入LTE或2G/3G網(wǎng)絡(luò)，采用VoLTE或傳統(tǒng)2G/3G電路域方式建立語音呼叫。當用戶回到室內(nèi)，接入Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，通過注冊到IMS網(wǎng)絡(luò)，采用VoWiFi方式接打電話。當用戶在室內(nèi)如寫字樓、商場等較大范圍內(nèi)部移動時，在WLAN網(wǎng)絡(luò)中不同接入點之間連續(xù)切換，也可實現(xiàn)2G/3G、VoLTE呼叫與VoWiFi呼叫互通以及語音連續(xù)性保障。

4.1 認證鑒權(quán)

由于支持EAP-AKA進行WLAN認證的手機較少，建議采取組合鑒權(quán)的認證方式：終端通過Web portal、WAP、WEP等方式在WLAN側(cè)進行認證，并且通過EAP-AKA認證+IPSec方式在EPC接入側(cè)進行認證。這種鑒權(quán)方式，由IPSec隧道保證WLAN側(cè)業(yè)務(wù)流的安全性，同時可充分利用多種WLAN類型，如家庭網(wǎng)關(guān)、免費Wi-Fi熱點等接入EPC，使用語音業(yè)務(wù)。

4.2 接入域選擇

由于用戶可能駐留在不同的語音網(wǎng)絡(luò)中，包括2G/3G語音、VoLTE、VoWiFi，網(wǎng)絡(luò)和終端都需要支持接入域和業(yè)務(wù)域的選擇功能。

終端能夠選擇語音業(yè)務(wù)發(fā)起使用的接入域和業(yè)務(wù)域。而網(wǎng)絡(luò)側(cè)優(yōu)先使用IMS域判斷處理被叫業(yè)務(wù)域的預(yù)選，支持根據(jù)被叫用戶的接入域來選擇用戶的終呼接續(xù)域，并且能在域選失敗后快速進行二次域選，完成呼叫過程。

用戶接入網(wǎng)絡(luò)時，也需要對用戶進行提醒。網(wǎng)絡(luò)或終端可根據(jù)當前用戶使用網(wǎng)絡(luò)的類型，告知用戶當前是VoWiFi、VoLTE或2G/3G語音。當通過WLAN網(wǎng)絡(luò)接入IMS注冊和使用業(yè)務(wù)時，發(fā)送提醒信息告知用戶；當離開WLAN網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，通過宏網(wǎng)注冊和使用業(yè)務(wù)時也能夠發(fā)送提醒信息告知用戶。用戶在注冊和使用語音業(yè)務(wù)的過程中，將接入側(cè)的相關(guān)標識帶到IMS網(wǎng)絡(luò)側(cè)并且向用戶發(fā)布。這種提醒通知可以有多種呈現(xiàn)形式：界面UI（撥號或接聽時）、網(wǎng)絡(luò)標識、消息（短信/即時消息）、語音提示等。

在這個過程中，PGW維護用戶在線會話，保持業(yè)務(wù)連續(xù)。PGW為用戶在WLAN和LTE接入，分配相同的IP地址，產(chǎn)生計費話單。ePDG是WLAN接入EPC的IP網(wǎng)關(guān)，提供公網(wǎng)可見的IP地址，使用IPSec認證授權(quán)的移動用戶，保護用戶業(yè)務(wù)流安全。

4.4 計費

如果用戶使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可以通過PGW計費。PGW提供WLAN計費話單和流量在線計費。如果用戶使用語音業(yè)務(wù)，則通過IMS計費，而PGW出流量話單做流量核減。建議采用VoLTE和VoWiFi統(tǒng)一計費包。

由于同一移動語音業(yè)務(wù)，可能在WLAN網(wǎng)絡(luò)和3GPP網(wǎng)絡(luò)接入間切換，對于IMS域、PS域（或CS域）、WLAN的計費分別進行。而IMS具有計費關(guān)聯(lián)的能力，能夠?qū)⒉煌尤敕绞较聵I(yè)務(wù)層、會話控制層和承載層的計費信息進行關(guān)聯(lián)。對同一語音業(yè)務(wù)，提供IMS域（或CS域）和VoWiFi的計費區(qū)分及關(guān)聯(lián)。VoWiFi的計費關(guān)聯(lián)通過IMS計費標識、接入網(wǎng)計費標識、IOI（Inter Operator Identifier，運營商間標識）等參數(shù)實現(xiàn)。這些計費關(guān)聯(lián)信息都通過SIP信令消息傳送，并被相關(guān)IMS網(wǎng)絡(luò)實體加入計費話單，依據(jù)這些信息進行計費關(guān)聯(lián)。

4.5 QoS服務(wù)質(zhì)量

相比互聯(lián)網(wǎng)電話，VoWiFi通過業(yè)務(wù)QoS到承載QoS的映射，保證VoIP業(yè)務(wù)質(zhì)量：

（1）PGW將語音包做DSCP（Differentiated Services Code Point，差分服務(wù)代碼點）映射，保證核心網(wǎng)側(cè)傳輸質(zhì)量；

（2）ePGW針對下行數(shù)據(jù)包做QCI（QoS Class Identifier，QoS標識）到DSCP映射，而上行數(shù)據(jù)表固定設(shè)置QCI=1專有承載，保證傳輸質(zhì)量；

（3）WLAN接入點實現(xiàn)DSCP/802.1p與空口的802.11e優(yōu)先級映射，從而實現(xiàn)上下限語音數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級映射；

（4）WLAN網(wǎng)絡(luò)的接入點可以對語音業(yè)務(wù)做優(yōu)先級調(diào)整。

對于語音業(yè)務(wù)，需要提供平均主觀值MOS>4，時延<150ms。對于視頻業(yè)務(wù)，當從正常距離觀看時，圖像在閃爍、顏色、聚焦、抖動等方面的變化要不明顯才行。

5 VoWiFi發(fā)展現(xiàn)狀和部署策略建議

國外運營商已經(jīng)開始積極推動VoWiFi的建設(shè)。在美國，電信運營商Sprint已經(jīng)為美國35家機場提供了VoWiFi服務(wù)。而T-Mobile，在2014年9月開始部署商用VoWiFi，提供無縫切換。其主要發(fā)展策略是在城市、郊區(qū)及農(nóng)村，為消費者提供家庭內(nèi)部VoWiFi服務(wù)，解決宏網(wǎng)覆蓋不足的問題。同時在城市區(qū)域為用戶提供家庭VoWiFi解決城市室內(nèi)覆蓋問題。T-Mobile通過發(fā)布VoWiFi企標，采購定制化終端，如LG、三星、iPhone等智能手機廠商為其定制了VoWiFi終端。

2015年4月10日，英國最大的移動運營商EE推出了VoWiFi業(yè)務(wù)。EE在公共場所部署Wi-Fi，并向消費者提供Wi-Fi家庭網(wǎng)關(guān)，為用戶提供多種Wi-Fi形式下的語音業(yè)務(wù)，利用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)解決居民區(qū)3G/LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋不良的問題。EE向用戶提供的第一批終端包括三星Galaxy S6等型號。

在推出VoLTE和VoWiFi融合的創(chuàng)新方案上，國內(nèi)運營商也一直在積極地探索。2015年，中國移動在部署RCS（Rich Communication Suite，富消息）融合通信項目時就開始部署IMS+RCS+VoWiFi+VoLTE融合業(yè)務(wù)。中國移動用戶可以通過Wi-Fi接入方式使用語音業(yè)務(wù)，實現(xiàn)Wi-Fi與LTE網(wǎng)絡(luò)的語音無縫切換。中國聯(lián)通正在全面部署VoLTE和RCS，實現(xiàn)基礎(chǔ)通信產(chǎn)品的互聯(lián)網(wǎng)化，2015年底在鄭州等多個城市進行VoLTE和VoWiFi試點。中國電信已經(jīng)進行了VoLTE+VoWiFi技術(shù)驗證，也計劃在2016年開始測試并逐步商用。

擁有大量Wi-Fi熱點資源的運營商具備在公共區(qū)域良好的無線覆蓋能力。這不但能大大降低部署Wi-Fi時的設(shè)備成本，也能幫助運營商提升網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率。據(jù)工信部統(tǒng)計，國內(nèi)運營商所擁有的Wi-Fi熱點數(shù)量已經(jīng)超過600萬個。對于運營商來說，在部署Wi-Fi熱點并不多的省份和地區(qū)，建議快速升級或替換Wi-Fi熱點設(shè)備以支持VoWiFi。初期低成本、快速部署信任域EPC接入方案以實現(xiàn)VoWiFi，今后逐步過渡到非信任域EPC接入方案。對于運營商已經(jīng)大量部署Wi-Fi熱點的省份和地區(qū)，建議直接升級PGW、HSS，使其分別支持ePDG、AAA功能，快速開展非信任域EPC接入方案。

此外，我國的固定互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入用戶數(shù)已經(jīng)遠遠超過2億。這些用戶中有很大部分已使用Wi-Fi設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)。針對這類Wi-Fi熱點資源，建議直接采用非信任域EPC接入方案，這能幫助運營商有效降低無線信號的室內(nèi)覆蓋成本。同時由于非信任域EPC接入方案的使用限制少、成本低、范圍廣，用戶通過這種接入方式能更靈活地獲取高質(zhì)量的語音服務(wù)，可極大地改善用戶的室內(nèi)語音業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量。

6 結(jié)束語

無論從競爭角度出發(fā)，還是為了滿足用戶業(yè)務(wù)發(fā)展多樣性的需求，國內(nèi)運營商為了快速發(fā)展通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)網(wǎng)化，更好地應(yīng)對OTT競爭，必然要走多網(wǎng)融合發(fā)展之路。利用IMS，實現(xiàn)Wi-Fi和LTE在提供語音方面的優(yōu)勢互補，可以更好地實現(xiàn)通信業(yè)務(wù)的發(fā)展。

建議運營商結(jié)合Wi-Fi、2G/3G、LTE等網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)發(fā)展、關(guān)鍵技術(shù)、終端發(fā)展等多方面因素，綜合考慮，積極開展VoWiFi和VoLTE的融合組網(wǎng)試驗，為未來融合組網(wǎng)提供充足的技術(shù)儲備，實現(xiàn)多網(wǎng)融合的可持續(xù)性發(fā)展。

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