2012/12/31

VOIP動態2012/12月號

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公佈單位:TANet VoIP維運團隊

與2G/3G網路交互運作 VoLTE提供高品質語音服務

2012/12 Sandy Fraser
http://www.mem.com.tw/article_content.asp?sn=1212190004

智慧電視將帶動體感、語音控制系統設計風潮。智慧電視功能激增,導入更直覺的人機介面已成品牌廠布局重點,包括日、韓、中與台灣業者正競推體感、聲控或整合型介面,因而激勵影音處理器、深度攝影模組與相關感測元件需求遽增。

第三代合作夥伴計畫(3GPP)在長程演進計畫(LTE)蜂巢式無線行動通訊標準的設計上,基於其全網際網路協定(IP)封包環境的特性,故意不支援現有的電路交換(Circuit-switched)語音服務。這項決定是基於行動電信業者將直接採用基於IP的全新基礎建設,來取代既有的2G和3G網路的想法。
產業最後可能會朝向純LTE網路發展,不僅要達到完全覆蓋,還要在LTE網路上透過IP來傳輸所有的服務--數據、語音、簡訊(SMS)和上網。然而這個理想可能要等到未來10年,或更長的時間才能實現。此外,礙於家用網路和漫遊兩用裝置的設計問題、電信業者提供完整的LTE網路覆蓋範圍所須付出的成本、以及既有的無線通訊元件的成本相當低廉等因素,純LTE裝置可能不會太快推出,或證明可被消費者接受。從現在的網路到LTE是一個漸進的過程(圖1),因此有必要了解LTE如何與2G/3G網路的語音服務交互運作。

圖1 無線網路技術演進過程

LTE採用一種以正交分頻多工(OFDM)調變為基礎的新空中介面技術,3G一度考慮使用該技術,但當時認為可用的晶片組對行動裝置來說太過耗電。其他的OFDM應用發展,例如數位電視廣播和無線區域網路(WLAN),都採用先進的晶片組設計,因此情況已大不相同。為支援全封包(All-packet)結構,與LTE同時進行的一項計畫定義演進封包核心(EPC)網路,此種網路架構簡化信令,並將更多的會話中(In-session)資料管理責任交給演進節點B(Evolved Node B)或基地台。如此可以縮短等待時間,讓封包式語音服務和高速數據服務如串流視訊(Streaming Video)變得可行。
在LTE網路語音服務普及之前,有兩大發展路線。世界上許多地方目前都是使用3GPP全球行動通訊系統/寬頻分碼多工/高速封包存取(GSM/W-CDMA/HSPA)網路,對當地的電信業者來說,發展到LTE是自然的演進過程,並且必須提供符合標準的支援,為無線存取網路及其背後的核心網路提供完全向上與向下相容。

在LTE語音服務完成實作之前,撥打或接聽語音電話,都會導致自動回落,可同時提供語音和數據服務的最佳3G或2G無線承載(Bearer)。於是,語音服務會由固有的電路交換機制來提供,而連續的數據服務則由無線資源釋放(Radio Resource Release)和再指派(Re-assignment)訊息來管理。這項技術稱為電路交換回落(Circuit-switched Fall Back)。回落到2G GSM語音和整體封包無線電服務(GPRS)數據的各種情境都會加以定義。

對目前使用3GPP2網路(CDMA2000/1xRTT/ 1xEV-DO)的國家而言,整合問題會較難解決。毫無例外,當地電信業者一律選擇3GPP LTE作為下一代技術。LTE雖支援鄰近的3GPP2小區的發現與測定,但核心LTE與3GPP2網路卻有很大的差異(圖2)。最初的LTE實作將只支援「非最佳化」數據網路切換(Non-optimized Data Handover),當用戶端裝置(UE)遺失LTE服務時,必須取得1xEV-DO服務。這在閒置模式下並不成問題,但若在數據會話(Session)進行中時發生此種情形,則會造成中斷。以後的實作將會支援「最佳化」數據網路切換,亦即UE會被導向新的服務小區(Serving Cell),並擁有該小區的更多資訊。這兩種情況中的語音服務皆由UE中獨立的CDMA2000無線網路所提供,此稱為LTE與語音網同步支持(SVLTE);事實上語音和數據服務並未進行整合,而且電池耗電量也變低。

避免通話中斷 SRVCC技術協助封包/電路領域切換

LTE網路語音(VoLTE)技術提供一個透過LTE空中存取網路來傳輸語音流量的標準化系統,並使用封包式語音(VoIP)和以IP多媒體子系統(IP Multimedia Sub-system, IMS)為基礎的核心網路,提供豐富的語音服務,包括視訊電話在內。IMS提供IP多媒體傳輸的基本架構。這些服務在設定與連接控制上主要使用的協定為會話初始協定(Session Initiated Protocol, SIP),是為了與一般的開放式IP網路溝通而設計。SIP提供通話設定和高階通話控制,並提供如通話保留、多方通話、SMS傳輸和視訊通話等延伸服務,這些服務在2G/3G中有時稱為附加服務。

全球有一些電信業者表明想要使用該技術,重新聚焦於語音服務和語音品質,而非數據連接速度,並已設定推出「卓越品質」或「高清晰度」語音服務。優先解決方案為單一無線語音呼叫連續性(Single Radio Voice Call Continuity, SRVCC)技術,可以讓電信業者建置LTE網路語音服務,並於必要時順利切換到現有的GSM W-CDMA和CDMA 1x網路覆蓋範圍,為全球的LTE智慧手機用戶提供可靠的語音服務。

當LTE網路開始提供VoIP/IMS服務之後,如果發生UE跑出LTE覆蓋範圍外的情形,如何將語音通話切換到既有網路將會是一大挑戰。

SRVCC技術可在超出LTE覆蓋範圍的情況下,將語音通話從VoIP/IMS封包領域切換到既有的電路領域。為支援GSM/通用行動通訊系統(UMTS)和CDMA 1x電路交換領域,必須定義各種SRVCC變化規格。

如果既有的電路網路也具備相關的封包功能,並可支援電路/封包同步操作,則電話用戶的數據會話就可切換到既有網路,而語音通話可從封包領域切換到電路領域,於是當語音通話結束且行動電話重新進入LTE覆蓋範圍時,這些封包會話就可切換回LTE。

使用SRVCC技術並不須要修改既有的無線存取網路(RAN),但必須大幅修改電信業者的既有核心,並完整建置IMS電路封包連續性服務。

HSPA+提供經濟升級選項

儘管整個產業都熱衷於發展LTE技術,但許多3GPP電信業者卻選擇以演進式高速封包存取(HSPA+)作為更經濟的短期升級策略。這些電信業者大多已經建置HSPA,對他們來說採軟體升級方式的HSPA+,在預算拮据的現在,不失為理想的做法。讓HSPA+網路完全以封包模式來提供語音和數據服務必須更新回程線路(Backhaul),這將使未來的LTE建置變得更簡單:只有實體(無線基地台)層須要進行大幅度的升級。

3GPP標準組織定義的HSPA+的主要目標包括,在轉移到LTE的OFDM實體層之前,充分利用CDMA實體層的潛力;以5MHz通道頻寬達到媲美LTE的效能;讓HSPA+與LTE順利地交互運作;讓兩種技術在網路上共存;以純封包模式進行語音和數據傳輸;向上相容於早期的使用者裝置。

在未來的3GPP R11版本中,「HSPA+ Advanced」會支援超過300Mbit/s的下行鏈路和幾近70Mbit/s的上行鏈路傳輸率,這麼高的速率已足以提供類似於LTE的使用者經驗。在HSPA+與LTE進一步發展的過程中該如何進行取捨,還有待觀察。

行動寬頻語音(Voice Over Mobile Broadband, VoMBB)是產業的新興名詞,意指透過LTE和HSPA+來進行VoIP/IMS語音服務的端對端繞遞。不論採用何種空中介面技術,VoMBB都可以讓電信公司管理及最佳化由網路取得的應用與服務(OTT)所產生的行動VoIP流量。這或許可以開啟語音服務計費新模式,甚至讓電信公司與OTT應用開發廠商建立合作關係。