基于非可信接入的VoWi-Fi网络的部署研究

2021-02-08 来源: 中通服咨询设计研究院有限公司 嵇夏

1.引言

长期演进(Long Term Evolution,LTE)网络已大规模部署,为了解决LTE网络中的语音业务问题,目前,业界主要采用两种解决方案,一种为电路域回落(CS Fallback,CSFB),该方案是将语音回落到2G/3G网络;另一种为长期演进语音承载(Voiceover LTE,VoLTE),该方案是在LTE网络上传送语音,独立于2G/3G网络,但需要IMS网络的支持。随着2G/3G网络向4G网络演进,CSFB将逐步退出,因此亟须一种既经济又能有效快速覆盖补充的无线接入方案。

Wi-Fi已经成为国际运营商对蜂窝网络深度补充覆盖的一种手段,运营商利用Wi-Fi热点为用户提供语音服务,成为业界的关注点。2014年,T-Mobile在全球首次推出基于ePDG架构的VoWi-Fi业务,VoWi-Fi技术,用户可以利用Wi-Fi接入网络,在使用移动互联网的同时,可拨打和接听语音或视频电话。

2. VoWi-Fi原理

VoWi-Fi(也叫Wi-Fi Calling)是一种依据IEEE802.11标准生成的新一代无线移动语音通信技术,是指用户使用具有VoWi-Fi能力的智能终端,在Wi-Fi环境下能够通过传统的拨号方式进行语音和视频通话。VoWi-Fi的应用已有多年,3GPP逐渐完善对于Wi-Fi Calling的定义,目前3GPP标准中定义的方案共有5种,如图1所示。表1是5种方案的对比,方案3(非可信接入)从终端和网络支持两个方面都具有较大的优势,此方案有以下特点。

图1 VoWi-Fi接入方案示意

 

表1 3GPP标准定义的VoWi-Fi方案

非可信接入对WLAN组网无要求,WLAN提供基本的IP承载即可,家庭、企业或者运营商部署的WLAN都可以提供WLAN非可信接入。

非可信接入方式要求终端支持IPsec和IKEv2协议。

终端决定Internet数据业务通过本地分流连接到Internet;语音业务通过IPSec连接到ePDG(EvolvedPacketDataGateway,演进的分组数据网关),主要完成用户鉴权、网络安全、语音连续性、高清语音和自助激活等功能。

此方案部署需引入ePDG和3GPPAAA两个网元/功能,区别于传统的OTT应用,VoWi-Fi提供了WLAN和LTE网络间的无缝切换和端到端的QoS保障,极大地提升了语音的质量。

2.1 ePDG发现

      ePDG发现示意如图2所示。

图2 ePDG发现示意

①UE(User Equipment,用户终端)采用静态配置ePDG地址的形式,选择固定的ePDG地址,因此ePDG间将无法做到负荷分担,且无法选择拜访地的ePDG地址。

②UE根据vPLMN信息构造ePDGFQDN,构造域名后,到Internet DNS进行域名解析,获取多个ePDG地址,实现ePDG负荷分担。因此,从负荷分担的角度看,动态构造FQDN的形式获取ePDG地址更有优势,不过这种方式需要运营商将ePDG的域名发布到Internet DNS,需强化DNS安全管理。

2.2无缝切换

(1)Wi-Fi Access→LTE

Wi-Fi到LTE的切换示意如图3所示。

图3 Wi-Fi到LTE的切换示意

①UE通过S2b非可信接入ePDG和PGW;

②AAA将APN和PGW信息注册到HSS;

③UE切换到LTE,发起Handover接入;

④MME从HSS获取APN和PGW信息;

⑤MME选择和切换前相同的PGW接入,PGW删除原有资源。

(2)LTE→Wi-Fi Access

LTE到Wi-Fi的切换示意如图4所示。

图4 LTE到Wi-Fi的切换示意

①UE接入LTE网络;

②MME将APN和PGW信息注册到HSS

③UE切换到Wi-Fi网络;

④ePDG从HSS中获取APN和PGW;

⑤ePDG选择和切换前相同的PGW接入,PGW删除原有资源。

2.3端到端的QoS

QoS保障示意如图5所示。

图5 QoS保障示意

①PGW/SBC将语音包做DSCP映射保障核心侧语音传输。

②ePDG针对下行数据包做QCI到DSCP的映射;上行报文QCI 1专有承载。

③WLANAP实现DSCP/802.1p与空口的802.11e优先级映射,从而实现上下行语音数据报文的优先级映射。EPC网络中PCRF网元为WLAN和LTE提供QoS授权,通过业务QoS到承载QoS的映射,保证VoWi-Fi业务的质量。

3.网络部署策略

国内运营商LTE网络已大规模部署,2G/3G/4G网络并存。华为、中兴、爱立信等主要通信设备厂商的EPC/IMS设备均已支持VoWi-Fi接入,部分核心设备已实现同一硬件平台由不同软件实现的功能,针对不同时期的用户需求和风险控制,我们将VoWi-Fi网络分起步阶段和发展阶段两个阶段部署。

3.1起步阶段

本阶段主要存在两方面问题:用户需求不明确、支持的终端较少。Wi-Fi网络通话是“伪需求”还是在引导后成为“巨大需求”还不明朗,应用场景也未得到实际数据的验证。在终端方面,iPhone5且iOS8以上均支持VoWi-Fi,而Android阵营由于需要高通芯片且系统定制化开发,同时Android终端品牌众多,ROM各自定制化,因此支持VoWi-Fi的终端较少。

为避免现阶段网络大规模改造建设导致投资过大,并降低投资风险,我们建议采用融合部署方式,即硬件部分的ePDG和SAE-GW合并设置,AAA和HSS/DNS合并设置,容灾方面可将物理单板分开,软件功能开启VoWi-Fi支持,具体合并组网部署如图6所示。

图6 合并组网部署示意

3.2发展阶段

随着业务的宣传推广,支持的终端增多、用户爆发、应用场景明确,我们可考虑采用独立网元模式拆分方式,即独立设置ePDG和AAAServer。一方面做到有效的容灾,另一方面提升业务处理能力。对于核心网多厂商设备组网的区域,可独立采购新增网元,不局限于原有的厂商设备,从而提高灵活性。

4. 结束语

相对于互联网企业OTT语音方案,VoWi-Fi具有诸多优势,但市场需求影响网络建设,用户需求是否强烈,投入产出比是否合理等问题直接影响网络建设,我们从需求分析、网络建设和运营管理三方面综合考虑。前期可小范围试点,深度挖掘用户需求;融合部署,功能快速上线;把控计费策略,逐步引导用户。我们建议,VoWi-Fi方案初期可优先在酒店、矿业、企业等行业应用,逐步过渡到大众用户,为VoLTE未覆盖区域提供有效的语音业务补充。