采用LTE数据包交换实现语音传输：功能和测试策略

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1 引言
2009年，第一个商用LTE网络在瑞典投入运营。紧接着，全球18个国家共26个网络提供商用LTE服务（含美国、亚洲和欧洲）。
这种新LTE技术的数据传输率可高达100Mbit/s。尽管其实际可达数据传输率远低于理想条件下的100Mbit/s，该技术还是极大地提高了已有移动无线网络的性能。换句话说，LTE仍然需要证明其在高负荷场合下的突出性能。但是，业界主要人士目前已经深信LTE必将促进移动互联网的应用。
围绕着LTE是否可以采用数据包交换传输语音这一复杂问题，当前正在进行着一场激烈的争论。此前，对于移动式应用，语音传输基本上仅由电路交换实现。在这场争论中，终端用户的期望不容忽视。实际上，由于GSM网络已经成功地运营了20多年，用户希望能够实现无论身在何处均能获得优良的语音品质。
在LTE中如何实现语音传输？如何确保实际运营网络仍然拥有研发阶段所实现的功能和性能？本文将描述这两个问题。
2 从SV-LTE和CSFB至VoLTE
通过LTE传输语音要获得可被接受的音质，要求无线接入网和核心网均采用合适的机制和架构。由于无法保证可以立即获得全球性LTE覆盖率，因此这可能会影响LTE网络以及传统的2G和3G网络。
另一个考虑因素是语音用户的移动性。在LTE覆盖区发起呼叫之后，用户移出LTE覆盖区并进入某个现有2G或3G网络时，该呼叫不得被中断。
3 LTE语音传输
LTE语音传输的设计前提是可以使用IP多媒体子系统(IMS)。用于支持多媒体应用的完整解决方案，由用户设备(UE)中的IMS支持功能、IP连接访问网络（IP-CAN）和核心网中的专用IMS功能等组成。
IMS尽可能地以标准IETF协议为基础。3GPPTS23.228中描述了IMS参考架构（包含该架构至已有网络和其它IP多媒体系统的接口），清晰地展示了该系统的灵活性和复杂性。借助该系统，可以组合任意的多媒体应用，并在移动环境中使用这些应用。
然而，语音传输仅需要这些功能和功能单元的一部分（见图1）。建立语音呼叫之前，LTEUE必须向IMS系统完成注册。LTE系统为信令和语音数据使用不同的“承载”。信令承载的丢失率极低，保证UE能够可靠地接收控制命令。语音承载既具备低延迟，又具备低延迟变动，因此可以提供良好的语音质量。信令传输采用会话发起协议(SIP)，语音数据包的传输则采用实时传输协议(RTP)。此外，特殊的数据包分配算法还保证IMS可以满足用于语音传输的特殊要求。其中的一个示例就是半静态调度(SPS)，它可以近似静态的方式将频率资源和时间资源分配至空中接口。此处必须注意，LTE系统通过同一个无线信道，同时传输语音和数据服务。

  
图1　　语音功能所需要的IMS架构的示意图
为了降低需要以不同方式实施IMS系统的风险，对数量众多的IMS系统进行了主动限制，使其仅包含语音传输（含常规的路由功能，即在本地网之外也可使用语音传输）所需要的那些功能。
由此，2009年，声音共享计划(One Voiceinitiative)发布了一个IMS草案。此后，2010年2月，全球移动通信系统协会(GSMA)将该草案并入了LTE语音传输计划(voiceover LTE，VoLTE)。IMS的前提条件同样考虑了LTE的全面覆盖无法立即实现。向现有网络进行传输时，只要有可能，UE将始终仅使用一个空中接口（切换）。关于网络和UE侧中的相应过程，详见单无线语音呼叫连续性(SRVCC)下的相关描述。
通过引入该功能，IMS系统可以对同时运行的语音服务和任意数据服务的切换进行控制：对于LTE中的PS域业务，将语音业务切换到3G网络中的CS域，同时将数据业务切换至3G网络中的PS域。
4 IMS的替代方案
IMS在许多年以前已经提出，尽管仅有少量几个移动网络实施了IMS，但经过连接不断的扩展已包含了众多其它功能。
其原因在于已经找到，并已经在最近实施了其中的一些替代性解决方案，具体有：
●SV-LTE=同步语音和LTE(simultaneousvoiceandLTE)，语音传输使用已有的2G/3G网络，数据传输则使用LTE网络。
●CSFB=CS回退(CSfallback)，该方案不使用LTE中的信令连接，并通过2G/3G网络建立语音连接。基于SV-LTE的UE使用两个独立的空中接口，这两个接口同时用于不同的服务。语音通过2G/3G网络传输，LTE则专门用于数据传输。然而，这种简单的解决方案能耗较大，因此对电池的使用寿命不利。
此外，以这种方式配置的UE的制造成本也较高。该解决方案在美国已经投入了商业应用，并可用于某些UE。CSFB解决方案，则避免同时使用两个空中接口。如果某个LTEUE处于某个LTE小区中，无论是接收还是发起语音呼叫，则该呼叫均通过2G或3G网络而非LTE建立。其假设前提是，只要有LTE网络覆盖的地方，就有2G或3G的网络。否则，要么以语音邮件的方式转发该呼叫，要么不即时建立该呼叫。其优点显而易见：用户可以从GSM网络获得他们所期望的语音质量，且语音呼叫不使用LTE网络的任何功能。但是，该过程必须首先终止LTE中的已有信令连接，接下来在2G/3G网络内重新建立语音服务。
因此，其耗费时间需要多出数秒。此外，呼叫建立时正在进行的数据服务，通常无法与语音服务同时进行。回退至3G网络（UMTS或cdma2000?），通过切换至该网络，可以继续支持该数据服务。然而，因商用GSMUE尚未实现双传输模式（DTM，即允许并行传输数据和语音），该选项不适用于回退至2G网络(GSM)。图2为相关网络单元，和接收呼叫触发CSFB过程之前和之后的信令和数据呼叫。

  
图2　　CSFB过程之前和之后的数据与信令信道
CSFB存在多种衍生。例如，对于带重定向的RRC重连接释放和PS切换就进行了不同处理。其中，普遍认为切换更加可靠。借助切换，UE可以接收专用信令，指出它应该切换到2G或3G系统中哪个小区。
对于RRC重连接释放，情况却有所不同。这种情况下，例如，UE可以自主地选择新的小区，此后UE将以相同方式穿透某个隧道。呼叫建立之前，必须进行测量，并对来自广播信道的相关访问信息进行解码。这就是呼叫建立期间产生额外延迟的主要原因。然而，在切换至2G/3G网络之前，可以通过LTE网络，将所有必须的访问信息传输至UE，可以提高基于RRC重连接释放的CSFB过程的速度。
图3描述了业界应用中将语音传输引入LTE网络的发展过程。CSFB被认为是即使漫游时，也可保证足够的语音质量的最低功能。然而，从中、长期看，引入基于IMS的VoLTE却更加有利。2011年2月，下一代移动网络(NGMN)行业协会为此提出一个建议。然而，如上所述，已经在商用LTE网络中实现了SV-LTE。

  
图3　　LTE网络中引入语音的发展历程

5 实际网络运营中的语音
为了保证不同解决方案所设计的功能和性能，在网络内实际使用期间仍然具备可用性，必须在实验室内进行一系列测试。图4所示测试设置可用于测试功能。该例中的测试仪器为罗德与施瓦茨公司的R&S?CMW500，它可以仿真测试所需要的所有移动网络功能。除了LTE之外，它还包括各种2代和3代移动无线电技术（含GSM，UMTS和cdma2000?）。

  
图4　　用于检测各种LTE语音传输解决方案功能的测试设置
在测试CSFB时，可以重现回退至UMTS的完整过程。这种情况下，测试仪器首先建立一个至UE的LTE信令连接。此后，发起一个拨入呼叫，并命令UE回退至3G网络。UE在该测试仪器仿真的3G网络中建立信令和语音信道。测试仪器和UE在不同信令层（物理层、媒体访问控制（MAC）层、无线链路控制（RLC）层和无线资源控制（RRC）层等）所交换的全部信息均可完整地记录下来。因此，可以检验UE的功能是否正常，也可以检测并排除所有的实施错误。测试LTE语音传输(VoLTE)功能时，IMS功能则在另外一台PC机上实现。该PC机负责对测试仪器和测试流程进行控制。此时，相关过程（如SIP注册过程或者P-CSCF发现过程）的功能是否正确无误，也必须在UE中进行检验。对于IMS(IP)层，每一条报文均可记录并进行分析。这一点，与第2和第3层（MAC至RRC）协议的实现完全相同。
完成了UE功能测试之后，下一步需要评估语音质量。在LTE系统中，语音传输仅采用数据包交换实现。模拟语音信号经过数字化、填入数据包、通过LTE空中接口进行传输、在接收侧转换回模拟语音信号，接下来，输出至扬声器。
因此，语音质量不仅受到空中接口所采用的技术的影响，还受到所采用的语音编码解码器，以及麦克风和扬声器等的影响。整个传输链的评估，采用主观语音质量评估(PESQ)方法。PESQ基于参考信号进行评估，参考信号则源于各种语种大量的语音样本。R&S?UPV为罗德与施瓦茨公司的产品，是完成该测试任务极佳的工具。它可以生成所需要的参考信号，并将其与接收到的语音信号进行比对。PESQ方法可以实现量化评估，其结果值的范围为-0.5（差）~4.5（极好）。
6 LTE，大势所趋
凭借在移动无线网络中的高效数据传输，LTE技术已经开创了该技术的成功一页。尽管LTE已经包含了语音传输所需技术，语音仍然通过2G和3G网络进行传输。尽管VoLTE的商业应用，可能在2012年或更晚才可以启动，具体视各种移动网络运营商的具体战略而定，但用于检验LTE语音的测试设备目前已经面市。