2024年宏文（1）移動通話業(yè)務演進之路

2024年宏文第一篇。語音及視頻通話是最為基礎的業(yè)務，移動蜂窩網(wǎng)絡平臺賴以起家的通話業(yè)務包括視頻通話及視頻會議一直是網(wǎng)絡必選業(yè)務。雖然隨后這幾代網(wǎng)絡所倚重的比如數(shù)據(jù)業(yè)務，多媒體業(yè)務甚至眾多垂直行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務等在蓬勃發(fā)展，也代表著蜂窩網(wǎng)絡的未來方向。

但是移動通話業(yè)務（包括語音通話、視頻通話和消息服務等）一直是必不可少的業(yè)務類別，特別在客戶體驗方面的關注度在運營商占據(jù)重要地位。這些通話服務之所以是必要的，因為它們?yōu)榇蟊娞峁┝苏胶凸俜降?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E9%80%9A%E4%BF%A1/">通信方式。

雖然如今其中的許多工作確實可以通過其他方法完成，但通話服務仍然提供最通用的交互形式。例如，當一切方法均失敗時，客戶會致電公司的呼叫中心等。還有比如在緊急時刻，人們想到的是撥打電話給目的單位or個人來溝通尋找解決問題的渠道，在緊急情況下輸入消息或創(chuàng)建多媒體非常具有挑戰(zhàn)性。

大多數(shù)時候，呼叫者必須處理現(xiàn)場緊急情況，并同時通過語音向調度員通報情況。這就是為什么移動網(wǎng)絡提供的通信服務必須支持緊急通信，也是服務需要高可靠性運行的原因。

從1G到5G，各代根據(jù)移動網(wǎng)絡，以不同的方式支持通話服務。對于1G，2G和3G來說，通信服務是通過電路交換（CS）域來支持的，其中資源和端到端路徑被預留來建立通信，從而使得通信質量得到保證。然而，缺點是資源可能未得到充分利用，效率不高，有時無法與已建立呼叫的各方進行通信（即線路正忙）。

另一方面，對于4G開始及更高版本，通過分組交換 (PS) 域支持通話服務。當今的互聯(lián)網(wǎng)采用的是分組交換網(wǎng)絡。在這里，數(shù)據(jù)被分割成各種數(shù)據(jù)包，其中數(shù)據(jù)包可以采用不同的路徑到達目的地。

因此，目的地可能會亂序接收數(shù)據(jù)包，但所有數(shù)據(jù)最終都會到達目的地。PS可以非常有效地利用網(wǎng)絡資源，但在保證服務質量方面受到限制。這些差異歸因于移動網(wǎng)絡機制的演變（從4G開始為全IP網(wǎng)絡）。

最初，創(chuàng)建移動網(wǎng)絡是為了提供通信服務（特別是語音）。直到2G后期才考慮數(shù)據(jù)通信，為此目的將PS域與CS域并行引入。3G在設計上支持CS和PS域。不過，3G架構與后來的2G（GPRS、EDGE等）并沒有太大區(qū)別。

到了4G，只剩下PS域，架構發(fā)生了重大轉變，對通話業(yè)務的支持從CS域轉移到了PS域，CS域也就退出歷史舞臺。而回顧PS分組域的局限性，通話業(yè)務的服務質量比CS域更難保證，這就是 IP 多媒體子系統(tǒng) (IMS) 的用武之地。

IMS能夠通過PS域數(shù)據(jù)管道提供多媒體承載服務。IMS是運營商的服務平臺，它與接入無關（即能夠支持多種接入類型，比如LAN也可以。），并且可以與接入網(wǎng)絡協(xié)調以提供運營商級質量的呼叫或服務質量（QoS）。這使得IMS成為電信通信服務的理想候選平臺，因為只需要一個服務平臺即可通過運營商運營的多個接入網(wǎng)絡提供通話服務。IMS 的兩個主要協(xié)議是會話發(fā)起協(xié)議（SIP）和會話描述協(xié)議（SDP）。

SIP用于在網(wǎng)絡節(jié)點和客戶端之間傳遞與呼叫/會話相關的信令，SDP 用于描述該呼叫/會話的相關媒體（例如，編解碼器等語音媒體詳細信息）。雖然這些協(xié)議也被非運營商 IP 語音 (VoIP) 服務使用，但 IMS 的不同之處在于，該平臺與接入網(wǎng)絡密切交互，而典型的VoIP服務則將底層傳輸視為單純的數(shù)據(jù)管道，不保證質量（or可以說單純依賴底層IP通道的QoS機制）。這也就是IMS與普通的VoIP業(yè)務的區(qū)別所在。

上述這些文章也提到了，VoLTE和VoNR分別作為IMS網(wǎng)絡在4G和5G網(wǎng)絡上提供的通話服務。兩者都利用IMS作為服務平臺來支持通信服務。請注意，還可以通過其他接入（例如WLAN）提供通信服務或使用IMS提供不同類型的多媒體服務。

然而，本文重點關注4G/5G接入（即 LTE 和 NR 無線接入網(wǎng)絡 (RAN)）上的通信服務。

應該強調的是，VoLTE和VoNR不是技術術語，而是描述服務的術語，并且這些術語基于3GPP規(guī)范的相應 GSMA profile文件。例如，GSMA PRD IR.92是VoLTE的基礎，它定義了基于LTE的IMS語音、基于IP的SMS和基于NAS的SMS的語音配置文件，并列出了E- UTRAN、演進分組核心EPC、IMS 核心和UE功能等相關協(xié)作功能。

5G的出現(xiàn)催生了取代4G演進分組核心網(wǎng)的新分組核心網(wǎng)絡（5G Core）和新的無線接入技術，即5G NR。然而，IMS并未受到這些發(fā)展的影響，因為我們小心地支持某些遺留接口，以確?？梢酝ㄟ^4G或5G支持通信服務，而不會影響 IMS業(yè)務。

3GPP一直致力于VoLTE和VoNR的演進技術規(guī)范的研究和制定工作，VoLTE業(yè)務從2012年開始部署，相關的Profile是從2010年開始制定的。更進一步來說，3GPP的IMS規(guī)范早在R5就已經(jīng)在起草（3G階段）。這意味著3GPP在VoLTE（以及后來的 VoNR）方面所做的工作量巨大，我們下面匯總一下3GPP自5G第一個版本R15以來的幾個大版本在VoLTE/VoNR 方面的工作。

R15：作為5G的第一個版本，R15是VoNR工作的起點。在討論了支持5G系統(tǒng)通話服務的各種選項后，5GS的相關WI決定通話服務仍應由IMS平臺提供，第3階段啟動的5GS_Ph1-IMSo5G WI工作項目用來定義通信服務所需的技術，即：

5G接入網(wǎng)具體要求對簽約數(shù)據(jù)以及IMS和HSS交互的影響對政策和收費規(guī)則的影響對IMS中編號和尋址的影響

當然，這并不意味著VoLTE不會受到影響，因為對IMS進行了增強以考慮 IMSProtoc9這個WI下互聯(lián)網(wǎng)工程任務組 (IETF) 協(xié)議的最新進展。此外，IMSProtoc9 WI包括了因IMS要求的演變和增強而產生的第3階段工作。

R16：5G系統(tǒng)與上一代的不同之處在于，它支持基于服務的架構（SBA），其中接口不固定在一個網(wǎng)絡功能到另一個網(wǎng)絡功能的接口上，而是可以由一個網(wǎng)絡功能進行關聯(lián)，以便為其他網(wǎng)絡功能提供服務。

在R16中更詳細地定義了SBA功能，并且在eIMS5G_SBA這個WI工作項中定義了5G核心和IMS之間交互的支持。例如，更新了策略控制功能服務，使得IMS可以作為5G核心的應用功能來訪問它們，以及P-CSCF和HSS的發(fā)現(xiàn)如何與網(wǎng)絡存儲庫功能（NRF）的網(wǎng)絡功能發(fā)現(xiàn)方法保持一致 。

此外，由于在R15中5G和傳統(tǒng)CS網(wǎng)絡（2G/3G）之間沒有直接互通來實現(xiàn)服務連續(xù)性，因此通過 5G_SRVCC WI工作項定義了確保5G中語音呼叫連續(xù)性的5G SRVCC。在 5G_SRVCC WI工作項中，有一些工作項在基于5G服務的接口以及傳統(tǒng) IMS接口中支持5G SRVCC，因為它需要與傳統(tǒng)CS網(wǎng)絡互通。

R16的IMSProtoc16 WI工作項（即相當于IMSProtoc9 WI工作項的第16版）提供了對VoLTE和VoNR的增強。此外，還有eIMSVideo工作項，允許在IMS中使用視頻“鈴聲”和“通知”。以前的IMS版本僅支持音頻鈴聲和公告，而eIMSVideo工作項目支持IMS提供視頻鈴聲和公告，從而有可能豐富 VoLTE 和 VoNR 的體驗。

R17：在R17中，針對5G系統(tǒng)計費系統(tǒng)進行了更新，以支持使用5GSIMSCH工作項中基于服務的接口的IMS計費功能。在R15中，這里僅限于數(shù)據(jù)連接和 SMS，因此這項工作更新了通信服務上下文中的計費支持，它還支持使用基于服務的接口的計費功能。

此外，為了符合新定義的獨立非公共網(wǎng)絡（SNPN）的監(jiān)管要求，IMS進行了更新，以通過IESNPN工作項支持 SNPN背景下的緊急呼叫。R17相關WI的工作還對IMS和5GS進行了優(yōu)化和增強，其中信令優(yōu)化可最大程度地減少使用TEI17_IMSGID WI在HSS上執(zhí)行的查詢。

此外，ING_5GS WI處理5G UE無法利用EPS回退的情況，因為它因某種原因禁用了4G E-UTRA能力（導致通信服務中斷）。與之前一樣，IMSProtoc17 WI確保IMS規(guī)范與IETF的最新進展保持一致，并支持同一版本中 IMS 要求的演變。

R18及之后演進：

在即將推出的3GPP 5G-A第一個版本R18中，通過SMS2EC WI工作項定義了對IMS 啟用通過SMS訪問緊急服務的要求。此外，IMSProtoc18 WI工作項正在努力使IMS規(guī)范與IETF的最新進展保持一致，并支持同一版本中IMS要求的演變。支持廣播視頻服務、視頻客戶端遠程控制、增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實 (AR/VR) 服務的要求已在R16中的enIMS WI工作項中指定。在R18中，相關工作正在繼續(xù)定義對AR/VR服務的支持以及數(shù)據(jù)通道與傳統(tǒng)IMS媒體（視頻/音頻）和信令的結合使用，以提供新服務（例如，在通話期間共享屏幕和游戲） ）。

此外，eMMTEL WI工作項定義了增強型IMS補充業(yè)務的業(yè)務要求。NG_RTC WI工作項提供了IMS的增強功能以支持數(shù)據(jù)通道服務，IBACS WI工作項定義了IMS媒體方面的功能和增強功能以支持AR對話服務。IDC_CH WI工作項中正在考慮數(shù)據(jù)信道的計費方面，并且對R19進行了附加討論，其中正在與IMSDCDataOff WI工作項討論數(shù)據(jù)關閉場景中IMS數(shù)據(jù)信道服務的支持。

前面已經(jīng)提到了，VoLTE/VoNR是基于3GPP規(guī)范的GSMA profile進行定義和開發(fā)。根據(jù)各地市場的不同，GSMA profile可能會進一步調整。下圖提供了這些文檔之間關系的圖形概述：

作為端到端的業(yè)務，通話服務涉及了從UE，RAN，CN及通話業(yè)務本身的多項技術。本文的大多數(shù)WI位于核心網(wǎng)的后方。還有很重要的一個方向是R18中的一些WI在利用AI/ML對語音優(yōu)化進行的研究。

總結綜述：

通話服務仍然是當今移動網(wǎng)絡的重要組成部分，并提供緊急通信等關鍵任務服務。以高可靠性支持此類關鍵任務服務的能力并不容易實現(xiàn)，需要仔細設計和工作。還有就是利用VoLTE/VoNR底層技術來利用下一代媒體進行通信服務的可能性使得VoLTE/VoNR不僅具有社會需求，而且在經(jīng)濟上也具有吸引力。3GPP也承諾將繼續(xù)在增強VoLTE/VoNR方面投入更大的精力進行研究開發(fā)，為社交服務和下一代媒體的沉浸式體驗提供更高效的底層基礎設施。

3GPP中IMS相關規(guī)范列表:

[1]?TS 22.228?on "Service requirements for the Internet Protocol (IP) multimedia core network subsystem (IMS); Stage 1" (from Rel-5)[2]?TS 23.216?on "Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC); Stage 2" (from Rel-8)[3]?TS 23.228?on "IP Multimedia Subsystem (IMS); Stage 2" (from Rel-5)[4]?TS 24.229?on "IP multimedia call control protocol based on Session Initiation Protocol (SIP) and Session Description Protocol (SDP); Stage 3" (from Rel-5)[5]??TS 24.237?on "IP Multimedia (IM) Core Network (CN) subsystem IP Multimedia Subsystem (IMS) service continuity; Stage 3" (from Rel-8)[6]?TS 24.341?on "Support of SMS over IP networks; Stage 3" (from Rel-7)[7]? TS 24.623 on "Extensible Markup Language (XML) Configuration Access Protocol (XCAP) over the Ut interface for Manipulating Supplementary Services" (from Rel-8)[8] TS 26.114 on "IP Multimedia Subsystem (IMS); Multimedia telephony; Media handling and interaction" (from Rel-7)[9] TS 31.103 on "Characteristics of the IP Multimedia Services Identity Module (ISIM) application" (from Rel-5)[10] TS 33.222 on "Generic Authentication Architecture (GAA); Access to network application functions using Hypertext Transfer Protocol over Transport Layer Security (HTTPS)" (from Rel-6)

[11]?https://portal.3gpp.org/ChangeRequests.aspx?q=1&specnumber=&release=all&wgstatus=&tsgstatus=2&meeting=&workitem=770017,770018,770019,760008,760009,760010,780047,780048,870065,760011,820038,870077,880060,911034,880023,911035,970035,970047,970048,840062,830028,840006,850056,840063,840064,810041,810007,840004,840058,860027,840059,860004,840028,940047,870003,940006,860008,930002,930047,930046,960014&pageindex=0

3GPP之外的相關文檔：

Miikka Poikselka, Georg Mayer (2009).?The IMS: IP Multimedia Concepts and Services?(Third Edition), John Wiley & Sons Ltd.

Miikka Poikselka, Harri Holma, Jukka Hongisto, Juha Kallio, Antti Toskala (2012).?Voice over LTE: VoLTE, John Wiley & Sons Ltd.

GSMA IR.92?IMS Profile for Voice and SMS

GSMA NG.114?IMS Profile for Voice, Video and Messaging over 5GS

GSMA IR.65?IMS Roaming and Interworking Guidelines

GSMA IR.95?SIP-SDP Inter-IMS NNI Profile

GSMA IR.94?IMS Profile for Conversational Video Service

GSMA N2020.01 VoLTE service description and implementation guidelines