Сравнительный анализ решений по передаче голоса в мобильных сетях широкополосного доступа

Сравнительный анализ решений по передаче голоса в мобильных сетях широкополосного доступа

По мере развития новых технологий мобильной связи беспроводный доступ отвоёвывает все больше и больше позиций у проводных систем. Дальнейшим развитием мировых телекоммуникационных технологий в области мобильной связи являются разработка и внедрение стандартов четвёртого поколения (4G), обеспечивающих ещё большие скорости передачи данных, повышение качества предлагаемых пользовательских услуг при общем снижении издержек в эксплуатации телекоммуникационного оборудования. Одной из технологий, призванных для решения насущных задач современных телекоммуникаций, является технология LTE. Сеть LTE полностью основана на IP-протоколе. Соответствующие стандарты разработаны и утверждены Международным партнерским объединением 3GPP. Типовой услугой сетей на базе LTE является передача данных, поддержка сервиса для голоса в сети LTE не определена. Однако Ключевые слова: LTE, VoLGA, существует несколько частных решений этой проблемы: VoLGA (форум VoLGA), CSFB (3GPP

CSFB, SRVCC, передача голоса. и NGMN), SRVCC (3GPP), но каждый из этих методов имеет свои недостатки.

Бочкова Н.И.,

старший инженер ФГУП ЦНИИС

Ярлыкова С.М.,

к.т.н., директор по науке ФГУП ЦНИИС

В связи с возрастающим интересом к мобильному широкополосному доступу в Интернет, операторы сотовой связи и производители оборудования пришли к тому, что пришло время разработать технологию нового поколения в соответствии с потребностями пользователей. Одной из таких технологий, призванной решать насущные задачи, является технология четвёртого поколения (LTE), обеспечивающая ещё большие скорости передачи данных (и, как следствие, повышение качества предлагаемых пользовательских услуг) при общем снижении издержек в эксплуатации телекоммуникационного оборудования.

Внедрение технологии LTE позволяет операторам уменьшить капитальные и операционные затраты, снизить совокупную стоимость владения сетью, расширить свои возможности в области конвергенции услуг и технологий, повысить доходы от предоставления услуг передачи данных. Сеть LTE поддерживает Multicast Broadcast Single Frequency Network (MBSFN), что позволяет внедрять такие услуги, как мобильное ТВ и противовес DVB-H.

В отличие от широко распространенных на данный момент 3G-сетей LTE-технология обладает повышенной ёмкостью, более эффективным использованием частотного спектра и минимальным временем задержек.

Проблема передачи голоса в сети LTE и пути ее решения

Как известно [3] , качество голосовой связи в сетях передачи данных определяется параметрами доставки голосовых пакетов. Параметры доставки голосовых пакетов оказывают влияние на разборчивость, искажение, задержки голосового сигнала, уровень громкости, наличие эха. В еще большей степени на качество голосовых услуг в сетях передачи данных влияет применение беспроводных технологий.

К сожалению, в настоящее время мобильные беспроводные системы передачи данных во многих случаях не удовлетворяют предъявляемым требованиям по качеству голосовых услуг, что обусловлено реальными условиями функционирования (и во многом условия-

ми распространения радиоволн). Основными факторами, снижающими качество работы мобильных беспроводных систем передачи данных, являются многолучевость, вероятные затенения, особенности распространения радиоволн в городских районах, рост числа активных абонентов, неуклонное усложнение электромагнитной обстановки (естественные и искусственные помехи). Дополнительные проблемы создает и мобильность.

К факторам, влияющим на качество IP-телефонии, относятся:

• задержка доставки пакета;

• джиттер (вариация задержки);

• пропускная способность сети;

• вероятность потери пакетов;

• необходимая полоса пропускания.

Согласно материалам компании Ixia [4], требования к передаче голоса в сетях передачи данных LTE: односторонняя задержка передачи пакета — менее 150 мс, джиттер — менее 30 мс, необходимая полоса пропускания — 21-320 кбит/с.

Таким образом, в сетях мобильного беспроводного доступа перед операторами стоит ряд задач:

• сохранение существующих голосовых услуг со всей текущей функциональностью;

• обеспечение покрытие в течение длительного времени;

• непрерывность передачи голосовой услуги через различные системы беспроводного доступа;

• поддержка роуминга.

Одной из наиболее перспективных систем беспроводного доступа на сегодняшний день является технология LTE. Архитектура сети LTE была разработана таким образом, чтобы обеспечить поддержку пакетного трафика с так называемой "гладкой" мобильностью, минимальными задержками доставки пакетов и высокими показателями качества обслуживания [2]. Основным назначением сетей на безе технологии LTE является доступ в Интернет, передача голосовых услуг ранее в этих системах не предусматривалась. Однако, так как голосовые услуги остаются по-прежнему достаточно доходными для операторов связи, был разработан ряд решений разными производителями по передаче голоса в сетях LTE, а также рекомендации ETSI, например, такие как 3GPP TS 123.216, 3GPP TS 23.272, 3GPP TS 23.216.

Для того чтобы создать условия для совершения звонков с помощью VoLTE, необходимо обеспечить поддержку этого функционала не только сетью, но и пользовательским оборудованием (User Equipment/UE).

Рис. 1. Архитектура решения CSFB

На данный момент существует три основных решения для передачи голоса по сетям LTE:

• Circuit Switched Fall-Back (CSFB);

• Voice over LTE Generic Access (VoLGA);

• Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC).

Решение Circuit-Switched Fallback

Одним из первых решений, которое получило распространение, является решение Circuit-Switched Fallback (CSFB). Данное решение было впервые разработано Консорциумом 3GPP и определено, например, в рекомендациях: 3GPP TS 23.272, ETSI TS 122 011, ETSITS 124 301.

Решение CSFB базируется на конвергенции беспроводных сетей передачи данных LTE и мобильных сетей подвижной связи GSM/UMTS. При этом услуги передачи данных предоставляются через сеть LTE, а голосовые услуги — через сети GSM/UMTS. В этом случае конвергенция осуществляется на абонентском уровне: терминал должен быть двурежимным и поддерживать работу в обеих технологиях, взаимодействие сетей LTE и GSM/UMTS осуществляется на уровне коммутации (MSC).

Базовая станция сети GSM должна поддерживать режим Dual Transfer Mode, чтобы обеспечить одновременно передачу голоса и данных, т.к. после завершения вызова, абонентское устройство обратно в сеть LTE переходит не сразу.

Архитектура CSFB приведена на рис. 1.

Суть решения состоит в том, что абонентское устройство, работающее в сети LTE, на время осуществления голосового вызова переключается в традиционную сеть GSM или UMTS. А сессия передачи данных через LTE на это время либо приостанавливается с восстановлением после завершения вызова, либо также переходит в GSM/UMTS.

Такой подход позволяет использовать существующую инфраструктуру сетей как GSM/UMTS, так и LTE и практически не требует модернизации. Абонентам же предоставляется полный набор традиционных услуг, доступные в сетях GSM/UMTS, включая базовые голосовые вызовы и дополнительные виды обслуживания, доставку SMS, вызовы с предварительной оплатой и интеллектуальные услуги.

Однако технология CSFB имеет ряд недостатков:

• затраты на модернизацию MSC для поддержки CSFB могут оказаться значительными.

• необходимость переключения в GSM/UMTS приводит к заметному увеличению задержки установления голосовых соединений, как при исходящих, так и при входящих вызовах.

• вследствие приостановки сессии передачи данных или снижения скоростей до уровня GSM/UMTS у абонентов может создаваться впечатление, что во время голосового вызова сессия передачи данных прерывается.

• необходимо обязательно перекрытие радиосетей LTE и GSM/UMTS.

Серьезным недостатком является и то, что мало сетей GSM, которые поддерживают режим Dual Transfer Mode, который позволяет обеспечить одновременно передачу голоса и данных, т.к. после завершения вызова, абонентское устройство обратно в сеть LTE переходит не сразу.

Решение VoLGA

Решение VOLGA было разработано VoLGA Forum. Инициаторами по разработке данного решения выступили производители оборудования, но решение не стандартизировано.

Решение VoLGA так же полностью использует инфраструктуру сетей GSM/UMTS и LTE. Ключевой особенностью решения VoLGA является наличие шлюза доступа — VANC (VoLGA Access Network Controller), который предназначен для

Архитектура VoLGA приведена на рис. 2.

GSM/UMTS Рис. 2. Архитектура решения VoLGA

В сетях LTE, VANC подключается к пакетному шлюзу (P-GW) по стандартному интерфейсу SGi, по которому передается как сигнальный, так и пользовательский трафик (голосовой). Со стороны сети LTE, VANC выглядит как любой другой внешний IP-узел и IP пакеты передаются между абонентским устройством и шлюзом VANC.

С точки зрения сети коммутация каналов (GSM/UMTS) шлюз VANC подключается к коммутатору MSC. Для MSC шлюз VANC — обычный контроллер базовых станций сети GSM или контроллер радиосети UMTS.

В этом случае абоненты VoLGA представляются коммутатору MSC обычными абонентами GSM/UMTS.

Решение VoLGA позволяет операторам использовать установленные коммутаторы MSC без какой-либо их модернизации и предоставлять абонентам весь набор традиционных услуг, доступных с MSC.

Для работы в сети VoLGA естественным требованием является поддержка процедур и протоколов VoLGA на абонентских устройствах.

Однако, при всей кажущейся привлекательности, это решение не получило широкого признания в мобильной индустрии. Архитектура VoLGA фактически перешла в замороженное состояние после публикации рекомендаций NGNM о применении CSFB. Операторы стремятся предотвратить фрагментацию сетей и исключить проблемы с роумингом, неизбежные при реализации несовместимых методов передачи голоса в сетях LTE.

Решение Single Radio Voice Call Continuity

В связи с развитием технологий 3GPP продолжил исследования по передаче голоса в сетях LTE и разработал решение SRVCC , которое было стандартизовано в рекомендациях: 3GPP TS 23.216, 3GPP TS 23.292, 3GPP TS 23.237.

Данное решение базируется на конвергенции беспроводных сетей передачи данных LTE и мобильных сетей подвижной связи GSM/UMTS. Ключевой особенностью является наличие у оператора оборудования IMS. В этом решении конвергенция осуществляется на абонентском уровне: терминал должен быть двурежимным и поддерживать работу в обеих технологиях, взаимодействие сетей LTE и GSM/UMTS осуществляется на уровне оборудования IMS.

Решение SRVCC позволяет автоматически бесшовно передавать текущую сессию (хендовер), что дает возможность операторам бесшовно передавать голосовой трафик из сетей LTE в сети GSM/UMTS.

Одна из ключевых технологий для обеспечения непрерывности соединений при выходе абонента из зоны действия сети LTE.

Суть решения SRVCC состоит в том, что любой вызов с точки зрения сигнализации "закрепляется" в домене IMS за специальным сервером приложений (SCC-AS). Сеть LTE сигнализирует коммутатору MSC о хэндовере абонентского устройства в GSM/UMTS, и коммутатор MSC, усовершенствованный для поддержки SRVCC, инициирует процедуру перевода голосового вызова (от SCC-AS до абонентского устройства) на себя, координируя процедуру с процессом обычного handover абонентского устройства в GSM/UMTS. При этом вторая "половинка" вызова, от SCC-AS до адресата, остается неизменной.

Архитектура SRVCC приведена на рис. 3.

Архитектура SRVCC использует расширенный вариант SIP (Session Initiation Protocol) для обработки голосовых вызовов и текстовых сообщений.

Для реализации этого решения было выявлено несколько проблем. Требуется наличие терминалов с поддержкой SRVCC; внедрение IMS в сети оператора, что само по себе недешево; модернизация коммутатора MSC в сети GSM/UMTS.

Реализация решения SRVCC на базе IMS позволило решить несколько проблем: — обеспечить поддержку экстренных служб; — решить проблему, связанную с длительными задержками при хэндове-ре, когда абонент находился в роуминге.

Вывод

Таким образом, несмотря на всю привлекательность сети LTE, основными недостатками остается невозможность передачи голоса по сети. Поэтому операторам приходится прибегать к современным решениям этой проблемы.

Современные решения предполагают передачу голоса:

• через инфраструктуру сетей сотовой связи;

• в случае наличия IMS;

• передача голоса по IP-протоколу;

• с применением контроллеров в сетях LTE для установления вызова.

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики по рассмотренным решениям. Как видно из табл. 1, ни одно решение в полной мере не обеспечивает передачу голоса в необходимой мере. Неопределённые сроки окупаемости, дороговизна, фрагментация сетей при реализации различных решений и поддерживающих абонентских устройств останавливают операторов.

Различия в реализации поддержки голосовых вызовов в сетях LTE является одним из основных факторов, сдерживающих их широкое распространение по всему миру.

Рис. 3. Архитектура решения SRVCC

Таблица 1

Решения Достоинства Недостатки

CSFB He требует IMS Позволяет переиспользовать существующую инфраструктуру сетей GSM/UMTS и LTE Модернизация MSC Необходимо перекрытие сетей LTE и GSM/UMTS На абонентском оборудовании требуется поддержка процедур и протоколов Базовая станция должна поддерживать режим Dual Transfer Mode Большая пост-наборная задержка

Volga Не требует доработки центров коммутации

SRVCC Поддержка непрерывности голосового соединения при хэндовере LTE-GSM/UMTS Минимальная пост-наборная задержка Поддержка экстренных служб Дорогое решение по реализации, так как требует применения систем IMS Модернизация MSC Необходимость поддержки технологии VCC абонентским оборудованием

Таким образом, вопрос о механизмах передачи голоса в сетях НЕ остаётся открытым, поэтому необходимо выработать единое решение, позволяющее устранить недостатки решений СБРВ, УоЮА, SRVCC.

Таким общим решением может быть доработка абонентского устройства, позволяющего обеспечивать автоматическое распознавание и подключение к различным системам радиодоступа LTE/GSM/UMTS, что позволит обеспечить непрерывный хэндовер и повысить качество предоставления голосовых услуг в мобильных сетях широкополосного доступа.

Литература

1. Тихвинский В.О., Терентьев С.В., Юрчук АБ. Сети мобильной связи LTE. Технологии и архитектура. — М.: Эко-Трендз, 2010. — 281 с.

2. 1ельгор А.Л., Попов ЕА. Технология LTE мобильной передачи данных.

— M.: Издательство политехнического университета, 2011. — 205 с.

3. Тарасов В.Ю., Дроздов К.И. Качество речи в IP-сетях // Сети и системы связи, 2007. — № 2.

4. Quality of Servise (QoS) and Policy Management in Mobile Data Networks, IXIA, 2011. — 23 c.

5. Voice over LTE via Generic Access (VoLGA). A whitepaper. August 2009.

— 16 c.

6. Qualcomm 'VoLTE with SRVCC: The second phase of voice evolution for mobile LTE devices", 2012. — 10 c.

Comparative analysis of solutions of voice in mobile broadband networks

Bochkova N.I., Yarlykova S.M. Abstract

As new mobile technology, wireless conquers more and more positions in wired systems. Further development of the world's telecommunications technologies in mobile communications is the development and implementation of standards of the fourth generation (4G), provides an even greater data rates, quality of services offered by the user with an overall reduction in operating costs of telecommunications equipment. One of the technologies designed to address the pressing problems of modern telecommunications technology is LTE. LTE network is fully based on IP-protocol. The relevant standards are developed and approved by the International Partnership on 3GPP

Types of services based on LTE networks is the transmission of data, support services for voice LTE network is not defined. However, there are several partial solutions to this problem: VoLGA (Forum VoLGA), CSFB (3GPP and NGMN), SRVCC (3GPP), but each of these methods has its drawbacks.

KB/wads LTE, VoLGA, CSFB, SRVCC, voice.

T-Comm, #7-2013

19