SRVCC对移动核心网的功能增强要求研究

[摘要]在介绍了SRVCC产生的背景之后，文章主要研究了在引入SRVCC方案后对移动核心网原有网元的功能增强的要求，评估SRVCC对移动核心网的影响，同时对SRVCC优化备选方案对移动核心网的进一步影响进行分析比较。

[关键词]SRVCC　VoIMS　移动核心网　LTE

1　引言

语音业务在移动通信中占有重要地位，在2G网络中一直是运营商收入的主要来源。可以预期，在未来的LTE网络中，语音业务将仍然是最重要的业务之一。并将逐步和其他业务进行融合，为用户提供更好的业务体验。

作为下一代移动通信系统重要的无线技术，LTE具有高频谱利用率、抗衰落性、高带宽、大容量的优点，非常适合承载基于IP的语音数据。而LTE的核心网EPC(Evolved Packet Core。演进的分组核心网)网络在设计之初就已经同时考虑了对宽带高速业务和语音业务的支持，并为对时延敏感而带宽要求较低的语音业务制定了相应的QoS控制机制，从而保证了在LTE网络上提供高质量VoIP的能力。

对于语音业务的提供方式，在进行了长时间的争论后，业界已经一致同意将基于IMS的语音业务(VoIMS)提供方案作为LTE语音业务的目标解决方案。GSMA和NGMN都已经宣布将VoIMS作为业界LTE下唯一的、端到端的话音解决方案，以解决可能存在的漫游和互通问题；同时部分运营商和设备商也成立了统一话音论坛(One Voice Initiative)的工业联盟，主要目标是推动基于IMS的LTE话音方案的成熟，通过制定VoIMS的最小必选能力集，来推动设备商在VoIMS产品开发上的成熟。并已将成果输入GSMA；3GPP，作为VoIMS的最主要推动者，已经为VoIMS制定了较为完善的标准规范。

VoIMS是指LTE终端通过LTE／EPC网络接入IMS网络，由LTE／EPC网络提供语音数据承载，通过IMS网络提供鉴权、会话控制和多媒体融合业务。考虑到LTE覆盖不可能在很短时间内做到全覆盖，因此VoIMS还需要考虑多模终端的场景，即当终端离开LTE的覆盖区域时，为保证语音呼叫的连续性，需要制定一种机制将LTE上的语音呼叫切换到2G/3G网络上。为保证多模终端语音呼叫的连续性，3GPP针对双待(dual radio)和单待(single radio)两种场景，分别制定了VCC(Voice Call Continuity，语音呼叫连续性)和SRVCC(Single Radio Voice Call Continuity，单待语音呼叫连续性)两种语音业务连续性方案。但双待终端主要指WLAN/2G/3G终端，而LTE／2G/3G终端在干扰消除、功耗等方面还存在问题，因此LTE／2G／3G终端目前仅考虑单待场景。

SRVCC方案的网络架构如图1所示：

由于SRVCC是3GPP制定的第一个基于多模单待场景的业务连续性方案，因此其不但对IMS网络的功能产生了影响。也同时影响到了电路域核心网和EPC网络的架构及信令流程。而目前3GPP正在针对SRVCC方案进行性能优化，已有多种基于不同思路的优化方案提出来，这也将进一步影响电路域核心网和EPC网络。本文重点对SRVCC方案进行分析，明确其对电路域和EPC网络的功能要求，同时对SRVCC优化备选方案及对网络的影响进行分析比较。

2　SRVCC对网络的影响

2.1　SRVCC技术概述

SRVCC是为了保证语音呼叫连续性，而提出的在LTE的覆盖边界处，将锚定在IMS域SCC AS上的语音呼叫从LTE或HSPA切换到GERAN／UTRAN CS域的一种切换技术。该切换过程包括承载层的PS-CS切换和业务层的IMS域切换两部分，这两部分切换处理相互独立。

当UE驻扎在LTE或HSPA网络时，采用通常的IMS呼叫流程建立语音呼叫，区别在于该IMS呼叫需要锚定在IMS域的SCC AS上。SRVCC用于LTE和2G／3G之间互操作的网络体系结构如图2所示。

2.2　SRVCC切换信令流程

(1)LTE附着流程

SRVCC用户在进行LTE附着时，其附着流程与非SRVCC用户的基本附着流程基本一致，本文不再赘述。

为支持SRVCC，UE和网络需要在附着的时候通知对方自己对SRVCC的支持。以便双方在后续需要进行SRVCC切换的时候能够正确处理。因此，相比正常的附着流程，UE和EPC网络需要有以下增强的功能：

如果UE支持VoIMSA允许使用SRVCC，UE需要在Attach Request消息中携带SRVCC能力标识：

如果网络允许UE使用SRVCC，HSS将STN-SR和MSISDN包含在用户签约数据中发送给MME存储：

MME在S1 AP Initial Context Setup Request消息中携带支持SRVCC的标识，这样双方都了解到对方支持SRVCC，并准备在需要切换时执行SRVCC。

(2)切换流程

如图3，其中，

步骤1：UE向E-UTRAN发送测量报告；

步骤2：E-UTRAN根据测量报告触发向GERAN的SR-VCC切换；

步骤3：源E-UTRAN向MME发送Handever Required消息(包含Target ID、generic Sou roe to Target Transparent Container)。容器类型向MME指示是向CS域的SR-VCC切换；

步骤4：MME从非语音承载中分离出语音承载，并且发起向MSC Server的语音承载的PS-CS切换：

步骤5：MME向MSC Server发送SRVCC PS to CSRequest(包含STN-SR、MSISDN、generic Source toTarget Transparent Container、MM Context)。MME根据Target ID选择MSC Server；

步骤6～9：MSC Server向目标MSC Server发起切换，并建立电路连接；

步骤10：MSC Server向IMS域发起会话转移；

步骤11～12：执行VCC流程，远端更改为CS接入分支SDP，源IMS接入分支被释放；

步骤13～17；UE从E-UTRAN切换到GERAN：

步骤18：UE发起PS域数据业务的挂起流程；

步骤19～22：处理切换完成消息。

2.3　SRVCC对移动核心网的增强要求

从以上流程可以看出，SRVCC对于移动核心网中的MME和MSC Server等网元均有新的需求，需要对功能进行增强。其中，

(1)对MME的功能增强要求包括：

MME应该能够在S1 AP Initial Context Setup Request消息中携带支持SRVCC的标识；

MME应该能够存储HSS发送过来的MSISDN和STN-SR，并用于SRVCC切换流程；

当UE发起语音会话时，如果该会话还有其他非语音承载，MME需要能够将语音部分的承载与其他非语音承载分离，并只针对语音部分承载发起切换；

对于非语音部分承载，MME应该根据网络支持能力和需要决定挂起或者发起PS HO(handover)；

OMME应该能够支持与MSC Server之间的Sv接口，并通过Sv接互发起和处理SRVCC切换流程：

当SRVCC和IPS HO都发生的时候，MME需要协调SRVCC和PS HO的顺序。

(2)对MSC Server的功能增强要求包括：

支持Sv接口，并通过Sv接互处理SRVCC切换流程：

当MME发起切换请求时，MSC Server需要发起空口资源和核心网电路资源的预留流程：

MSC Server需要代替UE发起IMS域的session transfer流程；

MSC Server需要协调空口切换和session transfer的时序，以减少切换带来的语音中断时间；

当切换完成后，MSC Server需要代替UE发起位置更新流程。

(3)对HSS的功能增强要求包括：

HSS应该能够配置STN-SR和MSISDN，并在UE注册时包含在用户签约数据中发送给MME。

2.4　SRVCC对移动核心网的影响分析

综合2.2节的详细流程描述和2.3节对核心网网元功能增强的要求。由于SRVCC方案要求PS域和CS域间的协作配合，完成从PS域到CS域的语音呼叫切换。因此对于PS域核心网网元和CS域核心网网元都有一定的功能增强要求。其中，比较重要的功能增强是要求MME和MSCServer之间支持Sv接口，该接口基于GTP-C协议，对MME和MSC Server的影响有所不同。

对于MME来说，由于本来就需要支持GTP-C协议，因此该接口对MME的影响较小，实现起来相对容易。但由于需要所有MME均支持Sv接口，因此如果运营商在引入SRVCC之前已经部署了基于3GPP R7版本的EPC，那么引入SRVCC就要求运营商网络中的所有MME都进行升级改造，升级改造成本较大。所幸实际情况是运营商部署EPC网络的时间普遍较晚，所部署的EPC版本至少将基于R8，上述升级改造成本从而将得以避免。

而对于MSC Server来说，网元需要支持一个新的GTP-C协议和相应的处理逻辑，因此对其实现影响较大；而如果基于已有MSC设备进行升级，对软硬件和性能容量方面的影响也比较大。由于在实际部署SRVCC时。可以只对部分MSC Server进行升级，由这些升级后的MSC Server的互通功能实现切换，而无需对运营商网络中的所有MSC Server进行升级改造，因此升级改造的成本较小，甚至可以部署少量新的MSC Server设备而避免对已有设备功能的影响。

综上所述，引入SRVCC对移动核心网的影响并不很大。相比其带来的语音业务连续性能力，SRVCC对移动核心网设备升级改造的范围和功能增强都能够被运营商和设备商接受，这也是SRVCC成为业界认可的VoLTE目标方案的主要原因之一。

3　SRVCC优化方案及对移动核心网的影响

在对目前SRVCC方案进一步分析后，我们发现目前标准化规范定义的SRVCC在切换性能方面还存在问题，可能无法满足运营商部署需求。因为工作于单待模式下，SRVCC在切换过程中一定会出现语音中断的情况，该中断由两部分组成：

空口切换带来的语音数据包丢失；

IMS域远端媒体更新导致部分数据包丢失。

而SRVCC切换性能的主要问题是：

(1)在用户漫游情况下，IMS域会话切换和远端媒体更新可能需要花费很长时间。远远超过要求的300ms；

(2)IMS侧会话切换和空口切换没有协调同步，导致语音中断时间进一步延长。

因此3GPP在R10成立了一个研究项目，针对以上问题对SRVCC切换性能进行增强和优化，目标是通过对架构或流程的改善，保证在任何情况下(尤其是用户漫游的情况)发生SRVCC切换导致的语音中断时间都不超过300ms。该项目得到运营商和设备商的积极支持，目前已有多个备选方案提出。这些优化方案从优化原理大致可分为以下三类：

(1)空口切换和IMS远端媒体更新的流程同步：通过某种机制同步空口切换和远端媒体更新过程。使得两个媒体中断的时间段重叠。同步机制包括：基于之前消息的预测，顺序切换以及用户面数据包检测等。其他过程和R8 SRVCC完全一致。

(2)归属地用户面锚定及双播：呼叫建立时在归属地插入一个用户面的锚定点。当收到切换请求后，该锚定点进行目的和源侧的双播处理。检测到空口切换完成后锚定点再改为单播。该方案能够避免对远端UE进行媒体更新。

(3)拜访地用户面锚定：呼叫建立时将用户面锚定在拜访网络上，当发生SRVCC切换时，在拜访网络建立CS域承载，并建立PS域和CS域间的媒体面通道。将媒体面数据从PS域转发到CS域，避免语音中断。切换完成后可释放PS域和CS域间的媒体面通道。

上述三类优化方案各有优劣，其对移动核心网网元功能的影响也不同。表1对不同方案的性能及影响进行了简单分析比较：

从以上比较可以看出，

(1)由于需要定义新的接口和流程，拜访地用户面锚定方案对网络架构和网元功能的影响是最大的；但由于媒体面锚定在拜访网络，因此媒体面的切换仅发生在拜访网络，切换性能是三类方案中最优的。

(2)归属地用户面锚定的方案实现是最为容易的，因为该方案没有增加任何新的接口和流程，只需要在会话建立初期将媒体面锚定，后续进行媒体面双播即可。但该方案不管是否会发生切换，SRVCC UE的所有会话都要锚定回归属地，对归属地的用户面资源占用非常严重；且用户面也需要回到归属地，无法使用本地疏导(Local Breakout)机制；媒体面迂回严重，影响呼叫的质量。

(3)同步方案对网络影响较小，部署相对容易。但同步机制无法做到精确。也就无法在任何情况下达到同步要求；且切换性能差，最优情况也只能达到空口切换和远端媒体更新导致的中断中较长的那个。

单从对网络架构的影响看，拜访地用户面锚定方案是对现有网络架构和网元功能影响最大的方案，对网元的功能要求和实现难度也是最大的。不过对于优化方案的选择，需要从性能优化、对网络架构的影响、对网元功能的影响、对终端的影响、网络资源的使用效率等多个方面综合考虑评估，因此3GPP最终选择哪种方案还需要进一步评估和分析，而SRVCC方案对移动核心网的进一步影响也需要在方案选择完成后再明确。

4　结束语

本文详细分析了SRVCC方案的信令流程，对SRVCC方案对移动核心网(包括CS域和PS域)的网元功能的增强要求进行了详细分析。分析结果表明，SRVCC方案对PS域核心网网元和CS域核心网网元都有一定的功能增强要求。但相比其带来的语音业务连续性能力，其影响并不很大。本文进一步对SRVCC的优化方案进行了介绍，并对不同优化方案对移动核心网的进一步影响作了比较分析。由于SRVCC优化方案的标准化工作还在进行中。还无法确定最终哪种优化方案会被采纳，但SRVCC优化方案的选择一定是基于性能优化、对网络架构的影响，以及对各网元功能的增强和影响等因素的全面评估。最终确定的SRVCC优化方案将既能够满足切换性能的要求。也能够尽量降低对网络和移动核心网的影响。