VoLTE 技术白皮书
摘要
随着移动通信技术的飞速发展,从3G到4G LTE的演进不仅是数据速率的巨大提升，更是网络架构的根本性变革，传统电路交换域语音业务在基于全分组的LTE网络中无法直接承载，VoLTE技术应运而生，它通过在LTE网络上构建端到端的IP多媒体子系统，实现了高质量、低时延的分组语音通话，是4G时代语音业务的标准解决方案，本白皮书将深入剖析VoLTE的技术原理、关键信令流程、核心优势、部署挑战及未来演进方向，全面展示其在现代通信生态系统中的核心地位。
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引言：为什么需要VoLTE？
1 通信网络的演进
- 2G/3G时代： 语音业务主要通过电路交换域承载，为用户建立一条独占的、固定的通信链路，数据业务则通过分组交换域承载，两者网络独立。
- 4G LTE时代： LTE网络是一个纯分组交换网络，它取消了电路域核心网，这使得传统的CS语音无法在LTE上直接使用，运营商必须选择一种新的语音解决方案。
2 语音解决方案的竞争
在VoLTE成熟之前,主要有两种过渡方案：
- CSFB (Circuit Switched Fallback)： 当LTE用户需要拨打或接听电话时，网络会将其“回落”到2G/3G的电路交换域，这种方式虽然解决了燃眉之急，但通话体验不佳（需等待切换）、网络资源利用效率低，且无法实现LTE数据和语音的并发。
- SVLTE (Simultaneous Voice and LTE)： 终端设备同时支持LTE和CS双模，可以同时在两个网络上工作，用户可以在使用LTE数据的同时进行CS语音通话，但这对终端芯片和功耗要求极高，并非主流方案。
VoLTE 作为3GPP定义的最终解决方案，旨在通过IP网络承载语音，彻底取代CS域，实现网络的全IP化。
VoLTE核心技术架构
VoLTE的成功依赖于一套复杂而精密的技术体系,其核心架构基于 IP多媒体子系统。
1 IMS (IP Multimedia Subsystem) - 大脑
IMS是3GPP定义的、在IP网络上提供多媒体业务的核心网络架构，它是一个分层的、基于会话初始协议的开放体系结构，为VoLTE提供呼叫控制、会话管理、用户认证和业务触发等核心能力。
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2 核网网元
- P-CSCF (Proxy-CSCF, 代理-呼叫会话控制功能)： IMS的入口，负责与终端交互，接收和转发所有SIP消息。
- I-CSCF (Interrogating-CSCF, 查询-呼叫会话控制功能)： 负责询问归属网络HSS，为用户选择一个服务-S-CSCF。
- S-CSCF (Serving-CSCF, 服务-呼叫会话控制功能)： 核心中的核心，负责处理所有与用户相关的注册、会话控制和业务触发。
- HSS (Home Subscriber Server, 归属用户服务器)： 存储用户的签约信息、业务触发点、位置信息等，是IMS用户的“数据库”。
- MGCF/MGW (Media Gateway Control Function / Media Gateway)： 负责IMS与传统CS网络（PSTN/PLMN）之间的信令和媒体转换，是实现VoLTE与固话/2G/3G语音互通的关键。
- AS (Application Server, 应用服务器)： 提供增值业务，如呼叫等待、呼叫转移等。
3 关键技术协议
- SIP (Session Initiation Protocol, 会话初始协议)： IMS的信令协议，用于建立、修改和终止多媒体会话（如语音通话、视频通话）。
- SDP (Session Description Protocol, 会话描述协议)： 用于描述会话的媒体参数（如编解码类型、IP地址、端口号等），在SIP消息中携带。
- RTP/RTCP (Real-time Transport Protocol / Real-time Transport Control Protocol)： 用于承载语音、视频等实时媒体流，并进行传输质量监控。
- IPv6： LTE网络原生支持IPv6，为海量终端的接入提供了充足的地址空间，是VoLTE的基石之一。
4 无线空口技术
- LTE： VoLTE在LTE无线接入网上承载，通过QoS机制保障语音业务所需的带宽和低时延。
- SRVCC (Single Radio Voice Call Continuity, 单一无线语音呼叫连续性)： 这是VoLTE的“保命”技术，当用户在VoLTE通话过程中，移动到LTE网络覆盖不佳的区域时，SRVCC可以将正在进行的IMS语音通话“切换”到2G/3G的CS域，保证通话不中断。
VoLTE关键信令流程
一次典型的VoLTE主叫通话流程如下：
-
注册与附着：
- 用户开机后,终端首先附着到LTE网络，然后通过 P-CSCF 向IMS网络发起注册请求。
- S-CSCF 从 HSS 获取用户的签约信息，并确认注册成功，此后，终端始终保持在IMS的注册态。
-
呼叫建立：
- 主叫用户输入被叫号码,发起呼叫。
- 终端生成一个 INVITE SIP请求，通过P-CSCF发送给S-CSCF。
- S-CSCF根据被叫号码，查询HSS找到被叫用户归属的IMS网络，并将INVITE请求路由过去。
- 被叫网络的S-CSCF将INVITE转发给被叫终端。
- 被叫终端收到INVITE后,振铃并通过 180 Ringing 响应告知主叫方。
- 被叫方摘机,发送 200 OK 响应，其中包含SDP信息，描述了其接收媒体的能力和地址。
- 主叫方收到200 OK后，发送 ACK 确认，至此SIP信令交互完成，媒体链路建立，双方开始通话。
-
呼叫释放：
（图片来源网络，侵删）- 任意一方挂机,发送 BYE 请求。
- 对方回复 200 OK，会话结束，资源释放。
VoLTE的核心优势
与CSFB和SVLTE相比,VoLTE具备压倒性优势：
| 特性 | VoLTE | CSFB | SVLTE |
|---|---|---|---|
| 通话质量 | 高清语音 (HD Voice)，宽带音频，自然音色 | 传统语音质量 | 传统语音质量 |
| 接通时延 | 低 (lt;2秒) | 较高 (需网络切换) | 低 |
| 数据与语音并发 | 支持 (4G/5G上网时通话) | 不支持 (通话时回落至2G/3G) | 支持 |
| 网络效率 | 高 (资源利用率高) | 低 (需占用2G/3G资源) | 低 (双模待机耗电) |
| 终端功耗 | 低 | 较高 (频繁切换) | 高 (双射频) |
| 业务能力 | 丰富 (视频通话、富通信等) | 有限 (仅语音) | 有限 (仅语音) |
| 未来演进 | 平滑演进至5G (VoNR) | 无演进路径 | 无演进路径 |
VoLTE不仅提升了用户体验，还优化了网络资源，为运营商向全IP网络转型和引入新业务铺平了道路。
VoLTE部署挑战
尽管优势显著,VoLTE的大规模部署仍面临诸多挑战：
- 端到端复杂性： VoLTE涉及终端、无线、核心网、承载网、业务平台等多个环节，任何一个环节出现问题都可能导致通话失败，端到端排障难度大。
- 网络覆盖要求高： LTE网络需要达到与2G/3G相当的覆盖深度和广度，否则SRVCC切换会频繁发生，影响体验。
- 互操作性与互通： 与其他运营商网络的互通、与固话/CSFB的互通，涉及复杂的信令和协议适配。
- 终端成熟度： 早期终端芯片的功耗、性能和兼容性是瓶颈，主流智能手机已全面支持VoLTE。
- 业务连续性保障： SRVCC的成功率和切换时延是衡量网络质量的关键指标，需要精细的无线和参数优化。
