VoLTE / ViLTE + Wi-Fi-Anrufe sind fast kompliziert

Heute werden wir über ganz neue Technologien für die Sprach- und Videoübertragung im Mobilfunknetz für Russland sprechen - VoLTE (Voice over LTE) , ViLTE (Video over LTE) und Wi-Fi-Calling (WFC).

Bevor wir zu neuen Technologien übergehen, aktualisieren wir unseren Speicher darüber, wie unser Smartphone derzeit in einem 4G / LTE-Netzwerk funktioniert.

Ich denke, dass viele Teilnehmer bemerkt haben, dass das Smartphone bei eingehenden oder ausgehenden Anrufen auf Netzwerke der vorherigen Generation (2G / 3G) umschaltet und die Verbindung selbst viel Zeit in Anspruch nimmt. Zunächst sollten einige Worte darüber gesagt werden, wie das Netzwerk eines Mobilfunkbetreibers auf oberster Ebene (sehr große Blöcke) aussieht.

Auf den ersten Blick ist es nicht schwierig, sondern nur auf den ersten Blick. Lass es uns richtig machen.

Wie Sie im obigen Bild sehen können, ist das Funkzugangsnetz der zweiten (2G oder GERAN) und dritten (3G oder UTRAN) Generation sowohl mit dem Kanalvermittlungskern (CS Core) für Sprachanrufe als auch mit dem Paketvermittlungskern (PS Core) verbunden ) um auf IP-Netzwerke und das Internet zuzugreifen. Die logische Schlussfolgerung, die sich aus dem oben Gesagten ergibt, lautet: CS Core bietet Sprachkommunikation, und PS Core ist für die Datenübertragung ausgelegt. Wir werden nicht aufhören zu analysieren, wie die Daten- und Sprachnetzwerke im Rahmen dieses Artikels funktionieren.

Erwägen Sie Sprachanrufe für ein 4G-Netzwerk. Bevor wir uns mit den Details befassen, schauen wir uns das Bild noch einmal an und denken Sie daran, dass das LTE-Funkzugangsnetz keine direkten Verbindungen zu CS Core hat. Auf den ersten Blick ist das seltsam, aber es gibt eine Lösung. Ein Teil der Lösung ist die Schnittstelle zwischen PS Core und CS Core, die als SGs bezeichnet wird .

(Fairerweise muss ich sagen, dass bereits vor der Einführung des 4G / LTE-Standards eine Kommunikation zwischen Kanal und Paketkern möglich war. Die Schnittstelle, über die diese Kommunikation durchgeführt werden konnte, heißt Gs . Die der Gs-Schnittstelle zugewiesenen Aufgaben bestanden darin, Verfahren zu kombinieren (zu kombinieren) Registrierung in beiden Domänen sowie Bereitstellung einer Gerätesuche (Paging), die von der Kanaldomäne zur Paketdomäne durchgeführt wurde, wodurch die Datenübertragung im 2G-Netzwerk unterbrochen und Sprachanrufe empfangen werden konnten.)

In einem 4G / LTE-Netzwerk ist die SGs-Schnittstelle nicht mehr optional und spielt eine wichtige Rolle. Wir erinnern uns, dass unser mobiles Gerät im LTE-Netzwerk nur in der Paketdomäne (PS Core) funktioniert und Sie, wie Sie vielleicht vermutet haben, nicht auf eine Schnittstelle zwischen PS und CS Core verzichten können.

Lassen Sie uns nun kurz den Vorgang des Tätigen von Sprachanrufen überprüfen, wenn sich Ihr Gerät in einem LTE-Netzwerk befindet. Ohne tief in technische zu gehen, kann dies wie folgt erklärt werden:

Eingehender Anruf. Da sich das Telefon im LTE-Netz befindet und nicht in der Lage ist, 2G / 3G-Netze abzuhören, können Sie es nur über das 4G-Netz „erreichen“. Für die Mobilität in einem LTE-Netzwerk ist das Netzwerkelement MME (Mobility Management Entity) verantwortlich. Über dieses Gerät führt die SGS-Schnittstelle die Suche des mobilen Switches (MSC-S) nach dem Smartphone mithilfe des Paging-Verfahrens mit einer Anzeige, dass ein eingehender Anruf aktiviert ist, um zu signalisieren, dass das Telefon mit einer erneuten Registrierung in der CS-Domäne zum Netzwerk der vorherigen Generation wechseln und den Anruf empfangen muss.

Ausgehender Anruf. Das mobile Gerät informiert die Basisstation (eNodeB) darüber, dass es einen ausgehenden Anruf tätigen wird, wodurch der Übergangsprozess von LTE zum Netzwerk der vorherigen Generation gestartet wird. Es ist nicht praktikabel, das Verfahren im Rahmen dieses Artikels genauer zu beschreiben.

Der Übergang von LTE zu einem Netzwerk der vorherigen Generation zum Tätigen von Sprachanrufen wird als CS Fallback (CSFB) bezeichnet.

Nach Abschluss des Anrufs (unabhängig von eingehenden oder ausgehenden Anrufen) kehrt das Gerät mit einem kleinen „ABER“ zum LTE-Netzwerk zurück. Trotz der Tatsache, dass sich das Gerät erneut im 3G-Netzwerk registrieren musste (seltener in 2G), kann die Datenübertragung, die vor dem Anruf erfolgen konnte, gleichzeitig mit einem Sprachanruf durchgeführt werden. Das mobile Gerät verliert jedoch nicht die ihm zugewiesene IP-Adresse. "ABER" ist, dass der Übergang zum LTE-Netzwerk nur in der nächsten Pause bei der Datenübertragung erfolgt.

(Eine kurze Bemerkung zu SMS. Im LTE-Netzwerk werden sowohl eingehende als auch ausgehende SMS über dieselbe SG-Schnittstelle übertragen, und es gibt keine Übergänge zwischen Netzwerken verschiedener Generationen.)

Voice over LTE (VoLTE) und Video over LTE (ViLTE)

Das LTE-Netzwerk weist im Vergleich zu früheren Generationen des Netzwerks bessere Latenz- und RTT- Indikatoren auf und eignet sich gut für Verkehr, der für die Qualität des Übertragungskanals von entscheidender Bedeutung ist, nämlich ungepufferte Sprache und Video, die unsere Anrufe sind. Das Tätigen von Sprachanrufen wird schließlich direkt von Ihrem Mobilgerät auf IP umgestellt.

Schauen wir uns nun an, was sich in der Netzwerkarchitektur des Betreibers geändert hat.

Wir sehen, dass im Vergleich zum vorherigen Schema eine Cloud mit dem Namen IMS hinzugefügt wurde. Ja, tatsächlich wurde IMS als Kernel für die Unterstützung von LTE- und Wi-Fi-Sprachanrufen ausgewählt.

Beginnen wir mit dem Registrierungsprozess. Das mobile Gerät muss sicherstellen, dass das Netzwerk des Betreibers Voice over IP in einem bestimmten Funkbereich unterstützt. In diesem Fall versucht das Smartphone, den Träger (IP-Kommunikationskanal) mit einem speziellen APN und einer dedizierten QCI-5-Serviceklasse zu aktivieren, die für die IMS-Signalisierung reserviert und optimiert ist. Diese Serviceklasse hat eine höhere Priorität als die Serviceklasse für die Datenübertragung, die für den Zugriff auf das Internet verwendet wird. Wie das Internet erfordert sie jedoch kein garantiertes Datenübertragungsband und ist für Verzögerungen weniger kritisch als für Sprache und Video. Nach Abschluss des Trägeraktivierungsprozesses verfügt das mobile Gerät über eine IP-Adresse, und das Netzwerk meldet die IP-Adresse der P-CSCF, die bereits das erste Element des IMS-Kerns ist. Für ihn greift das Smartphone zunächst über das SIP-Protokoll zu und führt die Registrierung in IMS durch.

Es ist nicht zweckmäßig, sich im Rahmen dieses Artikels mit den Prozessen zu befassen, die im Darm des Netzwerks ablaufen. Falls gewünscht, finden Sie diese Informationen in den Ressourcen, deren Liste am Ende des Artikels steht. Ich werde nur ein Bild mit den Grundelementen von PS Core und IMS geben.

Das mobile Gerät ist im IMS-Kern registriert und kann jetzt Sprachanrufe tätigen, SMS senden / empfangen.

Eines der Hauptunterscheidungsmerkmale eines mobilen VoLTE-Netzwerks von der klassischen SIP-Telefonie ist das Bandbreitenmanagement für eine bestimmte Art von Verkehr. Es ist kein Geheimnis, dass bei der Übertragung von Sprachverkehr über IP-Netzwerke immer das Risiko eines Paketverlusts besteht, was sich nachteilig auf die Sprachverständlichkeit auswirkt. Um eine akzeptable Qualität sicherzustellen, wird die Technologie zum Markieren von IP-Paketen angewendet. Transportausrüstung mit „Verständnis“ bezieht sich auf gekennzeichnete Pakete, versucht deren Verlust zu verhindern und stellt deren vorrangige Hop-by-Hop-Übertragung sicher. Im Netz des Mobilfunkbetreibers ist eine der teuersten Ressourcen eine Funkressource, und es besteht immer die Möglichkeit, dass sie sich nicht in der Zone der Basisstation (eNodeB) befindet. Wir müssen einen Sprachanruf deaktivieren, da sie alle zum Übertragen von Daten aus dem Internet verwendet werden. Ich habe bereits erwähnt, dass das mobile Gerät für die Registrierung einen separaten Träger mit QCI-5 aktiviert hat, dessen Servicelevel höher ist als der Träger für das Internet, und in dem eine SIP-Sitzung mit IMS Core installiert wurde. Beim Einrichten eines Sprachanrufs - ob eingehend oder ausgehend - fordert der IMS-Kern über PCRF und den Paketvermittlungskern eine zusätzliche dedizierte Funkressource (dedizierter Träger) mit einer garantierten Bitrate und mit QCI-1 an, damit ein RTP-Stream mit ausgewählter Codec. Diese Ressource hat bereits die höchste Priorität, wodurch die erforderliche Sprachqualität sichergestellt wird.

Jetzt können wir eine Technologie wie Video over LTE (ViLTE) erwähnen. Alles, was für VoLTE gesagt wurde, gilt auch für ViLTE. Um einen Videostream auf die gleiche Weise wie für Sprache zu verbinden, wird ein anderer dedizierter Träger angefordert. Es erfordert auch ein garantiertes Band mit einer etwas höheren Bandbreite als Sprache, jedoch mit einer etwas niedrigeren Priorität (QCI-2). Die Verringerung der Priorität ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der Paketverlust für einen Videostream nicht mehr so ​​kritisch ist wie für einen Sprachstrom. Stimmen Sie zu, dass die Sprachverständlichkeit weitaus wichtiger ist als ein vorübergehender Fehler bei der Übertragung eines Bildes. Als Ergebnis stellt sich heraus, dass das Smartphone bei ViLTE drei Träger gleichzeitig für IMS-Anforderungen hat (QCI-5 - Alarm, QCI-1 - Sprachkanal, QCI-2 - Videokanal).

Ich möchte auch kurz auf das Thema Übergaben eingehen (Übergänge vom Netzwerk einer Generation zur anderen). Heutzutage ist die LTE-Netzabdeckung der Netzabdeckung der vorherigen Generation unterlegen. Damit das Gespräch nicht unterbrochen wird, wenn der Signalpegel des LTE-Netzwerks unter den Schwellenwert fällt, muss sich das Telefon erneut beim Channel Switching Core (CS Core) registrieren. Um die „Nahtlosigkeit“ eines solchen Übergangs sicherzustellen, wurde die SRVCC-Technologie (Single Radio Voice Call Continuity) entwickelt. Im Gegensatz zu CS Fall Back (CSFB), das im ersten Teil des Artikels besprochen wurde, haben wir zum Zeitpunkt des Übergangs von LTE zum Netzwerk der vorherigen Generation bereits einen Sprachanruf, den wir ohne Unterbrechung speichern möchten. Die Technologie basiert auf dem GTPv2-Protokoll und einer zusätzlichen Schnittstelle zwischen PS Core und CS Core, die als Sv bezeichnet wird. Um den Betrieb dieser Schnittstelle sicherzustellen, wurde CS Core überarbeitet, das zuvor das GTP-Protokoll (GPRS Tunneling Protocol) nicht unterstützte. Schematisch ist in der Abbildung der Übergang von VoLTE zu CS-Call dargestellt.

Jetzt können wir ein paar Worte darüber sagen, was in VoLTE nützlich ist und warum diese Technologie eingeführt wird:

• VoLTE macht das Umschalten von einem LTE-Netzwerk auf ein Netzwerk der vorherigen Generation überflüssig, wodurch das Tätigen eines Sprachanrufs beschleunigt wird.
• Das Telefon bleibt in LTE und die Datenübertragung kann fortgesetzt werden, ohne sich zu verlangsamen.
• Es gibt keine strengen Einschränkungen für das Übertragungsband, was eine hohe Sprachqualität (HD-Voice) ermöglicht.
• Es besteht die Möglichkeit, Videoanrufe und anschließend Videokonferenzen zu tätigen.
• Unter der Kontrolle des IMS-Kerns können zusätzliche Dienste wie Push-to-Talk implementiert werden.

VoWi-Fi oder Wi-Fi-Calling oder WFC

Der grundlegende Unterschied zwischen VoWi-Fi und VoLTE besteht darin, dass gewöhnliches Wi-Fi als „letzte Meile“ verwendet wird. Es kann sowohl Internet zu Hause als auch öffentliches WLAN eines Cafés sein. Das gleiche IMS wird als Kern des Netzwerks verwendet, es gibt jedoch einige geringfügige Änderungen im Teil des Zugriffsnetzwerks. Schauen wir uns das Bild an.

Ein aufmerksamer Leser wird feststellen, dass es keine grundlegenden Unterschiede zum PS Core-Schema für VoLTE gibt. Die Verbindung von Paketvermittlungskern und IMS-Kern erfolgt weiterhin über die SGi-Schnittstelle von PGi. Die Änderungen wirkten sich auf den Verkehrspfad vom mobilen Gerät zum Paketvermittlungskern aus. Zu diesem Zweck haben wir ein Gerät namens ePDG. Es ist es, das direkten Zugang zum Internet hat und zu dem die Telefone zunächst unter Verwendung des üblichen IPSec-Protokolls verbunden werden. Bevor die Registrierung im IMS-Kern beginnt, ist es nach wie vor erforderlich, sich erfolgreich im Paketvermittlungskern zu registrieren. Diesmal erfolgt die Registrierung nicht von der MME, sondern von der ePDG. Hierfür wird die SWm-Schnittstelle verwendet, und wir sehen ein weiteres Netzwerkelement namens AAA. Ein Merkmal des AAA-Knotens, der am Registrierungsprozess über nicht vertrauenswürdiges WLAN, dh aus dem Internet, beteiligt ist, ist, dass er nicht nach dem üblichen Radius-Protokoll, sondern nach seiner modernisierten Version, dem Diameter-Protokoll, funktioniert. Wie im LTE-Netzwerk erfolgt auch die Authentifizierung und Überprüfung der Verfügbarkeit relevanter Dienste auf demselben HSS (Home Subscriber Server).

Nach der Registrierung im Paketkern und der anschließenden Registrierung im IMS-Kern werden Anrufe auf dieselbe Weise getätigt, wie sie von VoLTE stammen.

Von den wichtigsten technologischen Problemen bleibt uns der Übergang (Handover) von einem Wi-Fi-Netzwerk zu VoLTE und umgekehrt zu überlegen.

Es ist kein Geheimnis, dass Wi-Fi-Netzwerke eine sehr geringe Reichweite haben. Damit unsere Sprachanrufe nicht unterbrochen werden, wenn das Wi-Fi-Netzwerk verloren geht, überwacht das mobile Gerät ständig den Signalpegel. Wenn der Schwellenwert unterschritten wird, wird ein Übergang zum LTE-Netzwerk durchgeführt. Wenn Sie sich das vorherige Schema noch einmal ansehen, wird deutlich, dass es beim Umschalten auf ein LTE-Netzwerk durchaus möglich ist, auf demselben PGW zu bleiben, das für Wi-Fi-Call verwendet wurde. Dabei hilft auch die S6b- Schnittstelle, die über den AAA-Server die HSS-Adresse des PGW informiert, für das die Registrierung über das Wi-Fi-Netzwerk vorgenommen wurde. Bei diesem Übergang wird die Sitzung in PGW mit derselben IP-Adresse gespeichert, die bei der Registrierung über das Wi-Fi-Netzwerk zugewiesen wurde. Als Ergebnis erhalten wir fast nahtloses Handover VoWi-Fi -> VoLTE. Der umgekehrte Übergang erfolgt nach den gleichen Regeln.

Wie am Ende des vorherigen Teils einige Worte darüber, was in VoWi-Fi nützlich ist und warum diese Technologie eingeführt wird:

• Jetzt können Sie Sprachanrufe mit Ihrer Mobiltelefonnummer von jedem Ort aus tätigen und empfangen, an dem über Wi-Fi Internetzugang besteht, ohne Anwendungen von Drittanbietern zu verwenden.
• Mit Wi-Fi-Calling können Sie Anrufe von einem Wi-Fi-Netzwerk weltweit zu einem Heimtarif tätigen.

Fragen und Antworten

Ich gehe davon aus, dass es eine Reihe von Fragen geben wird, und versuche, diese im Voraus zu beantworten:

F: In welchen Regionen sind VoLTE / VoWi-Fi-Technologien bereits verfügbar?
A: Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung des Artikels steht der Dienst Abonnenten in Moskau, Jaroslawl, Kaluga und Baschkirien zur Verfügung.

F: Wann wird der Dienst Abonnenten anderer MTS-Regionen zur Verfügung stehen?
A: Wir geben unser Bestes für die schnelle Implementierung der Technologie. Folgen Sie den Nachrichten auf unseren regionalen Websites.

F: Funktioniert Wi-Fi-Calling im Flugzeugmodus?
A: Ja, es gibt wirklich eine solche Arbeitsoption, aber um nicht plötzlich ohne Kommunikation zu bleiben, empfehlen wir diesen Modus nicht.

F: Welche Telefone unterstützen VoLTE und VoWi-Fi?
A: Eine Liste der Geräte, die VoLTE / VoWi-Fi unterstützen, finden Sie unter http://www.mts.ru/connect/.

F: Wie kann ich sicherstellen, dass VoLTE auf dem iPhone funktioniert?
A: Auf dem iPhone wird nicht angezeigt, dass sich das Telefon im VoLTE-Modus befindet. Sie können den aktuellen Betriebsmodus des Geräts anzeigen, indem Sie unter Einstellungen -> Informationen zu diesem Gerät auf die Bedienerzeile klicken. Wenn eine Registrierung in IMS vorhanden ist, wird diese angezeigt (die Zeile ändert sich in den IMS-Status).

F: Funktioniert SMS über Wi-Fi-Calling im Flugzeugmodus?
A: Ja, das Netzwerk unterstützt diese Option. Darüber hinaus hängt alles von der Verfügbarkeit des Supports im Mobiltelefon ab. Wenn wir über das iPhone sprechen, tun wir alles Mögliche, damit SMS over IP mit der Veröffentlichung von iOS Version 12.0 (September 2018) für MTS-Abonnenten verfügbar wird.

F: Wie verbinde ich den Dienst?
A: Wir werden den Dienst mit Abonnenten verbinden, deren Telefone selbst die entsprechende Unterstützung haben, aber wir bieten Abonnenten auch die Möglichkeit, die Verfügbarkeit des Dienstes zu verwalten. Informationen zum Aktivieren / Deaktivieren des Dienstes finden Sie auf der Seite http://www.mts.ru/connect/.

F: Welche Codecs werden für die Sprachübertragung verwendet?
A: Der Prioritätscodec ist AMR-WB (HD-Voice), aber AMR-NB kann verwendet werden. Der Codec wird während des Anrufaufbaus ausgewählt und hängt von einer Vielzahl von Gründen ab. Der EFD- Codec wird in unserem Netzwerk noch nicht unterstützt.

F: Wird die ViLTE-Technologie auf Apple-Handys unterstützt?
A: Nein. Die ViLTE-Unterstützung ist nicht auf allen Smartphones implementiert und nicht nur auf dem iPhone.

Nützliche Links:
http://www.mts.ru/personal/connect/
http://www.media.mts.ru/internet/124777#top
http://www.media.mts.ru/internet/135396/#top
https://itechinfo.ru/content/short-ob-ims
https://habr.com/post/200868/
https://blog.3g4g.co.uk/search/label/VoLTE
https://w3bsit3-dns.com/forum/index.php?showtopic=682632
https://www.youtube.com/watch?v=1F7QKEAPXG4
https://support.apple.com/ru-ru/ht203032
https://www.netmanias.com/de/post/oneshot/8127/lte-network-architecture-wi-fi-epdg/3gpp-based-lte-and-wi-fi-interworking-architecture-epdg-s2b

Autor: MTS Technischer Experte Oleg Ermakov, Spitzname auf Habré - eov