Hoje falaremos sobre tecnologias bastante novas para transmissão de voz e vídeo na rede da operadora de celular da Rússia - VoLTE (Voice over LTE) , ViLTE (Video over LTE) e Wi-Fi-Calling (WFC).
Por que um telefone acessa uma rede 3G ao ligar de uma rede LTE ?Antes de avançar para as novas tecnologias, vamos refrescar a memória sobre como o smartphone atualmente funciona em uma rede 4G / LTE.
Eu acho que muitos assinantes notaram que o smartphone muda para as redes da geração anterior (2G / 3G) com chamadas recebidas ou efetuadas, e a conexão em si leva muito tempo. Primeiro, algumas palavras devem ser ditas sobre a aparência da rede de nível superior (blocos muito grandes) de uma operadora de celular.
À primeira vista, não é difícil, mas apenas a princípio. Vamos acertar.
Como você pode ver na figura acima, a rede de acesso por rádio da segunda (2G ou GERAN) e terceira (3G ou UTRAN) geração está conectada ao núcleo de comutação de canais (CS Core) para chamadas de voz e ao núcleo de comutação de pacotes (PS Core ) para acessar redes IP e para acessar a Internet. A conclusão lógica que se sugere a partir do exposto acima é: o CS Core fornece comunicações de voz e o PS Core foi projetado para transferência de dados. Não pararemos para analisar como as redes de dados e voz funcionam na estrutura deste artigo.
Considere fazer chamadas de voz para uma rede 4G. Antes de mergulhar nos detalhes, vejamos a foto novamente e lembre-se de que a rede de acesso por rádio LTE não possui conexões diretas com o CS Core. À primeira vista, isso é estranho, mas há uma solução. E parte da solução é a interface entre o PS Core e o CS Core, chamados SGs .
(Para ser honesto, devo dizer que mesmo antes da introdução do padrão 4G / LTE, era possível a comunicação entre o canal e o núcleo do pacote. A interface através da qual essa comunicação poderia ser realizada se chama Gs . As tarefas atribuídas à interface Gs consistiam em combinar (combinar) procedimentos registro nos dois domínios, além de fornecer busca de dispositivo (paginação), que foi realizada do domínio do canal para o domínio do pacote, o que possibilitou suspender a transmissão de dados na rede 2G e receber chamadas de voz.)
Em uma rede 4G / LTE, a interface SGs não é mais opcional e desempenha um papel importante. Lembramos que, na rede LTE, nosso dispositivo móvel funciona apenas no domínio de pacotes (PS Core) e, como você deve ter adivinhado, não pode ficar sem uma interface entre o PS e o CS Core.
Agora, vamos revisar brevemente o processo de fazer chamadas de voz quando o dispositivo estiver em uma rede LTE. Sem aprofundar os aspectos técnicos, isso pode ser explicado da seguinte maneira:
Chamada recebida. Como o telefone está na rede LTE e não pode "escutar" redes 2G / 3G, você só pode "acessá-lo" usando a rede 4G. Para mobilidade em uma rede LTE, o elemento de rede MME (Mobility Management Entity) é responsável. É através deste dispositivo que a interface SGS faz com que o comutador móvel (MSC-S) procure o smartphone usando o procedimento de "paginação" com um indicador de que uma chamada é recebida, sinalizando que o telefone precisa acessar a rede da geração anterior com novo registro no domínio CS e receber a chamada.
Chamada efetuada. O dispositivo móvel informa à estação base (eNodeB) que fará uma chamada, iniciando o processo de transição do LTE para a rede da geração anterior. Não é prático descrever o procedimento com mais detalhes na estrutura deste artigo.
O processo de transição do LTE para uma rede de geração anterior para fazer chamadas de voz é chamado CS Fallback (CSFB).
Após a conclusão da chamada (não importa a entrada ou saída), o dispositivo retornará à rede LTE, mas com um pequeno “MAS”. Apesar do dispositivo ter que se registrar novamente na rede 3G (com menos frequência em 2G), a transferência de dados, que poderia ser feita antes da chamada, pode ser realizada simultaneamente com uma chamada de voz. No entanto, o dispositivo móvel não perderá o endereço IP atribuído a ele. "MAS" é que a transição para a rede LTE ocorrerá apenas na pausa mais próxima na transferência de dados.
(Uma breve observação sobre o SMS. Na rede LTE, os SMS recebidos e enviados são transmitidos por toda a mesma interface de SGs e não há transições entre redes de diferentes gerações.)
Voz sobre LTE (VoLTE) e Vídeo sobre LTE (ViLTE)
A rede LTE, em comparação com as gerações anteriores da rede, possui melhores indicadores de latência e RTT , e é adequada para tráfego crítico para a qualidade do canal de transmissão, a saber, voz e vídeo sem buffer, que são nossas chamadas. Fazer chamadas de voz está finalmente mudando para o IP diretamente do seu dispositivo móvel.
Agora vamos ver o que mudou na arquitetura de rede da operadora.
Vemos que, em comparação com o esquema anterior, uma nuvem com o nome IMS foi adicionada. Sim, de fato, o IMS foi escolhido como o kernel para suportar chamadas de voz LTE e Wi-Fi.
Vamos começar com o processo de registro. O dispositivo móvel deve garantir que a rede da operadora suporte voz sobre IP em uma área de cobertura de rádio específica. Nesse caso, o smartphone está tentando ativar o portador (canal de comunicação IP) com um APN especial e com uma classe de serviço QCI-5 dedicada, reservada e otimizada para sinalização IMS. Essa classe de serviço tem uma prioridade mais alta que a classe de serviço para transmissão de dados, que é usada para acessar a Internet, mas, como a Internet, não requer uma banda de transferência de dados garantida e é menos crítica para atrasos do que para voz e vídeo. Após a conclusão do processo de ativação do portador, o dispositivo móvel possui um endereço IP e a rede relatou o endereço IP do P-CSCF, que já é o primeiro elemento do núcleo do IMS. É para ele que o smartphone acessa primeiro pelo protocolo SIP e realiza o registro no IMS.
É inconveniente se debruçar sobre os processos que ocorrem nas entranhas da rede na estrutura deste artigo. Se desejado, essas informações podem ser encontradas nos recursos, cuja lista é colocada no final do artigo. Vou dar apenas uma imagem com os elementos básicos do PS Core e IMS.
O dispositivo móvel está registrado no núcleo do IMS e agora pode fazer chamadas de voz, enviar / receber SMS.
Uma das principais características distintivas de uma rede VoLTE móvel da telefonia SIP clássica é o gerenciamento de largura de banda para um tipo específico de tráfego. Não é segredo que sempre existe o risco de perda de pacotes ao transmitir tráfego de voz em redes IP, o que afeta adversamente a inteligibilidade da fala. Para garantir uma qualidade aceitável, é aplicada a tecnologia de marcação de pacotes IP. O equipamento de transporte com “entendimento” refere-se a pacotes marcados, tenta evitar sua perda e garante sua transmissão prioritária, salto por salto. Na rede da operadora de telefonia móvel, um dos recursos mais caros é um recurso de rádio e sempre há a possibilidade de que ele não esteja na zona da estação base (eNodeB), precisamos desativar uma chamada de voz, porque todos eles são usados para transferir dados da Internet. Eu já mencionei que, para o registro, o dispositivo móvel ativou um portador separado com QCI-5, que é mais alto em nível de serviço do que o portador da Internet e uma sessão SIP com o IMS Core foi instalada nele. Ao estabelecer uma chamada de voz - seja de entrada ou saída -, o núcleo do IMS por meio do PCRF e do núcleo de comutação de pacotes solicita um recurso de rádio dedicado adicional (portador dedicado) com uma taxa de bits garantida e com QCI-1 para que um RTP codec selecionado. Esse recurso já tem a maior prioridade, o que garante a qualidade de fala necessária.
Agora podemos mencionar uma tecnologia como Video over LTE (ViLTE). Tudo o que foi dito para o VoLTE também é verdadeiro para o ViLTE. Para conectar um fluxo de vídeo da mesma maneira que para voz, é solicitado outro portador dedicado. Também requer uma banda garantida com uma largura de banda um pouco maior que a voz, mas com uma prioridade um pouco menor (QCI-2). A diminuição da prioridade se deve ao fato de que a perda de pacotes para um fluxo de vídeo não é mais tão crítica quanto para um fluxo de voz. Concorde que a inteligibilidade da fala é muito mais importante do que uma falha momentânea na transmissão de uma imagem. Como resultado, verifica-se que o smartphone no caso do ViLTE possui três portadores de uma só vez para as necessidades do IMS (QCI-5 - alarme, QCI-1 - canal de voz, QCI-2 - canal de vídeo).
Gostaria também de abordar brevemente o tópico das transferências (transições da rede de uma geração para outra). Hoje, a cobertura de rede LTE é inferior à cobertura de rede da geração anterior. Para que a conversa não seja interrompida se o nível do sinal da rede LTE cair abaixo do nível limite, o telefone precisará se registrar novamente no núcleo de comutação de canais (CS Core). Para garantir a "uniformidade" de tal transição, a tecnologia SRVCC (Continuidade de chamada de voz por rádio único) foi desenvolvida. Ao contrário do CS Fall Back (CSFB), discutido na primeira parte do artigo, no momento da transição do LTE para a rede da geração anterior, já temos uma chamada de voz, que estamos tentando salvar sem interrupção. A tecnologia é baseada no protocolo GTPv2 e em uma interface adicional entre o PS Core e o CS Core, chamado Sv. Para garantir a operação dessa interface, o CS Core, que anteriormente não suportava o protocolo GTP (GPRS tunneling protocol), foi revisado. Esquematicamente, a transição de VoLTE para CS-call é mostrada na figura.
Agora, podemos dizer algumas palavras sobre o que é útil no VoLTE e por que essa tecnologia está sendo introduzida:
- O VoLTE elimina a necessidade de mudar de uma rede LTE para uma rede da geração anterior, o que acelera o processo de fazer uma chamada de voz;
- o telefone permanece no LTE e a transferência de dados pode continuar sem diminuir a velocidade;
- não há restrições estritas na banda de transmissão, o que permite voz de alta qualidade (HD-Voice);
- existe a oportunidade de fazer chamadas de vídeo e, posteriormente, videoconferências;
- sob o controle do núcleo do IMS, é possível implementar serviços adicionais, como o Push-to-Talk .
VoWi-Fi, Wi-Fi-Calling ou WFC
A diferença fundamental entre o VoWi-Fi e o VoLTE é que o Wi-Fi comum é usado como a “última milha”. Pode ser a Internet doméstica e o Wi-Fi público de um café. O mesmo IMS é usado como o núcleo da rede, mas há algumas pequenas alterações na parte da rede de acesso. Vamos olhar para a foto.
Um leitor atento perceberá que não há diferenças fundamentais em relação ao esquema PS Core para o VoLTE. A junção do núcleo de comutação de pacotes e do IMS Core ainda é realizada pela interface SGi do PGi. As mudanças afetaram o caminho do tráfego do dispositivo móvel para o núcleo de comutação de pacotes. Para fazer isso, temos um dispositivo chamado ePDG. É ele que tem acesso direto à Internet e é a ele que os telefones serão conectados, primeiro, usando o protocolo IPSec usual. Antes de o registro no núcleo do IMS começar, como antes, é necessário registrar-se com êxito no núcleo de comutação de pacotes. Desta vez, o registro não é do MME, mas do ePDG. A interface SWm é usada para isso, e vemos outro elemento de rede chamado AAA. Uma característica do nó AAA envolvido no processo de registro de Wi-Fi não confiável, ou seja, da Internet, é que ele não funciona de acordo com o protocolo Radius usual, mas de acordo com sua versão modernizada, o protocolo de Diâmetro. Além disso, como na rede LTE, a autenticação e a verificação da disponibilidade dos serviços relevantes são realizadas no mesmo HSS (Home Subscriber Server).
Após o registro no núcleo do pacote e, em seguida, o registro no IMS Core, as chamadas são feitas da mesma maneira que no VoLTE.
Das principais questões tecnológicas, resta considerar a transição (Handover) de uma rede Wi-Fi para VoLTE e vice-versa.
Não é segredo que as redes Wi-Fi têm um alcance muito pequeno. Para que nossas chamadas de voz não sejam interrompidas quando a rede Wi-Fi é perdida, o dispositivo móvel monitora constantemente o nível do sinal e, se ficar abaixo do nível limite, é realizada uma transição para a rede LTE. Se você olhar novamente para o esquema anterior, fica claro que, ao mudar para uma rede LTE, é bem possível permanecer no mesmo PGW usado para a chamada Wi-Fi. E a interface S6b ajuda nisso, que, usando o servidor AAA, informa o endereço HSS do PGW no qual o registro foi feito a partir da rede Wi-Fi. Com essa transição, a sessão no PGW é salva com o mesmo endereço IP que foi alocado durante o registro via rede Wi-Fi. Como resultado, obtivemos quase o Handover VoWi-Fi -> VoLTE. A transição reversa é realizada de acordo com as mesmas regras.
Como no final da parte anterior, algumas palavras sobre o que é útil no VoWi-Fi e por que essa tecnologia está sendo introduzida:
- Agora você pode fazer e receber chamadas de voz com o seu número de celular a partir de qualquer lugar em que haja acesso à Internet via Wi-Fi sem usar aplicativos de terceiros;
- As chamadas por Wi-Fi permitem fazer chamadas de uma rede Wi-Fi em todo o mundo a uma taxa doméstica.
Perguntas e Respostas
Prevejo que haverá várias perguntas e tento respondê-las com antecedência:
P: Em quais regiões as tecnologias VoLTE / VoWi-Fi já estão disponíveis?
R: No momento da publicação do artigo, o serviço estava disponível para assinantes em Moscou, Yaroslavl, Kaluga e Bashkiria.
P: Quando o serviço estará disponível para assinantes de outras regiões do MTS?
R: Estamos fazendo o nosso melhor para a rápida implementação da tecnologia. Siga as notícias em nossos sites regionais.
P: As chamadas por Wi-Fi funcionam no modo avião?
R: Sim, existe realmente essa opção de trabalho, mas para não permanecer repentinamente sem comunicação, não recomendamos esse modo.
P: Quais telefones suportam VoLTE e VoWi-Fi?
R: Uma lista de dispositivos compatíveis com VoLTE / VoWi-Fi pode ser encontrada em http://www.mts.ru/connect/
P: Como garantir que o VoLTE funcione no iPhone?
R: Não há indicação no iPhone de que o telefone esteja no modo VoLTE. Você pode visualizar o modo de operação atual do dispositivo acessando Configurações -> Sobre este dispositivo e clicando na linha Operador. Se houver registro no IMS, ele ficará visível (a linha mudará para o status do IMS).
P: O SMS funciona via Wi-Fi-Calling no modo avião?
R: Sim, a rede suporta esta opção. Além disso, tudo depende da disponibilidade de suporte no telefone móvel. Se falamos sobre o iPhone, estamos fazendo todo o possível para que o SMS sobre IP fique disponível para assinantes do MTS com o lançamento da versão 12.0 do iOS (setembro de 2018).
P: Como conectar o serviço?
R: Conectamos o serviço a assinantes cujos telefones possuem o suporte correspondente, mas também fornecemos aos assinantes a capacidade de gerenciar a disponibilidade do serviço. Como ativar / desativar o serviço pode ser encontrado na página http://www.mts.ru/connect/
P: Quais codecs são usados para transmissão de voz?
R: O codec prioritário é AMR-WB (HD-Voice), mas o AMR-NB pode ser usado. O codec é selecionado durante o processo de configuração da chamada e depende de um grande número de razões. O codec EVS ainda não é suportado em nossa rede.
P: A tecnologia ViLTE é suportada em telefones Apple?
A: Não. O suporte ao ViLTE não é implementado em todos os smartphones e não é apenas no iPhone.
Links úteis:
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/en/post/oneshot/8127/lte-network-architecture-wi-fi-epdg/3gpp-based-lte-and-wi-fi-interworking-architecture-epdg-s2b
Autor: MTS Technical Expert Oleg Ermakov, apelido em Habré - eov