1 引言
2009年，第一個商用LTE網絡在瑞典投入運營。緊接著，全球18個國家共26個網絡提供商用LTE服務（含美國、亞洲和歐洲）。
這種新LTE技術的數據傳輸率可高達100Mbit/s。盡管其實際可達數據傳輸率遠低于理想條件下的100Mbit/s，該技術還是極大地提高了已有移動無線網絡的性能。換句話說，LTE仍然需要證明其在高負荷場合下的突出性能。但是，業界主要人士目前已經深信LTE必將促進移動互聯網的應用。
圍繞著LTE是否可以采用數據包交換傳輸語音這一復雜問題，當前正在進行著一場激烈的爭論。此前，對于移動式應用，語音傳輸基本上僅由電路交換實現。在這場爭論中，終端用戶的期望不容忽視。實際上，由于GSM網絡已經成功地運營了20多年，用戶希望能夠實現無論身在何處均能獲得優良的語音品質。
在LTE中如何實現語音傳輸？如何確保實際運營網絡仍然擁有研發階段所實現的功能和性能？本文將描述這兩個問題。
2 從SV-LTE和CSFB至VoLTE
通過LTE傳輸語音要獲得可被接受的音質，要求無線接入網和核心網均采用合適的機制和架構。由于無法保證可以立即獲得全球性LTE覆蓋率，因此這可能會影響LTE網絡以及傳統的2G和3G網絡。
另一個考慮因素是語音用戶的移動性。在LTE覆蓋區發起呼叫之后，用戶移出LTE覆蓋區并進入某個現有2G或3G網絡時，該呼叫不得被中斷。
3 LTE語音傳輸
LTE語音傳輸的設計前提是可以使用IP多媒體子系統(IMS)。用于支持多媒體應用的完整解決方案，由用戶設備(UE)中的IMS支持功能、IP連接訪問網絡（IP-CAN）和核心網中的專用IMS功能等組成。
IMS盡可能地以標準IETF協議為基礎。3GPPTS23.228中描述了IMS參考架構（包含該架構至已有網絡和其它IP多媒體系統的接口），清晰地展示了該系統的靈活性和復雜性。借助該系統，可以組合任意的多媒體應用，并在移動環境中使用這些應用。
然而，語音傳輸僅需要這些功能和功能單元的一部分（見圖1）。建立語音呼叫之前，LTEUE必須向IMS系統完成注冊。LTE系統為信令和語音數據使用不同的“承載”。信令承載的丟失率極低，保證UE能夠可靠地接收控制命令。語音承載既具備低延遲，又具備低延遲變動，因此可以提供良好的語音質量。信令傳輸采用會話發起協議(SIP)，語音數據包的傳輸則采用實時傳輸協議(RTP)。此外，特殊的數據包分配算法還保證IMS可以滿足用于語音傳輸的特殊要求。其中的一個示例就是半靜態調度(SPS)，它可以近似靜態的方式將頻率資源和時間資源分配至空中接口。此處必須注意，LTE系統通過同一個無線信道，同時傳輸語音和數據服務。
圖1 語音功能所需要的IMS架構的示意圖
為了降低需要以不同方式實施IMS系統的風險，對數量眾多的IMS系統進行了主動限制，使其僅包含語音傳輸（含常規的路由功能，即在本地網之外也可使用語音傳輸）所需要的那些功能。
由此，2009年，聲音共享計劃(One Voiceinitiative)發布了一個IMS草案。此后，2010年2月，全球移動通信系統協會(GSMA)將該草案并入了LTE語音傳輸計劃(voiceover LTE，VoLTE)。IMS的前提條件同樣考慮了LTE的全面覆蓋無法立即實現。向現有網絡進行傳輸時，只要有可能，UE將始終僅使用一個空中接口（切換）。關于網絡和UE側中的相應過程，詳見單無線語音呼叫連續性(SRVCC)下的相關描述。
通過引入該功能，IMS系統可以對同時運行的語音服務和任意數據服務的切換進行控制：對于LTE中的PS域業務，將語音業務切換到3G網絡中的CS域，同時將數據業務切換至3G網絡中的PS域。
4 IMS的替代方案
IMS在許多年以前已經提出，盡管僅有少量幾個移動網絡實施了IMS，但經過連接不斷的擴展已包含了眾多其它功能。
其原因在于已經找到，并已經在最近實施了其中的一些替代性解決方案，具體有：
●SV-LTE=同步語音和LTE(simultaneousvoiceandLTE)，語音傳輸使用已有的2G/3G網絡，數據傳輸則使用LTE網絡。
●CSFB=CS回退(CSfallback)，該方案不使用LTE中的信令連接，并通過2G/3G網絡建立語音連接。基于SV-LTE的UE使用兩個獨立的空中接口，這兩個接口同時用于不同的服務。語音通過2G/3G網絡傳輸，LTE則專門用于數據傳輸。然而，這種簡單的解決方案能耗較大，因此對電池的使用壽命不利。
此外，以這種方式配置的UE的制造成本也較高。該解決方案在美國已經投入了商業應用，并可用于某些UE。CSFB解決方案，則避免同時使用兩個空中接口。如果某個LTEUE處于某個LTE小區中，無論是接收還是發起語音呼叫，則該呼叫均通過2G或3G網絡而非LTE建立。其假設前提是，只要有LTE網絡覆蓋的地方，就有2G或3G的網絡。否則，要么以語音郵件的方式轉發該呼叫，要么不即時建立該呼叫。其優點顯而易見：用戶可以從GSM網絡獲得他們所期望的語音質量，且語音呼叫不使用LTE網絡的任何功能。但是，該過程必須首先終止LTE中的已有信令連接，接下來在2G/3G網絡內重新建立語音服務。
因此，其耗費時間需要多出數秒。此外，呼叫建立時正在進行的數據服務，通常無法與語音服務同時進行。回退至3G網絡（UMTS或cdma2000?），通過切換至該網絡，可以繼續支持該數據服務。然而，因商用GSMUE尚未實現雙傳輸模式（DTM，即允許并行傳輸數據和語音），該選項不適用于回退至2G網絡(GSM)。圖2為相關網絡單元，和接收呼叫觸發CSFB過程之前和之后的信令和數據呼叫。
圖2 CSFB過程之前和之后的數據與信令信道
CSFB存在多種衍生。例如，對于帶重定向的RRC重連接釋放和PS切換就進行了不同處理。其中，普遍認為切換更加可靠。借助切換，UE可以接收專用信令，指出它應該切換到2G或3G系統中哪個小區。
對于RRC重連接釋放，情況卻有所不同。這種情況下，例如，UE可以自主地選擇新的小區，此后UE將以相同方式穿透某個隧道。呼叫建立之前，必須進行測量，并對來自廣播信道的相關訪問信息進行解碼。這就是呼叫建立期間產生額外延遲的主要原因。然而，在切換至2G/3G網絡之前，可以通過LTE網絡，將所有必須的訪問信息傳輸至UE，可以提高基于RRC重連接釋放的CSFB過程的速度。
圖3描述了業界應用中將語音傳輸引入LTE網絡的發展過程。CSFB被認為是即使漫游時，也可保證足夠的語音質量的最低功能。然而，從中、長期看，引入基于IMS的VoLTE卻更加有利。2011年2月，下一代移動網絡(NGMN)行業協會為此提出一個建議。然而，如上所述，已經在商用LTE網絡中實現了SV-LTE。
圖3 LTE網絡中引入語音的發展歷程
5 實際網絡運營中的語音
為了保證不同解決方案所設計的功能和性能，在網絡內實際使用期間仍然具備可用性，必須在實驗室內進行一系列測試。圖4所示測試設置可用于測試功能。該例中的測試儀器為羅德與施瓦茨公司的R&S?CMW500，它可以仿真測試所需要的所有移動網絡功能。除了LTE之外，它還包括各種2代和3代移動無線電技術（含GSM，UMTS和cdma2000?）。
圖4 用于檢測各種LTE語音傳輸解決方案功能的測試設置
在測試CSFB時，可以重現回退至UMTS的完整過程。這種情況下，測試儀器首先建立一個至UE的LTE信令連接。此后，發起一個撥入呼叫，并命令UE回退至3G網絡。UE在該測試儀器仿真的3G網絡中建立信令和語音信道。測試儀器和UE在不同信令層（物理層、媒體訪問控制（MAC）層、無線鏈路控制（RLC）層和無線資源控制（RRC）層等）所交換的全部信息均可完整地記錄下來。因此，可以檢驗UE的功能是否正常，也可以檢測并排除所有的實施錯誤。測試LTE語音傳輸(VoLTE)功能時，IMS功能則在另外一臺PC機上實現。該PC機負責對測試儀器和測試流程進行控制。此時，相關過程（如SIP注冊過程或者P-CSCF發現過程）的功能是否正確無誤，也必須在UE中進行檢驗。對于IMS(IP)層，每一條報文均可記錄并進行分析。這一點，與第2和第3層（MAC至RRC）協議的實現完全相同。
完成了UE功能測試之后，下一步需要評估語音質量。在LTE系統中，語音傳輸僅采用數據包交換實現。模擬語音信號經過數字化、填入數據包、通過LTE空中接口進行傳輸、在接收側轉換回模擬語音信號，接下來，輸出至揚聲器。
因此，語音質量不僅受到空中接口所采用的技術的影響，還受到所采用的語音編碼解碼器，以及麥克風和揚聲器等的影響。整個傳輸鏈的評估，采用主觀語音質量評估(PESQ)方法。PESQ基于參考信號進行評估，參考信號則源于各種語種大量的語音樣本。R&S?UPV為羅德與施瓦茨公司的產品，是完成該測試任務極佳的工具。它可以生成所需要的參考信號，并將其與接收到的語音信號進行比對。PESQ方法可以實現量化評估，其結果值的范圍為-0.5（差）~4.5（極好）。
6 LTE，大勢所趨
憑借在移動無線網絡中的高效數據傳輸，LTE技術已經開創了該技術的成功一頁。盡管LTE已經包含了語音傳輸所需技術，語音仍然通過2G和3G網絡進行傳輸。盡管VoLTE的商業應用，可能在2012年或更晚才可以啟動，具體視各種移動網絡運營商的具體戰略而定，但用于檢驗LTE語音的測試設備目前已經面市。關于LTE語音傳輸（Voiceover LTE）的更多內容，請訪問www.rohde-schwarz.com/ad/lte3。
