4G通话大不同 关于LTE语音的那些事儿

为什么用4G手机打电话的时候，右上角的网络制式符号总是变来变去？有没有觉得，在接通电话时似乎有些延迟？你了解过，LTE网络中的语音通话和2G/3G时代有什么不同吗？

2G/3G网络中，CS域与PS域的构成示意图。

要了解LTE网络语音通话的变化，我们需要从基础的网络层面开始。在通信网络领域，有一个“域”的概念。什么是域？域就是在核心网中，完成某一特定交换类型连接的所有网元实体，以及所有支持该类型交换的相关信令的网元实体集合。在我们熟知的2G(包括GSM/CDMA)及3G网络(TD-SCDMA/WCDMA/CDMA 2000)中，有两种类型的域，一种叫CS域(Circuit Switched Domain)，中文称之为电路域；一种叫PS域(Packet Switched Domain)，中文称之为分组域。这两个域的主要任务，用通俗的语言说就是：CS域承载语音，实现通话业务；PS域承载数据，实现手机上网业务。

LTE语音实现方案

在2G/3G时代，这两种域都存在，我们打电话或者上网时都没有问题。但是在LTE时代，问题来了。LTE网络与我们常见的Wi-Fi网络类似，是一张纯粹的全IP网络。用域的说法，就是在LTE的核心网中，只有PS域，没有CS域，语音业务失去了直接承载域，那么LTE如何实现语音通话？

常见的LTE语音解决方案

一般来说，我们现在经常会使用到的LTE语音解决方案包括以下几种：
第一种方案：OTT解决方案(Over-The-Top)。OTT解决方案是指运营商以外的应用服务商利用运营商建立的LTE网络作为承载，采用各自私有或开放的架构实现语音、视频等多媒体通信业务，也就是基于互联网提供语音业务的方式，比如Skype、Gtalk、微信等。这种方案的优势不需多言，首先是便宜，甚至可以实现免费的语音通信；其次是通过VoIP网关，可以实现与传统语音终端的通话。但这种方案大的问题是无法保证语音的通信质量与稳定，所以长期以来，运营商并不把这种方案当作一个“电信级”的解决方案，而只是将其做为一个可选项，向用户提供。

第二种方案：CSFB解决方案(Circuit Switched Fallback)。CSFB解决方案是3GPP标准化方案之一，其实质就是LTE终端在语音通信时，自动回落到2G/3G网络，通过2G/3G网络的CS域完成呼叫。CSFB方案是LTE引入初期的一种解决方案，与3GPP的另外一种LTE语音标准解决方案VoLTE相比，CSFB方案是一种为了解决国际漫游语音需求而提出的方案，其实施的前提是目前国际范围内2G/3G网络覆盖广泛，且LTE多模终端丰富。这种方案的特点是，LTE终端开机时，同时在LTE与2G/3G网络上附着；待机时，优先选择LTE网络，当有语音呼叫业务时，终端从LTE网络上回落到传统的2G/3G网络，仍然通过传统的CS域完成语音呼叫。采用这种方案的运营商，其原有2G/3G网络不需要做过多改动，只需要部分网元(主要是MSC)完成升级，就可以实现LTE的语音业务。采用这种方式的终端，典型的代表就是苹果的iPhone 5s。

SGLTE的芯片组合与工作模式

第三种方案：双待机解决方案。这种方案的规范提法应该是单卡双模双待机。也就是同一张USIM卡同时在LTE网络、2G/3G网络注册附着，并通过终端内置的两个工作在不同网络模式下的收发机，实现LTE网络与2G/3G网络的同时待机(实际上，在双待机的方案上，也有多种选择，这个我们稍后再讲)。LTE仅用于高速数据业务，话音业务通过电路域完成。这种方案其实早是由CDMA运营商向LTE网络转变过程中首先提出的，其目的是快速发布LTE手机，充分利用原有网络，用小的代价提供语音服务。这种方案的代表机型有很多，现在中国移动推出的LTE终端，大部分都是双待机方式。

CSFB业务逻辑示意

第四种方案：VoIMS解决方案(包含SRVCC)。VoIMS(Voice over IMS)就是我们一般所说的VoLTE(Voice over LTE)，准确的定义应该是基于IMS的VoLTE，在核心网侧构建一张IMS网络，通过LTE承载网，配合LTE，EPC网络实现端到端的基于分组域的语音、视频通信业务。这也是3GPP提出的LTE语音解决方案之一，是LTE语音解决方案的终极发展方向。中国移动提出的“融合通信”就是一个面向LTE时代，基于IMS的语音、文字、视频及其他相关应用的整合方案。为了保证语音业务的连续性，运营商有两个选项，第一个选项是保证LTE的全覆盖，这一点在国内目前由于实际限制(主要是频段)，做到全网全程的全覆盖有难度，尤其是城市室内环境；第二个选项是部署SRVCC方案，使正在进行的通话可以平滑切换到2G/3G网络。SRVCC(Single Radio Voice Call Continuity，单待模式的语音连续方案)实质就是在LTE覆盖范围内以VoIMS的方式来提供语音业务，用户在语音呼叫过程中如果终端移动出LTE覆盖范围，则切换到CS域用以保证语音业务连续性。VoIMS解决方案在运营商LTE网络覆盖达到一定连续性甚至全覆盖时将成为终极解决方案，GSMA和NGMN都已经宣布将VoIMS作为业界LTE下唯一的、端到端的语音解决方案。

TD-LTE双模双待模式及CSFB的时延问题

目前国内三家获得4G牌照的基础运营商，只有中国移动在全国大部分城市提供了基于手机的LTE商用业务，因此，我们基于中国移动的解决方案继续说明一下双模双待机与CSFB的一些具体情况。

单卡双待

单卡双待对运营商的意义在于，这是一个终端侧解决方案，网络侧几乎可以不做改动。而单卡双待在业界早出现在CDMA运营商向LTE升级时，已经可以说是一个成熟的应用方案了。因此，中国移动在LTE建设初期，即向终端厂商提出首批商用化终端，应该是基于单卡的双模双待机方案。

这其中有一个小插曲。中国移动目前运营着世界规模大的GSM网络，建设着世界规模大的LTE网络，同时还拥有着一张世界独一无二的TD-SCDMA 3G网络。所以从一开始，中国移动就提出了三种双待机方案：LTE-GSM方案、LTE-TDS(GSM)方案、LTE(TDS)-GSM方案。LTE-GSM方案是甩开TDS网络，终端实现LTE-GSM双待机，后两种则是双待射频方案的不同。终确定为标准方案的是LTE(TDS)-GSM方案，又称为SGLTE(Simultaneous GSM and LTE)，LTE与GSM同步支持，终端包含了两套射频，一套支持TD- LTE与TD-SCDMA的，另外一个支持GSM。当终端工作于双模双待模式(优选4G)时，两套射频同时工作，其中多模芯片优先选择TD- LTE网络，当没有LTE覆盖时，优先选择TD- SCDMA网络，另外一套射频则始终工作于GSM模式下。

CSFB

其实中国移动上马CSFB，是一个产业链倒逼运营商的典型过程，在这里我们就不详细说了。反正现在中国移动同样向用户提供CSFB，支持类似iPhone 5s、iPhone 5c等终端的语音通话实现。与国外现行CSFB显著不同的是，中国移动的CSFB提供的是LTE到GSM的回落，跳过了3G网络(国外现行CSFB，基本是优先向3G网络回落，不成功再向2G网络回落)。之所以出现这个不同，主要是中国移动LTE网络从开始建设，其覆盖目标就是向全程全网前进，设计覆盖范围已经超过了3G网络。网络覆盖的同步，是决定CSFB是否能保持高成功率的前提；因此中国移动在定义CSFB时，直接选择了4G到2G的回落。

从这张CSFB业务逻辑示意图中，我们可以看到CSFB有两次切换过程，分别是：1.产生语音呼叫时，用户终端(UE)从LTE网络回落至2G网络，此时的时延，我们称为回落时延；2.语音业务结束时，UE从2G网络回到4G网络，此时的时延，我们称为返回时延。

回落时延的产生与优化

一个典型的TD-LTE回落流程为(4G-2G间呼叫)：
1.TD-LTE回落至2G
2.UE在2G需要读取必要的系统消息
3.UE在2G中起呼，接通时延一般为6s左右(这个时延与传统2G网络语音呼叫时延一致)
4.额外时延：若CSFB回落至2G，LTE TA LIST与GSM LAC区不一致，回落至2G后还要进行LAU(位置更新)，才能在2G中进行语音业务，需要额外增加LAU的时延，约为2s。

因此，4G-2G之间语音呼叫时，单侧CSFB回落时延约为6.5s～8s左右。

实际上，从这个流程中我们可以看到，相对我们已经习惯的2G/3G语音呼叫，TD-LTE的CSFB回落时延对用户而言，理论上是一个感知差异很小的时延(0.5s～2.5s间)。但在双方都是4G终端时，由于这个回落分别发生于主被叫双方，因此对于主叫方，该回延感知是叠加的，大甚至可达到10s以上，与传统2G语音呼叫(6s)相比，感知差异接近一倍，此时对于主叫用户会有明显的感知(LTE用户做被叫时，会由eNodeB发起消息，辅助终端回落到2G，如果用户此时没有进行手机操作，在手机振铃时才会响应，因此被叫用户的回落时延对使用者而言，基本相当于无感知)。一般来说，我们在网上看到的TD-LTE CSFB呼叫时延，大部分是对这种通话状态的时延讨论，但很多讨论者忽略了4G-4G以及主叫者感知这两个前提。

R8 CSFB与R9 CSFB对比

对于回落时延，3GPP R9中定义了一个基于RIM的快速回落机制，这一机制，有设备厂家将其称为Flash CSFB。
R9 CSFB(Flash CSFB)可以简单理解为R8 CSFB+RIM。RIM(RAN Information Management)提前将GSM的无线网络信息告知手机，节省手机在GSM网络的测量时间从而达到快速接通的目的，测试表明能够缩短接续时延2s以上。其机制简单的解释就是，RIM流程是CSFB在连接态的情况下，需要做一个RRC release的步骤回到空闲态；通过像RIM这样的流程，将UTRAN的系统消息以RRC release消息携带的方式，进行连续信息的提前发布，减少网间互操作的时延，降低CSFB总的回落时延。

通话时延对比

在Flash CSFB方式下，4G-4G的主叫侧感知时延被优化到2s左右(目前现网实测时延基本在这一水平)，对于主叫用户，这一差异在可接受范围内。另外需要说明一点，由于中国移动定义的CSFB发生于4G-2G网络间，相对优先回落到UMTS(WCDMA)的方案而言，这一时延会略大，这也是部分中国移动4G网络反对者的主要批评点之一。

CSFB的返回时延

在LTE终端完成语音呼叫时，终端将从2G终端返回到4G网络，这一时延我们称为返回时延。由于在返回过程中，终端处于业务无法正常接续过程，所以这一时延又被定义为用户不可及时间。这里介绍一个概念：FR(Fast Return)，就是终端根据手机开机、待机和通话期间所测量到的后一次4G网络的信息直接返回4G网络。FR一般有终端自主FR与网络侧FR两种形式，但无论哪种形式，支持FR的终端返回时延都非常小，基本相当于“秒回”。在极端情况下，比如LTE极弱覆盖，FR无法建立，那么终端挂机后的返回路线，实际是利用3G(TDS)做为桥接，终端先由2G网络返回到3G网络，然后由3G网络返回到4G网络。这一时延非常漫长，部分用户实测时，曾有长达数十秒的返回体验。这一情况可能通过合理的LTE网络重选门限设置解决，即在LTE覆盖弱到一定程度时，终端自动选择3G/2G网络驻留，在LTE覆盖信号改善后再返回LTE网络。

中国移动现网返回时延，绝大部分场景下都可以控制在秒回的程度；因此，由于CSFB返回造成的用户不可及感知，现在已经很小了。当然，在一定偶发性的状态下，仍然会有类似“用户无法接通”的情况，比如，4G用户在挂断语音的瞬间第二个电话呼入，此时由于用户仍然处于返回过程中，就会发生主叫用户被提示“用户无法接通”。

CSFB失败

CSFB终端用户有时会出现无法接通语音电话的情形，有的是无法做主叫呼出，有的是无法做被叫接听。一般来说，导致CSFB失败的原因大多集中在两点，一是设备厂家与终端厂家对LTE协议规范理解不一致，导致部分场景下终端与eNodeB的信令交换失败，这种情况在试验网及商用网初期经常出现，一般通过软件升级可以解决；二是网络侧的数据配置，尤其是LTE的TAC与2G网络的LAC配置不一致造成。从对CSFB的过程描述我们可以看到，对于通过CSFB实现语音呼叫的LTE网络，其覆盖信息的配置与2G网络必须做到相同，一旦二者数据配置不一致，就会出现CSFB失败。这个原因导致的CSFB不成功在网络建设、优化与维护过程，可以逐步发现并解决。总体上来说，中国移动现网的CSFB成功率可以保持在一个相当高的水平。

华为公司的极速回落方案

近，华为公司在2014年用户大会现场， 宣布采用其新发布的旗舰智能手机P7，通过极速回落(Ultra-Flash Circuit Switched Fallback，Ultra-Flash CSFB)语音解决方案，进行TD-LTE网络的语音呼叫体验，呼叫接通时延少于3s。对比基于3GPP R8的CSFB技术，华为Ultra-Flash CSFB大幅降低了端到端呼叫时延，为LTE用户提供了更好的高清语音服务。时隔一年，Ultra-Flash CSFB已从实验室测试走向真正的商用。

Ultra-Flash CSFB方案逻辑图

什么是极速回落(Ultra-Flash CSFB)方案呢？前文中，在介绍VoIMS方案时，我们曾经提到了在LTE没有做到全程覆盖时，要通过SRVCC来解决通话过程中，由LTE覆盖区域到2G/3G覆盖区域的语音切换。在手机移动过程中，基站(eNodeB)接收手机发送的关于2G/3G网络信号和LTE网络信号的测量报告，eNodeB基于测量结果向MME(核心网中负责处理信令的网元)发起SRVCC切换请求；MME从非语音承载中分离出语音承载，经过与MSC连接的Sv接口，发起2G/3G网络的语音承载切换；并传送来自IMS的会话给所选择的目标MSC，目标MSC为进入2G/3G网络的手机分配电路域资源，后语音业务通过2G/3G网络的电路域继续使用。与CSFB不同，这一过程发生于通话建立持续过程中，由于所有交换过程都基于网络信号测量报告，我们可以理解为网络在预知用户将要从LTE网络切换至2G/3G网络时，通过网元信令交换，预先为用户的通话建立起一条电路域的承载通道，并实现在用户无感知(通话持续)的前提下的通道切换。

3GPP CSFB、Ultra-Flash CSFB在4G-2G呼叫时与2G-2G的时延对比

所谓极速回落(Ultra-Flash CSFB)其实质就是SRVCC方案在无VoIMS方案下的独立使用。对运营商而言，Ultra-Flash CSFB方案是将VoLTE的部署分成了SRVCC部署与IMS部署两个步骤，在实现VoLTE之前，通过Ultra-Flash CSFB的建设，向用户提供了更短的呼叫时延，无缝和快速的LTE网络和GSM网络的切换，使用户对于网络切换完全无感知。另外，由于大量的消息被“评估后的预先传递”，使得切换所需要的时延甚至低于传统2G-2G的呼叫时延。
华为的Ultra-Flash CSFB方案与3GPP CSFB方案相比，可以更大程度地保证运营商的投资能够在VoIMS方案中复用，后期只需要叠加IMS域，即可支持VoIMS。这是对运营商有吸引力的地方。