VoLTE UE在LTE网络中使用语音业务首先要保证正常的网络附着，从最基本的VoLTE UE附着成功的信令流程入手，将此过程分为EPS附着过程和IMS注册过程，对这两个过程进行了详细的分析。结合实际情况，提出了附着过程中可能存在的异常情况及解决办法，为快速准确地定位问题提供了帮助。
VoLTE IMS SVLTE CSFB
1 引言
2015年12月，中国联通宣布2016年将在LTE网络部署VoLTE（Voice over LTE，基于LTE的语音），自此三家基础运营商都已决定在LTE网络实现VoLTE。所谓的VoLTE就是基于LTE网络提供的语音业务。由于采用AMR-WB（Adaptive Multi Rate Wideband，自适应多速率宽带编码）编解码技术，VoLTE相对2G/3G的语音，不管是呼叫时延还是语音质量都有很大改善，呼叫时延由2G/3G网络的5s～8s缩短为0.5s～2s。语音质量相对2G/3G网络提高了40%左右。VoLTE UE开机附着网络的成功是决定用户能否正常使用VoLTE业务的前提，对VoLTE UE开机附着信令流程研究的重要性和必要性也就不言而喻了。
2 LTE网络实现语音业务的三种方案
从网络和终端情况来看，在LTE网络上实现语音业务的三种方案包括了SVLTE（Simultaneous Voice and LTE，语音和LTE双待）、CSFB（Circuit Switched FallBack，电路域回落）、VoLTE。
（1）SVLTE：要求手机支持多模双待，即手机同时在2G或3G网络的CS域、PS域或LTE网络附着，2G或3G网络的CS域提供话音业务，2G/3G网络的PS域或LTE网络提供数据业务。这种方案不需要改造2G/3G网络结构，而且语音和数据业务可以同时进行。用户使用语音感知同现网一样。缺点就是手机造价高，耗电较大。
（2）CSFB：LTE网络建设初期基本都在热点区域建设，因此只提供数据业务。UE发起语音呼叫或接听时，需回落到的2G/3G的CS域，使用与2G/3G网络的CS域与LTE无线网络覆盖重叠部分。改造2G/3G网络结构的要求少，只需要升级与LTE无线网络有重叠区域的MSC/VLR，以支持SGs接口实现与MME的对接，从而实现联合附着/位置更新、语音寻呼、收发短消息等功能。缺点是用户做语音业务时的时延会有所增加。
（3）VoLTE：引入IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统）核心网，从而实现基于IMS控制的VoLTE以及SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity，单射频语音呼叫连续），在LTE网络实现语音和多媒体业务，在LTE网络信号好的地方使用VoLTE。在语音通话过程中LTE网络信号变弱时切换到2G/3G的CS域，以支持话音通话的连续性。该方案要求2G/3G网络中与MME对接的MSC升级改造支持Sv接口，LTE网的全部MME升级改造支持Sv接口，HSS的功能要包括HLR/SAE HSS/IMS HSS支持的功能，并支持C-MSISDN等存储，IMS域要部署SCC AS（Service Centralization and Continuity Application Server，服务集中和连续性应用服务器）网元，LTE网络覆盖规模要求大面积连续。此时的网络结构可以将2G/3G网络和LTE网络当作IMS的接入网。缺点是网络改造成本较大，目前支持VoLTE的手机种类也较少。
对于第一种方案，目前中国联通没有考虑采用。第二种方案适用于LTE网络建设的初期和中期，中国联通目前采用此方案。第三种方案适用于LTE网络已经大规模覆盖的阶段。虽然中国联通2016年开始在LTE网络部署VoLTE，但是考虑到LTE网络覆盖质量要达到或优于2G/3G的网络规模和覆盖质量，这不是一两年时间就可以完成的，因此支持VoLTE的手机还需支持CSFB功能。这样用户使用VoLTE业务出现故障时就可以成功回落到2G/3G网络的CS域，或者由于LTE网络信号弱，用户使用语言业务时通过SRVCC从LTE网能及时成功切换到2G/3G的CS域，从而不影响用户正常地使用语音业务。
3 VoLTE UE开机附着过程分析
根据发生信令消息的过程和作用，可以把VoLTE UE开机附着流程分为两个过程：（1）EPC网络的附着流程；（2）IMS域的注册流程。
3.1 EPC附着流程
VoLTE UE开机发起附着请求，通过鉴权后就会建立一个默认承载，该承载使得VoLTE UE能够“永久在线”，之后VoLTE UE会建立一个用于IMS信令的默认承载。其信令流程如图1所示。
（1）步骤1：VoLTE UE开机，向MME发起附着请求Attach Request消息。该消息里携带了UE的IMSI、附着类型、语音域优先和UE模式、MS是否支持SRVCC的网络能力等参数。表1是这几个关键信元消息的解释。
（2）步骤2-5：LTE网络和UE相互进行鉴权。
（3）步骤6-7：鉴权成功后，MME通知HSS，UE支持SRVCC和EPC网络支持IMS语音业务，同时MME从HSS获取签约数据，包括默认承载上下文，一个或多个承载签约上下文。默认承载配置数据QCI（QoS class identifier， Qos等级标识）=9，而用于IMS默认承载QCI=5。
（4）步骤8-12：如果UE支持CSFB，那么通过SGs接口在2G/3G的CS域做位置更新流程，同时标记LTE/EPS附着，保存相关MME信息，建立UE登记的VLR与MME的SGs关联。之后VLR回消息给MME，消息带有LAI和TMSI，从而在MME建立了SGs关联。 （5）步骤13-16：根据用户在HSS的签约信息和PCRF配置的PCC规则，建立QCI=9的默认承载，为用户提供“永远在线”的服务。
（6）步骤17-22：VoLTE UE收到Attach Accept消息，消息里除了有LAI、TMSI、AMBER（Aggregate Maximum Bit Rate，聚合最大比特率）、UE IP地址、P-CSCF地址外，还有告知终端combined EPS/IMSI attach完成，网络侧支持VoLTE（EPS network feature support信元的ims-vops：IMS voice over PS session in S1 mode supported）。根据这些信息，从而建立QCI=5的IMS信令默认承载，用于承载SIP信令。
从以上信令流程可以知道，VoLTE UE开机流程比普通LTE UE要多建立一条QCI=5的默认承载，用于承载IMS信令，同时附着请求消息的信元消息也更加丰富。
3.2 IMS注册流程
VoLTE注册IMS的过程就是UE和IMS网络相互鉴权的过程，鉴权通过后，IMS网络从HSS获取用户相关签约信息，从而完成IMS注册。其具体过程如图2所示。
（1）步骤1-8：由于VoLTE UE首次在IMS注册，IMS没有UE的信息，会向HSS查询用户是否开户和相关鉴权信息，将鉴权元素AUTH和RAND放入401响应发到UE。UE根据401消息对网络进行鉴权。
（2）步骤9-15：UE对网络鉴权没问题后算出RES，放入重新构造的REGISTER消息里，IMS收到消息，就会对US进行鉴权，如果没有问题，就会给UE回200响应消息，表示IMS注册成功。
通过这两个阶段的过程，VoLTE UE开机附着过程就全部完成，之后就可以在LTE网络正常做语音主叫和被叫业务。
4 异常情况分析和探讨
对于VoLTE UE开机附着的整个流程，主要提出了几种在核心网中可能出现导致附着失败的异常情况：终端原因引起的失败，SGs接口侧的失败，EPC侧失败和IMS网络拒绝。
4.1 终端原因引起的附着失败
终端问题是由于终端上报的消息核心网不识别导致。此类问题可能有：
（1）VoLTE终端接入LTE网络进行注册时，由于上报一些终端参数如IMEI为空或不全，导致网络不识别或不接受，核心网侧下发携带Illegal ME的拒绝消息，导致用户附着失败。用户只有重新开关机或拔插卡，才会再次尝试进行附着，在此之前用户不能使用包括PS和CS在内的所有业务，这样会影响用户使用感知。由于国内没有EIR设备，最好的解决办法是禁止网络下发此类消息。
（2）终端上报的一些数据，可能与核心网配置的数据不一致，导致附着失败。如UE在Attach请求消息有ESM information transfer flag=0，即UE不提供APN，网络就会使用用户签约的默认APN。如果根据这个APN没有找到对应的P-GW，MME就当成失败来处理，从而附着失败。终端问题处理较为麻烦，容易解决的问题通过终端设置就可以解决，但是复杂的情况就需要通过网络升级或者终端厂家对终端进行升级来解决。
4.2 SGs接口侧的失败
SGs接口侧出现的问题主要是参数配置错误引起的，如UE要正确回落到2G/3G域，那么MME上就要配置相关TA（LTE Tracking Area）与LA（2G/3G Location Area）的对应关系。根据UE附着的TA，映射出TA对应的LA，再关联到LA对应的MSC上。MME配置TA映射的LA的数据，并在联合附着时发给MSC/VLR，MSC/VLR一般都检查SGs接口上报LA的有效性。当MSC/VLR没有配置该LA时，MSC/VLR直接拒绝用户在SGs接口的位置请求，导致联合附着失败。这类问题多在新增LAC或TAC时出现。因此当新增相关数据时，要及时在网元上配置相关数据，同时要避免漏配或错配。
4.3 EPC侧失败
这类失败的原因主要包括：
（1）MME配置的加密算法种类不全。当UE上报MME终端能力的加密算法和MME配置的不一致时，MME返回协议错误消息，导致附着失败。根据3GPP定义的终端，MME可支持的加密算法有：AES、SNOW、ZUC这3种，如果不使用加密算法则为NULL。因此MME必须设置4种算法，以便支持现网中所有类型的终端。
（2）DNS配置的解析数据不全或错误，导致解析为UE服务的S/P-GW地址不对，从而无法正常地建立承载，导致附着失败。这种情况在WCDMA网络建网初期也出现过。解决办法一般是在DNS配置正确数据或MME开启APN纠错功能。
4.4 IMS网络拒绝引起的附着失败
IMS引起的失败原因包括以下几个方面：重定向错误（错误码3xx）；客户端错误（错误码4xx）；服务端错误（错误码5xx）；全局错误（错误码6xx）。在附着过程中经常出现的错误是4xx的客户端错误和5xx的服务器错误。如UE在HSS签约的注册信息有问题或UE发的P-CSCF的IP地址有问题或IMS配置的接入网安全策略有问题，这些都会返回403失败码。系统负荷过大，会返回503失败码。这些返回的SIP失败码都带有具体的失败原因值，也就是SIP消息错误码的Warning头域，根据Warning头域的内容可以快速准确地定位故障。
5 结束语
本文对VoLTE UE附着过程核心网侧信令流程进行详细研究，并对可能导致UE附着失败的情况进行分析，为更加有效解地解决问题提供了帮助。目前中国联通在部分省市已经开展了VoLTE试验，但是由于只是进行最基本的业务测试，一旦开始大规模商用，将会出现很多意想不到的问题。希望在今后的工作中能提出解决异常情况更有效的办法。
参考文献：
[1] 3GPP TS 23.401. Technical Specification Group Services and System Aspects； GPRS enhancements for E-UTRAN access[S]. 2014.
[2] 邓巍，谢浩，李明欣. LTE网络附着分析及问题探讨[J]. 移动通信， 2014（8）： 34-38.
[3] 郑杰. LTE网络中用户附着问题研究[J]. 中国科技信息， 2014（2）： 163-166.
[4] 王国仲，李小文. TD-LTE UE开机附着信令过程的详细研究[J]. 广东通信技术， 2012（9）： 19-22.
[5] 王嘉嘉，邵玉成. LTE系统附着过程研究[J]. 电子产品世界， 2013（2）： 30-32.
[6] 刘毅，王琼. LTE系统中PDN连接过程的建立与实现[J]. 电视技术， 2010，34（12）： 94-96.
[7] 张建伟，傅孝毅. UMTS系统和LTE系统的业务流程对比浅析[J]. 电信网技术， 2012（10）： 42-47.
[8] 彭大芹，马凤. LTE系统ATTACH过程中PDN连接建立的研究与设计[J]. 电视技术， 2012，36（19）： 105-107.
[9] 李岳梦. LTE CSFB语音方案与性能分析[J]. 电信网技术， 2013（7）： 84-88.
[10] GSMA IR.64. IMS Service Centralization and Continuity Guidelines Version 4.0[S]. 2012.
