Сьогодні мова піде про досить нових для Росії технологіях передачі голосу і відео в мережі стільникового оператора - VoLTE (Voice over LTE) , ViLTE (Video over LTE) і Wi-Fi-Calling (WFC).

Чому при дзвінку з мережі LTE телефон йде в мережу 3G?

Перш ніж перейти до розгляду нових технологій, давайте освіжимо в пам'яті, як на поточний момент працює наш смартфон в мережі 4G / LTE.

Думаю, що багато абонентів помічали, що смартфон при вхідних та вихідних дзвінках переходить в мережі попереднього покоління (2G / 3G), а на саме з'єднання йде досить багато часу. Для початку слід сказати кілька слів про те, як верхнеуровнево (дуже великими блоками) виглядає мережу оператора мобільного зв'язку.

На перший погляд, не складно, але це тільки на перший. Давайте розбиратися.

Як видно на зображенні вище, мережа радіо-доступу другого (2G, або GERAN) і третього (3G, або UTRAN) поколінь підключається як до ядра канальної комутації (CS Core) для здійснення голосових викликів, так і до ядра пакетної комутації (PS Core ) для доступу до IP-мереж і для виходу в мережу Internet. Логічний висновок, який напрошується зі сказаного вище: CS Core забезпечує голосовий зв'язок, а PS Core призначений для передачі даних. Зупинятися для аналізу того, як працюють мережі передачі даних і голосу в рамках даної статті, ми не будемо.

Розглянемо проходження голосових викликів для мережі 4G. Перш ніж занурюватися в подробиці, давайте ще раз подивимося на картинку і згадаємо, що мережа радіо-доступу LTE не має прямих підключень до CS Core. На перший погляд, це дивно, але рішення є. І частиною рішення є інтерфейс між PS Core і CS Core, який називається SGs .

(Справедливості заради треба сказати, що і до впровадження стандарту 4G / LTE зв'язок між канальним і пакетним ядром була можлива. Інтерфейс, за яким могла здійснюватися цей зв'язок, називається Gs . Завдання, які покладалися на Gs-інтерфейс, полягали в комбінуванні (об'єднанні) процедур реєстрації в обох доменах, а також в забезпеченні пошуку пристрою (paging), який здійснювався з канального домену в пакетний. Це дозволяло припиняти передачу даних в мережі 2G і приймати голосові виклики.)

У мережі 4G / LTE інтерфейс SGs вже не є опціональним і грає важливу роль. Згадуємо, що в мережі LTE наше мобільний пристрій працює тільки в пакетному домені (PS Core) і, як ви вже здогадалися, без інтерфейсу між PS і CS Core не обійтися.

Тепер давайте коротко розглянемо процес здійснення голосових викликів, коли Ваш пристрій знаходиться в мережі LTE. Не вдаючись глибоко в технічні робили, це можна пояснити так:

Вхідний дзвінок. Оскільки телефон знаходиться в мережі LTE і не має можливості «слухати» мережі 2G / 3G, «дістатися» до нього можна тільки з використанням мережі 4G. За мобільність в мережі LTE відповідає мережевий елемент MME (Mobility Management Entity). Саме через цей пристрій по SGs інтерфейсу мобільний комутатор (MSC-S) здійснює пошук смартфона процедурою «paging» з індикатором того, що йде вхідний дзвінок, сигналізуючи, що телефону необхідно перейти в мережу попереднього покоління з перереєстрацією в CS-домені і прийняти дзвінок.

Вихідний дзвінок. Мобільний пристрій повідомляє базової станції (eNodeB), що збирається зробити вихідний дзвінок, тим самим запускаючи процес переходу з LTE в мережі попереднього покоління. Детальніше розписувати процедуру в рамках даної статті недоцільно.

Процес переходу з LTE в мережі попереднього покоління для здійснення голосових викликів називається називається CS Fallback (CSFB).

По завершенню виклику (вже не важливо вхідного або вихідного) пристрій повернеться в мережу LTE, але c невеликим «АЛЕ». Незважаючи на те, що пристрою довелося перереєструватися в мережу 3G (рідше в 2G), передача даних, яка могла здійснюватися до дзвінка, може здійснюватися і одночасно з голосовим викликом. При цьому мобільний пристрій не втратить виділений йому IP-адреса. «АЛЕ» полягає в тому, що перехід в мережу LTE відбудеться тільки в найближчу паузу в передачі даних.

(Невелике зауваження про SMS. У мережі LTE і вхідні та вихідні SMS передаються все по тому ж інтерфейсу SGs і переходів між мережами різних поколінь не здійснюється.)

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

У мережі LTE, в порівнянні з попередніми поколіннями мережі, краще показники по затримках і RTT , І вона цілком пристосована для трафіку, критичного до якості каналу передачі, а саме, небуферізірованного голосу і відео, якими і є наші дзвінки. Здійснення голосових викликів нарешті переходить на протокол IP безпосередньо з мобільного пристрою.

Тепер давайте розглянемо, що змінилося в архітектурі мережі оператора.

Ми бачимо, що в порівнянні з попередньою схемою, додалося хмарка з назвою IMS . Так, дійсно, в якості ядра для підтримки голосових викликів мережі LTE і Wi-Fi був обраний IMS.

Почнемо з процесу реєстрації. Мобільний пристрій повинен переконатися, що мережа оператора підтримує передачу голосу поверх IP в конкретній зоні радіопокриття. Якщо це так, то смартфон намагається активувати bearer (канал зв'язку по IP) зі спеціальним APN-му і зі спеціально виділеним класом обслуговування QCI-5, який зарезервований і оптимізований для IMS-signaling. Даний клас обслуговування має більш високий пріоритет у порівнянні з класом обслуговування для передачі даних, яка використовується для виходу в Інтернет, але він, так само як і інтернетівський, не вимагає гарантованої смуги передачі даних і менш критичний до затримок ніж для голосу і відео. По завершенню процесу активації bearer-а у мобільного пристрою є IP адреса, і мережа повідомила IP адреса P-CSCF, який вже є першим елементом ядра IMS. Саме до нього смартфон вперше звертається по протоколу SIP та здійснює реєстрацію в IMS.

Докладно зупинятися на процесах, які відбуваються в надрах мережі, в рамках даної статті недоцільно. При бажанні цю інформацію можна знайти на ресурсах, список яких поміщений в кінці статті. Наведу лише картинку з основними елементами PS Core і IMS.

Мобільний пристрій зареєструвалися в ядрі IMS і тепер може здійснювати голосові дзвінки або відправляти / приймати SMS.

Однією з основних відмінних рис мобільного VoLTE-мережі від класичної SIP телефонії - це управління смугою пропускання для конкретного виду трафіку. Не секрет, що при передачі голосового трафіку по IP-мереж завжди є ризик втрати пакетів, що згубно позначається на розбірливості мови. Для того щоб забезпечити прийнятну якість, застосовується технологія маркування IP-пакетів. Транспортні засоби для с «розумінням» ставиться до маркованих пакетів, намагається не допустити їх втрату і забезпечує їх пріоритетну передачу hop-by-hop. У мережі мобільного оператора одним з найдорожчих ресурсів є радіо-ресурс і завжди є ймовірність того, що в зоні потрібної нам базової станції (eNodeB) може його не опинитися для проключенія голосового виклику, тому що всі вони використовуються для передачі даних з мережі інтернет. Я вже згадував, що для реєстрації мобільний пристрій активовано окремий bearer c QCI-5, який за рівнем сервісу вище, ніж bearer для інтернет і в ньому була встановлена ​​SIP-сесія з IMS Core. При встановленні голосового виклику - неважливо, вхідного або вихідного - IMS-ядро через PCRF і ядро ​​пакетної комутації запитує додатковий виділений радіо-ресурс (dedicated bearer) з гарантованим бітрейтом і з QCI-1 для того, щоб в ньому і передавався RTP-потік з обраним кодеком. Даний ресурс вже має найвищий пріоритет, що і забезпечує необхідну якість мовлення.

Тепер можна згадати таку технологію, як Video over LTE (ViLTE). Все, що було сказано для VoLTE, справедливо і для ViLTE. Для підключення відео-потоку точно так же, як і для голосу, запитується ще один dedicated bearer. Він теж вимагає гарантовану смугу з трохи більш високою пропускною здатністю, ніж голос, але вже з трохи меншим пріоритетом (QCI-2). Зниження пріоритету обумовлено тим, що втрата пакетів для відео-потоку вже не настільки критична, ніж для голосового. Погодьтеся, що розбірливість мови куди важливіша, ніж короткочасний збій в передачі картинки. В результаті виходить, що у смартфона в разі з ViLTE є відразу три bearer-а для потреб IMS (QCI-5 - сигналізація, QCI-1 - голосовий канал, QCI-2 - відео канал).

Також хотілося б коротенько торкнутися теми хендовера (переходів з мережі одного покоління в інше). Сьогодні покриття мережі LTE поступається покриттю мереж попередніх поколінь. Для того щоб розмова не переривався в разі, якщо рівень сигналу мережі LTE стає нижче порогового рівня, телефону доведеться перереєструватися в ядрі канальної комутації (CS Core). Для забезпечення «безшовні» такого переходу була розроблена технологія SRVCC (Single Radio Voice Call Continuity). На відміну від CS Fall Back (CSFB), який розглядався в першій частині статті, на момент переходу з LTE в мережу попереднього покоління, у нас вже є голосовий виклик, який ми і намагаємося зберегти без розриву. В основі технології лежить протокол GTPv2 і додатковий інтерфейс між PS Core і CS Core, який має назву Sv. Для забезпечення роботи даного інтерфейсу доопрацюванню піддалася CS Core, яка раніше не підтримувала протокол GTP (GPRS tunneling protocol). Схематично процес переходу з VoLTE в CS-call показаний на малюнку.

Тепер можна сказати кілька слів про те, що корисного в VoLTE і навіщо впроваджується ця технологія:

• VoLTE дозволяє не проводити перемикання з мережі LTE в мережі попереднього покоління, що прискорює процес здійснення голосового виклику;
• телефон залишається в LTE, і передача даних може тривати без зниження швидкості;
• немає жорстких обмежень на смугу передачі, що дозволяє забезпечувати високу якість голосу (HD-Voice);
• з'являється можливість робити відео-дзвінки, а згодом і відео-конференції;
• під керуванням ядра IMS є можливість реалізовувати додаткові послуги, такі як Push-to-Talk .

VoWi-Fi, або Wi-Fi-Calling, або WFC

Принципова відмінність VoWi-Fi від VoLTE полягає в тому, що в якості «останньої милі» використовується звичайний Wi-Fi. Це може бути і домашній інтернет і публічний Wi-Fi якогось кафе. Як ядро ​​мережі використовується все той же IMS, а ось в частині мережі доступу є невеликі зміни. Давайте подивимося на картинку.

Уважний читач помітить, що не видно принципових відмінностей від схеми PS Core для VoLTE. Як і раніше стик ядра пакетної комутації та IMS Core здійснюється через інтерфейс SGi від PGW. Зміни торкнулися шляху проходження трафіку від мобільного пристрою до ядра пакетної комутації. Для цього у нас з'явився пристрій під назвою ePDG. Саме воно має прямий вихід в мережу Internet і саме до нього будуть, в першу чергу, підключатися телефони з використанням звичайного протоколу IPSec. Перш ніж почнеться реєстрація в IMS-ядрі, як і раніше, необхідно успішно зареєструватися в ядрі пакетної комутації. На цей раз реєстрація проводиться не від MME, а від ePDG. Для цього використовується інтерфейс SWm, і ми бачимо ще один мережевий елемент з назвою AAA. Особливістю вузла AAA, який бере участь в процесі реєстрації з untrusted Wi-Fi, тобто з мережі Internet, є те, що він працює не за звичним багатьом протоколу Radius, а по модернізованої його версії - протоколу Diameter. Далі, як і в мережі LTE, аутентифікація і звірка наявності відповідних послуг проводиться все в тому ж HSS (Home Subscriber Server).

Після проходження реєстрації в пакетному ядрі і подальшої реєстрації в IMS Core, дзвінки здійснюються точно так же, як це відбувається і з VoLTE.

З основних технологічних питань нам залишилося розглянути перехід (Handover) з мережі Wi-Fi в VoLTE і назад.

Не секрет, що мережі Wi-Fi мають дуже маленький радіус дії. Для того щоб наші голосові виклики не уривалися при втраті мережі Wi-Fi, мобільний пристрій постійно моніторить рівень сигналу, і якщо він стає нижче порогового рівня, проводиться перехід в мережу LTE. Якщо ще раз подивитися на попередню схему, то стає зрозуміло, що при переході в LTE-мережу, цілком реально залишитися на все тому ж PGW, що використовувався і для Wi-Fi-Call. А допомагає в цьому інтерфейс S6b , Який з використанням AAA сервера повідомляє HSS адреса PGW, на якому була проведена реєстрація з мережі Wi-Fi. При такому переході зберігається сесія на PGW все з тим же IP-адресою, що був виділений при реєстрації через Wi-Fi мережу. Як наслідок, ми отримуємо практично безшовний Handover VoWi-Fi -> VoLTE. Зворотний перехід здійснюється за тими самими правилами.

Як і в кінці попередньої частини, кілька слів про те, що корисного в VoWi-Fi і навіщо впроваджується ця технологія:

• з'явилася можливість здійснювати і приймати голосові виклики зі своїм номером мобільного телефону з будь-якого місця, де є доступ в Internet через Wi-Fi без використання сторонніх додатків;
• Wi-Fi-Calling дозволяє здійснювати дзвінки з мережі Wi-Fi по всьому світу по домашньому тарифом.

Питання та відповіді

Я передбачаю, що буде ряд питань і спробую заздалегідь на них відповісти:

В: В яких регіонах вже доступні технології VoLTE / VoWi-Fi?
Про: На момент публікації статті послуга доступна абонентам Москви, Ярославля, Калуги і Башкирії.

В: Коли послуга стане доступна абонентам інших регіонів МТС?
Про: Ми робимо все можливе для якнайшвидшого впровадження технології. Слідкуйте за новинами на наших регіональних сайтах.

В: Чи буде працювати послуга Wi-Fi-Calling в режимі «літака»?
В: Так, такий варіант роботи дійсно є, але щоб несподівано не залишитися без зв'язку, ми такий режим не рекомендуємо.

В: Які телефони мають підтримку технологій VoLTE і VoWi-Fi?
Про: Список пристроїв, які підтримують VoLTE / VoWi-Fi можна знайти на http://www.mts.ru/connect/

В: Як переконатися, що на iPhone працює VoLTE?
Про: На iPhone немає індикац того, що телефон працює в режимі VoLTE. Подивитися поточний режим роботи пристрою можна зайшовши в Настройки -> Інформація про пристрій і натиснути на рядок Оператор. Якщо є реєстрація в IMS, то це буде видно (рядок зміниться на IMS-статус).

В: Чи працює SMS через послугу Wi-Fi-Calling в режимі «літак»?
В: Так, мережа такий варіант роботи підтримує. Далі все залежить від наявності підтримки в мобільному телефоні. Якщо говорити про iPhone, то ми робимо все можливе, щоб SMS over IP стала доступна для абонентів МТС з виходом версії iOS 12.0 (вересень 2018).

В: Як підключити послугу?
Про: Ми будемо підключати послугу абонентам, у яких телефони мають відповідну підтримку самі, а й надаємо абонентам самим управляти наявністю послуги. Як включити / відключити послугу можна знайти на сторінці http://www.mts.ru/connect/

В: Які кодеки використовуються для передачі голосу?
Про: Пріоритетним кодеком є AMR-WB (HD-Voice), але може використовуватися AMR-NB . Вибір кодека здійснюється в процесі встановлення виклику і залежить від великої кількості причин. кодек EVS на нашій мережі поки не підтримується.

В: Чи підтримується технологія ViLTE на телефонах Apple?
В: Ні. Підтримка ViLTE реалізована не у всіх смартфонах і це не тільки iPhone.

Корисні посилання:
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/кратко-об-ims
https://habr.com/post/200868/
https://blog.3g4g.co.uk/search/label/VoLTE
https://4pda.ru/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

Автор: Технічний експерт МТС Олег Єрмаков, нік на Хабре - eov