Сегодня речь пойдет о достаточно новых для России технологиях передачи голоса и видео в сети сотового оператора — VoLTE (Voice over LTE), ViLTE (Video over LTE) и WiFi-Calling (WFC).

Прежде чем перейти к рассмотрению новых технологий, давайте освежим в памяти, как на текущий момент работает наш смартфон в сети 4G/LTE.

Думаю, что многие абоненты замечали, что смартфон при входящих или исходящих звонках переходит в сети предыдущего поколения (2G/3G), а на само соединение уходит достаточно много времени. Для начала следует сказать несколько слов о том, как верхнеуровнево (очень крупными блоками) выглядит сеть оператора мобильной связи.

На первый взгляд, не сложно, но это только на первый. Давайте разбираться.

Как видно на картинке выше, сеть радио-доступа второго (2G, или GERAN) и третьего (3G, или UTRAN) поколений подключается как к ядру канальной коммутации (CS Core) для осуществления голосовых вызовов, так и к ядру пакетной коммутации (PS Core) для доступа к IP-сетям и для выхода в сеть Internet. Логичный вывод, который напрашивается из сказанного выше: CS Core обеспечивает голосовую связь, а PS Core предназначен для передачи данных. Останавливаться для анализа того, как работают сети передачи данных и голоса в рамках данной статьи, мы не будем.

Рассмотрим прохождение голосовых вызовов для сети 4G. Прежде чем погружаться в подробности, давайте еще раз посмотрим на картинку и вспомним, что сеть радио-доступа LTE не имеет прямых подключений к CS Core. На первый взгляд, это странно, но решение есть. И частью решения является интерфейс между PS Core и CS Core, который называется SGs.

(Справедливости ради нужно сказать, что и до внедрения стандарта 4G/LTE связь между канальным и пакетным ядром была возможна. Интерфейс, по которому могла осуществляться эта связь, называется Gs. Задачи, возлагавшиеся на Gs-интерфейс, заключались в комбинировании (объединении) процедур регистрации в обоих доменах, а также в обеспечении поиска устройства (paging), который осуществлялся из канального домена в пакетный. Это позволяло приостанавливать передачу данных в сети 2G и принимать голосовые вызовы.)

В сети 4G/LTE интерфейс SGs уже не является опциональным и играет важную роль. Вспоминаем, что в сети LTE наше мобильное устройство работает только в пакетном домене (PS Core) и, как вы уже догадались, без интерфейса между PS и CS Core не обойтись.

Теперь давайте кратко рассмотрим процесс осуществления голосовых вызовов, когда Ваше устройство находится в сети LTE. Не вдаваясь глубоко в технические делали, это можно объяснить так:

Входящий звонок. Поскольку телефон находится в сети LTE и не имеет возможности «слушать» сети 2G/3G, «добраться» до него можно только с использованием сети 4G. За мобильность в сети LTE отвечает сетевой элемент MME (Mobility Management Entity). Именно через это устройство по SGs интерфейсу мобильный коммутатор (MSC-S) производит поиск смартфона процедурой «paging» с индикатором того, что идет входящий звонок, сигнализируя, что телефону необходимо перейти в сеть предыдущего поколения с перерегистрацией в CS-домене и принять звонок.

Исходящий звонок. Мобильное устройство сообщает базовой станции (eNodeB), что собирается совершить исходящий звонок, тем самым запуская процесс перехода из LTE в сети предыдущего поколения. Подробнее расписывать процедуру в рамках данной статьи нецелесообразно.

Процесс перехода из LTE в сети предыдущего поколения для совершения голосовых вызовов называется называется CS Fallback (CSFB).

По завершению вызова (уже не важно входящего или исходящего) устройство вернется в сеть LTE, но c небольшим «НО». Несмотря на то, что устройству пришлось перерегистрироваться в сеть 3G (реже в 2G), передача данных, которая могла производиться до звонка, может осуществляться и одновременно с голосовым вызовом. При этом мобильное устройство не потеряет выделенный ему IP-адрес. «НО» заключается в том, что переход в сеть LTE произойдет только в ближайшую паузу в передаче данных.

(Небольшое замечание про SMS. В сети LTE и входящие и исходящие SMS передаются все по тому же интерфейсу SGs и переходов между сетями различных поколений не осуществляется.)

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

У сети LTE, в сравнении с предыдущими поколениями сети, лучше показатели по задержкам и RTT, и она вполне приспособлена для трафика, критичного к качеству канала передачи, а именно, небуферизированного голоса и видео, которыми и являются наши звонки. Осуществление голосовых вызовов наконец-то переходит на протокол IP непосредственно с мобильного устройства.

Теперь давайте рассмотрим, что поменялось в архитектуре сети оператора.

Мы видим, что по сравнению с предыдущей схемой, добавилось облачко с названием IMS. Да, действительно, в качестве ядра для поддержки голосовых вызовов сети LTE и WiFi был выбран IMS.

Начнем с процесса регистрации. Мобильное устройство должно убедиться, что сеть оператора поддерживает передачу голоса поверх IP в конкретной зоне радиопокрытия. Если это так, то смартфон пытается активировать bearer (канал связи по IP) со специальным APN-ом и со специально выделенным классом обслуживания QCI-5, который зарезервирован и оптимизирован для IMS-signaling. Данный класс обслуживания имеет более высокий приоритет по сравнению с классом обслуживания для передачи данных, которая используется для выхода в Интернет, но он, так же как и интернетовский, не требует гарантированной полосы передачи данных и менее критичен к задержкам чем для голоса и видео. По завершению процесса активации bearer-а у мобильного устройства имеется IP адрес, и сеть сообщила IP адрес P-CSCF, который уже является первым элементом ядра IMS. Именно к нему смартфон впервые обращается по протоколу SIP и осуществляет регистрацию в IMS.

Подробно останавливаться на процессах, которые происходят в недрах сети, в рамках данной статьи нецелесообразно. При желании эту информацию можно найти на ресурсах, список которых помещен в конце статьи. Приведу лишь картинку с основными элементами PS Core и IMS.

Мобильное устройство зарегистрировались в ядре IMS и теперь может совершать голосовые вызовы, отправлять/принимать SMS.

Одной из основных отличительных особенностей мобильной VoLTE-сети от классической SIP телефонии — это управление полосой пропускания для конкретного вида трафика. Не секрет, что при передаче голосового трафика по IP-сетям всегда есть риск потери пакетов, что пагубно сказывается на разборчивости речи. Для того чтобы обеспечить приемлемое качество, применяется технология маркировки IP-пакетов. Транспортное оборудование с «пониманием» относится к маркированным пакетам, старается не допустить их потерю и обеспечивает их приоритетную передачу hop-by-hop. В сети мобильного оператора одним из самых дорогих ресурсов является радио-ресурс и всегда есть вероятность того, что в зоне нужной нам базовой станции (eNodeB) может его не оказаться для проключения голосового вызова, потому что все они используются для передачи данных из сети интернет. Я уже упоминал, что для регистрации мобильное устройство активировало отдельный bearer c QCI-5, который по уровню сервиса выше, чем bearer для интернет и в нем была установлена SIP-сессия с IMS Core. При установлении голосового вызова — неважно, входящего или исходящего — IMS-ядро через PCRF и ядро пакетной коммутации запрашивает дополнительный выделенный радио-ресурс (dedicated bearer) с гарантированным битрейтом и с QCI-1 для того, чтобы в нем и передавался RTP-поток с выбранным кодеком. Данный ресурс уже имеет самый высокий приоритет, что и обеспечивает необходимое качество речи.

Теперь можно упомянуть такую технологию, как Video over LTE (ViLTE). Все, что было сказано для VoLTE, справедливо и для ViLTE. Для подключения видео-потока точно так же, как и для голоса, запрашивается еще один dedicated bearer. Он тоже требует гарантированную полосу с несколько более высокой пропускной способностью, чем голос, но уже с чуть меньшим приоритетом (QCI-2). Снижение приоритета обусловлено тем, что потеря пакетов для видео-потока уже не настолько критична, чем для голосового. Согласитесь, что разборчивость речи куда более важна, чем кратковременный сбой в передаче картинки. В результате получается, что у смартфона в случае с ViLTE имеется сразу три bearer-а для нужд IMS (QCI-5 — сигнализация, QCI-1 — голосовой канал, QCI-2 — видео канал).

Также хотелось бы вкратце затронуть тему хэндоверов (переходов из сети одного поколения в другое). Сегодня покрытие сети LTE уступает покрытию сетей предыдущих поколений. Для того чтобы разговор не прерывался в случае, если уровень сигнала сети LTE становится ниже порогового уровня, телефону придется перерегистрироваться в ядре канальной коммутации (CS Core). Для обеспечения «бесшовности» такого перехода была разработана технология SRVCC (Single Radio Voice Call Continuity). В отличие от CS Fall Back (CSFB), который рассматривался в первой части статьи, на момент перехода из LTE в сеть предыдущего поколения, у нас уже имеется голосовой вызов, который мы и пытаемся сохранить без разрыва. В основе технологии лежит протокол GTPv2 и дополнительный интерфейс между PS Core и CS Core, который имеет название Sv. Для обеспечения работы данного интерфейса доработке подверглась CS Core, которая ранее не поддерживала протокол GTP (GPRS tunneling protocol). Схематично процесс перехода из VoLTE в CS-call показан на рисунке.

Теперь можно сказать несколько слов о том, что полезного в VoLTE и зачем внедряется эта технология:

• VoLTE позволяет не производить переключение из сети LTE в сети предыдущего поколения, что ускоряет процесс осуществления голосового вызова;
• телефон остается в LTE, и передача данных может продолжаться без снижения скорости;
• нет жестких ограничений на полосу передачи, что позволяет обеспечивать высокое качество голоса (HD-Voice);
• появляется возможность делать видео-звонки, а впоследствии и видео-конференции;
• под управлением ядра IMS имеется возможность реализовывать дополнительные услуги, такие как Push-to-Talk.

VoWiFi, или WiFi-Calling, или WFC

Принципиальное отличие VoWiFi от VoLTE заключается в том, что в качестве «последней мили» используется обычный WiFi. Это может быть и домашний интернет и публичный WiFi какого-нибудь кафе. В качестве ядра сети используется все тот же IMS, а вот в части сети доступа есть небольшие изменения. Давайте посмотрим на картинку.

Внимательный читатель заметит, что не видно принципиальных отличий от схемы PS Core для VoLTE. По-прежнему стык ядра пакетной коммутации и IMS Core осуществляется через интерфейс SGi от PGW. Изменения коснулись пути прохождения трафика от мобильного устройства до ядра пакетной коммутации. Для этого у нас появилось устройство под названием ePDG. Именно оно имеет прямой выход в сеть Internet и именно к нему будут, в первую очередь, подключаться телефоны с использованием обычного протокола IPSec. Прежде чем начнется регистрация в IMS-ядре, как и раньше, необходимо успешно зарегистрироваться в ядре пакетной коммутации. На этот раз регистрация производится не от MME, а от ePDG. Для этого используется интерфейс SWm, и мы видим еще один сетевой элемент с названием AAA. Особенностью узла AAA, участвующего в процессе регистрации из untrusted WiFi, то есть из сети Internet, является то, что он работает не по привычному многим протоколу Radius, а по модернизированной его версии — протоколу Diameter. Далее, как и в сети LTE, аутентификация и сверка наличия соответствующих услуг производится все в том же HSS (Home Subscriber Server).

После прохождения регистрации в пакетном ядре и последующей регистрации в IMS Core, звонки осуществляются точно так же, как это происходит и из VoLTE.

Из основных технологических вопросов нам осталось рассмотреть переход (Handover) из сети WiFi в VoLTE и обратно.

Не секрет, что сети WiFi имеют очень маленький радиус действия. Для того чтобы наши голосовые вызовы не прерывались при потере сети WiFi, мобильное устройство постоянно мониторит уровень сигнала, и если он становится ниже порогового уровня, производится переход в сеть LTE. Если еще раз посмотреть на предыдущую схему, то становится понятно, что при переходе в LTE-сеть, вполне реально остаться на все том же PGW, что использовался и для WiFi-Call. А помогает в этом интерфейс S6b, который с использованием AAA сервера сообщает HSS адрес PGW, на котором была произведена регистрация из сети WiFi. При таком переходе сохраняется сессия на PGW все с тем же IP-адресом, что был выделен при регистрации через WiFi сеть. Как следствие, мы получаем практически бесшовный Handover VoWiFi -> VoLTE. Обратный переход осуществляется по тем же правилам.

Как и в конце предыдущей части, несколько слов о том, что полезного в VoWiFi и зачем внедряется эта технология:

• появилась возможность совершать и принимать голосовые вызовы со своим номером мобильного телефона из любого места, где есть доступ в Internet через WiFi без использования сторонних приложений;
• WiFi-Calling позволяет совершать звонки из сети WiFi по всему миру по домашнему тарифу.

Вопросы и ответы

Я предвижу, что будет ряд вопросов и попробую заранее на них ответить:

В: В каких регионах уже доступны технологии VoLTE/VoWiFi?
О: На момент публикации статьи услуга доступна абонентам Москвы, Ярославля, Калуги и Башкирии.

В: Когда услуга станет доступна абонентам других регионов МТС?
О: Мы делаем все возможное для скорейшего внедрения технологии. Следите за новостями на наших региональных сайтах.

В: Будет ли работать услуга WiFi-Calling в режиме «самолета»?
О: Да, такой вариант работы действительно есть, но чтобы неожиданно не остаться без связи, мы такой режим не рекомендуем.

В: Какие телефоны имеют поддержку технологий VoLTE и VoWiFi?
О: Список устройств, которые поддерживают VoLTE/VoWiFi можно найти на http://www.mts.ru/connect/

В: Как убедиться, что на iPhone работает VoLTE?
О: На iPhone нет индикаци того, что телефон работает в режиме VoLTE. Посмотреть текущий режим работы устройства можно зайдя в Настройки -> Об этом устройстве и нажать на строку Оператор. Если имеется регистрация в IMS, то это будет видно (строка поменяется на IMS-статус).

В: Работает ли SMS через услугу WiFi-Calling в режиме «самолет»?
О: Да, сеть такой вариант работы поддерживает. Дальше все зависит от наличия поддержки в мобильном телефоне. Если говорить про iPhone, то мы делаем все возможное, чтобы SMS over IP стала доступна для абонентов МТС с выходом версии iOS 12.0 (сентябрь 2018).

В: Как подключить услугу?
О: Мы будем подключать услугу абонентам, у которых телефоны имеют соответствующую поддержку сами, но и предоставляем абонентам самим управлять наличием услуги. Как включить/отключить услугу можно найти на странице http://www.mts.ru/connect/

В: Какие кодеки используются для передачи голоса?
О: Приоритетным кодеком является AMR-WB (HD-Voice), но может использоваться AMR-NB. Выбор кодека осуществляется в процессе установления вызова и зависит от большого количества причин. Кодек EVS на нашей сети пока не поддерживается.

В: Поддерживается ли технология ViLTE на телефонах Apple?
О: Нет. Поддержка ViLTE реализована не во всех смартфонах и это не только iPhone.

Полезные ссылки:
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: Технический эксперт МТС Олег Ермаков, ник на Хабре — eov