作者：郑晓敏
1 引言
很长一段时间以来，随着移动互联网业务的高速发展，电信运营商始终专注于网络功能的增强和性能的升级，以应对呈爆发式增长的数据业务，而对于语音业务则甚少关注，但随着LTE网络的规模发展，VoL．TE技术已经成为移动通信业的热点。
2014年苹果推出iOS 8.0操作系统中的Wi-Fi calling（Wi-Fi呼叫）技术，支持基于3GPP S2b方案的VoWi-Fi．T-Mobile、EE等多家运营商同步提供了相应的VoWi-Fi商用产品，同时对Wi-Fi calling技术在终端产业链上的支持力度也得到了大幅提升，更多的如三星、HTC等Andriod终端也陆续开始支持3GPP S2b方案。
对于电信运营商而言．VoWi-Fi技术可以利用近几年已在室内大量建设的Wi-Fi网络，弥补蜂窝网室外基站对室内的覆盖不够而使得用户接收信号较差的不足，在提高资源利用率的同时有效提升语音业务的用户满意度。对用户而言，使用VoWi-Fi业务可以在基本不改变业务使用习惯的基础上，在更多的区域内使用语音业务，从而降低国际漫游费用的支出。
本文将主要介绍基于3GPP S2b方案的VoWi-Fi技术的实现及关键问题的分析，并简单介绍了其他VoWi-Fi实现方案，最后提出了对电信级VoWi-Fi运营的建议。
2 基于3GPP S2b方案的VoWi-Fi组网架构
图1是基于3GPP S2b方案的VoWi-Fi与VoLTE组网架构，其中虚线部分为VoWi-Fi涉及的接口，实线部分为VoLTE涉及的接口，PGW作为跨网络切换的锚点。
3GPP在引入演进的分组核心网(EPC)之初就将非3GPP网络接入作为目标架构的一部分，Wi-Fi接入3GPPEPC架构可以分为S2a、S2b和S2c 3种场景。
·S2a方案是基于授信Wi-Fi网络与EPC互通，采用CTP/PMIP的S2a接口（授信非3GPP网络与PGW之间）。这种方案中Wi-Fi网络通过运营商城域网与移动网络的PGW相连，因此需要对城域网的网关设备BRAS进行改造，以支持移动性的要求。
·S2b方案是应用于非授信Wi- Fi网络，Wi-Fi网络基于ePDG设备接入EPC网络。S2b方案要求终端和ePDG之间建立IPSec隧道，因此需要终端支持IPSec。
·S2c方案是一种基于终端的Wi-Fi网络与EPC互通解决方案，UE和PGW之间通过DSMIP隧道连接，这样UE和EPC网络交互的数据可以在固网与城域网之间实现透传，这种方案要求终端支持DSMIPv6。在S2b方案中，网络侧通过新增ePDG网元来实现业务从Wi．Fi网络接入EPC，ePDG网元部署在公网上（也可以部署在内网中）。终端和ePDG之间使用SWu接口，该接口通过IKEv2c2j消息传递用户认证信息，在认证通过后在终端和ePDG间建立IPSec隧道口1来承载用户的Wi-Fi数据流：ePDG与3GPP AAA服务器间使用SWm接口，此接口通过Diameter消息传递用户认证信息；ePDG与PGW之间则使用S2b接口，此接口使用GTP/PMIP建立Wi-Fi UE与PGW的会话(session)。3GPP S2b方案中的语音流最终从EPC网络通过PGW进入IMS核心网，实现与运营商所提供的VoLTE业务相同的管控。
S2b方案支持Wi-Fi UE从其他运营商或私有的非授信Wi-Fi网络接入移动运营商的EPC网络中，因此要求终端支持建立IPSec隧道。由于IPSec的额外开销较大，对终端功耗有很大的影响，直至Wi．Fi calling的出现才使得此方案有了用武之地。目前在Wi-Fi calling技术中S2b方案仅承载Wi-Fi语音流，对数据流（上网业务等）不进行统一控制，即IPSec隧道仅封装语音流，这样能降低对终端处理能力的要求，也能节省终端的功耗。
3 基于3GPP S2b的VoWi-Fi方案的关键问题
3.1 用户认证
要使用VoWi-Fi业务，用户需进行3个步骤的认证注册过程。
第1步，在Wi-Fi网络注册。用户首先需要在Wi-Fi网络进行接人认证，确定能成功登入Internet，这一认证方式及流程由该Wi-Fi网络自行决定。该Wi-Fi网络可以是用户归属运营商的Wi-Fi网络，也可以是用户家庭、商家或其他电信运营商的Wi-Fi网络。Wi-Fi的加密方式由该Wi-Fi网络自行定义，可以是不加密的，也可以是加密的。EPC网络注册流程如图2所示。
第2步，在EPC网络注册。用户在Wi-Fi网络通过认证登入Intemet后，需要继续在EPC网络进行接人认证。该认证过程由终端触发，例如在苹果iOS操作系统中，当用户打开“Wi-Fi calling”使能开关时，终端会使用DNS方式发现ePDC网元，并通过ePDG和3GPP AAA网元在EPC网络进行注册。测试结果显示，此步骤（从第一条IKE_SAjnit消息到最后一条IKE auth answer消息）耗时在Is左右。EPC网络注册流程如图2所示。
第3步，在IMS网络注册。用户在EPC网络注册成功后，将继续在IMS核心网进行注册。这一过程在EPC网络注册成功后自动触发。只有在IMS注册成功后，用户才可以正常使用VoWi-Fi的主／被叫业务和发送，接收短信业务。
3个步骤的认证过程如图3所示。
上述3个认证过程中，第2个步骤即用户在EPC网络的注册是S2b方案的关键．3GPP定义在这一过程中使用基于USIM卡的EAP-AKA认证算法，在认证过程中EAP-AKA认证算法封装在IKEv2消息中。
3.2语音流的安全传输
由于S2b针对的是非授信的Wi-Fi网络，因此必须保障用户语音业务的安全性。S2b方案在终端与ePDG间建立加密的IPSec隧道．ePDG与PGW间建立GTP/PMIP隧道，这样用户数据全程都封装在隧道中，终端与ePDG间的IPSec隧道解决了ePDG网元以下段在非授信网络中的业务安全性问题，ePDG与PGW间则采用与EPC网络相同的安全机制，这样可以有效实现语音流的端到端安全传输。语音流的传输示意如图4所示。
3.3 VoWi-Fi与VoLTE的无缝切换
在S2b方案中，语音流通过Wi-Fi网络接人PGW后，以PGW作为锚点，可以实现LTE网络和Wi-Fi网络间的无缝切换，确保了跨网络切换时语音业务的连续性。用户语音数据的切换如图5所示。
无论是从VoWi-Fi切换到VoLTE，还是从VoLTE切换到VoWi-Fi，都是先在目标网络建立新的连接，之后将业务承载到新的连接上，再拆除源网络上的连接。在这一过程中，由于锚点PGW的存在，无论用户在Wi-Fi网络上附着还是在LTE网络上附着，用户的IP地址均由PGW分配，因此在切换过程中，用户发起目标网络的连接建立请求时，只需在GTPv2消息（若采用S2b GTP）中携带在源网络获取的IP地址．PGW就可识别该连接建立请求是一个切换过程的连接建立而不是一个新建连接的建立，这样PGW只需在目标网络上将原IP地址分配给终端，即可保证用户的IP地址不变，从而实现了业务的连续性。当从VoWi-Fi切换到VoLTE时，终端在LTE网络下可以发送“Handover”指示，此时EPC网络可依照跨eNode B切换流程进行处理，但当VoLTE切换到VoWi-Fi时，终端在Wi-Fi网络下无法发送“Handover”指示（3GPP标准不作定义要求）．此时则通过终端上报在LTE网络获取的IP地址，由ePDG发起“Handover”指示来实现，如图6所示。
切换测试中分别定义了用户面和信令面两种切换时延（以VoLTE切换到VoWi-Fi为例）。
(1)用户面
用户面切换时延是监测PCW的GTP接口，以在LTE侧最后一个报文以及Wi-Fi侧第一个报文之间的时间差。统计的抓取分组示意如图7所示，虚线框内为LTE侧的最后一个报文，实线框内为Wi-Fi侧的第一个报文，用户面切换时延可以反映出用户对业务发生切换的真实感受。
(2)信令面
信令面切换时延则是监测ePDG侧的信令，统计ePDG从初始切换的第一条IKE_SA消息到最后一条专有承载建立完成的create bearer response消息之间的时间差。如图8所示，虚线框内为IKE_SA_init消息，实线框内为createbe。rer response消息，信令面切换时延是便于网络侧对网内用户的切换情况进行统计，由于在信令面的切换完成前，用户的接入网并未切换，因此业务也不会中断。
从目前实验室测试结果看，在无线环境良好的情况下,VoWi-Fi与VoLTE间的切换时延是百毫秒级的，用户几乎无感知。目前信令切换时延稍长，但对切换时通话质量无任何影响。在切换过程中，当专用承载未能建立起来时，语音流可临时走缺省承载，当专用承载建立后，语音流再切换至专有承载。具体测试结果见表1。
3.4 VoWi-Fi的语音编码
VoWi-Fi的语音编码方案完全参照VoLTE，编码格式和速率在UE与IMS平台协商后确认，在图9中的测试编码格式为AMR-WB，编码速率为12.65 kbit/s。
4 其他的VoWi-Fi实现方案
除了基于3GPP S2b的VoWi-Fi方案外，目前业界还有其他几种VoWi-Fi实现方式。
4.1普通App的OTT方式
有代表性的包括微信电话、Skype等，其主要通过在终端上安装App客户端软件的方式实现基本的VoIP，其存在的主要问题有各种通话软件与现有电信网络以及通话软件间均难以互通；实时被叫需要App客户端软件时刻开启，这样也就难以保障语音的随时可达：一般无法实现Wi-Fi网络与移动蜂窝网的切换等。虽然，类似易信电话的应用能通过在运营商网络中部署IP电话网关来增强实现App客户端到现有电信网络号码的主叫能力，但始终无法实现App客户端的被叫功能。OTT方式的VoWi-Fi实现组网如图10所示。
4.2 App+信令网关方式
有代表性的如Wi-Fi-phone等，这种方式是运营商定制的VoWi-Fi方案，其除了在终端上安装客户端软件外，还需在运营商网络内部署Wi-Fi-phone平台，并利用信令网关实现与HLR互通，由此将Wi-Fi网络视为移动蜂窝网中的一个普通基站，从而完成用户在移动核心网中的位置注册、IMS的注册及呼叫信令接续。与普通App的OTT方式相比，这种方式可以通过App语音平台来实现原有的运营商分配的号码与App ID的绑定，从而完成用户的主／被叫接续，但与3CPP S2b方案相比，其作为一种App的拓展，使用时仍然要求App客户端软件时刻开启，并且无法实现Wi-Fi网络与移动蜂窝网的切换，同时对移动核心网有新增网元的改造要求。App+信令网关方式的VoWi-Fi实现组网如图11所示。
App+信令网关方式中的IMS网络注册过程为：App客户端通过Wi-Fi进入Internet并连接到Wi-Fi-phone平台，由Wi-Fi-phone平台完成客户端的鉴权后，向IMS发起标准注册过程。
主叫处理过程：由App客户端发起的呼叫通过Wi-Fi与Intemet发送到Wi-Fi-phone平台中的信令网关，由信令网关解密后发送至IMS;呼叫到达IMS后由IMS负责处理将呼叫路由到MSC完成后续呼叫。
被叫处理过程：App客户端在Wi-Fi-phone平台完成鉴权后，平台会通知HLR进行用户位置的注册，当前用户的位置就是处于Wi-Fi-phone平台覆盖区域，平台需分配被叫路由的TLDN(temporary local directory number，临时本地号码)号段。主叫MSC根据TLDN分析，选GWC (gatewaycontroller，网关控制器)方向进行路由：GWC基于TLDN的分析选定IMS方向，GWC与IMS间走信令链路途经Wi-Fi-phone平台，由平台完成该TLDN与原手机号码变换，IMS收到的被叫号已变为该注册的手机号，最终由IMS完成呼叫接续。
4.2 Google推出的Project Fi业务
近期Goole推出了Project Fi业务，该业务除实现VoWi-Fi外，还可通过与T-Mobile、Sprint合作，实现与这两个运营商的移动蜂窝网之间的语音切换，目前仅有一款终端(NeXus 6)支持该业务。目前Google尚未公布其具体的实现方案，据新闻报道中提及T-Mobile US CEO透露“Project Fi实现LTE与Wi-Fi的无缝切换不是使用Wi-Ficalling技术”。由于现阶段信息公开的局限，后续将进一步对Project Fi的实现机制进行研究分析。
5 VoWi-Fi发展建议
近阶段VoWi-Fi能成为业界聚焦的热点，主要在于其能形成对VoLTE的有效补充，运营商可以利用数量庞大的Wi-Fi公共热点和家庭Wi-Fi覆盖的资源优势解决VoLTE业务覆盖不连续性的问题．VoWi-Fi将与VoLTE同步融合并一起作为基础的语音业务能力提供给用户。因此，VoWi-Fi从提供业务的能力上来说，需要继承现有电路域语音业务的基本业务及补充业务能力；而从用户使用习惯上来说，也需要延续现有的操作体验，应与VoLTE的操作体验保持统一性。
目前国内通信市场仍处于LTE的牌照发放后的网络建设初期，LTE网络使用高频段进行部署，短期内无法达到900 MHz GSM或者800 MHz CDMA网络的覆盖水平。加之运营商对于高层住宅楼宇中移动语音业务的覆盖与质量问题，始终没有找到好的技术手段加以应对，这也给VoWi-Fi带来一个较好的发展时机，部署时应重点考虑以下几方面的问题。
(1)技术方案的选择
基于3GPP S2b方案的VoWi-Fi技术方案与前文所述几种技术方案相比，最大的区别在于将语音业务完整地接人运营商的EPC与IMS网络中，从而可以在移动分组域中实现对Wi-Fi语音业务的管理与控制。同时能实现与电信网络号码的互通以及与LTE网络间语音业务的无缝切换，Wi-Fi calling以此作为VoLTE业务的强力补充，能有效解决LTE网络覆盖不足所带来的VoLTE业务不连续性的问题。除此以外，Wi-Fi calling这项功能内置于终端中，用户无需下载安装App，其拨打／接听电话和收发短信等操作也与现有电路域语音业务及运营商提供的VoLTE业务所要求的操作完全一致，这样的使用方式保证了用户的体验，更易于接受。
(2)对现有网络的改造
由于基于3GPP S2b方案本身是针对非授信的Wi-Fi网络，因此对运营商的Wi-Fi网络无特殊改造要求，而对于移动网络，需要在EPC中新增ePDG网元作为Wi-Fi侧接入网关，新增或升级3GPP AAA网元支持对用户的EAP-AKA认证算法。
(3)对关键网元ePDG的功能和部署要求
ePDG设备作为S2b方案的关键网元，需要具备以下主要功能。
·支持将用户侧IKEv2认证消息转换为EPC要求的Diameter消息，发送到3GPP AAA服务器进行用户认证。
·支持与用户建立IPSec隧道，将用户语音流封装于其中。
·支持与PGW建立GTP/PMIP隧道，将用户语音流封装于其中，建议采用S2b GTP。
·由于ePDG网元暴露在公网上，需要考虑对网元实施安全性保护。
·有别于国外运营商的集中部署方式，在国内分省部署时需要解决省际漫游的问题。
·加快融合VoWi-Fi功能的VoLTE终端研制。
基于3GPP S2b方案的VoWi-Fi更依赖于终端的生态系统支持，目前在欧美地区获得了苹果的iOS终端和三星、HTC等Andriod终端的支持，终端产业链已经初具规模，因此需要制定相关行业或企业的终端规范来推进国内主流终端厂商迅速开展融合VoWi-Fi功能的VoLTE终端的研制。同时，针对IPSec隧道的耗电性能、语音业务的LrrE优先功能等技术细节进行探讨与功能完善，提前做好商用终端的准备。
(4)VoWi-Fi业务质量
通常Wi-Fi网络是以承载数据上网业务为主，其QoS保障能力与LTE网络存在一定差距。尽管关于Wi-Fi网络服务质量的标准已经发布，但目前Wi-Fi设备对其支持率较低，因此用户未来能否获取与VoLTE -致的VoWi-Fi业务质量体验有待进一步评估。
6结束语
本文从组网、接人认证、传输安全性与VoLTE的无缝切换、语音编码以及部署建议等方面分析了基于S2b方案的VoWi-Fi技术实现，同时对其他VoWi-Fi实现方案的优缺点进行了分析，将有助于运营商提前做好各方面的技术准备，加快VoWi-Fi的商用进程。
7摘要：随着VoLTE技术的商用以及苹果手机等终端对Wi-Fi calling（Wi-Fi呼叫）的支持，VoWi-Fi技术又一次成为了业界关注的热点。对VoWi-Fi技术的实现原理、架构及关键问题进行了介绍与分析，研究了其他几种VoWi-Fi的技术实现方案，并提出r与VoI,TE融合的VoWi-Fi技术在部署中应考虑的问题。
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