作者：艾怀丽
出版社：人民邮电出版社有限公司
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VoLTE端到端业务详解试读：
前言
当前正处在移动互联网迅猛发展的时代，跨代创新和跨界融合的业务层出不穷。VoLTE是一项颠覆性的技术，VoLTE业务是对移动通信基础语音业务的一次全面升级，是无线网、核心网、信令网、承载网、支撑系统的一次系统性变革，翻开了运营商真正走向全IP运营、开创移动互联网新业务模式的新篇章。VoLTE业务涉及20多个网元、50多个接口，语音连续性还涉及多个制式网络的配合，维护和优化工作将是一项复杂的系统工程。
5G核心网架构主要包含三大技术：基于服务的架构、控制与用户面分离和网络切片。其中基于服务的架构、基于云原生构架的设计，借鉴了IT领域的“微服务”理念，传统网元先是转换为网络功能（NF），然后NF再被分解为多个“网络功能服务”。这需要首先掌握网元是如何转换为网络功能的，类似IMS网络的承载层、控制层及业务层是如何配合实现业务的。
基于这样的背景，作者希望出版一本全面、详尽介绍VoLTE网络端到端业务流程的书，以协议和信令流程为主线介绍VoLTE业务网络，帮助读者更好地了解VoLTE业务的技术原理，为今后在本专业领域更上一层楼打下坚实的基础，为今后学习5G网络打下根基。
本书的特点是以实例介绍为主，希望为读者搭建一座理论联系实际的桥梁，结合国内实际网络案例，用通俗易懂的语言介绍了VoLTE业务相关的信令。为了满足读者学习VoLTE端到端信令原理的需求，本书在第3章和第4章中介绍了VoLTE业务无线侧和核心侧的相关协议栈及信令流程，在第5章中介绍了VoLTE业务的呼叫信令流程。
本书内容主要围绕VoLTE业务流程展开，从传统移动通信网、IMS网络到VoLTE业务网络，从无线网、核心网的业务流程到VoLTE业务的全流程，由浅入深，由理论到实践，详细、全面地阐述了VoLTE业务的端到端信令流程和网络问题分析方法。全书共10章，可分为两个部分：第一部分为第1～5章，主要内容是VoLTE业务的基本原理、无线网络接口协议、核心网络接口协议和VoLTE业务流程分析；第二部分为第6～10章，主要内容是与VoLTE业务打得通、接得快、听得清、不掉话相关的问题分析以及现网实战应用。
第一部分包括如下内容。
第1章主要介绍了传统移动通信网络、IMS网络和VoLTE业务网络的结构及功能，可以帮助读者了解移动通信网络VoLTE业务的技术原理；
第2章主要介绍了VoLTE业务无线网、核心网相关信息元素的定义、作用以及和信令流程的对应关系，为后续学习信令流程及协议做了很好的铺垫；
第3章主要介绍了VoLTE业务无线网络的协议及主要信令流程，包括空中接口（空口）的控制面、用户面和X2接口的协议栈，小区搜索、随机接入和专载建立等主要信令过程，以及半持续调度、TTI绑定等主要特性，可以帮助读者对VoLTE业务无线网络的信令和特性功能有比较细致的了解；
第4章主要介绍了VoLTE业务核心网络各接口所使用的关键信令协议及功能，包括S1-MME接口的S1AP协议和IMS网络的SIP及SDP协议的详细介绍，并通过现网实例进行协议的解读，为后续VoLTE业务信令流程的学习打下坚实的基础；
第5章主要介绍了VoLTE业务的域选、锚定、SRVCC和CS Retry的特性流程，VoLTE用户的注册和呼叫流程，可以帮助读者对VoLTE业务的端到端信令流程有清晰的理解。
第二部分包括如下内容。
第6章主要介绍了VoLTE业务实际商用的话务网络和业务流程，并借助于现网实例明确与VoLTE业务“打得通”相关问题的分析思路，结合VoLTE业务的端到端流程帮助读者对接通中的问题进行分析和排查；
第7章主要介绍了语音业务时延的基本原理，VoLTE业务区别于传统语音业务的时延特性，以及实际商用网络中各个话务模型的时延计算原理，并借助于现网实例明确与VoLTE“接得快”相关问题的分析思路，结合VoLTE业务的话务模型帮助读者对时延问题进行分析和排查；
第8章主要介绍了VoLTE高清语音业务的特性，着重讲解影响语音业务质量的因素之一，编解码的基本概念和协商流程，并借助于现网实例明确与VoLTE“听得清”相关问题的分析思路，结合VoLTE业务的技术原理帮助读者对语音质量问题进行分析和排查；
第9章主要介绍了VoLTE业务区别于传统语音业务掉话的特性和场景，包含无线侧和核心侧导致的掉话信令流程，并借助于现网实例明确与VoLTE“不掉话”相关问题的分析思路，结合VoLTE业务的特性帮助读者对掉话问题进行分析和排查；
第10章主要介绍了VoLTE业务实际商用中信令监测系统在日常故障处理和业务优化中的必要性，以及现网如何利用信令监测系统进行VoLTE业务问题的定界和分析，包含接通、掉话、SRVCC和语音质量4个专题的具体分析思路，可以帮助读者了解VoLTE业务商用网络中遇到的实际生产问题和优化经验，进一步掌握VoLTE业务的端到端流程。
本书作者是长期工作在第一线从事移动通信网络维护和优化的专业技术人员，从固定网到移动网、从电路域到分组域、从传统组网到MSCpool组网，历经多代电信业务网络的变迁和演进，具有丰富的网络优化经验。本书在编写过程中融入了作者在长期从事核心网网络维护和优化工作中积累的信令分析经验和心得，使读者更好地理解VoLTE业务端到端信令流程、话务模型等内容。
本书在编写过程中得到了李斌杰、元杰、单洁、郑荣光、王振世、顾燕娟、龙杰、李明鑫、雷丹丹等同志的大力协助，在此表示深深的感谢。由于时间仓促，再加上作者本身知识面所限，书中难免存在不妥和错误之处，恳请广大读者批评指正。作者2019年2月于南京第1章 VoLTE网络基本原理
信号好好的怎么就回落了？被叫第一次不通、第二次才通？类似于这样的问题可能还会有很多，从事通信专业年限比较短的读者可能会有点懵，没有关系，慢慢往后看。
这个问题乍一听感觉是无线的问题，当你阅读完本书之后你会发现无线和核心网都有可能导致VoLTE业务回落问题的产生。
VoLTE业务网络是随着网络技术发展而衍生的，然而一切新技术都是从老技术发展而来的，我们要学会VoLTE业务的话，首先得很熟悉移动通信语音网络和语音业务建立的过程。1.1 传统移动通信网络
20世纪80年代末，我们经常从影片里看到一款拿在手里随处都可以接打的电话，那就是第一代移动通信的终端“大哥大”，只不过不像现在人手至少一部手机这样普及，因为那个时代的移动通信还是模拟技术，一个基站的容量是有限的，终端和通话费用都是昂贵的，而随着网络数字化和芯片技术的发展以及资费的降低，才有了我们今天这样随处可见的无线通信网。1.1.1 发展历程
第一代移动通信是在20世纪70年代中期至80年代中期，以模拟技术为主，只提供语音业务，没有国际性标准。
第二代移动通信是从80年代中期开始，已经全数字化，除语音业务外，可传输低速的数据业务，可以漫游，主要有两大国际标准（GSM和CDMA）；第二代移动通信以传输语音和低速数据业务为目的，从1996年开始，为了解决中速数据传输问题，又出现了2.5代的移动通信系统，如GPRS和IS-95B。
第三代移动通信将无线通信与多媒体技术结合到一起，能比较快速地处理声音、图像、视频流等多种形式的数据，并提供与互联网连接的多种信息服务，主要有WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA三大主流国际标准。
第四代移动通信能满足移动用户数据通信与多媒体业务的需求，能够快速传输数据、音频、视频和图像等，能够以100Mbit/s以上的速度下载，能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求，包括TD-LTE和LTE-FDD两种制式。1.1.2 总体架构
数字公用陆地移动通信网（PLMN）的网络结构如图1-1所示。从物理实体来看，数字PLMN网包括移动终端、BSS子系统和MSS子系统等部分。移动终端与BSS子系统通过标准的Um无线接口通信，BSS子系统与MSS子系统通过标准的A接口通信。图1-1 数字公用陆地移动通信网
1.移动交换子系统（MSS）
MSS完成信息交换、用户信息管理、呼叫接续、号码管理等功能。
2.基站子系统（BSS）
BSS是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，完成信道的分配、用户的接入和寻呼、信息的传送等功能。
3.移动台（MS）
MS是GSM系统的移动用户设备，它由两部分组成，移动终端和客户识别卡（SIM卡）。移动终端就是“机”，它可完成语音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息的发射和接收。SIM卡就是“人”，它类似于我们现在所用的IC卡，因此也称作智能卡，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网络。SIM卡还存储与网络和客户有关的管理数据，只有插入SIM卡后移动终端才能接入网络。
4.操作维护子系统（OMS）
GSM子系统还包括操作维护子系统（OMS），对整个GSM网络进行管理和监控，通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。1.1.3 逻辑功能
1.1.3.1 基站子系统
1.基站收发信台（BTS）
BTS实现移动通信系统与MS之间的无线通信。
2.基站控制器（BSC）
BSC实现无线系统到交换系统的集线功能、无线资源管理功能以及其他与无线相关的控制功能。
1.1.3.2 移动交换子系统
1.移动交换中心（MSC）
MSC是PLMN的核心，实现移动业务交换功能。
2.拜访位置寄存器（VLR）
VLR实际上是一个数据库，存储用户信息，主要包括以下几部分。（1）MSRN (Mobile Station Roaming Number)：移动台漫游号码。（2）TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identification)：临时移动用户身份。（3）移动台登记的位置区（LAC）。（4）与补充业务有关的数据。
3.归属位置寄存器（HLR）
HLR实际上是一个数据库，主要存储两类数据。（1）用户数据，主要包括：
· 用户的身份IMSI（International Mobile Subscriber Identification）；
· 用户ISDN号码；
· VLR地址。（2）用户的位置信息。
4.鉴权中心（AUC）
AUC属于HLR的一个功能单元部分，专门用于GSM系统的安全性管理，用于对用户身份的鉴别。
5.设备识别寄存器（EIR）
EIR存储有关移动台设备参数，用于存储及鉴别移动台的设备身份。
注：当前国内各运营商均未使用。
6.短消息中心（SC）
SC提供短消息业务功能。
1.1.3.3 操作维护子系统（OMS）
OMS包含两个部分，一个是OMC，即操作维护中心，提供人机界面实现对系统设备的监测和控制功能；另一个是NMC，即网络管理中心，提供全局性网络管理功能。1.1.4 接口功能
PLMN网络的各个接口如图1-2所示，了解一个网络的前提就是对网络中各个接口的功能做全面的了解。图1-2 PLMN网络接口
其中：
BSC Base Station Controller 基站控制器
BTS Base Transceiver Station 基站收发信机
MSC Mobile Switching Center 移动交换中心
OMC Operation and Maintenance Center 操作维护中心
AUC Authentication Center 鉴权中心
EIR Equipment Identification Register 设备识别登记器
HLR Home Location Register 归属位置登记器
VLR Visitor Location Register 拜访位置登记器
MS Mobile Station 移动台
ISDN Integrated Service Digital Network 综合业务数字网
PSTN Public Switched Telephone Network 公用交换电话网
PSDN Public Switched Data Network 公用交换数据网
PLMN Public Land Mobile Network 公用陆地移动网
接口主要包括以下几种。
1.A接口：MSC与BSC间的接口
A接口用于BSC和MSC之间的报文和进/出移动台的报文。
2.Abis接口：BSC与BTS间的接口
在Abis接口上BSC提供BTS配置、BTS监测、BTS测试及业务控制等信令控制信息。
3.Um接口：BTS与MS间的接口
Um接口被定义为MS与BTS之间的通信接口，我们也可称它为空中接口，在所有GSM系统接口中，Um接口是最重要的。
4.C接口：MSC与HLR间的接口（1）GMSC经C接口从HLR获得被叫MS的路由信息MSRN。（2）向MS前转短消息时，C接口用于SMS-GMSC从HLR获得MS目前所在MSC号码。
5.D接口：HLR与VLR间的接口（1）VLR与HLR之间交换MS相关的位置信息。
如VLR需要向MS的归属HLR报告MS当前的位置信息，HLR则需要把与MS有关的签约数据发送给VLR；如果MS所在的VLR区域发生了改变，HLR还需要到PVLR删除移动用户的相关数据。（2）用户对所使用业务的修改请求（如补充业务操作）。（3）运营者对用户签约数据的修改信息传送与交换。
6.E接口：MSC与MSC间的接口（1）控制相邻区域不同的MSC之间进行切换的接口。
MSC间切换时，MSC之间通过E接口交换数据以实现启动和切换操作。（2）E接口也用于前转短消息。
7.G接口：VLR与VLR间的接口
当MS漫游到新的VLR控制区域并且采用TMSI发起位置更新时，当前VLR通过G接口从邻近的PVLR取得MS的IMSI及鉴权集。1.1.5 信令协议
了解了通信网络的各个接口之后就要对这个接口的协议进行说明，以便大家知道各个接口是如何完成那些功能的，GSM系统的各个接口协议如图1-3所示。图1-3 GSM系统主要接口的协议分层
其中，
TDMA Time Division Multiple Access 时分多址
LAPDm Link Access Protocol for Dm Channel Dm信道链路接入协议
RR Radio Resource 无线资源
MM Mobility Management 移动性管理
CM Connection Management 连接管理
PCM Pulse Code Modulation 脉冲编码调制
LAPD Link Access Protocol for D channel D信道接入协议
BTSM Base Transceiver Station Management 基站收发站管理
MTP Message Transfer Part 消息传递部分
SCCP Signaling Connection & Control Part 信令连接控制部分
BSSMAP Base Station System Mobile Application Part 基站系统移动应用部分
L1 Layer 1 层1
L2 Layer 2 层2
L3 Layer 3 层3
1.L1（也称物理层）
L1层是无线接口的最底层，提供传送比特流所需的物理链路，为高层提供各种不同功能的逻辑信道，包括业务信道和逻辑信道。
2.L2
L2层主要目的是在移动台和基站之间建立可靠的专用数据链路，基于ISDN的D信道链路接入协议（LAPD），但做了改动，在Um接口的L2协议称为LAPDm。
3.L3
L3层实际负责控制和管理的协议层，包括三个基本子层：RR（无线资源）、MM（移动性管理）和CM（接续管理），其中一个接续管理层中包含多个呼叫控制（CC）单元，提供并行呼叫处理，支持补充业务和短消息业务，在CM子层中还包括补充业务管理（SS）单元和短消息业务管理（SMS）单元。
对于移动通信网的维护优化人员来说，更多的是要去关注L3层的协议。
比如：（1）RR层是终止于基站子系统，这意味着RR层的消息不可能会通过A接口发送到MSC去处理；（2）MM和CM层都是终止于MSC，在A接口中是采用直接转移应用部分（DTAP）传递，BSS则是不处理MM和CM消息。
从事通信专业工作的人员对于信令消息并不陌生，因为在日常工作中处理用户投诉和网络优化工作中做得最多的就是分析信令。信令协议和接口像一对孪生兄弟一样经常在一起出现，协议是有接口的两个设备之间通信的语言，就比如两个中国人对话用汉语、两个美国人对话用英语。
RR、MM、CM消息都是什么样子呢，我们下面以GSM用户做主叫的部分流程（见图1-4）为示例进行解读，以便读者对信令协议分层有感性的认识，后续有很多地方都会有对信令的解读，还需要读者慢慢消化。
流程1：当一个空闲态用户想打电话的时候，发出的第一条消息是信道请求，要求网络提供一条SDCCH，有两个参数：建立原因和RAND。这里的原因是MS发起呼叫，其他原因有紧急呼叫、呼叫重建和呼叫响应等。图1-4 GSM用户主叫流程
流程2：BTS收到用户的信道请求，由于无线资源管理职责在BSC上，所以BTS会将Channel Request（信道请求）发给BSC进行处理。
流程3：BSC收到此消息后，则根据对现有系统中无线资源的判断，为该次请求选择一条相应的空闲信道供MS使用，但所分配的信道及其地面资源是否可用，还需BTS做应答证实，这个程序的执行是通过BSC向BTS发送一条Channel Activation（信道激活）报文来查询相应的地面资源是否可用。
流程4：BTS在准备好相应资源后回送Channel Activation ACK。
流程5：BSC为其分配相应的信道成功后，在接入允许信道（AGCH）中通过Immediate Assign Command（立即指配）消息通知MS为其分配的SDCCH。在立即指配中，除包含SDCCH信道相关信息外，还包括RAND、缩减帧号（T）、时间提前量（TA）等。
流程6：BTS在收到BSC的立即指配消息后转发给UE。
立即指配的目的是在Um接口建立MS和系统间的无线连接，即RR连接，这就是L3中RR层无线资源管理的功能。
流程7：MS收到立即指配消息后，如果RAND和T都符合要求，就会转换到指定的SDCCH信道上，然后在该信道上发送SABM（设定异步模式）帧，其中包含一个完整的L3 （RR）消息（CM Service Request）。
根据“信道申请”的原因不同，SABM携带的初始化报文分为如下四种。
· CM业务请求（呼叫建立、短消息、附加业务管理等）；
· 位置更新请求（正常位置更新、周期性位置更新、IMSI附着）；
· IMSI分离；
· 寻呼响应。
流程8-1：在Abis接口上，这条消息是建立指示（Establish Indication)，用来通知已建立LAPDm连接，作为对立即指配消息的应答。
流程8-2：BTS在收到SABM帧后，不经过任何修改地向MS发一个内容与SABM完全一样的UA帧（无编号证实）（SABME），作为对SABM帧的应答，表明在MS和系统之间已建立了一条LAPDm的L2无线链路，在SABM中MS向BSS表明请求的服务类型，如位置更新、主叫通话、寻呼响应等。MS将UA帧与本身所发送的SABM帧的信息内容相比较，只有当两者完全一样时，才会继续接入，否则放弃这个信道，并重复立即指配程序（相当于重新分配SDCCH信道）。
流程9：L3消息包含在A接口上SCCP的确认请求（CR）中传递。
流程10：为建立SCCP连接，MSC向BSC回送连接确认消息，对SCCP层来说，CR与CC的交换是源参考地址与目的地址的交换。
流程11：MSC通知VLR处理此次MS的接入业务请求。
后续将会进行鉴权、加密等信令流程完成用户的主叫业务，从上面这段信令流程可以看到，RR无线资源管理层是UE和基站设备之间的空口连接管理功能，BSS会将空口RR层消息映射为BSS移动应用部分（BSSMAP）的A接口消息传递给MSC进行处理。空口的RR层消息是承载在GSM空口信道上，主要包含RACH（随机接入信道）、AGCH（准许接入信道）、SDCCH（独立专用控制信道）。
流程12：VLR接收到MSC本次呼叫接入请求之后，首先对移动用户身份进行鉴定，VLR首先查看在数据库中是否有该MSC的鉴权三参数组，如果有，将直接向MSC下发鉴权命令；否则，向相应的HLR/AC请求鉴权参数，从HLR/AC得到三参数组，然后下发鉴权命令。
流程13：MSC收到VLR发送的鉴权命令后，通过BSC向MS下发鉴权请求，该命令属于DTAP消息，因此被直接传送给MS。
流程14：MS收到鉴权请求后，利用SIM卡中的Ki、RAND和鉴权算法得出SRES，并通过Auth Response（鉴权响应）消息传送给MSC。
流程15：VLR核对MS上报的SRES与从HLR取到的SRES是否相同，相同的话，则允许接入。
从上面的流程我们可以看到MM层（移动性管理）消息用于MSC和MS之间进行交互，BSS做透明处理，A接口是用于DTAP消息传送给MSC的，空口同样是承载在各个物理信道上的。
在通信专业的书籍中我们都会看到协议栈的图谱，为的是了解一个通信业务的实现过程都要经过哪些设备，设备之间的通信协议是什么，不直连的设备之间的信息是如何传递的，这个章节为我们普及了传统移动通信网络的业务大致是怎样的网络架构，网络中设备之间的通信是怎么进行的。1.2 传统IMS网络1.2.1 总体架构
IMS（IP Multimedia Subsystem）是3GPP/3GPP2（移动）和TISPAN/ITU-T（固定）网络架构的核心，IMS是个开放的网络架构（见图1-5），为业务融合提供网络能力，以及基于IP承载、与接入无关的IP多媒体业务控制能力。IMS支持IP多媒体业务，会话型业务，如语音和视频会话、多媒体会议、消息、状态呈现、视频共享、动态地址簿等，部分非会话型业务，如IPTV、Web与IMS融合业务等。
IMS这个网络架构的主要特征包含如下5个方面。
1.与接入方式无关
支持多种固定/移动接入方式的融合，支持无缝的移动性和业务连续性，移动接入包含2G/3G/LTE等，固定接入包含LAN、WLAN、xDSL、xPON等。
2.归属地控制
呼叫控制和业务控制都由归属网络完成，保证业务提供的一致性，易于实现私有业务扩展，促进归属运营商积极提供吸引客户的服务，区别于软交换拜访地控制。
3.业务提供能力
打破竖井式业务部署模式，业务与控制完全分离，有利于灵活、快速地提供各种业务应用，更利于业务融合，实现开放的业务提供模式。
4.安全机制
多种安全接入机制共存，并逐渐向Fully IMS机制过渡；
部署安全域间信令保护机制；
部署网络拓扑隐藏机制。
5.统一策略控制
实行统一的QoS和计费策略控制机制。图1-5 IMS网络架构1.2.2 逻辑功能
为了更好地理解VoLTE的基本原理，在此仅描述与VoLTE业务网络强相关的各个逻辑网元功能。
1.2.2.1 会话控制功能实体
CSCF是IMS系统的呼叫控制核心，它的主要作用是在IP传输平台上实现多个实时业务的分发，具有中心路由引擎、策略管理和策略执行功能。
1.P-CSCF（代理会话控制）的功能（1）IMS终端接入IMS的入口点。（2）产生CDR话单，用户漫游计费需求。（3）提供Gm接口上的SIP压缩和完整性保护。（4）将终端的请求路由到正确的I-CSCF或者S-CSCF。
2.I-CSCF（查询会话控制）的功能（1）在IMS终端注册时，为用户分配提供服务的S-CSCF。（2）为来话选择被叫注册的S-CSCF。
3.S-CSCF（业务会话控制）的功能（1）IMS用户注册认证。（2）业务触发和控制。（3）会话路由。
1.2.2.2 用户数据功能实体
1.HSS
HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器），是归属网络中用来保存IMS用户的签约信息，包括基本标识、路由信息以及业务签约信息等集中综合数据库，HSS中保存的主要信息包括：（1）IMS用户标识（包括公共及私有标识）、号码和地址信息；（2）IMS用户安全上下文：用户网络接入认证的密钥信息、漫游限制信息；（3）IMS用户的路由信息：HSS支持用户的注册，并且存储用户的位置信息；（4）IMS用户的业务签约信息：包括其他AS的增值业务数据。
2.SLF
SLF（Subscription Locator Function，签约数据定位功能）可以看作是一种针对HLR的地址解析机制。当运营商拥有多个HSS时：（1）I-CSCF/S-CSCF在登记注册及事务建立过程中通过SLF获得用户签约数据所在的HSS的域名；（2）SLF通常内置在HSS中。
1.2.2.3 媒体资源功能实体
MRF（Multimedia Resource Function，媒体资源功能实体）包含以下两部分。
1.MRFC（Multimedia Resource Function Controller，多媒体资源控制器）
MRFC解析来自其他S-CSCF及AS的SIP资源控制命令，并实现对MRFP的媒体资源的控制。
2.MRFP（Multimedia Resource Function Processor，多媒体资源处理器）（1）在MRFC的控制下，为UE设备或IM-MGW提供媒体资源。（2）包括媒体流混合（多方会议）。（3）多媒体信息播放（放音、流媒体）。（4）媒体内容解析处理（码变换、语音识别等）。
1.2.2.4 IF互通功能实体
1.MGCF的功能
MGCF用于IMS域与CS域的互通，负责完成控制面信令的互通（PSTN/CS域侧ISUP/BICC协议与IMS侧SIP协议的互通），并控制IM-MGW完成用户面和媒体面的互通和放音。
2.IM-MGW的功能
IM-MGW负责在MGCF的控制下完成IMS用户面IP承载与CS域承载之间的转换，提供编解码转换、承载资源管理和放音功能。
3.IBCF的功能
IBCF部署于两个IMS网络之间或IMS与其他多媒体网络之间，作为IMS网络的边界，实现拓扑隐藏、媒体编解码/地址域转换、QoS控制等功能。
4.BGCF的功能
BGCF将用户的会话路由到正确的PLMN/PSTN网络。（1）与本网用户互通，选择能路由至被叫网络的MGCF；（2）与其他运营商互通，选择与其他运营商的BGCF互通。
1.2.2.5 用户接入控制功能实体
SBC提供接入网与IMS核心网之间的NAT穿越、企业网私网穿越、接入控制、QoS控制、信令和承载安全以及IP互通等功能。
为了支持号码补全以及紧急呼叫，SBC须在SIP信令中添加相应的信息。
1.2.2.6 应用服务器
目前，IMS网络中的应用服务器（AS）提供以下几方面的业务应用：基本业务和补充业务。IMS网络中的基本业务包括点到点的语音呼叫、视频呼叫以及呼叫异常提示，点到点呼叫可以是两个IMS用户之间，也可以是IMS用户与其他网络的用户之间，如PSTN固话用户、移动网GSM用户等；呼叫异常提示是指在被叫忙、无应答、号码空号、主叫欠费等各种条件下的语音和视频呼叫，给主叫用户播放通知音；IMS网络中提供的补充业务种类包括号码显示、呼叫转移、呼叫限制、呼叫完成以及多方通话业务等。1.2.3 接口功能
IMS网络接口示意如图1-6所示。
1.2.3.1 UE与SBC/P-CSCF之间Gm和Gm'接口
Gm是UE和P-CSCF之间的接口，采用SIP协议，该接口的主要功能包括IMS用户注册及鉴权、IMS用户的会话控制，SIP消息采用UDP或TCP协议承载。
Gm'接口是SBC与P-CSCF之间的接口，采用SIP协议，该接口主要用于全代理式SBC与P-CSCF之间的通信。
1.2.3.2 CSCF之间的Mw接口
Mw接口用于连接不同CSCF，采用SIP协议，该接口主要功能为在各类CSCF之间转发注册、会话控制及其他SIP消息。
1.2.3.3 S-CSCF与AS之间的ISC接口
ISC接口是S-CSCF与AS之间的接口，采用SIP协议，S-CSCF通过该接口与各类AS（SIP AS、OSA SCS）通信，以实现对CM-IMS用户的业务提供。
1.2.3.4 S-CSCF/BGCF与MGCF之间的Mg/Mj接口
Mg接口是S-CSCF和MGCF之间的接口，基于SIP协议。Mj接口是BGCF和MGCF之间的接口，用于BGCF转发会话信令至MGCF，以便与PSTN/CS域网络的交互（基于SIP协议）。图1-6 IMS网络接口示意图
1.2.3.5 I-CSCF与AS之间的Ma接口
Ma接口是I-CSCF和AS之间的接口，基于SIP协议，用于PSI路由。
1.2.3.6 I-CSCF/S-CSCF与HSS/SLF之间的接口Cx/Dx
Cx接口是I-CSCF/S-CSCF和HSS之间的接口，采用Diameter协议，用于I/S-CSCF与HSS之间的数据查询和更新等功能。
Dx接口是I-CSCF/S-CSCF和SLF之间的接口，采用Diameter协议，用于获取用户数据所在的HSS域名或地址。
1.2.3.7 AS与HSS/SLF之间的接口Sh/Dh
Sh接口是AS和HSS之间的接口，采用Diameter协议，用于传送用户的用户数据和业务数据，包括码号信息、业务属性等。Sh接口需支持Sh-pull、Sh-Update、Sh-subscribe、Sh-notify流程。
Dh接口是AS和SLF之间的接口，采用Diameter协议，用于AS获取用户数据所在的HSS的域名或地址。
1.2.3.8 S-CSCF和AS与MRFC间的接口Mr/Mr'/Cr
Mr接口是S-CSCF与MRFC之间的接口，Cr/Mr'接口是AS与MRFC之间的接口，采用SIP协议，完成对媒体会话管理和媒体资源的控制。
1.2.3.9 媒体设备间的接口Mb
Mb接口是IM-MGW与SBC或MRF等其他媒体设备之间的接口，基于RTP/RTCP协议。
1.2.3.10 MGCF与IM-MGW之间的接口Mn
Mn接口用于MGCF对IM-MGW的控制，该接口使用H.248协议。
1.2.3.11 UE与AS之间的接口Ut
Ut接口是UE与AS之间的接口，可以用于用户业务数据的配置（如配置前转号码），也可以用于业务逻辑的实现（如群组业务中获取用户好友列表）等。根据不同应用场景的需求，Ut接口可以选择不同的协议。
从上面罗列的常用接口和协议，我们可以看到控制面一般是SIP协议，用户面是RTP协议，需要对这两个协议有较深的了解才能更好地理解VoLTE业务。1.2.4 信令协议
从各个接口的协议来看，主要包括三种协议：SIP、Diameter、RTP。SIP和Diameter是控制面的协议，RTP是用户面的协议。
1.2.4.1 SIP
1.协议栈结构
SIP协议在IMS网络协议栈中的位置如图1-7所示。图1-7 SIP在协议栈中的位置
SIP与其他协议的合作如下。
· 与RSVP（Resource ReServation Protocol，资源预留协议）合作用于预约网络资源。
· 与RTP（Real-time Transmit Protocol，实时传输）合作用于传输实时数据并提供服务质量（QoS）反馈。
· 与RTSP（Real-Time Streaming Protocol，实时媒体流传输）合作用于控制实时媒体流的传输。
· 与SDP（Session Description Protocol，会话描述）合作用于描述多媒体会话。
但是SIP的功能和实施并不依赖这些协议。
2.消息结构（1）SIP消息总体结构。
SIP消息采用文本方式编码并使用UTF-8字符集。SIP消息分为两类：请求消息和响应消息。
如图1-8所示，SIP消息由三部分组成，即起始行（Start Line），消息头（Header）和消息体（Body）。
① 请求消息的起始行是请求行，响应消息的起始行是状态行。
② 任何SIP消息都必须带有消息头字段，消息体字段可以根据SIP消息的类型和业务需要决定是否携带。
③ 消息头与消息体之间以一个空格行分隔，以空格行标志头字段结束。
④ 消息体采用SDP或者txt文本来描述本次会话的具体实现方式。（2）SIP请求消息结构。
SIP请求消息的结构如图1-9所示。SIP请求消息由请求行、消息头和消息体组成。消息头和消息体之间通过空格行（CRLF）区分；消息头通过换行符区分消息头中的每一条参数。图1-8 SIP消息结构图1-9 SIP请求消息结构
请求行由Method（全大写）、Request-URI和SIP Version组成。
① Method：表示请求消息的类型，基本请求中的Method主要分为6种：Invite、ACK、Bye、Cancel、Register、Options。各个消息的含义见表1-1。表1-1 各个请求消息的含义
② Request-URI：表示请求的目的方。
③ SIP Version：表示SIP的版本号，目前的SIP版本为2.0。
SIP请求消息举例如下。
C->S: Invite sip:Watson@Boston.bell-tel.com SIP/2.0Via: SIP/2.0/UDP kton.bell-tel.comFrom: A.Bell
SIP响应消息通过起始行与SIP请求消息进行区分。在SIP响应消息中，起始行称为状态行。
SIP响应消息的结构如图1-10所示。SIP响应消息由状态行、消息头、空格行和消息体组成。通过换行符区分消息头中的每一行参数。对于不同的响应消息，参数不固定。图1-10 SIP响应消息结构
状态行由SIP Version、Status-Code、Reason-Phrase组成。
① SIP Version：与请求行中的协议版本相同。
② Status-Code：表示响应消息的类型代码，由三位整数组成，即1XX、2XX、3XX、4XX、5XX、6XX（见表1-2），代表不同的响应类型。表1-2 响应消息示例续表
③ Reason-Phrase：用于表示状态码的含义，对Status-Code的文本描述。
例如，183响应消息中携带的Reason-Phrase为“Session Progress”，表示当前呼叫进行中。
SIP响应消息举例如下。
S->C: SIP/2.0 200 OKVia: SIP/2.0/UDP kton.bell-tel.comFrom: A.Bell
消息头字段包含与请求有关的信息，例如请求的发起者、请求的接收者。消息头字段也可以只是消息正文的特性，例如指示VXML格式的消息体。
每个消息头字段以CRLF结束。一个SIP消息的整个消息头部分也以CRLF结束。
消息头字段的格式为：
Header-name: header-value。
主要的消息头字段包含以下内容。
① From：所有请求和响应消息必须包含此字段，以指示请求的发起者。服务器将此字段从请求消息复制到响应消息。
该字段的一般格式为：
From：显示名〈SIP URL〉；tag=xxx。
From字段的示例有：
From：“A.G.Bell”
② To：该字段指明请求的接收者，其格式与From相同，仅第一个关键词代之以To。所有请求和响应都必须包含此字段。
③ Call ID：该字段用以唯一标识一个特定的邀请或标识某一客户的所有登记。用户可能会收到数个参加同一会议或呼叫的邀请，其Call ID各不相同，用户可以利用会话描述中的标识，例如SDP中的Origin（源）字段的会话标识和版本号判定这些邀请的重复性。
该字段的一般格式为：
Call ID：本地标识@主机，其中，主机应为全局定义域名或全局可选路由IP地址。
Call ID的示例可为：
Call ID：19771105@foo.bar.com。
④ Cseq：命令序号。客户在每个请求中应加入此字段，它由请求方法和一个十进制序号组成。序号初值可为任意值，其后具有相同的Call ID值，但不同请求方法、头部或消息体的请求，其Cseq序号应加1。重发请求的序号保持不变。ACK和CANCEL请求的Cseq值与对应的Invite请求相同，BYE请求的Cseq值应大于Invite请求，由代理服务器并行分发的请求，其Cseq值相同。服务器将请求中的Cseq值复制到响应消息中。
Cseq的示例为：
Cseq：4711 Invite。
⑤ Via：该字段用以指示请求经历的路径。它可以防止请求消息传送产生环路，并确保响应和请求的消息选择同样的路径。
该字段的一般格式为：
Via：发送协议 发送方；参数。
其中，发送协议的格式为：协议名/协议版本/传送层，发送方为发送方主机和端口号。
Via字段的示例可为：
Via：SIP/2.0/UDP first.example.com:4000。
⑥ Contact：该字段用于Invite、ACK和Register请求以及成功响应、呼叫进展响应和重定向响应消息，其作用是给出和用户直接通信的地址。
Contact字段的一般格式为：
Contact：地址；参数。
其中，Contact字段中给定的地址不限于SIP URL，也可以是电话、传真等URL或mail to:URL。
其示例可为：
Contact：“Mr.Watson”
有些消息头是每个SIP请求和响应都必须有的，例如：
· To消息头；
· From消息头；
· Call-ID消息头；
· Cseq消息头；
· Via消息头；
· Max-Forwards消息头；
· Contact消息头。（5）SIP请求和响应消息共有的消息体字段。
消息体又称消息正文，是SIP消息的有效负荷。消息体可以携带任何基于文本的信息，而请求的Method和响应的Status-Code决定了消息正文该如何解释。
当描述一个会话时，常见的消息体是SDP消息。当描述一个多媒体会议时，常见的消息体是VXML和MSML。
1.2.4.2 Diameter协议
1.协议栈结构
Diameter协议包括两个部分：Diameter基础协议和Diameter应用协议，如图1-11所示。图1-11 Diameter协议栈
① Diameter基础协议被用于传递Diameter数据单元、协商能力集和处理错误，并提供扩展能力。
② Diameter应用协议定义了特定应用的功能和数据单元，如NAS（Network Access Service）协议、EAP（Extensible Authentication Protocol）、MIP（Mobile IP）、CMS （Cryptographic Message Syntax）协议等。
Diameter协议本身是一个对等协议，即在传输层没有客户端和服务器端的概念。建立链路时，两个Diameter节点既作为客户端又作为服务器端，如果建立了两条链路，则通过选举机制关闭一条。
Diameter基本协议可以使用TCP（Transfer Control Protocol）或SCTP（Stream Control Transfer Protocol）作为传输协议。Diameter两端之间存在面向连接的关系，SCTP能够将几个独立的流归类于单个SCTP连接，使得传输性能优于每个流都打开的独立的TCP连接。因此SCTP是更好的选择，现网中一般也是使用SCTP协议。
TLS（Transport Level Security）提供传输层连接的安全，IPSec（IP Security）提供逐跳（Hop-to-Hop）连接的安全。Diameter客户端可以支持IPSec或TLS，Diameter服务器必须同时支持TLS和IPSec。为确保安全性，Diameter协议不能在没有任何安全机制（TLS或IPSec）的情况下使用。
2.消息结构
Diameter消息由消息头和消息体组成，各个字段以网络字节顺序传送。Diameter消息结构如图1-12所示。消息体中AVP结构如图1-13所示。图1-12 Diameter消息结构图1-13 AVP结构
3.消息实例
Diameter消息实例如图1-14所示。图1-14 Diameter消息实例截图
Diameter消息头各字段含义如表1-3所示。消息体各字段含义如表1-4所示。表1-3 Diameter消息头各字段含义表1-4 Diameter消息体各字段含义续表
1.2.4.3 Rtp/Rtcp协议
1.协议栈结构
RTP和RTCP在IMS网络中都是媒体面的协议，协议栈结构如图1-15所示。
2.消息结构
RTP/RTCP在IP网络中的消息栈结构如图1-17所示。图1-15 RTP/RTCP协议栈结构图1-16 RTP/RTCP消息栈结构
3.消息示例（1）RTP消息如图1-17所示。（2）RTCP消息如图1-18所示。
由于RTP/RTCP协议是我们日常工作中比较难掌握的协议，本书将在后续VoLTE语音质量问题篇章做详细的阐述，本章作为协议了解而简单描述。图1-17 RTP消息示例图1-18 RTCP消息示例1.3 VoLTE网络“工欲善其事，必先利其器”，前面的章节都是为了更好地理解VoLTE业务的实现过程，当读到下面章节有疑惑的时候，可以返回去读前面的基础知识章节，也许能给你指点迷津。1.3.1 背景知识
LTE是3GPP为了应对移动互联网时代迅速增长的移动数据业务需求而提出的下一代宽带无线移动通信技术，核心网的发展方向是逐步向软交换、融合、宽带、智能和容灾方向演进。4G这种基于全IP交换的核心网的优点如下。（1）支持多种网络结构，具有灵活的组网能力；（2）支持带宽突发，具有高吞吐量和高速处理的能力；（3）支持资源共享和实时数据备份，具有异地容灾、数据恢复能力；（4）支持智能化的故障检测能力，具有高可靠性；（5）支持对现有技术的平滑演进。
基于LTE面向分组域（PS域）优化的系统设计目标，LTE的网络架构中取消了电路域（CS域），而是统一采用了分组域架构，所以在LTE系统架构下，基于电路域的语音解决方案无法得到支持，传统的语音业务必须在LTE网络中采用新的解决方案。目前LTE对语音业务的支持，存在多种技术解决方案，主要是双待机、CSFB和VoLTE三种主流的语音解决方案。（1）双待机方案：双待机终端可以同时待机在LTE网络和2G/3G网络，可以同时从LTE和2G/3G网络接收和发送信号，这种语音解决方案的实质是语音业务使用传统2G/3G电路域网络，数据业务使用LTE分组域网络，LTE与2G/3G模式之间没有任何互操作，终端不需要异系统测量，技术方案相对简单，代价是终端成本较高。（2）CSFB方案：用户需要进行语音业务的时候，从LTE网络回落到2G/3G的电路域重新接入，并按照电路域的业务流程发起或接听语音业务。终端空闲态下驻留在LTE网络，当主动发起MO语音业务或从寻呼消息里被动接听MT语音业务时，网络侧指示用户回落到2G/3G网络进行语音业务接续，呼叫结束后再返回到LTE网络。（3）VoLTE（Voice over LTE）方案： 以LTE网络作为接入，提供了基于IMS的音视频业务。IMS由于支持多种接入方式和丰富的多媒体业务，成为全IP时代的核心网标准架构。与双待机方案和CSFB方案不同，VoLTE不需要2G/3G电路域的支持，3GPP和GSMA等标准化组织已将VoLTE确定为移动语音业务演进的标准架构和目标方案。
VoLTE提供了架构在LTE网络上，全IP条件下的“端到端”语音解决方案。VoLTE的语音作为IP数据传输，无需2G/3G网络，实现了数据与语音业务在同一网络下的统一，相对于现有的2G/3G网络，VoLTE通过引入高清编解码等技术，可提供比2G/3G语音和OTT语音更好的用户体验，同时，当终端离开LTE覆盖区域时，VoLTE能够使
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