VoLTE拥塞解决方案研究

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文字版：
2015/04/DTPT
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收稿日期：2015-02-05
VoLTE拥塞解决方案研究
关键词：
VoLTE；4G；语音业务；拥塞；解决方案
doi：10.16463/j.cnki.issn1007-3043.2015.04.018
中图分类号：TN929.5
文献标识码：A
文章编号：1007-3043（2015）04-0084-04
摘要：
VoLTE作为4G网络承载语音业务的解决方案，还能够兼容2G和3G的语音业
务。由于VoLTE网络通常是按照正常情况的话务量以传统的方式进行设计的，
因此在某些特殊情况下VoLTE网络会发生拥塞。一旦出现掉话或无法接通的
情况，用户会不断地进行重复呼叫，从而加大VoLTE网络的负担，最终造成网络
崩溃。因此拥塞成为VoLTE亟待解决的问题。通过介绍LTE系统架构，分析
VoLTE性能指标，给出一种VoLTE拥塞解决方案，并对解决方案进行分析，分析
证明该方案在不对硬件设备进行升级的条件下，能够有效解决VoLTE的拥塞问
题。
0前言
随着LTE网络的建设与发展，LTE将全面承载
VoIP语音业务，VoIP具有能够提供高质量、高带宽服
务的特点，已逐步取代电路交换出现在人们的日常生
活中。由于LTE具有较高的频谱效率，与传统的3G网
络（如WCDMA）和2G网络（如GSM）相比，VoLTE在语
音呼叫处理方面具有明显的优势。VoLTE是基于IMS
的语音业务，可以通过IMS提供语音和多媒体融合业
务，并可以实现IMS和CS域间的语音切换。VoLTE
网络通常是按照正常情况的话务量以传统的方式进
行设计的，在一些特殊的情况下就可能会出现通话拥
塞的现象。那么如何解决通话拥塞就成为VoLTE亟
待解决的问题。
1LTE系统架构
LTE以OFDM技术作为基础，构成新一代的无线
网络，该系统无线侧以MIMO和64QAM等技术为基
础，传输速率可达100Mbit/s以上。同时LTE系统只存
在PS域，在系统架构上，LTE在3GPP原有系统架构上
进行了演进，并且对3G系统的NodeB、RNC、CN进行
功能整合，系统设备简化为eNodeB和EPC2种网元，
其中3G系统中的NodeB和RNC合并为eNodeB。
整个LTE系统由核心网（EPC）、基站（eNodeB或
eNB）和用户设备（UE）3部分组成。其中eNodeB负责
接入网部分，也称E-UTRAN；EPC负责核心网部分，
EPC信令处理部分称为MME，数据处理部分称为SAE
Gateway。eNodeB与EPC通过S1接口相连，eNodeB间
通过X2接口相连，UE和eNodeB之间通过Uu端口连
接。和3G系统相比，X2接口相当于Iur接口，S1接口
李世超（甘肃政法学院，甘肃兰州730070）
LiShichao（GansuInstituteofPoliticalScienceandlawCollegeofPublicsecuritytechnology，Lanzhou730070，China）
StudyontheSolutionofVoLTECongestion
李世超
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84
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相当于Iu接口，但设备的复杂度却大大简化。另外，
由于eNodeB和RNC融合为网元eNodeB。LTE系统和
3G系统相比少了Iub接口。LTE系统的空中接口是
E-UTRAN与UE之间的接口，分为控制面和用户面。
控制面部分包括NAS、PDCP子层、RRC子层、RLC子
层、MAC子层和物理层。用户面部分包括PDCP子层、
RLC子层、MAC子层和物理层。在网络层PDCP子层
位于aGW（接入网关），RLC子层、MAC子层和物理层
位于eNB。PDCP子层完成IP头压缩、完整性保护和加
密，RLC子层、MAC子层完成调度、ARQ和HARQ功
能，物理层完成信道编码与解码、调制解调、MIMO处
理、测量和指示、HARQ合并、功率控制、频率和时间同
步、切换、链路适配、物理资源映射、射频信号传输等。
LTE系统网络结构如图1所示。
2VoIP与VoLTE性能指标
LTE系统是一个全IP的网络，作为分组域业务的
演进。LTE系统能够支持包括VoIP在内的所有分组
业务。尽力而为的业务不需要保证数据传输率和时
延，但VoIP有着严格的端到端的延迟约束和最大可接
受的误码率，能够保证语音业务QoS与UMTS电路域
的语音业务QoS一样好。
如果一次VoIP呼叫在50ms内丢包率超过2%，那
么就认为这次呼叫是失败的。VoLTE小区容量定义为
在该小区内VoIP呼叫的失败率低于5%时的小区容
量。下一代移动通信网络（NGMN）提出LTE的小区容
量为每MHz带宽至少能支持60组VoIP会话。表1列
出了一些R8有关LTE的性能指标。
3VoLTE拥塞解决方案
在话务量超过VoLTE系统容量时可能会造成
VoLTE系统的拥塞。比如，在发生地震等自然灾害的
时候，在地震发生地区无论是呼入还是呼出，话务量都
会急剧增加。对于解决系统拥塞的一般思想就是限制
由于呼叫数量过多而造成的CSCF和eNB性能恶化。
但是这种限制通常都是一个随机过程，图2给出了
VoLTE呼叫失败的情况。从图中可以看出，CSCF、eNB
以及主叫和被叫的状态中有一个失败，那么该次呼叫
就失败了。eNB在给被叫分配资源时如果失败了，那
么在此之前的所有过程，如CSCF的处理过程以及eNB
给主叫分配资源的过程则都被浪费了。如果反复持续
呼叫，就会使eNB持续拥塞，被叫始终无法收到呼叫。
这些无效的呼叫增加了系统的负荷，降低了其效率。
因此，需要采用更为有效的方案来解决拥塞。
在VoLTE系统中为了尽可能地减少无效的呼叫，
可以首先判断CSCF以及主叫和被叫的eNB状态是否
处于拥塞状态。如果处在拥塞状态，可以先使主叫和
被叫处在呼叫保持的状态，当状态可用时，就将话路自
动连通。这种方法阻止了反复无用的呼叫，减少了设
备无效的处理过程。在该方案中，UE将自己的路由信
息放在SIP中，IMS通过SIP可以知道哪些CSCF和eNB
是可用的，以及该UE是否正处在呼叫拥塞的区域。
此外，该方案可以利用现有的服务器机制，对系统的影
图1LTE系统网络结构
MME/S-GW
eNB
E-UTRAN
MME/S-GW
eNB
eNB
X2
S1
Uu
X2
S1S1
S1
UE
eNB给主叫分配资源失败概率r4
呼叫失败的概率为
1-（1-r1）（1-r2）（1-r3）（1-r4）
eNB给被叫分配资源
被叫状态
CSCF进行处理
呼叫建立
呼叫
失败概率r2
失败概率r3
失败概率r1
表1R8有关LTE的主要性能
系统参数
系统带宽/MHz
每小区VoIP话务量（/组会话/MHz/小区）
连接建立时延/ms
平均端到端时延/ms
VoIP呼叫成功率
性能要求
1.4~20
>60
<100
<200
<在50ms内丢包率超过2%
图2VoLTE系统呼叫失败概率
李世超
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响达到最小。
图3示出的是当UE1呼叫UE2时的一个简单过
程。首先UE1发送INVITE信息和路由信息，路由信息
包括为UE1服务的eNB1小区识别符以及UE1注册的
CSCF。INVITE信息是通过CSCF和TelAS发送的，IN⁃
VITE最初的作用就是用作呼叫保持。另外，TelAS1还
可以检查与UE1相连的CSCF和eNB的状态。如果出
现拥塞，TelAS1就会把INVITE信息传递给ACAS。如
果没有发生拥塞，信息就会传递给UE2，然后UE2以同
样的方式传递给UE1一个反馈信息。接着，TelAS1检
查与UE2相连的CSCF和eNB的状态。如果出现拥
塞，UE2的呼叫就被取消，TelAS1就会把INVITE信息
传递给ACAS。当ACAS接收到INVITE信息时，AC
AS就会向UE1传递一个反馈信息，并与UE1建立一个
RTP连接，并通知其处在拥塞状态。在通知结束后，
CSCF和无线资源会被释放。这里，监控服务器用来收
集UE发送的SIP信息以及CSCF和eNB的使用情况，
从而来确定其拥塞程度。TelAS可以根据监控服务器
收集到的信息来决定是否进行呼叫限制。另外，一旦
其他呼叫结束，CSCF和eNB的资源就会变为可用，监
控服务器就会给ACAS发送一个信号，进行自动连
接。同样地，当UE2呼叫UE1时，TelAS2起到上述相
同的作用。
4解决方案分析
上述解决方案确实能够提高VoLTE系统的负荷
能力。当出现地震等灾难时，用户会不停地进行呼
叫。由于不需要再给用户建立呼叫连接，那么该方案
从可用性角度来说是非常有用的。但是，如果运营商
要增加VoLTE系统处理拥塞的能力，那么最根本的方
法就是对CSCF和eNB进行扩容。与该方案相比，升级
设备所得到的效果显然更加有效。
在实际当中可能会出现其他问题。比如，UE通过
SIP发送给为其服务的eNB路由信息，但是UE有可能
会在通话建立前移动到别的eNB覆盖范围内。因此，
在不影响VoLTE系统的前提下，为了有效减少呼叫的
拥塞率，应当增加一个UE的预测机制。常用的解决
方案是，通过MME得到为UE服务的eNB的信息。另
外一个问题是，虽然处在保持通话的状态下，但是有些
用户可能仍然会继续拨打电话。因此，建立呼叫的优
先级可以减少自动连接完成前的等待时间。另一种办
法就是，在网络恢复正常以前，禁止这种重复呼叫。
5结束语
随着4G网络的商用，VoLTE的时代已经到来。移
动语音业务将从传统CS域转向EPC+IMS进行接入
与控制。但在目前4G网络使用的初期，VoLTE系统仍
然存在着一些问题，真正实现VoLTE系统将是一个漫
长的过程，在未来的一段时间内电路域的语音业务将
会与分组数据业务共存。
参考文献：
［1］AndraElenaIuliaPastrav.TudorPaladeandEmanuelPuschita.
VoLTEPerformancesina3DModeledCampusArea［C］.Communi⁃
图3自动连接过程
自动连接对象自动连接触发
监控服务器
拥塞情况
RCRF2
ACAS
UE2eNB2
RCRF1
TelAS1
限制呼叫决定
TelAS作出
限制决定TelAS2
S-CSCF1S-CSCF2
P-CSCF1P-CSCF2
183SDPRouting
183SDPINVITESDP
INVITESDPRouting
eNB1
UE1
李世超
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wei.com/ilink/cn/about-huawei/publications/communicate/HW_1032
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术，2014（2）：1-5.
作者简介：
李世超，毕业于兰州交通大学，助教，博士，主要从事无线资
源管理研究工作。
华为发布小型化多频天线：日前，华为发
布了小型化700/850～900MHz系列多
频天线。该系列天线采用华为创新的
“振子复用”技术，可以同时支持多个频
段。2014年以来，随着700MHz频谱在
拉美地区的陆续发放，700MHz成为低
频LTE部署的黄金频谱。新频谱发放给
运营商带来新的机遇，同时也给天馈系
统部署带来了挑战：城区新站点获取困
难，空间不足，极大地阻碍了LTE的部署
进度;传统多个单频天线简单叠加的建
网模式在LTE多频部署时将导致天馈系
统结构复杂、难以维护，整体建设成本增
加。华为此次发布的700/850～900MHz
多频系列天线不仅尺寸小，而且支持远
程独立调整电下倾角，可使网络性能达
到最优，满足运营商多频段网络部署需
求，为用户提供更优质的移动宽带业
务。（刘明）
华为携手英特尔：日前消息，华为与英
特尔公司正式签署软件定义网络产品合
作备忘录。本次合作旨在整合双方优势
资源，携手打造全新软件定义网络
（SDN）产品和解决方案，共同推进网络
基础设施的变革，实现其迈向网络即服
务的新愿景。
根据合作备忘录，华为携手英特尔
在未来将基于英特尔架构协作开发SDN
与NFV参考架构堆栈，整合双方的优势
资源，特别是双方在开放网络平台
（ONP）、云操作系统、OpenStack、Open
Daylight、硅光子技术以及虚拟化网络设
备等方面获取的最新研发成果，并充分
利用其网络合作伙伴计划已经构建的相
关创新技术和产品，最终参考、融合和优
化这些成果与资源，以构建针对全新网
络服务的可实现网络即服务愿景的软件
定义网络产品和解决方案。（刘明）
华为和中国移动联合创新：近日，华为和
中国移动宣布双方通过联合创新，发布
业界首家软件定义的智能时钟网络创新
型解决方案及其原型样机，这是双方在
软件定义的移动回传领域的一次创新突
破，进一步推动了SDN商用化进程。
随着移动宽带的高速发展，基站密
度爆炸式增长，移动回传网络的规模越
来越大，中国移动在时钟网络同步规划
与管理上面临新的挑战。中国移动携手
华为持续投入和深入研究，凭借对SDN技
术的多年积累，以及与中国移动现网时钟
需求的紧密结合，提出了创新型解决方案
——软件定义的智能时钟网络，实现了移
动回传时钟网络的集中控制和自动管理，
有效地降低了运维成本。（刘明）
华为推出未来数据中心3.0架构：近日，
华为推出下一代数据中心3.0（DC3.0）架
构，将进一步提升未来数据中心的实时数
据处理能力。该架构采用的是资源池化、
软件化、全光化的设计理念，通过实时弹
性调度软硬件资源，大幅提升数据处理能
力的同时，也实现了数据中心配置的扁平
化与灵活扩展，进而为客户提供性能领
先、低成本的数据中心解决方案。（刘明）
华为助力赞比亚：近日报道，赞比亚总统
伦古与华为公司就在偏远地区建立信号
塔和离网电站签订谅解备忘录，同时华
为将培养10名赞比亚信息技术专业的
学生。华为赞比亚国际问题解决方案经
理Banda说，培养这些学生的目的是使
他们具备培养更多赞比亚人的能力，当
下的赞比亚的经济发展需要有技术的人
才。（刘明）
华为信息（二）
李世超
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作者：李世超，LiShichao
作者单位：甘肃政法学院,甘肃兰州,730070
刊名：
邮电设计技术
英文刊名：DesigningTechniquesofPostsandTelecommunications
年，卷(期)：2015(4)
参考文献(15条)
1.AndraElenaIuliaPastravTudorPaladeandEmanuelPuschita.VoLTEPerformancesina3DModeledCampusArea2014
2.OzturkO;VajapeyamMPerformanceofVoLTEanddatatrafficinLTEheterogeneousnetworks2013
3.JonghwanHyun;JianLi;ChaeTaeImAVoLTEtrafficclassifi-cationmethodinLTEnetwork2014
4.KoshimizuT;TanakaI;NishidaKImprovementontheVoLTE(VoiceoverLTE)DomainHandoverwithOperator'sVision2012
5.3GPPRelease8.Retrievedfrom2014
6.3GPPTS23.237IPMediaSubsystem(IMS)ServiceContinuity2014
7.VoLTE技术白皮书(2013版)2013
8.VoLTE的演进与部署2014
9.陈运清电信级IPRAN实现--面向LTE规模运营的移动基站回传综合承载指引2013
10.曾召华LTE基础原理与关键技术2010
11.杨红梅,胡泊VoLTE关键技术及相关标准[期刊论文]-电信网技术2013(2)
12.冯传奋,姜良军,王少波,李爱娇VoLTE话音解决方案部署探讨[期刊论文]-电信工程技术与标准化2014(9)
13.付仕明,刘芬VoLTE技术解决方案探讨[期刊论文]-中国新通信2014(15)
14.周峰,许正锋,罗俊VoLTE业务与技术实现方案的研究与分析[期刊论文]-电信科学2013(2)
15.朱斌,文涛,符刚,刘牧寅,吴琼VoLTE部署关键问题研究[期刊论文]-邮电设计技术2014(2)
引用本文格式：李世超.LiShichaoVoLTE拥塞解决方案研究[期刊论文]-邮电设计技术2015(4)
51学通信（51xuetongxin.com），致力打造最佳的通信技术分享平台，主打IMS、EPC、NFV、云、SDN以及5G核心网等主题。
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