結合IMS與LTE　MMTEL標準實現多元通訊服務

實現VoLTE應用　各式通訊方案競相出爐

事實上，從3G技術標準開始，標準制定人員就試圖將後端網路由電路交換型態轉換成為封包交換(Packet Switching, PS)型態，但因為這兩者網路型態特性的關係，會造成運行在電路交換網路上的服務無法直接移植到封包交換網路上，並且會有互通性上的問題。

為了解決CS轉換至PS的問題，3G標準將整個系統分成兩個部分：語音服務(包含簡訊)和資料服務。語音服務的部分依然是使用傳統的電路交換型態，而資料服務的部分則採用封包交換的網路型態。

到了LTE的年代，由於電路交換網路的網路利用率實在太差，標準制定專家們下定決心要拋棄電路交換服務，將LTE打造成一個全IP網路(All-IP Network)的網路標準，過去全球行動通訊系統/分碼多重存取/通用行動通訊系統(GSM/CDMA/UMTS)所仰賴的電路交換網路型態全然不在此架構內。固然這樣可以提升核心網路的利用率，但卻無法提供傳統的電話、簡訊服務，畢竟不會有用戶想使用一個無法撥打電話的電信網路技術。有鑑於此，這幾年全球通訊技術專家提出了許多方案，本文將詳盡介紹這些可行的技術，並分析其優劣之處。

布建成本低廉　CSFB方案獲電信商青睞

第一個解決方案是電路交換回退(Circuit Switched Fallback, CSFB)；此一方法的概念是如果語音服務無法在封包交換網路上提供，那就利用現有的2G/3G電路交換服務。這個概念就跟3G標準提出的方法一模一樣。當用戶端設備(UE)需要語音服務時，用戶端會先將LTE系統的信令連線中止，切換到傳統的2G/3G網路並建立語音連線。優點是架構單純，LTE負責數據業務，需要語音服務時則回退使用電路交換網路，營運商不但毋須建置新的設備，還可有效利用已投資的電路交換系統。

此外，如圖1所示，營運商只須升級交換機伺服器(MSC Server)，並建立MSC和移動管理實體(MME)之間的SGs接口，讓電路交換系統找得到UE，然後UE中止LTE的連線，同時UE和UTRAN/GERAN建立電路交換連線，就可以讓LTE使用者使用語音服務。這是一種快速提供語音業務服務的方案，但缺點有兩個：第一，連線切換的速度慢；第二，延後3G系統的退場時機。所以這個「電路交換回退」方案只能算是過渡期的方案，不過卻由於它的簡單性，所以被最多的電信營運商採用。

資料來源：3GPP 圖1　電路交換回退架構圖

雙模天線成本高昂　SV-LTE方案挑戰重重

另外一個解決方案是同步語音與LTE(Simultaneous Voice and LTE，SV-LTE)，此方案的概念跟過去的雙模手機方案相同。手機同時運作在LTE和電路交換，LTE負責提供數據服務，電路交換負責提供語音服務。優點就如電路交換回退方案一般，營運商不但毋須花大錢更新設備，也沒有連線切換所帶來的長時間延遲，畢竟同一時間兩種連線都存在，在享受語音服務的同時，LTE數據業務亦不會斷線。然而，缺點也和過去的雙模手機相同，手機因為要同時支援兩種網路，所以製造成本較高，且因為要同時使用兩個天線，電力消耗非常高，而這也是過去雙模手機沒有興起的主要原因，因此採用這個方案的營運商非常的少。

無利可圖成障礙　OTT方案發展遲緩

網路串流影音服務(Over-The-Top, OTT)方式為透過使用像Skype這類通訊軟體來達到語音服務。LTE先天就具備高頻寬、低延遲、永遠在線與全IP網路等特點，為OTT的發展帶來天然的便利性，使得OTT方案可以很順利的運行，但因為這種語音服務的方案，營運商賺取不到額外利潤，所以將LTE的語音服務交給OTT這種方案，較無法受到營運商大力推廣。

兼顧聯網/語音服務　IMS將成主流方案

上面所介紹的都是過渡時期的方案，其實標準制定團隊早在制定3G標準的時候就已考慮到封包交換網路上的語音服務問題。為了解決此一問題，3GPP提出IP多媒體子系統(IP Multimedia Subsystem, IMS)解決方案，這是一個在封包交換網路上提供電路交換特有的連線管理服務，包含了使用者註冊、使用者查詢、發送連線建立請求、回應請求，以及建立、刪除連線等；使用者註冊就像是到電信公司辦理門號，發送連線請求就如同撥打電話，而連線建立毫無疑問就是電話接通。當然，整套架構還可以提供更多種服務，只要用戶端支援IP網路協定，營運商就可透過這種架構提供用戶註冊的機制，進而提供資料服務或讓使用者之間直接進行彼此服務，通常這種服務以音樂與影片等多媒體為主。

與上面提到的OTT解決方案相比，營運商可自己掌握收費機制，所以IMS架構更得營運商的喜愛。

IMS這個系統主要是制定網路架構，且盡可能不去制定協定的細節而採用現有的IETF網路協定，如RTP、RTCP與會話發起協議(SIP)等。主要考量的兩個因素，第一，是為避免一些設備商之間的專利競爭，如果只使用特定廠商自行開發的網路協定，將很可能會造成其他設備商難以競爭的局面，且有圖利特定廠商之嫌；第二，是要加速IMS的普及，因為大多數的設備廠商都已經有這些IETF網路協定的模組，所以在產品的開發上通常會比較快速。因此本文將稍微介紹IMS的網路架構而非網路協定。

IMS子系統是一個複雜的體系，包含了很多實體，每個實體有自己的功能，以下詳細介紹幾個主要實體所負責的功能。首先是呼叫會話控制功能(Call Session Control Function, CSCF)，是IMS子系統的核心，根據功能不同又可細分為P-CSCF、I-CSCF和S-CSCF。P-CSCF即Proxy-CSCF，代理呼叫會話控制功能。是IMS子系統內用戶第一個接觸到的實體，進出IMS子系統都將會經過它，功能有負責驗證SIP請求並將訊息轉發給S-CSCF、SIP請求和響應轉發給UE、提供SIP訊息的完整性保護，以及UE的SIP訊息壓縮和解壓縮。

詢問呼叫會話控制功能(Interrogating-CSCF, I-CSCF)則是負責跟歸屬用戶伺服器(HSS)聯繫以獲得各種訊息、提供隱藏功能使外部網路無法獲得內部網路資訊。其中，服務呼叫會話控制功能(S-CSCF)是IMS子系統的核心節點，為UE進行會話控制和註冊服務。HSS則是一個核心的用戶資料庫，存取用戶相關的訊息，對用戶認證和授權以及提供用戶IP位置等相關資訊。

應用伺服器(AS)則是負責提供服務的角色。基於各種不同的服務，AS可選擇不同SIP模式，如SIP代理模式、SIP用戶代理模式和SIP B2BUA模式，AS可設置在IMS內也可以設置在外部的第三方網路。

成本/互通性仍待改善　IMS架構普及尚待考驗

既然IMS在3G時代就已制定了，為何這套IMS的架構卻沒有普及呢？這裡面主要有三個問題。首先，使用者習慣問題。既有的2G/3G語音服務網路還可以使用，而使用者對資料服務網路的使用習慣又還是以單方面使用免費的現存網路資源，而非付費的資料服務，導致消費者認為無迫切需求，營運商自然就賺不到額外的加值消費。

其次，IMS架構太過複雜，從圖2可發現IMS需要許多額外的設備，這些設備所代表的都是投入成本。若投入建置IMS後端服務的費用過高，而消費者又不願意負擔的話，營運商自然會卻步。

資料來源：3GPP 圖2　LTE和IMS整合架構圖

第三，互通性問題仍有疑慮。由於IMS網路架構過於龐大，網路設備的複雜度也不斷上升，各家設備供應商的設備之間能不能進行互聯就是一個很大的技術難題，不管是標準制定不清楚，還是設備商自己故意夾帶私有的資訊，這些都大幅減少設備互通的可能性。

對營運商來說，這等於是綁死了在布建時的選擇，並且在漫遊時也會有更多的障礙。這些考量也間接降低營運商布建意願。綜合以上三點，大部分的營運商都只願意建立小型的實驗網路，而不願意大幅展開IMS的服務。

然而，既然IMS在3G的年代無法成功推廣，那現在到了LTE時代，為何營運商又再一次把IMS方案拿出來討論呢？這有幾個理由。

首先是LTE的網路完全沒有電路交換機制，在3G的年代因為電路交換機制和封包交換機制共存，所以營運商還會抱持著得過且過的心理，但LTE的網路中不存在這樣的可能性，所以IMS又再一次被拿出來討論。

其次，設備供應商正極力促成。當年IMS在制定的時候，眾多的網路設備供應商都一股腦地投入開發，結果發現願意採用的營運商並不多，正好利用現在這個機會再一次推廣自家的產品。

第三，LTE和IMS都是由3GPP制定的標準，其中QoS的定義以及收費機制在整合上比較容易，與其打造一套新的架構，不如直接採用現有的IMS架構較好。最後，封包交換網路是未來電信業的趨勢，就算現在逃避了這個問題，下一代的電信網路技術也還是會須要導入，既然如此，不如一次解決。

融合多媒體服務項目　MMTEL標準備受關注

有鑑於此，整合IMS和LTE的完整解決方案--多媒體電話(Multi Media Telephony, MMTEL)即開始備受市場矚目。MMTEL是由ETSI/TISPAN和3GPP兩大標準化組織聯合開發，係一種基於IMS的多媒體電話業務標準，可提供固定、移動或者融合的多媒體服務(圖3)，不但可實現語音、視頻以及聊天方式的通訊，同時還可讓用戶分享文件與視訊短片。MMTEL標準涵蓋了不同運營商之間互通的規範，也就是意味著不同運營商的用戶可以採用多種多媒體的方式進行互相通訊。MMTEL不僅實現了傳統的電話業務，還融合多種多媒體業務，象徵傳統交換電話業務的未來發展方向。

資料來源：3GPP 圖3　MMTEL示意圖

MMTEL具有許多技術優勢與特點；例如全IP的IMS作為核心網路，可融合現有的網路架構；可支援語音、視訊、簡訊、圖片和文件共享等各種多媒體服務；具備網路對網路介面(Network Network Interface, NNI)，各電信營運商可互通互聯，使不同營運商用戶可互相分享多媒體服務；可提供家庭服務，家庭成員之間可形成一個小型的虛擬VPN，只有家庭成員可存取此服務資訊。MMTEL的特性，很適合使用在LTE這類封包交換的網路協定，對於尋求IMS多媒體服務的LTE電信業者，是個很好的解決方案

此外，單一無線語音呼叫連續性(Single Radio Voice Call Continuity, SRVCC)是LTE還未布建完全時的一個過渡時期方案，當使用者移動到未布建LTE的地區時，可提供使用者無縫換手到3G網路。

SRVCC是基於IP多媒體子系統的語音服務，在LTE的覆蓋下使用者使用IP多媒體子系統的語音服務，到了沒LTE的覆蓋下，使用SRVCC技術將語音切換到電路交換網路，因此不會中斷語音通話。電路交換回退和單一無線語音呼叫連續性的方式差異之處在於，電路交換回退是在LTE和2G/3G訊號重疊的地方發生回退，而單一無線語音呼叫連續性則是在當LTE沒有覆蓋訊號時，UE會將訊號經由如圖4的Iu-ps/Gb切換到2G/3G電路域，為LTE在建置IP多媒體子系統的初期時，彌補覆蓋範圍不足的補強方案。

資料來源：3GPP 圖4　SRVCC架構圖

綜上所述，對於目前3G營運商而言，勢必會選擇LTE為下一代的行動通訊，而實現VoLTE語音服務目前有許多解決方法，本文說明目前過渡時期的各種解決方案，以及提供了封包交換領域的方便性和整合性的IMS標準架構，預估後者將會是電信商最終的解決方案。

(本文作者任職於資策會智通所)