從2009年底全球第一個長程演進計畫(LTE)網路在瑞典開台以來，至今全球已經有四十九個商用LTE的網路遍布在二十九個國家，其中包含了美洲、亞洲及歐洲。
新的LTE技術提供每秒100Mbit的下載速度，即使實際測試網路速度遠低每秒100Mbit的理想下載速度，但還是大幅改善現有的通訊網路的效能。換句話說，LTE還須證明它在多人使用通訊網路下的優異效能，但大型企業的使用者已經被說服，相信LTE網路速度將會越來越快。
然而，現今已經有許多討論關於是否可使用LTE數據封包來傳送聲音，因為目前手機的語音傳送都是利用電路切換。使用者的討論實不能夠被忽略，因為在行動通訊系統(GSM)網路成功運行20年之後，用戶不管在哪裡都期待更好的通話品質。本文將說明如何利用LTE傳送語音訊號，並如何在實際發展的網路中確保它的功能與品質。
利用IMS實現語音封包傳送
利用LTE傳送可接受的語音訊號，在射頻及核心網路需有正確的機制與架構。在LTE的網路還沒完全普及前，可利用現有的2G與3G網路補足收訊的不良。另一個須考慮的是，在車上的使用者，若收不到LTE訊號，系統須自動切換到2G或3G網路時，語音訊號不能斷線。
若IP多媒體子系統(IMS)是可利用的，聲音訊號將可透過IP來傳送。整個完整的系統將由支援IMS的手機、IP與IP-CAN的連線及支援IMS的核心網路組成。IMS是盡量依據網際網路工程工作小組(IETF)通訊協定標準定義，並參考第三代合作夥伴計畫(3GPP)TS23.228架構，包括現有網路及其他多媒體系統，清楚地展現彈性且複雜的系統。此系統可讓任何一種的多媒體應用可在行動的環境中結合。
然而，如圖1所示，聲音的傳送只利用子功能中的一個單位。在語音訊號撥號以前，LTE手機必須先註冊到IMS的系統中。LTE系統使用不同的承載(Bearer)連線及傳輸語音訊號，此連線訊號有很低的訊號損失，因而能確保控制訊號能被手機所接收。
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| 圖1 透過IMS系統架構傳輸聲音 |
會話初始化通訊協定(SIP)係用來進行訊號連線，意指聲音封包能透過實體傳輸協定(RTP)傳送。此外，特別的封包演算法則可確保聲音的傳輸符合IMS要求。在實際的傳輸中，頻率與時間的分配是固定的，所以LTE系統必須在同一個射頻(RF)頻道上同時傳送語音和資料。
要減少不同方式所構成的IMS系統風險，限制IMS系統主要用於聲音的傳送方式是必要的，包括手機的漫遊。
從LTE發展以來，一開始就將聲音訊號定義在IMS中，GSM協會(GSMA)在2010年2月制定Voice over LTE(VoLTE)時，就是假設IMS不會在LTE一開台就可被利用。
若情況許可，電訊網路切換時，手機將只使用一個空中介面傳送。此方法在手機與網路上被稱作單一無線語音呼叫連續性(Single Radio Voice Call Continuity, SRVCC)。利用此特點，IMS系統可控制聲音與資料傳送，讓LTE的封包交換(Package Switched, PS)封包遞交到3G的電路切換(Circuit Switched, CS)或PS介面。
IMS替代方案崛起
在產業界的努力下，目前已有IMS替代方案，且某些替代方案最近已被實現，以下將一一介紹：
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同步語音與LTE(Simultaneous Voice and LTE, SV-LTE)是在現有2G/3G網路與LTE資料服務中帶有語音服務。手機根據SV-LTE使用兩個獨立的無線介面，這個無線介面能夠同時給不同的服務使用，語音透過2G/3G傳送，而LTE則用來專門傳送資料。然而，這個簡單的解決方案將耗費較多的功率，進而減短電池壽命，且手機用這種方式裝配會使製造成本更昂貴，不過，這個解決方案已經在美國商用化使用。 |
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電路交換回退(CSFB)是終止LTE系統的信令連線，並透過2G/3G網路設定語音連線；這種做法，即是為了避免在兩個無線介面上同時操作。若LTE手機是在LTE網路而且也在接收或啟動語音通話，通話將透過2G或3G網路設定並不透過LTE。這是假設不論在什麼條件下都有LTE的覆蓋訊號，且2G或3G網路也可使用，若不是這個狀況，通話不是傳遞到語音信件，就是不會被優先設定。
CSFB的優點是很明顯，使用者接收的語音品質如同由GSM網路，而且LTE網路能力沒有用在語音通話。但這個程序須花費幾秒鐘執行，因為在LTE現存的信令連接首先要被終止，而且語音服務接續得重新建立在2G/3G網路上。
除此之外，資料服務無法與一般語音服務平行提供，不是回退至通用行動通訊系統(UMTS)就是CDMA2000網路，使得此技術有機會利用交遞服務持續支援資料傳輸服務。然而，因為可允許資料及語音平行傳送的雙傳送模式(DTM)技術，仍未實現在商用可行的GSM手機中，因此回到2G(GSM)網路這個選項是不可行的。圖2顯示網路元素囊括在CSFB程序前後、藉由來電觸發的信令與語音通話。 |
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| 圖2 在CSFB程序前後的資料與信令通道 |
CSFB有許多變化，如在無線電資源控制(RRB)重新連線的釋放與重新導向，以及封包交換交遞間，即有差別。當然，交遞被認為更有可靠性。有交遞協議，手機接收的專用信令可指出應該存取在2G或3G系統中的哪個細胞網路。
在無線電資源控制重新連結、釋放實例中，手機會在訊號經過通道後，以相同方式選擇新的獨立細胞網路。在通話設定前，必須先量測來自廣播通道的訊號，且相關的存取資訊必須被解碼，也因此會有額外的通話設定延遲。然而，傳送到2G/3G網路之前，先透過LTE網路傳送所有必要存取資訊，再到手機，可加速基於無線資源控制協議重新連線釋放的CSFB程序。
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| 圖3 導入語音在LTE網路的開發路徑 |
在工業應用上，圖3所示的開發是以新的方式導入語音，並傳送到LTE網路。縱使在國際漫遊時，CSFB被視為確保語音品質的必備小功能，但中長期而言，基於IMS所實現的VoLTE將備受歡迎。在2011年2月，下一代行動網路(NGMN)工業協會也如此推薦，儘管SV-LTE已實現在商用LTE網路中。
在實際通訊網路下傳送聲音訊號
為確保多個解決方案的功能及效能可實現在網路上，須在實驗室裡進行一連串測試。圖4顯示LTE語音測試的架構。這範例中使用的測試儀器為羅德史瓦茲(R&S)CMW500，除LTE外，其也可支援GSM、UMTS和CDMA2000的測試。
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| 圖4 測試多方案解決語音LTE功能的架設 |
若CSFB被測試，完整的步驟可被複製到UMTS。在此例中，儀器先與UE執行LTE訊令連結，再來電啟動UE去使用3G。此時UE會在3G網路中建立信令和語音通道並由測試儀器進行模擬，所有資訊會在測試儀器和UE間的各信令層交換，如實體層、MAC與無線電鏈結控制(RLC)層及無線電資源控制(RRC)控制層。這些資訊都可被記錄下來，此紀錄亦能檢驗UE功能運作正確無誤，並將錯誤部分更正。
當測試VoLTE時，可在個人電腦(PC)上實作IMS的功能，以便能控制儀器和流程。在一次的修正功能的相關程序，如SIP註冊或P-CSCF發現程序，必須在UE上被驗證。正如已完成的第二和第三層(MAC到RRC)協定，所有訊息也會在IMS被紀錄與分析。
當UE的功能就緒，下一步便是確認語音的品質，在LTE系統中，語音傳輸就是執行封包切換傳輸；類比語音被數位化放進封包裡，其透過LTE空中介面來傳達，並在接收機轉換回類比語音訊號，由喇叭發聲。語音品質也會被語音編解碼器、麥克風、喇叭影響；因此，能經由語音品質感知評估(PESQ)檢視整個傳輸鏈，而語音評估出來的量化結果，可允許的範圍從最差到最好為0.5～4.5。
LTE技術已在手機無線網路的大量資料傳輸上寫下成功的一頁。雖然商用VoLTE是否能在2012年導入還是未知數，將視各網路電信業者的策略來決定；但語音已能經由現有的2G/3G網路傳輸，LTE也涵蓋語音傳輸技術，且LTE語音測試儀器也已經就緒，因此未來VoLTE的實現應指日可待。
(本文作者為羅德史瓦茲市場策略行銷部LTE/LTE-Advanced技術經理)