一种VoWiFi业务平台建设方案简介_陈震.pdf

37新技术新业务行业应用2023.01 广东通信技术DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2023.01.008一种 VoWiFi 业务平台建设方案简介陈震董佐君林祥通移动通信网络覆盖由于移动通信基站的投资与建设的时间成本限制，存在部分地理区域移动通信网络弱覆盖或者无覆盖的问题，影响了用户的语音和数据通信感知质量。基于 WiFi 共享技术横向打通电信多张网络，利用多网融合解决移动网络的覆盖盲区问题，解决用户移动语音业务/数据业务质差的问题，快速提升用户感知，节省移动网覆盖成本。陈震工程师，现任职于广东亿迅科技有限公司，从事宽带网络认证系统、信息安全等技术研究工作。董佐君工程师，现任职于广东亿迅科技有限公司，从事宽带网络认证系统的研究工作。林祥通工程师，现任职于广东亿迅科技有限公司，从事统一认证系统的研究工作。关键词：WiFi 共享 VoWiFi 信号 弱覆盖 业务平台摘要1 概述从三大电信运营商截止近期的运营数据显示，5G 套餐用户数已超过 10 亿户，5G 呈现业务蓬勃发展之势1。中国电信持续提升 5G 网络覆盖，用户规模稳步提升，在家庭业务方面，智慧家庭业务持续攀升1。在网络覆盖持续提升的同时，作为运营商基础业务的移动语音业务和数据业务，却始终不能提供让用户满意的业务体验。室内覆盖导致的信号弱，客户感知差，投诉多。5G 网络使用的频点高，基站覆盖范围减小，造成网络建设及运营成本大幅增加，传统的社区覆盖解决方案存在优化难、造价高、居民不配合等难点，因室内覆盖盲区，语音通话质量差，信号差等引起用户投诉的问题解决率低，严重影响了用户忠诚度2。基于大数据定位技术、WiFi 共享技术，横向打通电信多张网络，为手机及固定电话提供跨移动网、固定宽带网、固定电话网的融合通信平台，利用多网融合解决4G 与 5G 移动网络的覆盖盲区问题，解决用户移动语音业务/数据业务质差的问题，快速提升用户感知，节省移动网覆盖成本。2 VoWiFi 方案在解决居民区室内覆盖方案的对比中，有大网优化、mRRU、皮基站、WiPhone、VoWiFi 等方案3，随着电信智慧家庭业务的持续发展，在当前“智慧家庭业务”加强38新技术 新业务新技术新业务行业应用WIFI 覆盖背景下，VoWiFi 在解决居民区室内信号盲区提供网络覆盖具有明显优势。针对中国电信家庭宽带用户场景，结合产业链进展情况，拟采用 S2b 非授信（ePDG，enhanced Packet Data Gateway）的 VoWiFi 方案来提供现阶段的语音/短信业 务4。5G SA 用户在电信部署的家庭网关下，通过 WIFI共享解决方案使用 VoWiFi 业务，为信号弱覆盖区域的外来访客提供免密的 VoWiFi 能力，增强网络覆盖，解决 5G用户移动语音业务覆盖不足的问题。在实现 5G SA 手机支持 VoWiFi 的同时，实现 VoWiFi用户精准定位，满足工信部电信业务的监管要求。VoWiFi用户精准定位，采用 ePDG 基于 Local IP+端口号向固网宽带接入认证系统/溯源系统查询对应的家庭网关其VoWiFi 业务可用性并获取用户位置信息，并将用户位置信息与 Local IP+端口号传递给移动核心网与 IMS 网络，来实现VoWiFi用户基于精准定位的紧急呼叫与安全溯源。2.1 总体方案总体方案包括 ePDG/3GPP AAA 接入 5GC、VoWiFi 业 务鉴权和 VoWiFi 用户位置精准定位6-10，业务组网架构如图 1 所示。2.2.1 业务开通终端5G SA用户需要在融合UDM/HSS中开通VoWiFi 业务。依据 3GPP TS 29.273 的定义11，使用 Non-3GPP-User-Data.RAT-Type 作为 VoWiFi 的签约参数。该参数包含不允许的接入技术类型，对应 3GPP TS 23.008 定义的Restricted RAT Types 参数12。该参数不包含 WLAN，则表示签约 VoWiFi 业务；包含 WLAN，则表示未签约 VoWiFi 业务。家庭网关用户需要在固网宽带接入认证系统中开通VoWiFi 业务。2.2.2 业务鉴权图 2 是 VoWiFi 用户的 EPC 附着流程5，在步骤 a1之后，增加用户 VoWiFi 业务鉴权过程。HSS 根据用户签约信息，对 Non-3GPP-User-Data.RAT-Type 进行判断：如果 Non-3GPP-User-Data.RAT-Type 不包含 WLAN，则用户 VoWiFi 业务鉴权成功，继续后续步骤；如果 Non-3GPP-User-Data.RAT-Type 包含 WLAN，则用户 VoWiFi 业务鉴权失败，HSS 在 MAR 响应消息中通过 Experimental-Result AVP 返回DIAMETER_ERROR_RAT_TYPE_NOT_ALLOWED。ePDG 在应答 UE 的 IKE_AUTH Answer 消息中返回 RAT_TYPE_NOT_ALLOWED。如果用户 VoWiFi 业务鉴权成功，在步骤 13 之后，增加家庭网关 VoWiFi 业务鉴权过程。ePDG 与固网宽带接入认证系统/溯源系统交互，检查家庭网关是否开通了 VoWiFi业务，鉴权成功则继续后续步骤；鉴权失败ePDG 在应答 UE 的 IKE_AUTH Answer 消息中 返 回 NETWORK_FAILURE 和 BACKOFF_ TIMER 定时器。2.2.3 用户精准定位用户位置信息包括“行政区号+国家码+本地网区号+运营商标识+组网模式”、用户 Local IP 及端口号、用户终端接入的 AP MAC 地址、用户终端最近一次接入的蜂窝网 cell-id 等字段。在 VoWiFi 用户的 EPC 附着流程中，ePDG 与固网宽带接入认证系统/溯源系统的交互，完成家庭网关 VoWiFi业务鉴权。同时，固网宽带接入认证系统/溯源系统返回家庭网关的位置信息“行政区号+国家码+本地网区号+运营商标识+组网模式”，用以代表 VoWiFi 用户当前的位置信息。图 1 VoWiFi 业务组网架构主要实现步骤如下。用户发起 EPC 附着时，先对用户进行 VoWiFi 业务鉴权；再由 ePDG 通过新增的 SWf 接口与固网宽带接入认证系统/溯源系统交互对家庭网关进行 VoWiFi 业务鉴权并获得用户位置信息，ePDG 通过 S2b-C 接口将用户位置信息上传到 SMF+PGW-C。用户发起 VoWiFi 呼叫时，P-CSCF/BAC 通过 Rx 接口向 PCF 发起位置查询，PCF 再通过 N7 接口查询 SMF+PGW-C 获得用户位置信息。2.2 主要流程39一种 VoWiFi 业务平台建设方案简介新技术新业务行业应用2023.01 广东通信技术终端在 VoWiFi 注册或呼叫流程中上传用户位置信息，终端在 REGISTER 或 INVITE 消息中，通过 PANI头域的 access-type 和 access-info 携带用户终端接入的AP MAC 地址，通过 Cellular-Network-Info 头域携带用户终端最近一次接入的蜂窝网 cell-id。ePDG 在 EPC 附着流程中上传用户位置信息，在发送到融合 SMF+PGW-C 的 Create Session Request 消息中，通过 WLAN Location Information（使用 Civic Address Information 信元存放“行政区号+国家码+本地网区号+省份标签+运营商标识+组网模式”）、UE Local IP Address 和 UE UDP Port 参数携带用户位置信息。VoWiFi 注册或呼叫流程中，P-CSCF/BAC 通过 Rx 接口向 PCF 发起的位置查询过程同 VoLTE。PCF 再通过 N7接口向融合 SMF+PGW-C 进行查询。3 业务平台建设方案VoWiFi 业务平台基于大数据的多网融合创新项目，是基于大数据定位、WIFI 共享等技术，为手机及固定电话提供业界领先的跨移动网、固定宽带网和固定电话网的图 2 用户附着流程融合通信创新产品。本项目基于 VoWiFi、同振和室内定位等技术，设计开发一整套的从终端用户侧订购开通业务，使用业务，到电信运营人员运营运维完整的闭环支撑系统。提供终端用户侧的 Portal认证界面，用于用户 VoWiFi 登录认证，以实现VoWiFi 通话业务。提供一系列后台程序，实现支撑VoWiFi，同振的业务实现。提供后台管理系统，用于电信管理、运营和运维人员查询业务的发展和使用情况。3.1 主要功能模块业务平台的系统架构图如图 3 所示。信号补盲自动控制平台通过数据分析无线基站的信号强度及地理位置数据确定无线网络信号弱覆盖和无覆盖地理区域网格，并通过宽带系统数据关联出区域内中的家宽光猫终端。信号补盲自动控制平台通过相关 OSS 系统完成对所有选定光猫终端的共享 WiFi SSID 数据的新增配置，原有宽带的 SSID 保持不变，仍用于家庭用户的上网和语音；新开的 SSID 用于共享访客的语音和上网业务。图 3 系统架构图 OSS 系统及网络完成对应光猫终端数据配置、区域 PON 接入网络的配置、完成 EPC/5GC 网络、VOLTE 网络和宽带网络的数据配置，搭建语音和数据通道。共享无线接入网络以上 2 个模块完全计算和配置之后，区域内配置了共享 SSID 的所有光猫形成一张 WiFi 共享网络，用于访客的通信需求接入。用户终端开通 VOIP 功能，完成 Portal 认证，即可实现数据和40新技术 新业务新技术新业务行业应用语音业务的通信。应用与门户对外提供业务管理门户进行业务管理、系统管理和运维管理。3.2 对 ePDG 网元的要求ePDG 网元需要支持与固网接入认证系统/溯源系统交互获得用户位置信息，以及判断该家庭网关是否开通了VoWiFi 业务，并反馈相应的失败码给 UE。支持通过自定义的 Diameter QLR/QLA 消息与固网宽带接入认证系统/溯源系统交互。支持通过 S2b 接口将用户位置信息上传到融合 SMF+PGW-C。支持通过 WLAN Location Information、UE Local IP Address 和 UE UDP Port 传递位置信息15。3.3 对 EPC 网元的要求3GPP AAA 需要支持将从 SWx 接口获得的 5G SA 用户签约信息（APN-Configuration.Interworking-5GS-Indicator），通过 SWm 接口传递给 ePDG。3.4 对 5GC 的要求融合 HSS/UDM 需要支持 SWx 接口。支持使用 Non-3GPP-User-Data.RAT-Type 作 为 VoWiFi 的 签 约 参 数，根据该参数判断用户是否开通了 VoWiFi 业务，并反馈相应的失败码给 3GPP AAA。支持向 3GPP AAA 传递SMF+PGW-C 地址信息，以保证从 5G 接入切换到 WLAN接入的 IP 地址连续性。融合 SMF+PGW-C 需要支持 S6b 接口（或者由 N10接口替代）和 S2b-C 接口。支持 VoWiFi 呼叫位置查询时，通过 N7 接口上报用户位置信息。支持通过 UserLocation.N3gaLocation.twapId.civicAddress、UserLocation.N3gaLocation.ueIpv4Addr（或 ueIpv6Addr）和 UserLocation.N3gaLocation.portNumber 参数传递位置信息。融合 UPF+PGW-U 需要支持 S2b-U 接口。融合 PCRF/PCF 需要支持 VoWiFi 呼叫位置查询时，上报用户位置信息。支持通过 TWAN-Identifier、UE-Local-IP-Address 和 UDP-Source-Port 参数传递位置信息。3.5 对 IMS 网元的要求P-CSCF/BAC 支 持 Rx 接 口 通 过 TWAN-Identifier AVP、UE-Local-IP-Address AVP 和 UDP-Source-Port AVP参数返回的位置信息13-14。支持根据从终端和网络获取的用户位置信息，生成新的 PANI 头域。3.6 对终端的要求终端需要支持 VoWiFi 功能。支持用户 VoWiFi 业务鉴权失败后，网络侧返回的 AUTHORIZATION_REJECTED或 RAT_TYPE_NOT_ALLOWED 失败码。支持家庭网关 VoWiFi 业务鉴权失败后，网络侧返回的 NETWORK_FAILURE 失败码和 BACKOFF_TIMER 定时器，并在定时器超时后尝试重新附着。支持在 SIP REGISTER 和 INVITE 消息中，通过 PANI头域的 access-type 和 access-info 携带用户终端接入的 AP MAC 地址。支 持 在 SIP REGISTER 和 INVITE 消 息 中，通 过Cellular-Network-Info 头域携带用户终端最近一次接入的蜂窝网 cell-id。3.7 对 IT 支撑系统的改造要求建设 VoWiFi 业务平台，还需要对以下 IT 侧和网络侧等系统进行相应的升级改造，满足VoWiFi业务平台的需求。3.7.1 对网厅/CRM 系统的要求CRM 系统需要支持对 VoWiFi 业务进行用户订购、修改用户状态、修改用户属性和用户退订等操作的相关接口。3.7.2 对服务开通系统的要求服务开通系统需要支持融合 HSS/UDM 的 Non-3GPP-User-Data.RAT-Type 参数激活和修改。3.7.3 对固网宽带接入认证系统/溯源网关的要求宽带用户通过 PPPoE 或 Portal 等方式拔号上网，固网宽带接入认证系统接收 MSE 认证请求进行认证操作，记录在线信息。固网宽带接入认证系统或溯源网关提供对VoWiFi 业务进行 IP 端口反查询宽带帐号、根据宽带帐号查询位置等相关接口。3.7.4 对 ACC 平台的要求运营平台需要对接省 ACC 系统，实现管理员帐号统一管理和授权，其中对接使用了重定向认证技术。ACC平台需要对 VoWiFi 业务提供重定向认证、重定向单点登录、重定向退出/注销和重定向令牌认证/注销等操作的相关接口。3.7.5 对定位平台的要求定位平台需要对VoWiFi业务提供UE位置信息查询、区域 UE 位置查询、UE 位置信息订阅和 EU 位置信息通知等操作的相关接口，满足定位需求。运营平台与定位平台采用 HTTP/JSON 方式传输数据。3.7.6 对同振网元的要求呼叫系统以 AS 的方式与 IMS 的 S-CSCF 对接。需要41一种 VoWiFi 业务平台建设方案简介新技术新业务行业应用2023.01 广东通信技术启用该业务的手机号以被叫方式签约，呼叫进入 S-CSCF后，根据 icf的签约信息，把呼叫路由到同振系统。S-CSCF向 HSS 获取 iFC 触发规则，S-CSCF 根据该信息把呼叫路由到同振平台。4 小结本文提出的 VoWiFi 业务平台方案，在信号盲区试点中验证了技术方案的可行性，VoWiFi 语音通话质量与现网 VoLTE 良好区域相当，VoWiFi 和 VoLTE 的切换时延用户基本无感，用户感知测试达到预期。通过 WIFI 共享和 5G 融合解决室内覆盖项目，攻克VoWiFi 用户精准位置溯源的难题，形成 VoNR、VoLTE 与VoWiFi 连续覆盖的基础语音网络，可以有效解决家庭场景下的城市居民住宅、边远农村等区域蜂窝网络弱覆盖导致的语音质量问题。在本项目的试点过程中，通过方案的落实，为企业标准的完善提供了参考意见，推动了网络与终端设备研发和完善设备功能，推进商用版本落地。参考文献1 杨洁.三大电信运营端 5G 业务蓬勃发展 N.中国证券报,2022-10-22(A05).2 刘牧寅，马瑞涛，符刚，薛淼，吕光旭.运营商 VoWiFi 策略与优势分析 J.邮电设计技术,2016(06):7-11.3 赵燕，刘刚.LTE 城区室外弱覆盖解决方案探讨 J.通信与信息技术,2015(2):36-39.4 GERAN Generic Access to the A/Gb interface,Mobile Generic Access Interface Layer 3 Specification（Release 6）:3GPP TS44.318S/OL.2016-03-22.ftp:/ftp.3gpp.org/Specs/.5 崔沛东，戴国华，张婷.VoWiFi 与 VoLTE 的协同策略研究 J.移动通信,2016(08):31-35.6 GSMA IR.51.IMS Profile for Voice,Video and SMS over Wi-FiS.2015.7 3GPP TS 23.402.Architecture enhancements for non3GPP accessesS.2014.8 3GPP TS 33.402.3rd Generation Partnership Project,Technical Specification Group Services and System Aspects,3GPP System Architecture Evolution(SAE),Security aspects of non-3GPP accessesS.2014.9 3GPP TS 23.501 v15.3.0.5G System Architecture for the 5G SystemS.2018.10 3GPP TS 23.503 v15.2.0.5G Policy and Charging Control Framework for the 5G System;Stage 2S.2018.11 3GPP TS 29.273.Evolved Packet System(EPS),3GPP EPS AAA interfacesS.2017.12 3GPP TS 23.008.Organization of subscriber dataS.2018.13 GSMA IR.92.IMS Profile for Voice and SMSS.2013.14 GSMA IR.94.IMS Profile for Conversational Video ServiceS.2013.15 3GPP TS 23.261 V11.0.0.IP flow mobility and seamless Wireless Local Area Network(WLAN)offload,Stage2S.2012.（收稿日期：2022-12-20）（上接第 36 页）参考文献1 艾秀承.基于 DCS 顺序控制实现氮气干燥工序的自动化设 计 J.石油化工自动化,2020,56(06):31-35.2 吕远.基于 LoRa 通信的无线报警系统 J.消防技术与产品信息,2018(5):71-74.3 乐鑫科技.ESP32-WROOM-DA 技术规格书 EB/OL.(2021-08-19)2022-12-12.https:/ 姚引娣，王磊，海小娟，刘利.基于农业物联网的低功耗智能温室监控系统 J.西安邮电大学学报,2019,24(02):78-83.DOI:10.13682/j.issn.2095-6533.2019.02.016.5 毛浩龙，艾红.基于 ESP32 的智能家居项目设计与实现 J.工 业 仪 表 与 自 动 化 装 置,2021(02):126-130+136.DOI:10.19950/61-1121/th.2021.02.029.6 徐含沁，李弘隆，邵彦奇，邵彦廷，魏玲.智能坐便椅式助行器功能优化设计研究 J.现代信息科技,2021,5(20):178-180.7 Semtech.LoRa_products_sx126xEB/OL.(2018-03-20)2022-12-12.https:/ 文渊博，牛澳，毛夏煜，张桃靖，冯兴乐.基于 LoRa 的分布式火灾监测报警系统的设计与实现 J.物联网技术,2020,10(08):18-22+26.9 陈建，黄林，李锦春.一种基于 LoRa 星状网轮询嵌套组网的消防数据传输方法 P.浙江省:CN111465036A,2020-07-28.（收稿日期：2022-12-07）