Seção: Tutoriais

 

LTE II: Voice over LTE – VoLTE

Como falado, LTE é baseado no protocolo IP, e assim será o VoLTE, uma tecnologia nativa da quarta geração, que utilizará os recursos próprios do LTE, e terá como suporte caso seja necessário, soluções como CSFB e VOLGA para realização das chamadas de voz. Porém, essa solução ainda será em longo prazo.

 

Para alcançarmos o objetivo de ter VoLTE na quarta geração, abordaremos pontos importantes visando o entendimento da tecnologia. Abaixo, discorreremos sobre EPC e suas interfaces, características do rádio para perfeito funcionamento do VoLTE e a principal alteração na tecnologia para a existência do VoLTE, o IMS. Finalizaremos com uma demonstração de um procedimento para a chamada de voz.

 

EPC

 

O VoLTE é baseado no serviço telefônico de multimídia (MMTel), que é o serviço VoIP baseado em IMS. Dessa forma, iremos substituir a solução atual de chamada de voz, o CS.

 

Nas tecnologias anteriores (CS), o core era responsável pela mobilidade e conectividade de acesso do usuário e as funcionalidades do controle de chamada. Quando tratamos de VoLTE (PS), o domínio EPC é responsável pela mobilidade e conectividade enquanto o domínio IMS fornece o controle de chamadas (Poikselk¨a, Holma, Hongisto, Kallio, Toskala, 2012).

 

Os elementos existentes na EPC terão as seguintes funções para a existência do VoLTE (TAKAKI, BAZZO, 2012):

  • Servidor PCRF – responsável pelo controle direto dos recursos, ou seja, disponibilizar a qualidade do serviço de acordo com o perfil do usuário.
  • Servidor MME – responsável pelo controle das funções relacionadas ao gerenciamento de recursos de capacidade e de conexão.
  • Servidor S-GW – responsável pela mobilidade e retenção de informações quando o UE está em idle state.
  • Servidor P-GW – responsável pela alocação do endereço IP ao UE, garantia de QoS do serviço utilizado, e tarifação de acordo com regras do servidor PCRF. Além disso, controla o filtro dos pacotes de downlink do usuário de acordo com as regras de QoS para os recursos existentes.

 

Essas funções são específicas da rede EPC faltando ainda à arquitetura IMS responsável pelo controle de chamadas, que falaremos mais adiante. Sendo assim, segue abaixo a figura 5, que expõe a arquitetura básica para VoLTE baseado em IMS.

 

Figura 5: Arquitetura EPS para VoLTE

Fonte: Livro “VOICE OVER LTE, VoLTE”. Autor Miikka

 

Analisando a figura acima, identificamos as interfaces de EPC que são necessárias para o assinante VoLTE conectar a rede. Cada interface tem uma função que será essencial para o processo da chamada de voz:

  • Interface NAS, responsável pela conexão entre UE e MME.
  • Interface S1-MME, utilizada pela eNodeB para segurança, mobilidade e configuração da portadora de rádio.
  • Interface S1-U, entre eNodeB e S-GW.
  • Interface S6a, para obter informações de inscrição na HSS.
  • Interface S11, entre a MME e o S-GW, contém todas as funcionalidades das portadoras do Evolved Packet System (EPS), incluindo mobilidade e QoS.
  • Interface SGs/Sv, a interface SG é necessária para o CSFB e a SV é utilizada para o SR-VCC
  • Interface Gx, entre o P-GW e o PCRF (Policy and Charging Rules Function), utilizada para a política e controle do carregamento.
  • Interface SGI, interface baseada em IP do P-GW para o domínio IMS.

 

Assim sendo, o EPC e suas interfaces serão primordiais na funcionalidade do VoLTE, e juntamente com o sistema IMS proverão qualquer serviço hoje oferecido pela telefonia móvel, incluindo chamadas de voz e SMS, existentes na quarta geração,

 

Radio para VoLTE

 

Para o perfeito funcionamento do VoLTE o rádio do UE possui algumas características e funcionalidades específicas, que serão tratadas nessa sessão.

 

Portadoras LTE

 

O LTE utiliza o conceito de portadoras para o transporte de dados entre a UE e a rede. Essas portadoras possuem uma diferenciação de QoS, ou seja, são classificadas. Como exemplo podemos citar a portadora de sinalização IMS, que possui QCI (QoS Class Identifier) de 5. A portadora de voz utiliza uma portadora dedicada com o QCI de 1. Na figura 6, mostramos a portadoras.

 

Figura 6: Portadoras e QCI

Fonte: Livro “VOICE OVER LTE, VoLTE”. Autor Miikka

 

Mobilidade

 

O sistema LTE é projetado para suportar mobilidade total dentro do seu sistema e entre as outras tecnologias. A diferença entre as tecnologias antecessoras está na configuração plana do LTE. No GSM e UMTS utiliza-se uma estação controladora (BSC ou RNC) para gerenciar a mobilidade, enquanto no LTE a eNodeB gerencia essa função através das medições fornecidas pelos terminais.

 

Na figura 7 mostraremos um procedimento de handover intra-frequency.

 

Figura 7: Handover intra-frequency

Fonte: Livro “VOICE OVER LTE, VoLTE”. Autor Miikka

 

Primeiramente a UE está alocada na eNodeB fonte. Continuamente, ela realiza medições das células vizinhas e quando uma vizinha se torna forte o suficiente, a UE envia relatórios para a eNodB fonte, que analisa os dados e através das configurações definidas pela rede, julga a necessidade de handover. Ocorre uma comunicação entre a eNodeB fonte e a eNodeB destino através da interface X2. Na segunda etapa a eNodeB fonte envia um comando de handover para a UE. A eNodeB fonte começa a enviar pacotes de downlink para a eNodeB destino através da interface X2. Na terceira etapa a UE muda sua conexão para a eNodeB destino. Na última fase a eNodeB destino solicita a atualização da conexão que foi alterada da eNodeB fonte para a eNodeB destino (Poikselk¨a, Holma, Hongisto, Kallio, Toskala, 2012).

 

A ideia nessa mobilidade é fazer com que o handover ocorra o mais rápido possível com intuito de manter a conexão estável e só então, atualizar a rede.

 

Economia de energia

 

Sabemos que o consumo de energia é um dos grandes desafios para os smartphones. Um dos objetivos da nova geração é prover através da tecnologia a redução do gasto da energia. Sendo assim foi desenvolvida uma técnica de transmissão (DTX) e recepção (DRX) descontínua, para economizar energia.

 

A ideia principal é que a DRX da UE esteja apta para receber o canal de controle em determinados períodos. Um período da DRX quando móvel está em idle é normalmente na ordem de centenas de milissegundos ou até mais que um segundo. Quando o móvel está ativo, o período é geralmente 100ms. A partir daí criou o conceito de longa e curta DRX. Na curta DRX o móvel fica apto para receber informações mais vezes em um curto intervalo de tempo, porém caso nenhum dado seja recebido pelo móvel ele muda para o longa DRX, onde o móvel ficará apto para receber informações em menor quantidade, em um determinado tempo. Isso permite que o terminal economize mais sua bateria. A figura 8 retrata esse sistema para economia da bateria (Poikselk¨a, Holma, Hongisto, Kallio, Toskala, 2012).

 

Figura 8: Transmissão do rádio

Fonte: Livro “VOICE OVER LTE, VoLTE”. Autor Miikka

 

Vale ressaltar que esse recurso também pode ser utilizado quando o móvel estiver ativo, ou seja, durante uma ligação.

 

Há mais configurações específicas para o rádio para utilização do VoLTE. Podemos citar as soluções de posicionamentos existentes nos Releases 8, 9 e 10, ou, recursos do rádio, por exemplo um controle para reordenação dos pacotes, RLC UM (Radio Link Control Unacknowleged Mode), função essa que influencia diretamente na velocidade de tráfego dos dados (Poikselk¨a, Holma, Hongisto, Kallio, Toskala, 2012).

 

IMS

 

IMS (IP Multimedia Subsystem) é a principal mudança para a existência do VoLTE na quarta geração da telefonia e tem como função o controle de chamadas.

 

Originada pelo 3GPP, a IMS é uma arquitetura que possibilita a entrega dos serviços multimídias em IP, ou seja, uma plataforma de serviços capaz de suportar diversas aplicações multimídia IP, como por exemplo, vídeos compartilhados, Voice over IP, vídeo em streaming, jogos interativos, etc. Essas aplicações são fornecidas através da estrutura de servidores de aplicativos, bancos de dados dos assinantes e portais.

 

A IMS é uma rede com uma arquitetura de acesso independente do controle de serviço, que é baseada no protocolo IP, capaz de suportar vários tipos de serviços de multimídia para o usuário através da utilização de protocolos que se baseia na rede Internet all-IP. Os subsistemas IMS combinados com os sistemas da EPS (Envolved Packet Systems) e todas as funcionalidades dos UE, utilizam o protocolo SIP (Session Initiation Protocol) para fornecer suporte de conexão e tráfego de voz na rede. Na figura 9, constam os componentes básicos presentes nas redes LTE/EPC e no IMS que formam a arquitetura VoLTE.

 

Figura 9: Configuração da rede VoLTE

Fonte: www.cpqd.com.br/cadernosdetecnologia/Vol8_N2_jul_dez_2012/pdf/artigo3.pdf

 

O IMS é formado por gateways que são responsáveis pelo controle dos serviços. Os gateways S-CSCF (Serving-CSCF), P-CSCF (Proxy-CSCF), I-CSCF (Interrogation-CSCF) realizam a função controle de chamada (CSCF – Call Session Control Function). Através deles, os registros das mensagens SIP (Session Initiation Protocol) são disponibilizados nos servidores de aplicações e também são esses gateways que garantem a QoS dos serviços IMS. O AS (Application Server) funciona como um usuário que hospeda e executa os serviços multimídia IP (Takaki, Bazzo, 2012).

 

Processo para Chamada de Voz

 

Após conhecermos a rede VoLTE e suas características, abordaremos um passo a passo para o estabelecimento de uma chamada de voz.

 

A figura 10 demonstra o procedimento para a realização da chamada de voz no LTE:

 

Figura 10: Procedimento para chamada VoLTE

Fonte: www.cpqd.com.br/cadernosdetecnologia/Vol8_N2_jul_dez_2012/pdf/artigo3.pdf

 

Para demonstramos vamos considerar o usuário A, originador da chamada, e o usuário B, receptor da chamada. Ao iniciar uma chamada de voz, o UE do usuário A envia uma mensagem INVITE, que contém os indicadores do assinante LTE e os indicadores do assinante do terminal chamado do usuário B, além do seu codec. A mensagem então é enviada para o IMS através dos servidores P-CSCF, S-CSCF e AS.

 

Ao receber essa mensagem, a rede receptora responde enviando para o servidor P-CSCF uma mensagem 183 SESSION PROGRESS que contém a informação do codec do terminal chamado, usuário B. O servidor P-CSCF ao receber a mensagem de resposta, pede para o servidor PCRF, da rede LTE/EPC, para criar uma portadora para a mídia de voz. O PCRF, em conjunto com o P-GW e o S-GW, configura essa portadora utilizando um QoS apropriado. O P-CSCF então envia uma mensagem 183 SESSION PROGRESS para o usuário A que, por sua vez, compara as informações do codec a ser utilizado pelo usuário B e determina aquele que será usado por ele. Definido o codec, o usuário A notifica o usuário B, a respeito do codec a ser utilizado através de uma mensagem PRACK.

 

O usuário B envia então uma confirmação (mensagem 200 OK) para o usuário A, confirmando a notificação. Seguindo o fluxo, após a confirmação de ambos os terminais sobre a configuração da portadora de transmissão de voz, com o QoS apropriado, o usuário A envia o toque de chamada, sinalizando assim o usuário B sobre uma chamada recebida. Quando o usuário B responde à chamada, uma mensagem 200 OK é enviada para o usuário A, tendo então, a sessão de voz estabelecida entre os dois terminais (Takaki, Bazzo, 2012).