Den komplexa frågan om LTE kan använda paketförmedlade data för att överföra tal diskuteras häftigt för närvarande. Meik Kottkamp, advanced technology manager för avancerad LTE/LTE inom Rohde & Schwarz strategiska marknadsgrupp, beskriver här förutsättningarna för taltrafik över LTE.

Det första kommersiella LTE-nätet lanserades i Sverige 2009. Nu finns det kommersiella LTE-tjänster i 26 nät i 18 länder över hela världen, inklusive USA, Asien och Europa.
Den nya LTE-tekniken kan ge datahastigheter upp till 100 Mbit/s. Den förbättrar avsevärt prestanda i befintliga mobila radionät, även om dataöverföringshastigheter som uppnås i praktiken är mycket lägre än de 100 Mbit/s som kan nås under idealiska förhållanden. Med andra ord måste LTE fortfarande kunna bevisa sina överlägsna prestanda i tungt belastade scenarier. Men stora aktörer inom branschen är redan idag övertygade om att LTE kommer att främja en ökad mobil Internet-användning.
Dock kretsar en häftig debatt för närvarande kring den komplexa frågan om LTE kan använda paketförmedlade data för att överföra tal, som tidigare varit nästan uteslutande har nyttjat kretskopplade nät för mobila applikationer. Man kan dock inte ignorera slutanvändarnas förväntningar på bra talkvalitet oavsett var de än är, efter mer än 20 års drift av GSM-nät.
Hur kommer mottagningen av talad information att genomföras i LTE, och hur kan man se till att de funktioner och den kvalitet som byggts in under utvecklingsfasen förblir tydliga under verklig nätdrift? I denna här artikel belyser vi båda frågorna.

Från SV-LTE och CSFB till Volte
Att med acceptabel kvalitet sända tal över LTE kräver rätta mekanismer och strukturer i såväl radio som kärnnät. Detta påverkar både LTE-nät och vanliga 2G-och 3G-nät, eftersom man inte kan anta att universella LTE täckning kommer att finnas tillgängliga direkt.
En annan faktor är rörligheten hos talabonnenter, för röstsamtal som inleds inom LTE-täckning får inte tappas när abonnenten flyttar ut ur LTE-täckning i en befintlig 2G eller 3G-nät.

Talöverföring via LTE
Voice over LTE har utformats med förutsättningen att IP Multimedia Subsystem (IMS) finns tillgängligt. Den kompletta lösningen för multimediatilämpningar består av IMS-stöd i användarens utrustning (UE), IP-anslutning accessnätet (IP-CAN) och särskilda IMS-funktioner i stomnätet.
IMS bygger så mycket som möjligt på standard IETF-protokoll. IMS referensarkitektur, som anges i 3GPP TS 23,228 och som inbegriper gränssnitt till befintliga nätverk och andra IP-baserade multimedia-system, visar tydligt systemets flexibilitet och komplexitet. Med detta system kan alla multimediaprogram kombineras och användas i en mobil miljö.

Fig 1. Förenklat blockschema för den IMS-arkitektur som behövs för talöverföring.

Men taltmottagningen kräver dock bara en delmängd av de funktioner och den funktionella enheter som finns i LTE, enligt fig 1. En LTE UE måste registreras mot IMS-systemet innan ett röstsamtal kan sättas upp. LTE-systemet använder olika "bärare" för signalering och för tal-data. Signaleringsbärarna har mycket låga förlustförhållanden och de säkerställer därmed att styrkommandona säkert tas emot av UE. Röstbärare, å andra sidan, har både en låg latens (fördröjning) och lågt varierande latens för att ge bra talkvalitet.
Session Initiation Protocol (SIP) används för signalering, medan röstpaket skickas med Realtime Transport Protocol (RTP). Med specialiserade algoritmer fördelas paketen så att de speciella kraven för talöverföring uppfylls i IMS. Ett exempel är semi-persistent schemaläggning (SPS). Denna ger en nästan statisk fördelning av frekvens- och tidsresurser på radiogränssnitt. Observera att LTE-systemet överför tal- och datatjänster samtidigt via samma radiokanal.
För att minska risken för IMS-system genomförs på olika sätt har initiativ tagits för att begränsa det omfattande IMS-systemet så att  bara de funktioner som behövs för röstmottagningen, inklusive allmän roaming (dvs användning utanför hemmet nätverk) används. Se fig 1.
I detta sammanhang under 2009 publicerade One Voice initiativet en IMS-profil  som Global System for Mobile Communications Association (GSMA) sedan i februari 2010 införlivade i Voice over LTE (Volte) -initiativet. Man kan förutsätta att IMS, liksom LTE inte kommer att ha full täckning från dag ett.
Men när det är möjligt kommer en UE alltid bara att använda ett luftgränssnitt vid överlämningen (handover) till befintliga nät. Procedurerna i nätverket och på UE-sidan kallas single radio voice call continuity, SRVCC. Med denna funktion styr IMS-system överlämnandet av telefonitjänster och alla datatjänster körs parallellt från paketförmedlad (PS) domän inom LTE-systemet till CS domänen i 3G-nätet (för tal) eller till PS domän av 3G-nätet (för data).

Alternativ till IMS
IMS specificerades för många år sedan och har kontinuerligt utökats till att omfatta ytterligare funktioner, trots att den har införts i bara ett fåtal mobila nät. Det är därför man har sökt alternativa lösningar. Några av dem har nyligen implementerats:
* SV-LTE = samtidigt tal och LTE, med tal över befintliga 2G/3G nätverk och data över LTE.
* CSFB = CS reservsystem, som avslutar signalsystemets anslutning i LTE och sätter upp sin taluppkoppling via 2G/3G nätverk.
En UE bygger på att SV-LTE använder två oberoende-gränssnitt som kan användas samtidigt för olika tjänster. Tal överförs via 2G/3G och LTE används enbart för dataöverföring.
Dock använder denna enkla lösning mer effekt vilket därmed negativt påverkar batteritiden. UE, utrustade på detta sätt, är också dyrare att tillverka. Denna lösning är redan i kommersiell användning i USA och stöds av tillgängliga UE.

Fig 2. Data- och signaleringskanaler, före och efter CSFB-förfarandet.

CSFB-lösningen, å andra sidan, undviker samtidig användning av två luftgränssnitt. Om en LTE UE är i en LTE cell, och antingen får eller initierar ett samtal, kommer samtalet att sättas upp genom en 2G eller 3G-nät och inte via LTE.
Det förutsätter att det finns 2G och 3G-nät överallt där det finns LTE täckning. Om så inte är fallet kommer samtalet antingen att vidarebefordras till röstbrevlådan eller, i första hand, inte att sättas upp. Fördelen är uppenbar. Användarna får den talkvalitet som de numera förväntar sig av GSM-näten, och ingen LTE-nätkapacitet används för röstsamtal.
Men processen tar flera sekunder längre tid att utföra, eftersom den befintliga signalering för anslutningen först måste avslutas inom LTE och taltelefonitjänsten sedan åter sätts upp i 2G/3G-nätet. Dessutom kan en befintlig datatjänst inte fortsätta parallellt med taltjänster när samtalet sätts upp. Återgången till ett 3G-nät, UMTS eller CDMA2000, gör det möjligt att fortsätta att stödja datatjänsten genom en överlämning till detta nätverk. Detta alternativ är dock inte möjligt för överlämning till 2G (GSM) på grund av att dual mode (DTM), som tillåter data-och talöverföring parallellt, inte görs i kommersiellt tillgängliga GSM-UES.
Fig 2 visar det nätverk som berörs samt signal-och datasamtal före och efter det att CSFB-proceduren triggas av av ett inkommande samtal.
Det finns flera varianter av CSFB. Till exempel skiljer man på frikopplingen av RRC-återanslutningen och på omdirigering och PS-handover. Av dessa anses handover vara mer tillförlitlig. Med handover tar UE emot dedikerade signaler som visar vilken cell den skall accessa i ett 2G- eller 3G-system.
Så frikopplas inte RRC-återanslutningen. Här väljer UE den nya cellen självständigt, exempelvis på samma sätt som den skulle ha gjort efter körning genom en tunnel. Innan samtalet upprättas, måste mätningar göras och relevant tillgång till information måste avkodas från broadcast-kanalen.
Detta är den största orsaken till ytterligare fördröjningar under samtalets etablering. Det är dock möjligt att påskynda CSFB, som bygger på RRC återuppkoppling, genom att sända alla den nödvändiga access-information till UE via LTE-nätet, redan före övergången till 2G/3G nätverk.
I industriella tillämpningar är den utveckling som visas i fig 3 som ett sätt till att införa talöverföring i LTE-nät. CSFB anses kräva minst antal funktioner för att säkerställa tillräcklig ljudkvalitet, även vid roaming. På medellång till lång sikt gynnas dock Volte, som bygger på IMS.
I februari 2011 gav branschorganisationen Next Generation Mobile Networks (NGMN) ut en rekommendation om detta. Som redan nämnts är dock SV-LTE redan genomförts i kommersiella LTE-nätverk.

Röst i själva nätdriften
En serie tester behövs i labbet för att säkerställa att de funktioner och de prestanda som utformats i de olika lösningarna  fortfarande är tillgängliga under nätets användning i praktiken. Testuppställningen i fig 4 kan användas. Testinstrumentet, i detta fall R&S CMW500 från Rohde & Schwarz, simulerar alla mobilnätfunktioner som testet kräver. Förutom LTE omfattar detta olika 2a och 3e generationens mobila radio-teknik, inklusive GSM, UMTS och CDMA2000.
Om CSFB testas, kan hela proceduren återges för exempelvis en återgång till UMTS. I detta fall sätter testinstrument först upp en anslutning för LTE-signalering till UE. Ett inkommande samtal initieras sedan och UE instrueras att kopplas tillbaka till 3G. UE sätter upp signalerings- och talkanalen i det 3G-nät som simuleras av testinstrument. All information som utbyts mellan testinstrument och UE på de olika signal-lagren (fysiska lagret, Medium Access Control (MAC), radiolänk kontroll (RLC), och radio resurs kontroll (RRC) skikt) kan loggas i sin helhet. Detta gör det möjligt att kontrollera att UE fungerar korrekt, och varje tillämpning fel kan upptäckas och elimineras.

Fig 3. Utvecklingsväg för att införa taltrafik i LTE-nät.

För att testa Voice over LTE (Volte) kan IMS-funktionerna dessutom genomföras på en dator som styr testinstrument liksom testets arbetsflöde. Återigen måste en korrekt funktion av relevanta förfaranden, såsom SIP-registrering eller undersökningsförfarande enligt P-CSCF, verifieras i UE. Och precis som man gör för lager 2 och 3 (MAC till RRC) protokoll, kan varje meddelande också loggas och analyseras för IMS (IP) lager. Fig 4 visar en lämplig testuppkoppling.
När UE-funktion är säkerställd, är nästa steg att bedöma ljudkvalitet. I LTE-systemet är talöverföring uteslutande paketförmedlande. De analoga talsignaler är digitaliserade, paketerade, överförda via LTE radiogränssnitt, omvandlade till analoga talsignaler på mottagningssidan och går sedan till högtalaren.

Fig 4. Testuppsättning för att kontrollera funktionerna i olika lösningar för talöverföring via LTE.

Röstkvalitet påverkas alltså inte bara av den teknik som används på luftgränssnitt, utan även av den tal-codec som används samt av mikrofonen och högtalaren. Metoden perceptuell utvärdering av tal-kvalitet (PESQ) används för att utvärdera hela överföringskedjan. PESQ bygger på att referenssignaler utvecklats från ett stort antal röst-prover i en mängd olika språk. R&S UPV från Rohde & Schwarz är ett utmärkt verktyg för denna testuppgift. Instrumentet genererar de önskade referenssignalerna och jämför dem med mottagna talsignaler. PESQ-metoden tillåter en kvantitativ bedömning med resultat som sträcker sig från -0,5 (dåligt) till 4,5 (mycket bra).

LTE kommer starkt
LTE-teknik har redan skrivit sin första framgångssaga med sin effektiva överföring av data i ett mobilt radionät. Talet överförs via befintliga 2G-och 3G-nät, trots att LTE redan innehåller den teknik som behövs för att överföra tal. Testutrustning för kontroll av Voice over LTE är tillgänglig nu, även om den kommersiella introduktionen av Volte inte inträder förrän 2012 eller ännu senare, beroende på individuella mobiloperatörers strategier.
Meik Kottkamp, advanced technology manager för avancerad LTE/LTE inom Rohde & Schwarz strategiska marknadsgrupp

Filed under: Radimat