Voz para a rede LTE. Ricardo Takaki *, Juliano João Bazzo - PDF
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Mateus Diegues Bicalho
1 Ricardo Takaki *, Juliano João Bazzo A tecnologia LTE tem sido considerada uma tendência natural para a convergência dos sistemas de telefonia celular de segunda e terceira geração. Essa tecnologia, entretanto, vem sendo desenvolvida para o tráfego de dados de alta velocidade, deixando o tráfego de voz a cargo dos sistemas das gerações anteriores ou das redes baseadas nas tecnologias GSM/GPRS, CDMA e UMTS. Com base nesse cenário, o presente artigo tem por objetivo descrever arquiteturas que viabilizam a transmissão de voz na rede LTE. Palavras-chave: LTE. VoLTE. CSFB. VOLGA. Introdução A tecnologia LTE (Long Term Evolution) atualmente está em desenvolvimento e vem sendo padronizada pelo 3 rd Generation Partnership Project (3GPP). O LTE é orientado para transmissão de dados de alta velocidade, diferentemente das tecnologias GSM (Global System for Mobile Communications), GPRS (General Packet Radio Service) e UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), que são mais orientadas à voz, apesar de suportarem perfis de dados. Desta forma, quando se trata de tráfego de voz, o LTE pode oferecer esse serviço para o usuário final através dos subsistemas IMS (IP Multimedia Subsystems), pertencentes aos sistemas do núcleo da rede LTE chamados EPS (Evolved Packet Systems). Apesar de o IMS ser bem documentado e padronizado, ainda não foi totalmente testado em conjunto com os outros sistemas EPS os testes de interoperabilidade estão previstos para o segundo semestre de 2012 (3GPP, 2012). Além disso, apesar de já estarem disponíveis no mercado, os terminais LTE, denominados UE (User Equipment), não possuem um cliente IMS (BROWN, 2012) totalmente integrado. Deste modo, diversas alternativas foram propostas para que o LTE ofereça suporte a chamadas de voz na ausência do IMS no núcleo da rede LTE. Entre as alternativas estão o CSFB (Circuit Switch FallBack) (BROWN, 2012), que utiliza o sistema GSM ou UMTS como alternativa para a realização de chamadas de voz, e a proposta VOLGA ou Voice over LTE via Generic Access (SAUTER, 2009), que adota o princípio da utilização da rede Wi-Fi (Wireless Fidelity) para acesso às redes LTE e o consequente tráfego de voz (SAUTER, 2009). As propostas são baseadas no princípio de existência das redes GSM/UMTS ou Wi-Fi com Internet, considerando-se que ainda não houve a convergência total para a tecnologia LTE. Com a presença do IMS na EPS e com a convergência das redes móveis, a tecnologia VoLTE (Voice over LTE), que será explorada neste artigo, é uma das alternativas mais promissoras para o suporte de voz em redes LTE. Este artigo também apresenta uma visão geral das diferentes propostas de adição do suporte à voz para a rede LTE, enfatizando a proposta VoLTE tendência para o suporte desse serviço na tecnologia de quarta geração (4G) de telefonia móvel. O trabalho está organizado da seguinte forma: na Seção 1 são apresentadas as soluções para o tráfego de voz na rede LTE, destacandose as tecnologias que podem ser implantadas rapidamente nas redes comerciais; a Seção 2 mostra a solução VoLTE e seu impacto na rede baseada em IP do LTE, chamada EPC (Evolved Packet Core); e, ao final, são apresentadas as conclusões. 1 Soluções para voz sobre LTE 1.1 Arquitetura CSFB Os sistemas UMTS e GSM podem operar em dois domínios distintos: o PS (Packet Switching) para tráfego de dados e o CS (Circuit Switching) para tráfego de voz e serviços suplementares. Esses domínios foram padronizados pelo 3GPP e são largamente usados em redes de segunda e terceira geração. A funcionalidade CSFB (4G AMERICAS, 2012), descrita no padrão 3GPP Release 8 (R8) (4G AMERICAS, 2009), tem como proposta o aproveitamento da infraestrutura oferecida pelo domínio CS das redes de gerações anteriores, para incluir suporte a voz e serviços suplementares nas redes LTE. Essa funcionalidade permite que um UE pertencente ao domínio EPS utilize os serviços do domínio CS. A Figura 1 apresenta os elementos que são utilizados na arquitetura CSFB para a realização de chamadas de voz entre as redes LTE, 3G e PSTN (Public Switched Telephone Network). Na Figura 1, quando o UE deseja realizar uma chamada de voz com o terminal MME (Mobility Management Entity): a) o UE envia uma requisição para a *Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 8, n. 2, p , jul./dez. 2012
2 entidade pertencente à rede LTE (MME), informando que gostaria de utilizar a rede 3G para o serviço; b) o MME, por sua vez, envia a requisição para a entidade MSC (Mobile Switching Center), responsável pelo controle e pelo roteamento das chamadas de voz na rede 3G; c) a seguir, a rede 3G faz a conexão de voz entre os terminais e passa a controlar a chamada desses terminais. Nesse contexto, a rede LTE é responsável apenas pela conexão de dados entre os terminais. Os servidores HLR (Home Location Register) e HSS (Home Subscriber Service) são responsáveis pelo registro e pelo controle das informações de cada dispositivo móvel pertencente às redes GSM, UMTS e LTE. Os servidores S-GW (Serving Gateway) e P-GW (Packet Data Network Gateway) são utilizados, respectivamente, para transferência dos dados IP dos dispositivos móveis pertencentes à rede LTE e alocação de endereços IP para os dispositivos móveis da rede LTE. O servidor VANC é responsável pelo controle de tráfego de dados e pela sinalização de controle entre os servidores das diversas redes às quais ele está conectado. Quando um dispositivo móvel LTE deseja comunicar-se com um dispositivo de outra rede UMTS ou GSM, tanto a sinalização de controle como o tráfego de dados são encaminhados através do servidor VANC para as respectivas redes utilizadas. 1.3 Arquitetura VoLTE Figura 1 Arquitetura CSFB (4G AMERICAS, 2012) 1.2 Arquitetura VOLGA A arquitetura VOLGA (SAUTER, 2009) é uma proposta que utiliza terminais móveis, que, por sua vez, trabalham em dois modos de operação: Wi-Fi e LTE. Quando esses dispositivos duais detectam a disponibilidade de uma rede Wi-Fi, por exemplo, eles utilizam essa conexão para se registrar na rede EPC/LTE, através do gateway VANC (VoLGA Access Network Controller). Do ponto de vista de um dispositivo móvel, não existe muita diferença entre os dois métodos de acesso, pois ambas as redes são baseadas em IP. A Figura 2 mostra uma configuração básica de utilização da arquitetura VOLGA, na qual as redes GSM, UMTS e LTE se intercomunicam através do servidor VANC. Na Figura 2, os servidores GSM-MSC, UMTS- MSC e MME são responsáveis pelo controle de chamadas e serviços relativos às redes GSM, UMTS e LTE, respectivamente. De acordo com Brown (2012), a arquitetura VoLTE pretende substituir as estratégias que utilizam as redes Wi-Fi (VOLGA) e 2G/3G (CSFB) para a realização de chamadas de voz. Esse arranjo utiliza a infraestrutura totalmente baseada em IP para a realização de chamadas de voz. O conjunto de serviços que define o VoLTE foi definido pelo documento IR.92 (GSMA, 2010), criado pelo grupo The GSM Association (GSMA). A tendência de migração dos serviços de voz da arquitetura comutada UMTS/GSM para a arquitetura de pacotes LTE/EPC é mostrada na Figura 3. Figura 3 Migração do serviço de voz Figura 2 Configuração básica da arquitetura VOLGA (SAUTER, 2009) De acordo com a Figura 3, as soluções que devem ser utilizadas em curto prazo para o suporte do serviço de voz na rede LTE são VOLGA e CSFB, uma vez que utilizam os recursos e arquiteturas existentes atualmente, a saber, as redes Wi-Fi e Internet para o VOLGA e as redes GSM/UMTS para o CSFB. A solução a ser utilizada em longo prazo tende para a arquitetura VoLTE. 28 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 8, n. 2, p , jul./dez. 2012
3 2 Arquitetura VoLTE na EPC/LTE O VoLTE tem por objetivo entregar serviços de mídia de alta qualidade, tais como voz e vídeo. Chamadas de voz no VoLTE podem utilizar codecs de banda larga, além de suportar serviços de voz com gerenciamento de mobilidade, recursos e sessão na rede. Os dispositivos móveis devem possuir sistemas operacionais com suporte para a tecnologia VoLTE, bem como ser capazes de embarcar a pilha IMS (TANAKA; KOSHIMIZU, 2012). Os elementos da interface do usuário relacionados aos serviços de Rich Media Video and Messaging devem também possuir processadores otimizados para VoLTE. Os dispositivos que realizam chamadas de voz com VoLTE requerem mudanças na EPC e suporte ao serviço IMS. A rede núcleo deve ter a capacidade de reservar recursos suficientes para as chamadas que utilizam mecanismos de QoS (Quality of Service), por meio da definição de configurações lógicas específicas com taxa de bit e atributos de perda de pacote e atraso descritos por valores de QCI (QoS Class Indicator) para as chamadas, além do protocolo SIP (Session Initiation Protocol). Segundo Palat e Godin (2009), a tecnologia VoLTE não possui canais de voz dedicados, sendo que a voz é transportada através de um canal Mobile IP priorizado ou de um canal CS, tal como o utilizado na arquitetura CSFB. Na arquitetura 4G, a tecnologia VoLTE utiliza os seguintes elementos da EPC: a) servidor PCRF (Policy and Charging Rules Function), responsável pelo controle direto dos recursos, isto é, a qualidade de serviço de acordo com o perfil do usuário; b) servidor MME (AT&T et al., 2009), que controla funções relacionadas ao gerenciamento dos recursos de capacidade e de conexões; c) servidor S-GW (AT&T et al., 2009), que serve como uma âncora de mobilidade local para os recursos de dados quando um UE se move entre os enbs (Evolved Node Bs). O S-GW é também responsável pela retenção da informação sobre os recursos quando os UE estão em idle state; d) servidor P-GW (AT&T et al., 2009) responsável pela alocação do endereço IP para o UE, bem como pela execução de QoS e pela tarifação de acordo com as regras do servidor PCRF. O P-GW é responsável também pela filtragem dos pacotes IP de downlink do usuário de acordo com as diversas regras de QoS para os recursos existentes. 2.1 IMS A arquitetura VoLTE utiliza um importante conjunto de serviços definido como IMS ou IP Multimedia Subsystem. A especificação One Voice: Voice over IMS profile (AT&T et al., 2009), produzida em conjunto por diferentes empresas, define a rede IMS como uma arquitetura de acesso independente de controle de serviço e conectividade, baseada no padrão IP, que habilita vários tipos de serviço de multimídia para usuários finais, através da utilização de protocolos baseados na rede Internet all-ip. O subsistema IMS juntamente com os outros sistemas da EPS e funcionalidades dos terminais UE utilizam o protocolo SIP para que haja suporte de conexão e tráfego de voz na rede LTE. A Figura 4 mostra os componentes básicos existentes nas redes LTE/EPC e no IMS que formam a arquitetura VoLTE. De acordo com Kinder (2006), o IMS é formado basicamente por um conjunto de gateways responsáveis pelo controle de serviços. O conjunto de gateways S-CSCF (Serving-CSCF), P-CSCF (Proxy-CSCF) e I-CSCF (Interrogating-CSCF) realiza a função Figura 4 Configuração de rede VoLTE (TANAKA; KOSHIMIZU, 2012) Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 8, n. 2, p , jul./dez
4 CSCF (Call Session Control Function) que, por sua vez, disponibiliza o registro das mensagens SIP nos servidores de aplicações. Esses gateways também garantem a QoS de todos os serviços do IMS. O servidor AS (Application Server) funciona como um usuário nativo da aplicação que hospeda e executa os serviços multimídia IP baseados no protocolo SIP. Na arquitetura VOLGA, apresentada na Figura 2, o terminal UE especifica os codecs a serem utilizados na chamada de voz. A rede LTE/EPC configura as especificações de capacidade de acordo com o tipo de tráfego a ser utilizado pelo terminal UE. O IMS aciona os diferentes serviços para a realização do tráfego de voz. 2.2 Sinalização SIP na arquitetura VoLTE Um exemplo de chamada de voz na rede LTE/EPC/IMS é mostrado na Figura 5. Ao iniciar uma chamada de voz, o UE envia uma mensagem INVITE, contendo os seus indicadores e os indicadores do terminal chamado, além do seu codec. A mensagem é enviada para o IMS chamado através dos servidores P-CSCF, S-CSCF e AS. A rede receptora responde à mensagem INVITE através da mensagem 183 SESSION PROGRESS enviada para o servidor P-CSCF, contendo a informação do codec do terminal chamado. O servidor P-CSCF, por sua vez, pede para o servidor PCRF, da rede LTE/EPC, criar uma portadora (bearer) para a mídia de voz. O PCRF, em conjunto com o P-GW e o S-GW, configura a bearer para a transmissão de voz utilizando um QoS apropriado. O P-CSCF envia uma mensagem 183 SESSION PROGRESS para o terminal originador que, por sua vez, compara as informações do codec a ser utilizado pelo terminal receptor e determina aquele que este utilizará. Esse terminal notifica o terminal chamado do codec a ser utilizado através da mensagem PRACK, e o terminal chamado envia uma mensagem 200 OK para o terminal originador, confirmando a notificação. Seguindo o fluxo, após a confirmação dos terminais originador e chamador sobre a configuração da bearer de transmissão de voz, com o QoS apropriado, o terminal chamado inicia o toque de chamada, informando assim o usuário sobre uma chamada recebida. Quando o usuário do terminal chamado responde à chamada, uma mensagem 200 OK é enviada para o terminal originador, e a sessão de voz é estabelecida entre os dois terminais. 2.3 Considerações sobre as arquiteturas CSFB, VOLGA e VoLTE De acordo com Alcatel-Lucent (2009), a arquitetura CSFB é uma solução relativamente simples que reutiliza o acesso GSM/UMTS para tráfego de voz em redes LTE. Essa arquitetura, porém, não se beneficia da eficiência operacional da rede LTE e, além disso, os usuários podem encontrar atrasos adicionais associados ao processo de estabelecimento das chamadas. Figura 5 Chamada VoLTE em uma rede LTE/EPC (TANAKA; KOSHIMIZU, 2012) 30 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 8, n. 2, p , jul./dez. 2012
5 A arquitetura VOLGA, segundo Alcatel-Lucent (2009), aproveita o acesso PS da rede LTE, eliminando a necessidade de se utilizar a rede legada GSM/UMTS para o tráfego de voz. Além disso, ao utilizar o acesso LTE, o VOLGA pode utilizar os serviços de voz e dados de forma concorrente, fornecendo os benefícios de uma arquitetura IP plana. Entretanto, uma vez que essa arquitetura não utiliza o subsistema IMS, a arquitetura VOLGA, por sua vez, não utiliza todos os benefícios de uma rede all-ip. Ainda segundo Alcatel-Lucent (2009), a arquitetura VoLTE utiliza o subsistema IMS e a rede LTE/EPC e não necessita da rede legada GSM/UMTS para o transporte do tráfego de voz. Essa arquitetura suporta o transporte dos serviços de voz, dados e multimídia avançados, bem como utiliza integralmente os benefícios de uma rede totalmente IP. Conclusão Em decorrência de os sistemas LTE/EPC serem voltados para o tráfego de dados, e o tráfego de voz ser essencial para os usuários finais, houve a necessidade de se desenvolver novas formas de trafegar voz na rede LTE. Assim, algumas propostas foram divulgadas para este fim, tais como: o CSFB, que utiliza a rede de telecomunicação GSM/UMTS para o tráfego de voz e a rede LTE para o tráfego de dados; e o VOLGA, que utiliza a Internet para o tráfego de voz. Essas propostas devem ser soluções temporárias para as redes LTE, uma vez que, com o amadurecimento dos serviços IMS e também com a tendência da convergência dos sistemas móveis para a tecnologia LTE, a arquitetura VoLTE com IMS tende a ser a solução adotada para o suporte à voz nas redes 4G. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio dado a este trabalho, desenvolvido no âmbito do Projeto RASFA Redes de Acesso Sem Fio Avançadas, que conta com recursos do Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações (FUNTTEL), do Ministério das Comunicações, através do convênio n o com a Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP). Referências 3 rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT. 3GPP GROUP. RCS and VoLTE Interoperability. October Disponível em: <http://www.3gpp.org/rcs-and-volte- Interoperability>. Acesso em: 26 set. 4G AMERICAS. 4G Mobile Broadband Evolution: 3GPP Release 10 and Beyond HSPA+, SAE/LTE and LTE Advanced, January 2012 update. Disponível em: <http://www.4gamericas.org/documents/4g %20Americas_3GPP_Rel-10_Beyond_January %202012%20Update.pdf>. Acesso em: 01 ago.. Release 8 and Beyond, HSPA+, SAE/LTE and LTE-Advanced, February G Americas White Papers. Disponível em: <http://4gamericas.org/documents/3gpp_rel- 8_Beyond_02_12_09.pdf>. Acesso em: 01 ago. ALCATEL-LUCENT. Options for Providing Voice over LTE and Their Impact on the GSM/UMTS Network, White paper. Disponível em: <http://www.alcatellucent.com/wps/portal/whitepapers? lu_lang_code=pt>. Acesso em: 02 out. AT&T et al. One Voice Voice over IMS profile V1.0.0, November Disponível em: <http://www.ericsson.com/res/thecompany/docs/j ournal_conference_papers/other_tech_papers/voi ce_over_ims_profile.pdf>. Acesso em: 14 ago. BROWN, G. Alcatel-Lucent. Examining the case for VoLTE & Rich Media Communications, Heavy Reading, January White paper. Disponível em:. <http://www.ericsson.com/res/docs/2012/hr_vol TE_WP_Final.pdf>. Acesso em: 31 maio GLOBAL SYSTEM FOR MOBILE ASSOCIATION (GSMA). PRD IR.92: IMS Profile for Voice and SMS, 1.0, March Disponível em <http://www.gsma.com/newsroom/wpcontent/uploads/2012/06/ir9210.pdf>. Acesso em: 20 ago. KINDER, N. Sonus Networks. IMS IP Multimedia Subsystem: IMS Overview and the Unified Carrier Network. IEC Newsletter, September 2006, v. 2. Disponível em: <http://www.iec.org/newsletter/sept06_2/analyst_ corner.pdf>. Acesso em: 16 ago. PALAT, S.; GODIN, P. Alcatel-Lucent. The LTE Network Architecture, a comprehensive tutorial, Disponível em: <http://www.alcatellucent.com/wps/portal/whitepapers? lu_lang_code=pt>. Acesso em: 14 ago. SAUTER, M. Voice over LTE via Generic Access (VOLGA). White paper, August Disponível em: <http://cm-networks.de/volga-awhitepaper.pdf>. Acesso em: 26 set. TANAKA, I.; KOSHIMIZU, T. Overview of GSMA VoLTE profile. Core Network Development Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 8, n. 2, p , jul./dez
6 Department. NTT DOCOMO Technical Journal, v.13, n. 4, Disponível em: <http://www.nttdocomo.co.jp/english/binary/pdf/co rporate/technology/rd/technical_journal/bn/vol13_ 4/vol13_4_045en.pdf>. Acesso em: 15 ago. Abstract The LTE or Long Term Evolution has been considered a natural tendency for the 2nd and 3rd generations convergence of mobile telephone systems. This technology, however, has been designed for data traffic at high speed leaving voice traffic to remain over the 2G/3G or over wireless Wi-Fi based networks. This article describes the system architectures that enable voice transmission over LTE network. Key words: LTE. VoLTE. CSFB. VOLGA. 32 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 8, n. 2, p , jul./dez. 2012
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