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Voix sur LTE (VoLTE)Impacts sur laccs LTE

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1 Introduction

LIMS (IP Multimedia Subsystem) existe en tant quarchitecture pour offrir des servicesmultimdia sur IP depuis un certain nombre dannes et de nombreux fournisseursdinfrastructures ont investi de manire importante dans le dveloppement de leurs produitset solutions IMS. Mais lacceptation du march a t plus lente que prvue. A prsent, latechnologie daccs LTE (Long Term Evolution) prenant forme, la plate-forme IMS a unnouveau domaine dapplication qui lui permettra de se projeter dans le futur : La VoLTE(Voice over LTE) dcrite dans la recommandation IR.92 de la GSMA. Le but de la VoLTE estdmuler via larchitecture IMS les services du domaine circuit, savoir, la voix et sesservices complmentaires, la visiophonie, le service SMS et les services USSD. Le but de cetutoriel est de prsenter larchitecture VoLTE, i.e., lIMS en considrant lEPS (EvolvedPacket System) comme rseau d'accs large bande. L'EPS est constitu du rseau daccsLTE et du rseau coeur paquet appel ePC (Evolved Packet Core). LEPS est un rseaudaccs large bande connect au monde IP (Internet / Intranet).Ce tutoriel met lemphase en particulier sur limpact de la VoLTE sur le rseau daccs EPS.

2 Architecture EPS/IMS

Le rseau EPS est un rseau tout IP. Pour un ingnieur IP, lEPS reprsente un accs largebande Internet/Intranets au mme titre quADSL, FTTH, etc.Pour un ingnieur mobile, lEPS consiste en un rseau daccs et un rseau curuniquement paquet. Le rseau daccs sappelle LTE ou eUTRAN. En 2G il sappelle BSS(Base Station Subsystem) et en 3G, on le nomme UTRAN. Le rseau cur sappelle ePC(Evolved Packet Core). Avec lEPS, tous les services doivent tre offerts sur IP. LEPS nefournit quune connecitivit haut dbit avec un niveau de QoS, avec mobilit au monde IP.Les services IP sont offerts par une plate-forme de services dans le monde IP telle que cellede lIMS.La figure 1 dcrit larchitecture EPS avec son accs LTE et son cur de rseau ePC. Lesentits sont : LeNodeB est responsable de la transmission et de la rception radio avec lUE. A la

diffrence de lUTRAN 3G o sont prsentes les entits Node B et RNC, larchitecture E-UTRAN ne prsente que des eNodeB. Les fonctions supportes par le RNC ont trparties entre leNodeB et les entits du rseau cur MME/Serving GW. LeNodeBdispose dune interface S1 avec le rseau cur. Linterface S1 consiste en S1-C (S1-Contrle) entre leNodeB et le MME et S1-U (S1-Usager) entre leNodeB et le ServingGW.

Le MME (Mobility Management Entity) est le nud responsable du contrle dans lerseau EPC (Evolved Packet Core). Il est responsable de lenregistrement des mobiles,de leur authentification, de leur joignabilit lorsqu ils sont dans l tat de repos (incluantpaging). de la slection du Serving GW et du PDN GW. Cest au MME de slectionner leServing GW et le PDN GW qui serviront mettre en uvre le Default Bearer (le canal decommunication permanent) au moment du rattachement du mobile au rseau.

Le SGW (Serving GW, passerelle de service) route les paquets sortants de l usager auPDN GW et achemine les paquets entrants l usager via le rseau d accs. Il ralise


par ailleurs les fonctions d interception lgale et de comptabilit par usager pour lataxation inter-oprateurs.

Le PGW (PDN GW, passerelle PDN) fournit la connectivit vers les rseaux externes telsque Internet et Intranets. Il ralise les procdures d allocation dadresse IP au mobile,d interception lgale ainsi que de contrle (gating, QoS control) et de taxation des flux deservice montants et descendants.

Le HSS (Home Subscriber Server) est la base de donnes contenant les donnes desouscription de l usager EPS. L interface au HSS est S6 base sur le protocoleDIAMETER.

L EIR (Equipment Identity Register) est la base de donnes comportant les informationsde scurit relatives un mobile. C'est partir de cet quipement qu'un oprateur peutbloquer un mobile vol.

Le PCRF (Policy and Charging Rules Function) fournit les rgles de contrle et detaxation des flux IP au PDN GW afin que ce dernier puisse raliser leblocage/lautorisation/la dgradation des flux de service IP et la taxation de ces flux.

L'entit PCEF dispose d'une interface de taxation avec l'OCS (l'Online Charging System)pour la taxation online des flux de services IP consomms par l'usager et une interfaceavec l'OFCS (Offline Charging System) pour la taxation offline des flux de services IP del'usager. Le PCEF obtient des crdit de l'OCS et soumet des tickets de taxation l'OFCS.

Figure 1 : Architecture EPS

L IMS est une architecture tout IP indpendante de l accs. L IMS dispose des interfacesDIAMETER suivantes (Figure 2): Cx permettant l accs au profil de l usager IMS dans le HSS, Sh assurant aux applications IMS d accder aux donnes de service pouvant trestockes dans le HSS, Rx permettant l IMS de demander au PCRF le contrle des ressources l accs. Ainsipour chaque appel voix ou visiophonie, l IMS demande au PCRF la rservation d uneressource (dedicated bearer) dans l EPS pour garantir la qualit de service des fluxaudio/visio. Le dedicated bearer est une ressource tablie entre l UE et le PDN GW.

LTE : Long Term EvolutionePC : Evolved Packet Core GW : GatewayMME : Mobility Management EntityPCRF : Policy and Charging Rules FunctionPDN : Packet Data Network HSS : Home Subscriber ServerEIR : Equipment Identity RegisterIMS : IP Multimedia SubsystemPCEF : Policy and Charging Enforcement FunctionOCS : Online Charging SystemOFCS : Offline Charging System

Serving GW

Rseau IP

UE eNode B

Rseau IP

PDN GW

MME

LTEePC

HSS

PCRF

Plan de contrlePlan usager

S1-C

S1-U

S6a

Gx

S11S5

Interface DIAMETER

PCEFRseau IP

S13

EIR

OCS OFCSGy Gz

SPR


Ro permettant linteraction entre IMS et l OCS pour la taxation online des services IMS, Rf assurant linteraction entre lIMS et l OFCS pour la taxation offline des services IMS.

Figure 2 : EPS et IMS

Lors de son rattachement au rseau EPS, le futur client EPS disposera dune connectivitpermanente appele default bearer. Cette connectivit lui permettra daccder Internet.LAPN (Access Point Name) est Internet. Il sagit du premier play.Le second play permet au client daccder aux services de la tlphonie via lIMS (servicesdu domaine circuit incluant la voix, la visiophonie, le service SMS et les services USSD). Uneseconde connectivit permanente associe un APN ims est donc ncessaire pour letransport des messages SIP pour invoquer les services de lIMS comme la tlphonie. Laconnectivit pour laccs aux services de lInternet et la connectivit pour laccs auxservices de lIMS se diffrencient par leurs QoS. La QoS pour IMS a une QCI (QoS ClassIdentifier) gale 5 alors que celle pour lInternet peut disposer dune QCI gale 6, 8 ou 9.Par ailleurs le contrle et la taxation des flux sur ces deux bearers sont diffrents.Le default bearer SIP/IMS ne permet que le transport des messages SIP changs entrelUE et le P-CSCF et des messages XCAP changs entre lUE et le TAS (TelephonyApplication Server). XCAP (XML Configuration Application Protocol) est un protocole deconfiguration de service. Tout autre trafic sera rejet. Ce trafic ne sera pas payant.Le default bearer Internet permet le transport de diffrents flux vers des applications delInternet mais loprateur rejettera certains flux qui sont contraires au business model deloprateur. Par exemple, les flux Skype et les flux peer to peer pourront tre bloqus ou aumoins dgrads (avec un dbit trs faible). Un fair use sera associ aux flux Internet quiauront t autoriss. La taxation de ces flux peut tre online ou offline en fonction de loffredata mobile souscrite par le client.

Serving GW

Rseau IP Rseau IP

PDN GW

MME

ePC

IMSHSS

PCRFS6a

Gx

Rx

Cx, Sh

S11S5

OCS OFCSGy Gz

Ro Rf

Plan de contrlePlan usager

PCEF

UE eNode B

LTE

S1-C

S1-U

Interface DIAMETER

Rseau IP

S13

EIRIMS : IP Multimedia Subsystem

SPR


Les deux default bearers se terminent sur un ou plusieurs PDN GW du rseau nominal si leclient est dans son rseau nominal (Figure 3). Par contre les deux default bearer sont pris encharge par un mme Serving GW. LAPN identifie le PDN GW.

Figure 3 : Configuration pour l accs Internet et l accs aux services IMS

3 Default et Dedicated bearers

Le MME cre pour le compte de l usager un default bearer au moment du rattachement aurseau. Supposons qu il s agisse du default bearer utilis pour l accs au PDN (PacketData Network) Internet. Ce Default bearer est maintenu tant que l usager est rattach aurseau mobile. L APN correspondante est prsente dans le profil de l usager qui est fournipar le HSS au MMESi l usager ncessite d accder un autre PDN (e.g., rseau IP supportant l IMS), alorsson terminal devra tablir un default bearer additionnel en utilisant une autre APN. Ce defaultbearer additionnel est maintenu tant que l usager a besoin d accder au PDNcorrespondant.Pour chaque APN, une adresse IP est fournie par le PDN GW au mobile.Si l usager met un message SIP sur son default bearer IMS au P-CSCF (call server del IMS), ce dernier demande au PCEF du PDN GW via le PCRF de rserver un dedicatedbearer. Ce dedicated bearer est caractris par une QoS compatible par rapport au trafic transporter. Le dedicated bearer a une dure de vie qui correspond celle de la sessionmultimdia pour laquelle il a t tabli (e.g., session de voix sur IP).Un dedicated bearer est toujours associ un default bearer. Il partage la mme adresse IPque le default bearer, mais une QoS qui est diffrente. Plusieurs dedicated bearers peuventtre associs au mme default bearer.Le principe de dedicated bearer sapplique aussi dans le cas de laccs Internet. En parallledu default bearer Internet, un dedicated bearer peut tre tabli, par exemple, pour letransport du flux Skype (QoS conversationnelle), ou pour le transport des commandes dunjeu sur Internet (QoS Interactive) ou pour le transport dun fux youtube (QoS streaming) i leclient est prt payer pour cette QoS et si loprrateur propose loffre correspondante(Figure 4).

PDNGateway

Default bearer pour l accs Internet

ServingGateway

PDNGateway

IP Network

P-CSCFDefault bearer pourl accs aux services IMS

InternetPCEF

PCEF


Figure 4 : Default et dedicated bearers

4 Etablissement de dedicated bearer pour les services IMS

Ltablissement, la modification et la libration de session dans lIMS implique un changede messages SIP/SDP de bout en bout. Pendant lchange, le terminal ngocie un ensemblede caractristiques mdia (e.g., les codecs). Le P-CSCF travers son PCRF (Policy &Charging Rules Function) autorise les flux IP des composants mdia choisis par le terminalen ralisant une translation des paramtres de la description SDP en des paramtres deQoS IP. Ces paramtres de QoS IP sont ensuite passs par le PCRF au PCEF par le biaisde linterface Gx base sur le protocole DIAMETER.Lorsque le terminal IMS met une requte SIP INVITE au P-CSCF, ce dernier met unerequte Rx AAR au PCRF. Le PCRF la traduit en une requte Gx RAR et lachemine auPCEF. Cette requte indique au PCEF la description des flux autoriser (flux RTP/RTCPentre appelant et appel) et la QoS du dedicated bearer qui doit accommoder ces flux. Cededicated bearer est tabli entre lUE VoLTE et le PDN GW.Dans le cas dun appel voix sur IP, le dedicated bearer est caractris par les paramtres deQoS suivants : QCI (Quality of Service Class Identifier) positionn la valeur 1 qui correspond une

classe conversationnelle. ARP (Allocation Retention Priority) positionn une valeur comprise entre 1 et 15. Garanteed-bitrate-DL (e.g., 30 kbit/s) Faranteed-bitrate-UL (e.g., 30 kbit/s) Maximum-bitrate-DL (e.g., 30 kbit/s) Maximum-bitrate-UL (e.g., 30 kbit/s)

APN

Y

Default Bearer (APN X, IP address X, QoS1)Dedicated bearer (APN X, IP address X, QoS2)

ISP X

ISP Z

ISP Y

Default bearer (APN Y, IP address Y, QoS1)Dedicated bearer (APN Y, IP address Y, QoS2)

APN

X

Same PDP (IP) address and APN PDN GW1Serving GW1UE

PDN GW2


Figure 5 : Policy Control pour la VoLTE

5 Attachement de lUE lEPS depuis un rseau visit

Si le client EPS s attache depuis un rseau visit, les deux default bearers Internet et IMSimpliqueront les lments suivants. Un mme Serving GW du rseau visit pour les deuxdefault bearers, un PDN GW du rseau nominal pour le default bearer Internet (home routedtraffic), un PDN GW du rseau visit pour le default bearer IMS (local breakout) (Figure 6).En effet, l UE doit changer les messages SIP avec le P-CSCF du rseau visit. Pour desraisons d optimisation, le PDN GW est celui du rseau visit.Appliquer le modle home routed traffic la VoLTE serait problmatique car il impliqueraitque le point d entre IMS soit localis dans le rseau nominal. Les consquences sont : Le rseau visit ne sera plus inform des sessions multimdia (e.g., Appels voix) et des

messages courts initis ou termins par l usager et donc les revenus de roamingseraient moindres pour les oprateurs mobiles visits.

Les exigences rglementaires seront difficiles respecter : La signalisation SIP peut tre chiffre entre l UE et le P-CSCF nominal et donc le

rseau visit ne pourra pas raliser l interception lgale L appel d urgence requiert l implication du P-CSCF visit et de lEmergency CSCF

(E-CSCF) du mme rseau visit capable de router lappel un PSAP (Public SafetyAnswering Point) du pays visit.

Par ailleurs le PGW dans le rseau nominal accrot le dlai des paquets RTP/UDP/IP surle plan usager.

C est la raison pour laquelle la GSMA dans son document de rfrence IR.65 (IMS Roaming& Interworking Guidelines) requiert les fonctions P-CSCF/PGW dans le rseau visit pour lavoix et les services conversationnels IMS.

SIP/SDP (Contrle de session)Signalisation daccs (ESM, S1-AP et GTPv2C)DIAMETER (Policy Control)

Rx et Gx sont des applications DIAMETER

UE

41. Signalisation SIP (session control)2. Signalisation Rx (policy control)3. Signalisation Gx (policy control)4. Signalisation d accs (bearer signaling)

PDN GW

PCRF : Policy and Charging Resource FunctionPCEF : Policy and Charging Enforcement Function

Rseau d accs large bande EPS

Backbone IP

Routeur

IMSP-CSCF

PCRF

Rx2

Gx

3

1

PCEF


Figure 6 : Configuration pour l accs Internet et l accs l IMS depuis un rseau visit

6 Profil EPS et informations relatives VoLTE

Lors du rattachement de lUE lEPS, le MME obtient le profil EPS de lusager partir duHSS. Ce profil EPS contient les donnes suivantes (sont dcrites les donnes importantespar rapport la VoLTE) (Tableau 1) : IMSI : indique lidentit prive du client. APN Configuration Profile contient la description de tous les APNs, dont celui pour la

VoLTE, appel ims. Subscriber-Status est de type Enumerated. Il doit indiquer si le service de donnes est

restreint (barring) ou autoris sans restriction (granted) par loprateur. Les valeurssuivantes sont dfinies: SERVICE_GRANTED (0), OPERATOR_DETERMINED_BARRING (1).

Network-Access-Mode est de type Enumerated. Les valeurs suivantes sont dfiniesPACKET_AND_CIRCUIT (0) indiquant que lUE peut demander un attachement combinCS+PS (dans le cas o il sagit dun client CS FallBack), Reserved (1), ONLY_PACKET(2) (indiquant que lUE ne peut demander quun attachement PS).

MSISDN est de type OctetString et contient le MSISDN au format international. AMBR indique le dbit maximum agrg associ la souscription de lusager (UE-

AMBR); Les donnes Max-Requested-Bandwidth-UL et Max-Requested-Bandwidth-DLne peuvent pas tre toutes deux positionnes la valeur 0. Cest le dbit maximumagrg pouvant tre utilis sur lensemble des bearers non garantis comme les defaultbearers tablis par lUE.

ICS-Indicator est de type Enumerated. Il indique si le service ICS (IMS CentralizedServices) est provisionn ou non pour l usager. Les valeurs possibles sont FALSE (0) etTRUE (1; signifie que l usager est un usager ICS).

STN-SR indique le numro STN (Session Transfer Number) pour SRVCC et identifie defaon unique lAS SCC (Service Centralization et Continuity) utilis pour prendre encharge toutes les sessions VoLTE dun usager donn pour garantir que lappel seratransfr au domaine circuit si lusager passe dun couverture LTE une couverture3G/2G. Lorsque STN-SR est mis jour par lAS SCC, le HSS doit utiliser le messageDIAMETER S6a/S6d-IDR afin de mettre jour STN-SR dans le MME/S4-SGSN. Le STN-SR doit tre un tel URI et non pas un SIP URI.

IMSI 208019999999999APN-Configuration-Profile Voir tableau suivant pour lAPN ims

Default bearer pour l accs Internet

Rseau visit Rseau nominalIPX

Rseau IP Rseau IP Rseau IP

SGW PGW

PGW

Rseau IP

P-CSCFDefault bearer pour l accs IMS

Rseau IP

S-CSCF

PCEF

PCEF


Subscriber-Status 0Network-Access-Mode 0MSISDN +33672999999STN-SR +33689999999ICS-Indicator 0AMBR Max-Requested-Bandwidth-DL=10000000

Max-Requested-Bandwidth-UL= 8000000Autres donnes EPS

Tableau 1 : Donnes EPS dans le HSS

Chaque APN dcrit dans lAPN-Configuration-Profile consiste en les informations suivantes(Tableau 2): Context Identifier : Index de lAPN. Served-Party-IP-Address : Une adresse Ipv4 ou Ipv6 peut tre configure de manire

statique lors de la souscription. Ce champs nest pas renseign si ladressage estdynamique.

PDN Type : Type dadresse IP assigner lUE si ladresse doit tre assignedynamiquement au moment de lactivation de lAPN (IPv4, IPv6).

Service-Selection : Un label (lAPN) dcrivant le point daccs au rseau de commutationde paquet externe, e.g., ims.orange.fr.

EPS-Subscribed-QoS-Profile : Le profil de QoS (notamment la classe de service) requispour ce contexte PDP. Dans le cas de lIMS, la QCI (QoS Class Identifier) doit tre gale 5 et lARP (Allocation Retention Priority) peut tre gale 1. Le Preempention-Capability peut tre enabled (0) et le Preemption-Vulnerability peut tre disabled (1)

VPLMN Address Allowed : Spcifie si le PDN GW qui termine lAPN lorsque lUE estdans un rseau visit peut tre celui du rseau visit (local breakout) ou doit tre celui durseau nominal (home routed traffic). Dans le cas de lAPN ims, cette variable doit trepositionne allowed(1) afin de permettre le mode local breakout.

AMBR : Il sagit du dbit maximum associ au default bearer de lAPN dans chaquedirection. Dans le cas de lAPN ims, ce dbit est utilis par les flux SIP et XCAP. Lesdonnes Max-Requested-Bandwidth-DL = 100 000 et Max-Requested-Bandwidth-UL =100 000 permettent dassigner un dbit maximum de 100 kbit/s pour ces flux designalisation.

Context-Identifier 1Served-Party-IP-AddressPDN-Type IPv4Service-Selection Ims.orange.frEPS-Subscribed-QoS Profile QCI = 5 ; ARP =1, PC= 0, PV=1VPLMN-Dynamic-Address-Allowed 1AMBR Max-Requested-Bandwidth-DL = 100 000

Max-Requested-Bandwidth-UL = 100 000Autres donnes pour lAPN

Tableau 2 : Configuration de lAPN ims

La formation VoLTE propose par EFORT: Introduit les contraintes de lIMS que lEPS doit satisfaire Dcrit larchitecture IMS pour lEPS Prsente les protocoles IMS Montre lapplication du roaming IMS lorsquun usager s enregistre un rseau visit

EPS Dcrit comment les ressources sont rserves dans le rseau EPS lorsquune session

IMS est tablie depuis le rseau visit ou depuis le rseau nominal


Illustre les diffrentes procdures IMS considrant laccs EPS: enregistrement,tablissement de session, envoi / rception de SMS, taxation online et offline voix etSMS.

Dcrit le traitement de lappel durgence Prsente les services complmentaires de la tlphonie et le TAS Prsente les aspects relatifs la scurit IMS Dcrit larchitecture ICS (IMS Centralized Services) Montre comment la continuit de la voix est garantie quand lusager se dplace pendant

lappel de lenvironnement EPS/IMS la 2G/3G avec prise en charge de lappel par larelease R4 (NGN Mobile).

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