［陈震 董佐君 林祥通］

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。

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

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-3GPPUser-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。

图2 用户附着流程

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。

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。

图3 系统架构图

①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。

② 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。

③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。

④ 用户终端

开通VOIP 功能，完成Portal 认证，即可实现数据和语音业务的通信。

⑤ 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-3GPPUser-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。