第14卷第6期
中華民國109年12月出刊

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電信網路IP化 隨撥即通好聲動VoLTE語音網路互連研析

文/黃建軒

長期演進語音承載服務(Voice over LTE, VoLTE)是指透過第四代行動通訊技術(The fourth generation of mobile phone mobile communication technology standards, 4G)進行傳輸之高品質語音通話服務。VoLTE語音服務由全球行動通信系統協會(Group Special Mobile Association, GSMA)於2012年在系統規格書(標號IR.92)中提出,VoLTE語音服務是由IP多媒體子系統(IP Multimedia Subsystem, IMS)提供之IP語音服務,透過4G網路傳輸語音可大幅提升傳輸效率、接通速度及語音品質,並更有效地利用頻寬。

4G LTE採用IP網路的分封交換(packet switched)完成數據傳輸,對於2G或3G網路所採之電路交換(circuit switched)語音傳輸架構並無法相容,因此,在不使用VoLTE技術情況下,我國5家行動寬頻(4G)業者網外語音服務均採用電路切換退回(Circuit Switched Fallback, CSFB)技術提供行動語音。CSFB是由4G LTE網路退回到2G或3G網路之機制,當4G LTE非VoLTE用戶欲進行語音通話,則需退回至2G或3G網路,原4G網路上網訊務將中斷,其語音話務經由4G網路退回到2G或3G網路,通話連接時間將因此延長,所以4G LTE用戶如未開通成為VoLTE用戶,則無法獲得使用4G網路通話之良好體驗。VoLTE語音服務雖具有相當多優勢,但礙於系統架構較為複雜,且電信業者各自使用不同的解決方案,跨業者整合顯窒礙難行。直到2019年6月為止,國際間僅韓國與科威特兩國之電信業者,願意進行VoLTE語音網路互連,使用戶在網外通話時,可以享受高品質VoLTE語音服務。

以下將介紹VoLTE語音通話服務之網路架構及3個標竿國家發展VoLTE語音網路互連之情形。

一、VoLTE語音服務網路架構

由GSMA主導之VoLTE語音網路架構如圖1所示,依循第三代合作夥伴計畫(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)所制定的4G網路架構,其中必要元件包含:無線接取網路(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network, E-UTRAN)、行動管理實體(Mobility Management Entity, MME)、服務閘道器(Serving Gateway, SGW)、數據網路閘道器(Packet Data Network Gateway, PGW)、本籍用戶伺服器(Home Subscriber Server, HSS)、政策與計費控制規則功能(Policy and Charging Rules Function, PCRF),以及多媒體子系統IMS與電話號碼映射伺服器(E.164 Number URI Mapping, ENUM)網路互連所需之邊界管理服務(Interconnect Border Control Function, IBCF)及傳輸通信閘道器(Transition Gateway, TrGW)

VoLTE語音網路架構
圖1VoLTE語音網路架構
資料來源:GSMA1

二、VoLTE語音服務互連方式

雙方業者在進行VoLTE語音網路互連時是透過網網直連介面(Network-to-Network Interface, NNI)進行互連,然不同電信業者之間如要實現VoLTE語音網路互連,就必須協調網路間互連介面之規格,由於各方採用之4G網路建設方案不盡相同,在設備供應商、解決方案互有所差異情況下,需要建立起一定的互連規格,才能夠達成不同電信業者之間VoLTE語音跨網互連。其中GSMA提出兩種NNI解決方案:

()網網直連介面(NNI)

GSMA最初提出透過NNI進行VoLTE互連之方案如圖2所示,互連雙方各自透過IBCF進行訊號控制,並透過TrGW傳輸語音封包。NNI連接方法可透過原有IMS系統迅速進行升級以及對接,對電信業者之建設負擔較小,維運成本也較低,目前韓國、科威特與日本都採用此互連方式,NNI網網直連介面架構請參考圖2所示。

()第三方IP交換中心(IP Exchange, IPX)

另一種互連模式如圖3所示,則是通過一個第三方IP位址交換中心(IP Exchange, IPX)作為NNI之互連模式,其中IMS NNI中需透過Mw及Mb協定(protocol)完成信號傳遞及語音傳輸。此法可類比網際網路交換中心(Internet Exchange, IX),由IPX業者提供電信業者一公開平臺進行VoLTE語音服務的訊務交換,可更加流暢的處理電信業者間VoLTE語音服務之流量。IPX相較NNI直連方案,還可以提供其他公共化加值服務,如:緊急呼叫、公益服務、監聽、號碼查詢、報時等功能外,同時也可作為電信業者之備援服務,以防止電信業者互連介面之故障,導致無法進行VoLTE網外通話之情形。

VoLTE NNI直連架構
圖2VoLTE NNI直連架構
資料來源:GSMA
VoLTE IPX互連架構
圖3VoLTE IPX互連架構
資料來源:GSMA

三、電話號碼映射伺服器(ENUM)概述

VoLTE語音服務採用封包方式進行網路傳輸,傳輸時需遵守IP協議,以一個IP位址作為傳輸標的,方可傳遞封包訊息。在VoLTE的規範中,採用對話啟動協定(Session Initiation Protocol, SIP)作為VoLTE網路的通信協定,但行動電話號碼使用的是電話編碼格式E.164,因此需要一個服務將用戶輸入的E.164電話號碼格式轉換為VoLTE語音網路服務可辨識的網路位址SIP格式。如圖4所示,該任務交由E.164電話號碼映射伺服器(ENUM)來進行處理,透過ENUM轉換為SIP之後,傳送給DNS伺服器轉換為IP位址,最終方能傳遞封包給受話方之VoLTE語音網路。

ENUM伺服器IP位址轉換機制
圖4ENUM伺服器IP位址轉換機制
資料來源:GSMA

ENUM功能主要是進行E.164到SIP的轉換,由於ENUM作用類似DNS,需在一網域當中指定明確的路由,若流量過大,ENUM接受大量的SIP請求時,單一ENUM恐怕無法負載,因此GSMA也提出樹狀(Hierarchy)ENUM架構,如圖5所示,將ENUM按照容量及負載量進行分級,最上層為全球等級ENUM伺服器具有處裡全球訊務之容量,一旦解析出所屬國家,便送至第二層級國家等級ENUM進行第二次解析,最終傳遞給最下層電信業者之單一ENUM等,對應不同性質的業務需求,進行SIP的轉換、建立VoLTE語音通話。

ENUM層級架構
圖5ENUM層級架構
資料來源:GSMA

四、電話號碼可攜服務概述

電話號碼可攜服務(Number Portability, NP,簡稱號碼可攜服務)指電話用戶更換所屬之電信業者時,可以保留原有的號碼,不必重新申請一組電話號碼的服務。為提供號碼可攜服務,電信業者需設置一套號碼可攜資料庫(Number Portability Database, NPDB),存放電信用戶電話號碼以及所屬之電信業者,當用戶撥打電話時,通常由發話方電信業者進行NPDB檢索,以便系統可以向受話方電信業者之網路系統進行發話。以我國電話號碼可攜服務之運作方式,並參考日本電信業者由號碼攜出端進行攜碼查詢動作同時進行ENUM轉譯之做法,未來在我國VoLTE互連架構中,NPDB將與ENUM整合,如此可以在查詢攜碼資訊的同時查詢受話方的IP位址。另目前集中式攜碼伺服器的經營單位為財團法人電信技術中心2,其可協助電信業者分辨受話方是否為VoLTE服務用戶,對於業者來說可以減少查詢用戶的資料負擔。

五、標竿國家VoLTE語音網路互連發展情形

當前3個VoLTE語音服務互連標竿國家分別為韓國、科威特及日本,比較各國間推動VoLTE語音互連的互連架構及環境背景。先談網路互連架構部份,韓國、科威特及日本均採用NNI網網互連架構模式,並未有經由第三方IPX設施進行互連的實際案例。以GSMA之論述看來,第三方IPX設施在未來4G網路互連發展上,為重要的轉訊樞紐中心,且可以搭載智慧應用如緊急救災、漫遊服務等等,然電信業者在網路互連協商、標準制定時,還是以NNI架構為主。

次談各國互連過程,影響電信業者推動VoLTE語音互連動機的主要因素為國家整體網路政策發展、管制及推動,例如韓國是為解開電信用戶認證UICC(Universal Integrated Circuit Card)系統,提供用戶更多選擇電信業者的彈性,因此推動VoLTE語音網路互連。另以日本來說,推動VoLTE語音網路互連則是電信業者為了配合國家電信網路IP化所為必要改革。而以我國電信網路環境來說,4G網路主要作為數據傳輸之功能,3G網路則持續提供語音通話服務,未來若要推動VoLTE語音網路互連,可藉由我國整體網路演進規劃,促使電信業者思考VoLTE語音互連之需求。

然而,如同表1所列標竿國家VoLTE語音網路互連案例,其中MNP(Mobile NP)/ENUM查詢單位彙整MNP與ENUM轉譯程序,基於國內現況,需將攜碼查詢服務及ENUM服務的責任分配及兩系統連動納入考慮。由於進行資料庫檢索以及位址轉譯,會增加電信網路之負擔,若兩家電信業者之間流量差距過大,使其中一方負擔過大,可能降低兩者之互連意願。觀察三個國家之標竿案例可以發現,攜碼查詢服務與ENUM服務目前為各自提供服務之系統,應尚有整合之空間,雖ENUM服務並不限於由發話方完成,但整合攜碼查詢服務後,整體來說可以提升互連之效率。因此,電信業者間在研擬VoLTE互連時,應思考攜碼查詢服務及ENUM之間的協調、規劃與整合。

在VoLTE互連後對接續費計算方式的調研上來說,韓國與日本在接續費管制上並未改變,韓國監理機關在計算接續費時候已經考慮VoLTE甚至是5G網路投資之影響。公告行動通信語音接續費時不分技術,並維持以分鐘為計價單位。有關三個標竿國家VoLTE語音互連整理如表1所示:

表1VoLTE語音網路互連案例整理表
韓國 科威特 日本
VoLTE語音服互連現況
2015年7月完全互連 2017年3月完全互連 2018年10月部分互連
  • 三大電信業者KT、SKT及 LGU+,完成全球第一個 VoLTE語音互連
  • 電信業者Zain、Viva及 Ooredoo創下全球最快 VoLTE互連記錄
  • NTT docomo與Softbank,開始進行全國VoLTE語音網路互連
網路架構
NNI網網互連 NNI網網互連 NNI網網互連
MNP/ENUM查詢單位
發話方/受話方 發話方/發話方 攜出端/攜出端
  • MNP採用 QoR,同時查詢技術別
  • 由受話方 ENUM進行轉譯
  • 全由發話方 ENUM進行 MNP查詢以及轉譯
  • 由號碼攜出端進行MNP查詢
  • 號碼攜出端一並進行 ENUM轉譯服務
環境背景
  • 政府推動用戶認證系統UICC的可攜性
  • LGU+無法透過 3G網路與KT、SKT進行互連
  • 電信商華為推動中東電信網路網路發展
  • 總務省推動全國行、固網全IP網路遷移計畫
接續費計算方式
  • 由MSIT透過 LRIC模型計算
  • 不區分通話技術,行網接續費以分鐘計費
  • 採Bill and Keep政策,不收取語音接續費
  • 由電信業者計算,由總務省審核,不區分通話技術,以通話秒數計費
資料來源:各國公開資料

六、我國發展VoLTE語音網路互連情形

由韓國、科威特及日本三個標竿案例可知,監理機關大多扮演協調之角色。韓國電信業者為了推動VoLTE之網路標準一致化,同時4G網路的先進技術可以增加資料傳輸時的效率,以VoLTE互連來降低3G網路的龐大維運成本,同時減少維運人力成本。故即使4G網路建設成本高昂,仍願意推動VoLTE網路互連。以我國電信環境而言,電信業者於VoLTE互連座談會中提到,為了維持3G語音網路覆蓋,電信業者持續維運3G基地台並維持訊號穩定,帶來龐大的不小財務負擔。電信業者也預期在結束5G的初期建設之後,會有意願推行VoLTE網路互連來降低3G網路的龐大維運成本,但能否成功仍然需要電信業者的主動參與,才能有互連的協商與討論的機會。

目前在國內販售之手機支援VoLTE服務情形如圖6所示,多數品牌均有推出支援VoLTE服務之機種。如圖7所示,從108年起至109年第2季為止,國內VoLTE手機滲透率(即終端設備支援VoTLE服務之用戶數佔LTE總用戶數比率)逐年增加,並於109年第2季超過5成,且實際VoLTE服務滲透率(實際開通VoLTE服務用戶數佔LTE總用戶數比率)部份亦從2.46%增加至3.13%,如圖8所示。鑒於上述,儘管多數知名品牌均有推出支援VoLTE服務機種,惟各電信業者仍有一定比例之用戶手機尚未支援VoLTE語音服務,此乃是電信業者目前所面臨的難題,又國內3G網路業者研議於2024年關閉3G服務,因此電信業者應竭力在未來4年內推動各種促銷優惠方案鼓勵其用戶汰換舊有手機,階段性扶植用戶升級成支援VoLTE語音服務手機且開通VoLTE語音服務。

支援VoLTE服務手機品牌
圖6支援VoLTE服務手機品牌
資料來源:公開資料
終端具有VoLTE功能用戶數及VoLTE手機滲透率
圖7終端具有VoLTE功能用戶數及VoLTE手機滲透率
資料來源:NCC,各業者提報資料
實際VoLTE用戶數及滲透率
圖8實際VoLTE用戶數及滲透率
資料來源:NCC,各業者提報資料

VoLTE語音服務,用戶手機須支援VoLTE且須向其行動業者申請VoLTE服務,由前段論述可知,國人VoLTE手機持有比例才過半數,實際使用VoLTE服務的用戶僅約0.3成,若要推動國內VoLTE服務,仍需行動業者透過相關資費或優惠方案鼓勵用戶使用,適時再以政策導引,業者即可關閉3G UMTS網路,提升頻譜使用效率,不僅我國電信用戶可享受VoLTE語音服務所帶來的便利性,對電信業者來說,同時可省下原維持3G網路之維運成本,藉此共創雙贏局面。

七、結語

從標竿國家推動VoLTE語音互連推動案之例中可得知,推動VoLTE互連之重要關鍵在於強化4G LTE用戶開通VoLTE語音服務之誘因,並由電信業者主動參與推動VoLTE網路互連,方能逐步提升VoLTE語音服務滲透率,引領我國4G語音通訊服務朝向更高層次的邁進。

(本文作者為平臺事業管理處技士)

  1. 1GSMA協會(Groupe Speciale Mobile Association, GSMA)
  2. 2財團法人電信技術中心電信號碼可攜服務,https://www.ttc.org.tw/index.php?apps=pgarticle&action=index&cat_id=8
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