VoLTE – Principe de base

J’ai eu souvent l’occasion de le répéter, le réseau 4G est un réseau tout IP ne permettant pas les appels voix par commutation de circuit comme c’est le cas pour la 2G ou 3G. Dans le précédent article, j’ai présenté le mécanisme permettant de quitter le réseau 4G et se connecter sur le réseau 2G/3G afin d’établir (émettre ou recevoir) un appel voix. Il s’agit du CSFB.

La VoLTE ou Voix sur LTE désigne le principe de service voix sur le réseau à commutation de paquet IP mais acheminée via le réseau LTE/SAE jusqu’au PGW pour être pris en charge par le réseau IMS.

Deux cas d’études  se présentent à nous :

  • L’APN pour le réseau IMS est il le même que l’APN pour accéder à Internet, autrement dit, la session Internet et la session VoLTE passent elles par le même PGW
  • Deux APN différents, un PGW pour accéder à Internet et un PGW pour accéder à l’IMS.

Principe général

Je ne vais exposer ici que le principe général, l’un des points clés est la réservation de ressources entre le réseau LTE et la négociation au niveau de l’entité P-CSCF de l’IMS. Je conseille de suivre la formation NEXCOM Systems : De l’ingénierie radio au service voix pour avoir une formation détaillée sur la VoLTE, l’IMS le RCS, et les services.

Pour comprendre le principe du VoLTE, il est nécessaire d’avoir des notions sur :

  • Le réseau IMS et la signalisation téléphonique SIP
  • Le réseau coeur 4G  et réseau d’accès – SAE – LTE
  • La SIG 4G et la mise en place de bearer (défaut et dédié)
  • La négociation de codec (SDP) et la réservation de ressource (PCRF – SPR)

Phase 1 : Procédure d’attachement – Création du Default bearer 

Lors de la procédure d’attachement, le MME met en place un bearer par défaut entre l’UE et le PGW permettant l’accès au réseau IMS. Le bearer par défaut est défini avec une QoS définie par son QCI=5.

defaultbearer_ims

On suppose que le PGW permet d’accéder au réseau Internet et au réseau IMS.

La mise en place du bearer est réalisé via de la SIG 4G permettant la création d’un contexte S5 entre le SGW et le PGW, d’un context S1 entre le SGW et l’eNb et d’un context RAB entre l’UE et l’eNb.

Phase 2 : Signalisation Téléphonique – Enregistrement

Une fois le context crée, l’UE s’enregistre au niveau de l’IMS. Il envoie une requête SIP REGISTER au PGW qui le transfère au premier point de contact du réseau IMS (P-CSCF). Ce dernier redirige la requête vers l’I-CSCF et après avoir définie les capabilités du serveur d’enregistrement au niveau du HSS, l’I-CSCF récupère l’adresse du serveur S-CSCF. Suite à des échanges de SIG Téléphonique SIP (Register, ACK, …) l’UE s’enregistre au niveau du S-CSCF.

Phase 3 : Signalisation Téléphonique – Appel

En règle général, le context S1 et RAB sont relâchés, à moins que l’utilisateur passe immédiatement un appel téléphonique après avoir allumé son portable.

Dans le premier cas, il faut re-établir le context RAB et S1. Une fois le context EPS Bearer default construit, l’UE envoie des requêtes SIP (Invite, …) pour demander la mise en relation avec son correspondant.  La requête SIP INVITE permet de chercher à joindre le correspondant et négocier le type de codec pour l’appel (SDP).

Lorsque le réseau IMS a négocier le type de codec (autrement dit la Bande Passante à garantir), le réseau LTE doit mettre en place un bearer dédié sur lequel la voix sera routée.

Phase 4 : Création du bearer dédié

On parle de Bearer Dédié car le bearer se différencie du bearer par défaut uniquement par la QoS (QCI=1). En effet, les adresses IP/Sources sont les mêmes.

La création du bearer dédié est réalisée par de la SIG 4G (Message NAS ESM PDN Connectivity entre l’UE et le MME puis Création des bearer : Create Session Request, S1-AP Bearer Setup Request, RRC connection Reconfiguration Request)

Dedicated_bearer

Si au cours de l’appel l’UE souhaite transmettre un média (document, tchatter) ou activer la vidéo, le réseau 4G mettra en place un autre bearer dédié (selon la disponibilité, les priorités et la pré-emption).

ESM – EPS Session Manager

Continuons notre étude sur les protocoles établies entre l’UE et le MME, et intéressons maintenant au protocole ESM : EPS Session Manager.

I) Principe Général

Lorsqu’un utilisateur souhaite accéder à un service sur Internet (Internet, Streaming, …), l’UE doit mettre en place une session .

Une session EPS (aussi nommée PDN Connection) est en charge de coordonner une connexion IP entre l’UE et le PDN. Le session est caractérisée par l’adresse IP de l’UE et l’APN caractérisant le PGW d’accès au PDN. Lorsqu’une session EPS est établie alors, la QoS et les règles de taxation sont définies (PCC avec le PCRF) et un Default EPS bearer ou un Dedicaded EPS bearer est mis en place pour délivrer les paquets IP. Le Default EPS bearer ou Dedicated EPS bearer correspond à un support (tuyau) sur lequel sont transmis les flux IP jusqu’à la passerelle du réseau (PGW)

Le rôle de la session EPS est donc de gérer les flux de paquets IP de l’UE vers le SGW jusqu’au PGW en s’assurant que les règles PCC soient correctement appliquées.

Etablir une session EPS signifie :

  1. Sélectionner le PDN approprié pour apporter le service demandé par l’utilisateur. (APN sur la carte USIM ou délivré par le HSS)
  2. Attribuer une adresse IP joignable et connue par le PDN
  3. Appliquer les règles de politique sur la QoS et la taxation par rapport à l’abonnement de l’utilisateur
  4. Créer un Default EPS bearer pour délivrer les paquets IP 

Toute session est controlée par le MME, l’UE doit en conséquence informer le MME même si la DATA ne passe pas par le MME. Le MME prend connaissance de la demande (caractérisé par un contexte de bearer), afin de créer un support (bearer) pour la DATA entre l’UE et le SGW et entre le SGW et le PGW concerné (c’est à dire le PGW correspondant à l’application et fourni soit par le téléphone soit par le HSS via l’APN). Ceci permet de créer une connectivité de bout en bout jusqu’au réseau de donné PDN.

Le protocole ESM a donc pour rôle de :

  • Activer et désactiver des contextes de bearer EPS
  • Modifiier des contextes de bearer

Dans le cadre du GPRS et de la 3G, nous parlions de PDP context. L’équivalent en 4G est l’EPS bearer.

II) ESM 

Lors de la création d’une connexion IP entre l’UE et le PDN (à la demande de l’UE) un contexte de bearer EPS par défaut (à ne pas confondre avec un Default EPS bearer) est créé au niveau du MME. Le contexte définit les paramètres du bearer (QoS, le SGW associé, …) et la connectivité IP (APN, @IP UE). Il s’agit de l’équivalent du PDP Context établi pour la 3G.

Le MME peut aussi lancer une procédure ESM pour activer, modifier ou désactiver un context de Bearer EPS (à la demande de l’UE ou de l’EPC).