Voice Over LTE: Guia básico de implantação

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1 V SRST SEMINÁRIO DE REDES E SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES INATEL ISSN SETEMBRO DE 2016 Voice Over LTE: Guia básico de implantação Daniel Amorim Koga 1, Daniel Andrade Nunes 2 Abstract The popularization of mobile phones with access to broadband internet is driving the industry of mobile telecommunications and the web platform services. To meet this great demand for mobile broadband, LTE (Long Term Evolution) network emerges as an excellent alternative while it opens new business opportunities. This text discusses the essential characteristics of the Voice over LTE (VoLTE) service and points out the possible scenarios and trends on the deployment of this technology, which should serve as the basis for mobile telecommunications of the future. Index Terms EPC, IMS, LTE, VoLTE. Resumo A popularização de celulares com acesso à internet de banda larga está moldando a indústria de telecomunicações móveis, assim como os serviços sobre a plataforma web. Para atender esta grande demanda por banda larga móvel, a rede LTE (Long Term Evolution) surge como uma excelente alternativa ao mesmo tempo em que abre caminho para novos negócios. Este texto aborda as características essenciais sobre o serviço de voz sobre LTE (VoLTE) e aponta os possíveis cenários e tendências sobre a implantação desta tecnologia que deve servir como base para as telecomunicações móveis do futuro. Palavras chave EPC, IMS, LTE, VoLTE. I. INTRODUÇÃO Com a crescente popularização de dispositivos móveis inteligentes os smartphones a demanda por serviços online vem crescendo de forma explosiva nos últimos anos. Segundo relatório da Ericsson [1], 85% de todas as linhas no mundo (cerca de 7,7 bilhões) serão de banda larga móvel até Com toda a demanda atual e com essa expectativa de crescimento exponencial, as operadoras precisam buscar saídas eficazes para atender um público cada vez mais conectado e ao mesmo tempo gerar novas oportunidades de receita sobre os serviços de banda larga móvel. Neste cenário de fortes mudanças, a rede LTE (Long Term Evolution) surge como uma alternativa capaz de entregar banda larga móvel com bastante eficiência e com baixa latência. No entanto, como ela não suporta serviços de voz por comutação de circuitos (Circuit-Switched), a indústria móvel adotou globalmente uma solução totalmente baseada em IP (Internet Protocol), ou seja, baseada em comutação de pacotes para o suporte de ligações de áudio e vídeo sobre o padrão LTE. Essa solução é conhecida como VoLTE (Voice over LTE) e também habilita o desenvolvimento de novos serviços de comunicação multimídia que serão a base das comunicações móveis do futuro. O objetivo fundamental deste trabalho é elucidar e descrever quais são as possíveis arquiteturas desenvolvidas e padronizadas para suportar a implantação do VoLTE pelas operadoras de telefonia, assim como apontar as principais estratégias de migração que vem sendo adotadas pela indústria de telecomunicações para esta tecnologia, que deve servir como base para as redes de quinta geração (5G) previstas para os anos de 2020 [2]. II. MAS POR QUE O VOLTE? Por mais expressivos que sejam os números envolvendo o crescimento dos serviços on-line e também por mais que estes sejam aprimorados, uma necessidade básica deve continuar existindo ainda durante um bom tempo: as chamadas de voz. Segundo dados de 2016 da Associação GSM (GSMA - Groupe Spécial Mobile Association), 487 operadoras em 163 países já lançaram o LTE, abrangendo 49% da população mundial. Ainda segundo a GSMA, 65 operadoras em 35 países já habilitaram o VoLTE para seus usuários [3]. Segundo dados fornecidos pela Ericsson, os serviços de voz e SMS (Short Message Service) ainda respondem por mais de 60% da receita mais de USD 600 bilhões em 2014 das operadoras [4], ou seja, apesar destes serviços estarem em declínio, eles ainda pagam a conta das operadoras [5], como pode ser visto na Figura 1. Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado de Pós-Graduação em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações. Orientador: Prof. MSc. Daniel Andrade Nunes. Trabalho aprovado em 09/2016. Fig. 1. Embora em declínio, o lucro dos serviços de voz e SMS ainda são muito significantes [6]. Quando, nos primórdios, a adoção da tecnologia LTE foi pensada pelo 3GPP (3rd Generation Partnership Project)

2 como evolução das redes de terceira geração, já era de conhecimento dos envolvidos que o padrão LTE era incapaz de trafegar voz pelo esquema de comutação de circuitos. Mesmo assim o padrão foi adotado pelo 3GPP, pois sabiam que fatalmente o futuro das telecomunicações no mundo seria baseado em comutação de pacotes. Analisando-se as informações a seguir, o motivo de tudo isso fica evidente: Um ser humano falando emite surtos de voz apenas durante 35% a 40% do tempo de fala. O restante do tempo é preenchido com silêncio que existe entre palavras e entre uma sentença e outra. Se pudermos detectar esse silêncio e eliminálo da codificação, de forma que ele possa ser recuperado na decodificação, reduziremos muito a quantidade de dados gerados. Essa técnica é aplicada à telefonia digital com o nome TASI (Time Assignment Digital Interpolation) [7]. Em outras palavras, sabendo dessas informações, é possível o desenvolvimento de codecs que suprimam estes intervalos de silêncio tornando praticável uma conversação com bons níveis de qualidade, porém com baixo acréscimo de tráfego na rede. Dessa forma, consegue-se fazer uma melhor utilização da infraestrutura da rede e, consequentemente, gerar mais receita com mais usuários. Além disso, numa rede optimizada em se que trafegam voz e dados pela mesma estrutura, pode-se obter um grande ganho em simplificação da sua arquitetura, o que automaticamente reduz os custos de CAPEX (Capital Expenditures) e OPEX (Operating Expenses) da empresa. O fato da solução VoLTE possuir o menor custo por bit [5] já faz dela uma opção altamente atrativa para as operadoras, no entanto existem outros fatores de similar relevância, tais como: Disponibilização de novos serviços: As operadoras serão capazes de fornecer serviços de voz em HD (High- Definition), chamada de vídeo, conferência em HD, mensagens em IP e gerenciamento de contatos (conforme especificado em GSMA s Rich Communication Services program [8]) que são potenciais geradores de receita; Competição com aplicações OTT (Over-The-Top): Aplicações como Skype, WhatsApp, Google Talk, dentre outros, também proveem serviços VoIP (Voice over IP), porém sem as garantias de QoS (Quality of Service), QoE (Quality of Experience) e continuidade de serviço que as operadoras podem prover pelo fato de serem as mantenedoras da infraestrutura da rede. Com o VoLTE as operadoras podem reassumir o seu protagonismo como provedores de serviços de telecomunicações e não apenas provedores de dados; Eficiência espectral: como o padrão LTE utiliza o esquema de modulação OFDMA (Orthogonal Frequency- Division Multiple Access), há um ganho de eficiência espectral que torna possível para o VoLTE lidar com o dobro de chamadas [6], ajudando a otimizar o uso de recursos de rádio e reduzir o custo. O LTE oferece o dobro da eficiência espectral da tecnologia WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) / HSPA (High Speed Packet Access) e mais de 6 vezes a eficiência da mais recente tecnologia GSM (Global System for Mobile Communications) / GPRS (General Packet Radio Service) [6]. Todos estes argumentos tornam a adoção do VoLTE um caminho sem volta, conforme afirmou o diretor de estratégia da Telefônica, Carlos Raimar, durante o evento LTE Latin America 2015 quando indagado sobre o futuro da voz sobre LTE. VoLTE não é opção, é destino. Ele vai mudar o cenário dos serviços de voz [9]. III. ARQUITETURA VOLTE A arquitetura lógica do VoLTE é baseada na arquitetura e princípios do 3GPP para VoLTE UE (User Equipment), Long Term Evolution (LTE), Evolved Packet Core network (EPC) e o IP Multimedia Core Network Subsystem (IMS). Isto consiste no seguinte [10]: VoLTE UE: O VoLTE UE possui a funcionalidade para acessar a RAN (Radio Access Network) LTE e o EPC para permitir a conectividade de banda larga móvel. Uma pilha de protocolos IMS embutida e uma aplicação IMS VoLTE são necessárias para acessar os serviços VoLTE. Radio Access Network: O E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) - é muitas vezes referido como LTE - possui capacidades de rádio LTE para FDD (Frequency Division Duplex) LTE, TDD (Time Division Duplex) LTE, ou ambos. Core Network: O EPC da rede, conforme mostrado na Figura 2. IMS Core Network: O núcleo da rede IMS dentro da arquitetura VoLTE fornece a camada de serviço para prover telefone multimídia (Multimedia Telephony). Fig. 2. Diagrama demonstrando como o IMS é conectado ao EPC [11]. Nota: nem todos os componentes do Core EPC estão sendo mostrados neste diagrama. IV. VOLTE DESCRIÇÃO FUNCIONAL DOS NÓS Os principais nós funcionais da arquitetura VoLTE são definidos pelo 3GPP e serão descritos abaixo. Mais informações podem ser obtidas em [10]. A. VoLTE UE UE é o equipamento do usuário que é utilizado para conectar-se ao EPC. Outras tecnologias de acesso também podem ser suportadas pelo UE, como o Wi-Fi ou as tecnologias de segunda e terceira geração (2G / 3G), por exemplo. B. E-UTRAN 1) enodeb (Evolved Node B) O eutran consiste em um único nó que é composto por

3 um ou mais componentes enodeb, este por sua vez é o ponto de acesso à rede que faz a interface com o UE. Ele executa muitas funções, incluindo gerenciamento e agendamento de recursos de rádio, controle de admissão, garantia de QoS, transmissão de informações de broadcast de célula, criptografia / decriptografia dos dados do usuário e do plano de controle, e compressão / descompressão de cabeçalhos de pacotes de DL (Downlink) e UL (Uplink) do plano de usuário. C. Evolved Packet Core 1) MME (Mobility Management Entity) O MME é o nó de controle chave para a rede de acesso LTE. Ele é responsável pelo acompanhamento do status do UE e procedimentos de paging - incluindo retransmissões. É envolvido no processo de gerenciamento de bearer, escolha de SGW (Serving Gateway) no registro inicial do UE na rede, possui funções de autenticação, validação de permissões e criptografia. Também provê funções de plano de controle para mobilidade entre redes LTE e 2G/3G e interface com o home HSS (Home Subscriber Server) para situações de roaming. 2) Serving Gateway O SGW roteia e encaminha os pacotes de dados dos usuários, enquanto age também como âncora de mobilidade para o plano do usuário durante handovers entre enodebs e como âncora de mobilidade entre outras tecnologias 3GPP. Possui também algumas funções relacionadas à paging, gerência, armazena os contextos do UE, e replica o tráfego do usuário em caso de interceptação legal. 3) Packet Data Network Gateway (PGW) O PGW fornece conectividade entre o UE e as redes de pacotes de dados externas. Ele provê o ponto de entrada e saída de tráfego para o UE. Um UE pode ter conectividade simultânea com mais de um PGW para acessar múltiplas redes de pacotes de dados. O PGW executa aplicação de políticas de trafego, filtragem de pacotes para cada usuário, intercepção legal e triagem de pacotes. As funções do SGW e do PGW podem ser realizadas como um único elemento de rede. 4) Home Subscriber Server O HSS é a base de dados da rede que armazena os dados estáticos (ex.: informações de perfil de usuários) e dinâmicos (ex.: localização atual, estado do registro e estado do serviço) relacionados aos assinantes. O HSS fornece informações dos usuários para o MME e IMS enquanto o UE estiver registrado na rede. 5) Policy Charging and Rules Function (PCRF) O PCRF fornece decisões de políticas de controle e controles de cobrança baseado em fluxo. O PCRF determina como um fluxo de dados de um serviço deve ser tratado e assegura que o mapeamento e o tratamento do tráfego no plano de usuário estão de acordo com o perfil do usuário. D. IP Multimedia Core Network Subsystem O IMS é a infraestrutura de controle para suportar a próxima geração de serviços multimídia baseados em IP e é composto de muitos elementos separados que estão listados na Figura 3 a seguir. Fig. 3. Diagrama demonstrando o relacionamento do IMS com o EPC no plano de controle [11]. Nota: nem todos os componentes do Core IMS estão sendo mostrados neste diagrama. 1) Proxy Call Session Control Function (P-CSF) O P-CSF é o ponto de contato inicial para a sinalização de uma sessão em direção ao IMS que possui suporte para o VoLTE. O P-CSCF se comporta como um proxy SIP (Session Initiation Protocol) encaminhando mensagens SIP entre o UE e a rede do Core IMS, também mantém as associações de segurança entre si e o UE VoLTE além de possibilitar a ligação da sessão IMS com o IMS bearer para aplicar políticas dinâmicas e receber notificações dos eventos de nível de IMS bearer. O P-CSCF pode ser implementado em um Controlador de Sessão de Borda de Acesso (A-SBC - Access Session Border Controller) que também pode incorporar o IMS-ALG (IMS Application Level Gateway) / TrGW (IMS Access Gateway). 2) Interrogating Call Session Control Function (I-CSCF) O I-CSCF é o ponto de contato dentro da rede da operadora para todas as conexões destinadas ao usuário da rede. No registro dentro do IMS ele interroga o HSS para determinar qual é o S-CSCF adequado para rotear o pedido de registro. Para a finalização de chamadas ele interroga o HSS para determinar em qual S-CSCF o usuário está registrado. 3) Serving Call Session Control Function (S-CSCF) O S-CSCF fornece a configuração da sessão, término de sessão, controle de sessão e funções de roteamento. Ele gera registros para fins de cobrança para todas as sessões sob seu controle e invoca os servidores de aplicação baseados em IFCs (Initial Filter Criteria) recebidos do HSS. O S-CSCF atua como registrador SIP para os UEs VoLTE que o HSS e o I- CSCF atribuem a ele. Ele consulta o HSS para aplicação dos perfis de assinantes e gerencia as chamadas envolvendo estes terminais, uma vez que tenham sido registrados. 4) TAS (Telephony Application Server) O TAS é um servidor de aplicação do IMS que provê suporte para um conjunto mínimo de serviços obrigatórios de MMTel (MultiMedia Telephony) conforme definido em [12] e [13]. 5) Media Resource Function (MRF) O MRF executa a função de provedor de recursos de mídia, utilizado pelo Servidor de Aplicação do IMS e pelo I/S-CSCFs para fornecer processamento de plano de mídia independente

4 do tipo da aplicação. Ex.: transcodificação, conferência, anúncios de rede / tons, etc. 6) Interconnection Border Control Function (IBCF) / Transition Gateway (TrGW) O IBCF / TrGW é responsável pelo plano de controle / mídia no ponto de interconexão de rede para outras PMNs. O IBCF / TrGW pode ser implementado em um Controlador de Sessão de Borda de Interconexão (I-SBC - Interconnect Session Border Controller). 7) IMS Application Level Gateway / IMS Access Gateway Como uma opção de implementação, o IMS-ALG / IMS- AGW pode ser uma função independente ou pode estar alocado juntamente com o P-CSCF. O IMS-ALG / IMS-AGW é responsável pelo plano de controle / mídia no ponto de acesso à rede IMS. Ele fornece funções de controle de acesso e NAT (Network Address Translation) local, indicação de domínio de IP e disponibilidade, policiamento de tráfego, marcação de pacotes QoS, segurança no plano de mídia do IMS, etc. 8) Media Gateway Control Function (MGCF) / IMS Media Gateway (IMS-MGW) O MGCF / IMS-MGW é responsável pela interoperabilidade do plano de controle / mídia no ponto de interconexão de rede para as redes de comutação de circuitos, incluindo interoperabilidade para redes de comutação de circuitos baseadas em BICC (Bearer Independent Call Control) / ISUP (ISDN - Integrated Service Digital Network - User Part) / SIP-I (Session Initiation Protocol ISUP) e pode incluir transcodificação do plano de mídia. 9) Breakout Gateway Control Function (BGCF) O BGCF é o responsável por determinar o próximo salto para o encaminhamento de mensagens SIP. Esta determinação é baseada em informações recebidas dentro dos dados SIP / SDP (Session Description Protocol) e dos dados de configuração de roteamento, que podem ser dados de configuração internos ou de busca ENUM (Electronic Number Mapping System) / DNS (Domain Name System). Para terminações do domínio de comutação de circuitos, o BGCF determina a saída para a rede de comutação de circuitos e seleciona o MGCF apropriado. Para terminações em redes IMS pares, o BGCF seleciona o IBCF apropriado para lidar com a interconexão para o domínio IMS par. O BGCF também pode fornecer diretrizes ao MGCF / IBCF sobre qual é a próxima interconexão ou qual é a próxima rede a ser selecionada. Tais diretrizes podem ser dadas pela inclusão de um cabeçalho de rota apontando para o próximo nó de ingresso de rede. V. ABORDAGENS PARA SE IMPLEMENTAR UMA REDE COM O VOLTE A evolução para o VoLTE pode ser feita em vários passos e de diversas formas. Ao se decidir implantar o VoLTE, as operadoras se depararão com algumas questões técnicas sobre [6]: Como será a integração do VoLTE com a rede existente; Quais são os impactos da implantação da rede LTE na rede legada; Qual é a disponibilidade de espectro LTE; Como provisionar a cobertura da rede LTE. Assim como questões sobre os aspectos de negócios virão à tona, por exemplo [6]: Quais são as condições de mercado atuais; Quais serão as condições de mercado no futuro; Quais são as estratégias de negócios da empresa; Quais são as estratégias de implantação do VoLTE. Para este último caso, cabe-se a decisão de se ater aos serviços básicos de voz e SMS, também conhecidos como solução One Voice [14] ou oferecer serviços avançados de telecomunicações (MMTel [12], serviços de vídeo [13] ou RCS [8]). O melhor cenário para se implantar o VoLTE seria para os casos de operadoras novas, ou seja, sem a necessidade de se considerar as redes já existentes, possibilitando assim desprezar-se aspectos sobre os impactos na rede existente, capacidade e interoperabilidade. Estas também são conhecidas como operadoras greenfield, fazendo alusão à construção de algo a partir do nada, onde se tem apenas o espaço (campo verde) para se iniciar a construção e, consequentemente, ausência de grandes desafios técnicos [15]. Apesar de uma implantação do VoLTE a partir do zero ser muito atrativa em termos de complexidade, ela não condiz com a realidade da maioria das operadoras, que possuem a maior parte de sua infraestrutura de rede suportadas por tecnologias de segunda e terceira geração (GSM / GPRS, WCDMA / HSPA), conforme Figura 4 a seguir: Fig. 4. Projeção para a utilização das redes 2G (GSM / GPRS), 3G (WCDMA / HSPA), LTE e CDMA [6]. Apoiando-se no cenário descrito anteriormente, a estratégia para implantação do VoLTE se desenvolveu mais intensamente em direção a abordagens que consideram a interoperabilidade e coexistência da rede LTE com outras redes legadas. Como pode-se observar na Figura 5 a seguir, o LTE (EPC) não possui interconexão direta com a rede Comutação de Circuitos (CS Core) como já visto, a rede LTE foi projetada para suportar serviços puramente IP (Comutação de Pacotes) [16].

5 Fig. 5. Topologia de rede genérica 3GPP (2G/3G/LTE) [15]. Em outras palavras, o UE não pode realizar uma chamada de voz pela rede LTE a menos que esteja utilizando um serviço orientado a comutação de pacotes, a exemplo das aplicações OTT (Over-The-Top) ou por meio do próprio VoLTE. A questão é que para se viabilizar a implantação das redes LTE, fez-se necessário o desenvolvimento de técnicas que permitissem a coexistência das redes legadas e rede LTE, assim como a manutenção dos serviços básicos de telecomunicações (voz e SMS) para os terminais dos usuários, independente da rede em que estivessem conectados. Essas técnicas e suas abordagens serão mostradas mais detalhadamente a partir deste ponto. A. Voice over LTE via Generic Access (VoLGA) Uma das primeiras alternativas de implementação que surgiu foi o VoLGA ou seja, é uma abordagem que visa utilizar a infraestrutura das redes legadas para se trafegar voz sobre um protocolo emulado de LTE e com o mínimo de alterações possíveis na rede [16]. Para usar a infraestrutura das redes legadas 2G / 3G, o VoLGA introduz uma nova entidade de rede, o VNC (VoLGA Network Controller), que funciona basicamente como uma BSC (Base Station Controller) 2G, comunicando-se com uma MSC (Mobile Switching Center) GSM e como uma RNC (Radio Network Controller) 3G comunicando-se com uma MSC UMTS. Na Figura 6 é possível verificar as conexões entre esses componentes descritos. Quando há uma nova chamada (seja ela originada ou terminada), a mesma é tratada pela MSC da rede legada. O VNC faz então a mediação do sinal de voz e suas mensagens relacionadas entre a MSC e a rede LTE. Embora seja possível realizar a entrega de serviços de voz e SMS para usuários LTE, o VoLGA não teve sucesso. Isso porque, como visto, são necessários investimentos exclusivos para esse fim. Em paralelo, porém, os esforços globais em relação ao VoLTE aumentaram (como por exemplo investimentos no IMS), e assim essa alternativa acabou caindo em desuso [16]. Outra razão para a não popularização do VoLGA é que seria necessário o LTE continuar a contar com os antigos sistemas e paradigmas do modelo convencional de telefonia móvel ao invés se apoiar em novos paradigmas e protocolos como o SIP [17]. Fig. 6. Arquitetura VoLGA com o componente VNC adicionado à rede [16]. B. Simultaneous Voice and LTE (SVLTE) Numa das primeiras abordagens relacionadas à implantação de voz sobre LTE utilizou-se uma solução dual-radio [5], ou seja, um dispositivo capaz de se conectar simultaneamente à rede LTE e a uma rede legada (GSM/WCDMA/1xRTT), sendo esta utilizada para fornecer serviços de voz e de mensagens, como pode ser observado na Figura 7. As vantagens da tal solução "Simultâneo Voz e LTE" são de que, como o nome indica, voz e serviços de dados LTE são suportadas simultaneamente. Infelizmente, as soluções SVLTE adicionam complexidade significativa em termos de hardware no dispositivo móvel, uma vez que são necessárias duas bandas e faixas de RF totalmente independentes, com implicações óbvias de custos. Além disso, as soluções SVLTE provaram ter um elevado consumo de energia [5], na prática, com uma experiência de usuário insatisfatória em termos de vida útil da bateria. Além disso, uma vez que as células LTE e das redes legadas não têm necessariamente coberturas idênticas, a experiência do usuário durante a mobilidade pode não ser a esperada [17]. 2G / 3G Network LTE Fig. 7. SV-LTE é uma abordagem barata para as operadoras, mas muito custosa para o usuário [17]. C. Aplicações Over-The-Top Uma outra abordagem é baseada no uso de serviços OTT, empregando aplicativos como o Skype e Google Talk outros exemplos podem ser vistos na Figura 8 para fornecer serviço de voz sobre LTE. A rede LTE possui recursos de grande largura de banda, baixa latência, estando sempre online e

6 totalmente IP, criando uma conveniência natural para o desenvolvimento de aplicações OTT e com a possibilidade de se efetuar ligações sobre OTT quase sem barreiras [18]. No entanto, deve-se também considerar que o serviço de chamada de voz ainda é a principal fonte de receita para as operadoras de telefonia móvel [4]. Sendo assim, entregar este serviço por completo às empresas provedoras de aplicações OTT é, portanto, algo do qual não se espera receber muito apoio na indústria de telecomunicações. Também com o olhar mais técnico, em comparação com os serviços OTT, as operadoras de telecomunicações têm as suas próprias vantagens na prestação de chamadas de voz sobre LTE, como recursos de identificação dos usuários, garantia de QoS, a capacidade de transferência das chamadas para redes legadas e pacotes tarifários unificados com de serviço de dados [18]. Fig. 8. Aplicações OTT disputando espaço com o VoLTE [19]. D. CSFB (Circuit-switched Fallback) Como abordado anteriormente, apesar dos benefícios em se implantar uma solução totalmente orientada na tecnologia LTE, não se pode simplesmente ignorar todo o investimento realizado para construir a infraestrutura atual de telecomunicações móveis que é baseada nas tecnologias de segunda e terceira geração. A ampliação da cobertura da rede LTE podem ainda demandar muito tempo e investimento, pois são obras que possuem alta complexidade e ainda são agravadas pelo fato da cobertura do padrão LTE ser menor para as operadoras que utilizam as faixas acima de 2GHz. Apesar das dificuldades em se expandir a cobertura, existem algumas vantagens em se implantar a rede LTE em modelo de coexistência com as redes legadas. Além da possibilidade de continuar aproveitando o investimento já realizado nas redes 2G e 3G, a coexistência permite às operadoras que implementem a solução VoLTE em escalas pequenas, reduzindo o impacto de problemas de interoperabilidade, ajudando na identificação de gargalos de rede, e ao mesmo tempo possibilitando medir com maior foco os níveis de qualidade de serviço (QoS) e qualidade de experiência (QoE) dos usuários. Após serem cogitados diversos modelos para a implantação da rede LTE, o CSFB tornou-se a solução recomendada para as operadoras de rede que estão à procura de uma solução de voz não-ims intermediária [20]. Na técnica CSFB, sempre que há uma demanda de uma nova chamada de voz, o usuário LTE é recuado para uma rede de comutação de circuitos legada, assumindo que esta fornece uma cobertura sobreposta. Em outras palavras: com o CSFB, a chamada de voz nunca está ativa no LTE, e sim nas redes legadas. A solução é baseada no fato de que os terminais LTE (UE) se "registram" no domínio de comutação de circuitos quando ligados e registrados na rede LTE. Isto é feito através de uma interação entre o servidor MME e o servidor MSC do domínio da rede de comutação de circuitos. Há, então, dois casos de uso a serem considerados: chamadas de voz iniciados pelo UE ou chamadas de voz recebidas pelo UE [16]: 1. Se o usuário realizar uma chamada de voz, o terminal muda (handover) do LTE (sistema A) para um sistema com suporte para voz sobre comutação de circuito (sistema B). Qualquer serviço baseado em pacote que estava ativo no dispositivo do usuário é transferido neste momento para o sistema B, mas agora com taxas transmissão mais baixas ou com o serviço suspenso até que a chamada de voz seja terminada e o terminal retorne para o LTE novamente, fazendo com que o serviço de pacotes seja reassumido. Qualquer que seja o caso, isto dependerá das capacidades da rede do sistema B, assim como das capacidades do terminal móvel. 2. Se houver uma chamada de voz para um usuário que está registrado na rede LTE, o servidor MSC irá solicitar um paging no LTE para o usuário específico. Isto é feito através da interface entre o MSC e o servidor MME. O terminal recebe o paging e temporariamente se transfere da rede LTE para o sistema B, onde a chamada de voz é recebida. Uma vez que a chamada de voz é terminada, o terminal volta para a rede LTE. Para que ocorra o CSFB, os usuários devem estar usando dispositivos dual mode, ou seja, capazes de operar tanto na rede LTE quanto na rede legada. Para suportar o CSFB, uma nova interface é introduzida: o SGs (evolução da interface Gs), conectando o MME ao MSC da rede legada, conforme Figura 9 abaixo [15]. Fig. 9. Diagrama básico da rede LTE se conectando às redes legadas por meio de uma interface SGs entre o servidor MME (LTE) e MSC (2G/3G) [15]. E. SRVCC (Single-radio voice call continuity) Como vimos no tópico anterior, a solução CSFB é uma boa opção para a implantação da rede LTE em modelo de coexistência com as redes legadas. Em uma implementação inicial da rede LTE, é muito comum as operadoras manterem as chamadas de voz

7 trafegando pelas redes legadas por meio do CSFB e os serviços de dados trafegando pelas redes LTE. Isto por conta dos investimentos necessários na rede LTE para que a mesma possa realizar o tratamento das chamadas de voz sobre pacotes. Apesar das vantagens da solução de CSFB, é preciso apoiar a implantação do VoLTE para que seja garantida a convergência tecnológica a médio e longo prazo, sendo assim, a fim de estimular a adoção da tecnologia VoLTE, uma parceria realizada pela indústria global de telecomunicações definiu um perfil mais simplificado para implantação de voz sobre IMS. Este perfil, chamado de One Voice [14], considera apenas as características e componentes essenciais da rede para que se possa prover um serviço interoperável e de alta qualidade. Uma topologia básica de uma rede com suporte a VoLTE pode ser verificada na Figura 10 a seguir. Fig. 10. Exemplo de topologia de rede com suporte a VoLTE [16]. Diante de todos os benefícios e ainda impulsionado pelo One Voice, o VoLTE vem sendo uma opção cada vez mais adotada pelas operadoras para se prover serviços de voz sobre comutação de pacotes, porém como já foi abordado anteriormente, são necessários investimentos para se construir a infraestrutura de cobertura móvel, portanto não é possível se esperar, ao menos a curto ou médio prazo, por uma cobertura total das redes LTE. A Figura 11 esboça como seriam as coberturas da rede LTE nos primeiros estágios de implantação, onde as áreas pequenas escuras ilustram a cobertura LTE enquanto a área grande mais clara ilustra outra tecnologia com uma cobertura de rádio maior. Fig. 11. Serviços de voz e a necessidade do suporte à mobilidade [15]. Desta forma, a fim de realizar a cobertura de serviço completa, bem como a continuidade do serviço, existem três casos de uso diferentes que precisam ser considerados: [15] 1. Uma chamada de voz é estabelecida quando está na cobertura LTE (área escura), e o usuário não está se movendo para fora da cobertura LTE durante a duração da chamada. Para este caso de uso, MMTel seria utilizado para fornecer o serviço de voz sobre LTE. 2. Uma chamada de voz é estabelecida quando está fora da cobertura LTE (área clara). A chamada então seria estabelecida utilizando o acesso pela rede de comutação de circuitos, por exemplo, GSM. Dependendo da solução, a chamada pode ser convertida em uma chamada com base em SIP e tratado pelo sistema IMS, ou pode ser tratada como uma chamada de circuito comutado tradicional pelo MSC. 3. Uma chamada de voz é estabelecida quando está na cobertura LTE (área escura) e durante a chamada de voz, o usuário se move para fora da cobertura LTE. Se o sistema descrito como uma área clara puder suportar serviços de voz IMS / MMTel, este seria tratado através de um Packet Handover entre a rede LTE e o outro sistema (por exemplo, WCDMA / HSPA ou ehrpd - Evolved High Rate Packet Data), dessa forma o serviço de voz seria continuamente tratado pela infraestrutura IMS pelo fato de ainda ser um serviço IP. Porém, se o outro sistema não suportar o MMTel, são necessárias medidas específicas para garantir a continuidade do serviço quando a cobertura LTE for perdida. Para este último caso, o 3GPP desenvolveu uma solução chamada: Single-Radio Voice Call Continuity (SRVCC). O SRVCC é projetado para permitir a entrega de uma chamada de voz entre um sistema que suporta o serviço de voz IMS / MMTel e um segundo sistema, onde não há suporte para a realização do serviço MMTel. Isto poderia ser, por exemplo, devido a insuficiência de largura de banda para serviços de IP, ou suporte insuficiente para QoS na rede. O SRVCC, portanto, define uma solução de como uma chamada de voz baseada em IP pode ser transferida a outro sistema que serve a chamada de voz utilizando procedimentos de comutação de circuitos. Este procedimento é chamado de Single-Radio, ou seja, Único Rádio, pois o dispositivo do usuário não pode estar conectado aos dois sistemas simultaneamente e, portanto, ele precisa executar uma transferência (handover) muito rápida de modo a não causar uma degradação grave do serviço, tal como interrupção durante a chamada de voz. Caso fosse necessário que o dispositivo do usuário se conectasse aos dois sistemas simultaneamente, haveria um incremento muito grande de complexidade no mesmo, conforme já abordado no tópico sobre o SVLTE, o que é muito custoso em termos de investimento e consumo de bateria [15]. Existem duas versões de SRVCC. SRVCC Handover para redes GSM ou WCDMA, definidas pelo 3GPP. SRVCC Handover para redes 1xRTT definidas pelo 3GPP2. Para permitir o SRVCC, tanto o UE quanto as redes LTE e também as legadas, devem suportar SRVCC. Para isso, uma nova interface especial SV é introduzida entre o MME e a MSC, conforme ilustrado na Figura 12 a seguir.

8 entre redes LTE e legadas, e utilizando CSFB para serviços de roaming; 3. Convergência - A convergência das redes baseadas em IP para ganho de capacidade de provisionamento de serviços com valor agregado, como chamadas com voz HD, chamadas de vídeo e serviços especiais (RCS), ou seja, o provisionamento da telefonia multimídia é o marco desta fase. A capacidade de interoperabilidade através de novos métodos e com outras operadoras também é um delineador desta etapa da implantação do VoLTE. Fig. 12. Esquema básico de interoperabilidade entre as redes LTE e redes legadas utilizando interface SV para executar o SRVCC [16]. Para suportar SRVCC, a rede IMS deve também incluir um servidor de aplicações, chamado de SCC AS (Server Centralization and Continuity Application Server). Este servidor de aplicações é quem gerencia a sinalização requerida para o processo [16]. F. Comparando o SRVCC com o CSFB As duas abordagens sobre como oferecer serviços de voz para usuários LTE são fundamentalmente diferentes. As vantagens no uso do IMS / MMTel e SRVCC incluem: Permitir o uso simultâneo de serviços de pacote de alta velocidade sobre LTE e chamadas de voz; MMTel oferece uma experiência aprimorada para o usuário final, permitindo a adição de componentes de mídia extras dentro da chamada de voz em si. As vantagens no uso do CSFB incluem: Não há a necessidade de se implantar serviços e uma infraestrutura IMS antes de oferecer voz como um serviço para os usuários LTE; A rede de comutação de circuitos pode também ser utilizada pelos usuários do LTE. Conforme descrito acima, as duas abordagens dependem da capacidade do dispositivo do usuário suportar não somente a rede LTE, mas também sistemas em que se presume uma maior cobertura de rádio (exemplo GSM), assim como a capacidade de executar chamadas de voz em redes de comutação de circuito [15]. Apesar das diferenças fundamentais sobre essas duas abordagens, o que torna as duas tão especiais é a necessidade de coexistência das mesmas para possibilitar a implantação das redes LTE e posteriormente do VoLTE. Já existe um consenso da indústria de comunicações móveis apontando qual é o principal modelo a ser utilizado para a implantação das redes LTE e VoLTE. Este modelo, que também pode ser observado na Figura 13, utiliza as técnicas de CSFB e SRVCC em diferentes etapas da implantação, que geralmente é dividida em três fases [21]: 1. LTE somente para dados - Rede LTE apenas para dados e redes legadas para tráfego de voz por meio da solução de CSFB, ou para os casos de redes CDMA (3GPP2), solução de dual rádio para conexão simultânea nas redes LTE e legadas; 2. Voz sobre LTE - Habilitação do VoLTE na rede utilizando o SRVCC para a transferência das chamadas ativas Fig. 13. As três fases da evolução da voz sobre LTE [21]. G. Enhanced SRVCC (e-srvcc) Conforme especificado em [22], a fim de se minimizar o impacto da interrupção de voz, o 3GPP definiu no release 10 a arquitetura melhorada do SRVCC. O ATCF (Access Transfer Control Function) e o ATGW (Access Transfer Gateway) são implementados na VPLMN (Visited Public Land Mobile Network). Um ATCF pode estar alocado com outros nós existentes, por exemplo, P-CSCF ou IBCF. Um MGW existente pode ser usado para o caso do ATGW. A interface entre o ARCF e o MSC também pode ser uma interface SIP. O ATCF age como uma âncora de sinalização SIP e fica localizado no caminho de sinalização SIP entre o P-SCSF e o S-CSCF. Tanto o ATCF quanto o ATGW estão localizados na rede de serviço, ou seja, na rede que está prestando o serviço de voz no momento da conversação, como pode ser visto na Figura 14. O ATCF controla o ATGW, onde o plano de mídia está ancorado. Para o ATGW, nenhum MGW precisa ser adicionado, ou seja, pode ser utilizado um Media Gateway já implementado, por exemplo, o IMS-AGW, TrGW ou CS- MGW (Circuit Switched Media Gateway). É sempre recomendado se ancorar a mídia no ATGW durante o estabelecimento da sessão [22]. Fig. 14. Arquitetura melhorada do SRVCC R10 - E-UTRAN para GERAN/UTRAN [22].

9 Em outras palavras, com o esrvcc, a mídia sempre é tratada pelo ATGW, tanto na rede LTE quanto nas transferências para as redes legadas. Desta forma, é utilizado o termo âncora, pois o ATCF / ATGW mantem o fluxo de sinalização e mídia sendo tratados por eles mesmos em caso de transferência de chamadas para as redes legadas. Durante a transferência de sessão, o ATCF estabelece uma nova sessão como SCC AS. Esta nova sessão substitui a velha sessão entre o ATCF e o SCC AS. Tanto o ATCF quanto o ATGW garantem que: A requisição de transferência de sessão enviada ao servidor MSC para executar o esrvcc não precise ser roteado para o HPLMN (Home Public Land Mobile Network); A atualização do terminal do usuário não seja necessária. A Figura 15 ilustra de forma genérica a diferença entre o SRVCC e o esrvcc: Fig. 15. Diferença entre o SRVCC e o esrvcc [23]. VI. CONCLUSÃO O VoLTE já é uma realidade para muitos usuários de comunicações móveis, mas ainda é relativamente restrita aos países menos desenvolvidos pois, como citado, existe necessidade de novos investimentos na tecnologia. Para os países que já possuem o VoLTE em operação e principalmente para os que ainda não possuem, os estudos realizados neste trabalho demonstram qual é a principal tendência no mercado de telecomunicações móvel para a implantação dos serviços de voz trafegando pelo core IMS. A princípio, as soluções propostas e adotadas foram mais divergentes, porém atualmente já existe um consenso sobre quais são os passos necessários para a adoção do LTE e VoLTE. Estes passos são divididos em três fases que se iniciam com a disponibilização do LTE apenas para dados e redes legadas para tráfego da voz, posteriormente com a habilitação do VoLTE com os serviços mais básicos e por fim com a convergência do VoLTE com outras tecnologias e disponibilização de serviços avançados como chamadas e conferências de vídeo, chamadas de voz em HD, gestão de contatos e RCS. Segundo dados de abril de 2016 da GSMA [3], o VoLTE ainda não foi lançado comercialmente no Brasil, contrariando a aposta de muitos que esperavam que a tecnologia seria disponibilizada aos assinantes antes mesmo das olimpíadas do Rio de Janeiro, previstas para agosto deste ano. Mas é fato que as operadoras aqui no Brasil já estão realizando testes [24] e o VoLTE deverá ser uma realidade muito em breve, abrindo caminho para a implantação das tecnologias de comunicação móvel do futuro. REFERÊNCIAS [1] ERICSSON MOBILITY REPORT (on-line). Estocolmo, Suécia: Ericsson, Novembro Disponível na Internet. URL: [2] GSMA. 5G Signalling the next phase of mobile telecommunications (on-line). Disponível da Internet. URL: Maio [3] te_may16.pdf GSMA. Delivering an all-ip word (on-line). Disponível na Internet. URL: te_may16.pdf. Maio [4] VOICE AND VIDEO CALLING OVER LTE (on-line). Estocolmo, Suécia: Ericsson, Novembro Disponível na Internet. URL: [5] VOICE OVER LTE VOLTE (on-line). Anritsu, Setembro Disponível na Internet. URL: [6] EVOLVE TO RICHER VOICE WITH VOICE OVER LTE (on-line). Espoo, Finlândia: Nokia, Disponível na Internet. URL: per.pdf. [7] SOARES, Luiz Fernando Gomes. Fundamentos de Sistemas Multimídia - Aquisição, Codificação e Exibição de Dados. Monografia. PUC. Rio de Janeiro. Janeiro [8] GSMA. Rich Communications services the next generation of operator messaging (on-line). Disponível na Internet. URL: Abril [9] RONCOLATO, Murilo. Transmissão de áudio via 4G é aposta das teles para o futuro. O Estado de S. Paulo (on-line), São Paulo, 12/04/2015. Disponível na Internet. URL: [10] GSMA. VoLTE Service Description and Implementation Guidelines. Disponível na Internet. URL: 2-2/implementation-guide/. Abril [11] CHANDRAN, Sarat. IMS VoLTE Architecture. 3GLTEInfo (on-line). Disponível na Internet. URL: Maio [12] GSMA. Official Document IR.92 - IMS Profile for Voice and SMS. Disponível na Internet. URL: Abril [13] GSMA. Official Document IR.94 - IMS Profile for Conversational Video Service. Disponível na Internet. URL: [14] ONE VOICE; VOICE OVER IMS PROFILE. AT&T et al. V1.0, Novembro Disponível na Internet. URL: rofile.pdf. Maio 2016.

10 [15] OLSSON, Magnus et al. SAE and the evolved packet core. Driving The Mobile Broadband Revolution. 1ª edição. Reino Unido. Elsevier, [16] PEDRINI, Leonardo. O que é CSFB e SRVCC no LTE? (on-line). TelecomHall BR. Maio Disponível na Internet. URL: [17] 3GPP Long Term Evolution (on-line). Disponível na Internet. URL: Maio [18] CHEN, Qunhui. Evolution and deployment of VoLTE, Huawei Communicate (on-line). Vol. 61, Setembro Disponível na Internet. URL: Maio [19] WeChat e le altre app di chat asiatiche guadagnano infinitamente di più di WhatsApp (on-line). Disponível na Internet. URL: Maio [20] VOICE AND SMS IN LTE (on-line). Rohde & Schwarz, Maio Disponível na Internet. URL: Abril [21] VOLTE WITH SRVCC (on-line). Qualcomm, Outubro Disponível na Internet. URL: Março [22] GSMA. Official Document IR.64 - IMS Service Centralization and Continuity Guidelines (on-line). Disponível na Internet. URL: v6.0.pdf. Abril [23] HUAWEI. VoLTE Signaling Analysis Manual esrvcc (on-line). Novembro Disponível na Internet. URL: =SCL &partNo=2002&mid=SUP_PIGEON. Maio [24] FERREIRA, Wanise. TIM finaliza testes para lançar o serviço de voz sobre LTE (on-line) Disponível na Internet. URL: Abril Daniel Amorim Koga nasceu em São Paulo, SP, em 15 de outubro de Possui os títulos: Engenheiro de Computação (Unifieo, 2011), Especialista em Gestão de Negócios e Projetos (FIA, 2014), Profissional de Gerenciamento de Projetos (PMI, 2014).Trabalhou no banco Itaú Unibanco por 9 anos sendo os últimos 4 anos como analista de telecomunicações e desde 2015 é profissional de gerenciamento de projetos na empresa Huawei Technologies Co. Ltd trabalhando com projetos de Rede Fixa de Acesso e Datacom. Possui interesses nas áreas de gestão de projetos e tecnologias de redes e telecom. Daniel Andrade Nunes nasceu em Santa Rita do Sapucaí em 1973, formado como Técnico em Eletrônica na Escola Técnica de Eletrônica Francisco Moreira da Costa em 1992 e graduado em Engenharia elétrica em 1998 pelo INATEL Instituto Nacional de Telecomunicações. Obteve o grau de Mestre em Telecomunicações, também pelo INATEL em agosto de Trabalhou 5 anos na multinacional Ericsson como instrutor técnico e gerente de projetos principalmente na área de sistemas celular no planejamento, otimização e desenvolvimento de cursos para sistemas AMPS, DAMS, CDMA e GSM em 10 países da America latina, Estados Unidos e Europa. Atualmente é professor de matérias relativas a comunicações móveis e transmissão digital no programa de Graduação do INATEL, ministra matérias referentes às tecnologias GSM, WCDMA, LTE, WiMAX, Wi-Fi, XDSL e DocSYS no programa de Pós Graduação do Inatel além de já ter ministrado diversos cursos nas áreas de planejamento e otimização para sistemas GSM, WCDMA, Wi-Fi e WiMAX pelo ICC Inatel Competence Center.