Зачем VoLTE: голос в IMS вместо возврата в 2G/3G (CSFB)

Сеть LTE умеет только одно — быстро возить IP-пакеты. Своего «телефонного» домена с коммутацией каналов, как в 2G и 3G, в ней нет. Но абонент по-прежнему нажимает зелёную кнопку и ждёт, что звонок соединится быстро, будет слышно чисто, а навигатор и музыка при этом не остановятся. В этом уроке разберём, как операторы давали голос в LTE до VoLTE — через CSFB (уход телефона в 2G/3G на время разговора), коротко вспомним забытые варианты SVLTE и VoLGA и поймём, почему отрасль пришла к VoLTE — голосу как услуге IMS поверх LTE. В конце посчитаем на условных числах, сколько времени абонент теряет на каждом CSFB-вызове.

Цель и что нужно знать

После урока вы сможете:

• объяснить, почему в сети LTE нет собственного голоса и какие четыре проблемы создаёт временное решение CSFB;
• расставить по порядку шаги исходящего CSFB-вызова и показать, где именно теряется время;
• описать VoLTE как услугу IMS (MMTel) поверх LTE с двумя bearer: для сигнализации и гарантированным для голоса;
• сравнить CSFB, VoLTE и звонок в мессенджере (OTT) по качеству, экстренным вызовам, номеру E.164, роумингу и непрерывности разговора;
• посчитать время установления вызова по заданным слагаемым и объяснить, почему VoLTE открывает оператору путь к выключению 3G.

Что нужно знать заранее:

• курс lte: урок 3 (система EPS — только IP, без домена CS), урок 5 (интерфейсы EPC, в том числе SGs), уроки 48–50 (канал EPS Bearer, Default и Dedicated Bearer, классы GBR и non-GBR), урок 67 (Service Request — выход из режима ожидания), урок 72 (создание Dedicated Bearer по запросу ядра IMS), урок 95 (CSFB: SGs, Combined Attach, уход в 2G/3G и возврат) и урок 97 (уход в 3G/2G при потере покрытия LTE);
• курс ims: урок 1 (зачем IMS и чем операторский звонок отличается от OTT), урок 4 (P-CSCF — вход в IMS), урок 7 (экстренные вызовы через E-CSCF), уроки 9 и 85 (сервер приложений MMTel AS и услуги MMTel).

Задача из жизни

Пример 1. Звонок во время навигации. Курьер Лейла едет по Баку по навигатору: карта и пробки подгружаются через LTE, а в фоне скачивается накладная на следующий заказ. Звонит клиент. У Лейлы тариф и телефон без VoLTE, поэтому сеть использует CSFB: телефон уходит из LTE в 2G/3G. Лейла замечает три вещи: звонок соединился на пару секунд позже, чем она ждала; карта перестала обновляться, и скачивание остановилось; после разговора на экране ещё долго горит «3G», и интернет медленный.

Пример 2. Оператор хочет выключить 3G. Технический директор оператора считает: почти весь интернет-трафик уже идёт через LTE, а под 3G занята полоса 10 MHz, которую можно отдать LTE. Он предлагает выключить 3G через полгода. Инженер ядра возражает: «Пока голос у большинства абонентов идёт через CSFB, каждый звонок из LTE уходит в 3G. Выключим 3G — звонки уйдут в перегруженную 2G или пропадут там, где 2G нет».

Вам, инженеру голосовых услуг, нужно объяснить директору: почему CSFB тормозит и звонки, и интернет; что меняет VoLTE; чем VoLTE отличается от звонка в мессенджере, который «и так работает через LTE»; и посчитать, сколько времени экономит абонент на каждом вызове.

1. LTE — только пакеты: голосу «негде жить»

В 2G и 3G ядро сети состояло из двух половин: домена коммутации каналов (CS) для голоса — с коммутатором MSC — и домена коммутации пакетов (PS) для интернета. Создавая LTE, 3GPP оставил только пакетную половину (курс lte, урок 3). Узлы MME, S-GW и P-GW прекрасно доставляют IP-пакеты, но в ядре EPC нет узла, который понимает телефонный номер, ставит вызов, даёт «занято» и гудки. Значит, обычный звонок нужно где-то «поселить».

Аналогия: LTE — новая скоростная автомагистраль. По ней быстро едут любые грузы, но автовокзала с расписанием рейсов на ней нет. Пока вокзал не построили, пассажиров приходится высаживать на старую дорогу, где вокзал есть.

У операторов было четыре пути:

На схеме видна главная разница. При CSFB (вверху) телефон сначала сообщает о вызове узлу MME, затем уходит из LTE в 2G/3G, и голос идёт через коммутатор MSC; после отбоя телефон возвращается в LTE. При VoLTE (внизу) телефон никуда не уходит: сигнализация SIP проходит через EPC в IMS, а голос едет по отдельному гарантированному bearer.

2. CSFB: звонок с уходом в 2G/3G

CSFB (Circuit Switched Fallback, «возврат в сеть с коммутацией каналов») — процедура по 3GPP TS 23.272: телефон находится в LTE, но для голосового вызова временно переходит в сеть 2G или 3G и разговаривает через её домен CS. Опора CSFB — интерфейс SGs между MME и коммутатором MSC/VLR (курс lte, уроки 5 и 95). Благодаря SGs телефон при включении делает комбинированную регистрацию (Combined Attach): он записан и в LTE, и в старом домене CS, поэтому MSC знает, через какой MME искать абонента.

Аналогия: вы живёте в новом доме без телефонной линии, но соседи разрешили пользоваться их аппаратом. Каждый раз, когда звонят вам или звоните вы, нужно встать, выйти из квартиры и дойти до соседей. Это работает — но каждый раз уходит время, а пока вы у соседей, дома ничего не происходит.

Исходящий вызов по шагам

Номера шагов совпадают с номерами на схеме:

1. UE -> MME        Extended Service Request (MO CS fallback)
                    "хочу позвонить: нужен домен CS"
2. MME -> eNodeB    UE Context Modification (CS Fallback Indicator)
                    "переведи этого абонента в 2G/3G"
3. eNodeB -> UE     RRC Release + redirect to 3G
                    телефон отпускают из LTE и называют частоту 3G
4. UE               retune to 3G, read system info
                    перестройка радио и чтение параметров соты 3G
5. UE -> MSC        CM Service Request (через 3G RAN)
                    обычный запрос вызова в домене CS
6. UE <-> MSC       voice in the CS domain
                    разговор; после отбоя — возврат в LTE

Построчно:

• Шаг 1. Абонент нажал «вызов». Телефон в LTE не может сам поставить голосовой вызов, поэтому просит MME о переходе в домен CS сообщением Extended Service Request с пометкой «исходящий CSFB».
• Шаг 2. MME проверяет, что абонент зарегистрирован через SGs, и командует базовой станции eNodeB перевести его в 2G/3G (UE Context Modification с признаком CSFB).
• Шаг 3. eNodeB освобождает радиосоединение LTE и указывает частоту 3G, куда идти (перенаправление). С этого момента телефон в LTE больше не работает.
• Шаг 4. Телефон перестраивает радиотракт на частоту 3G и читает системную информацию соты — без неё он не может начать передачу.
• Шаг 5. В 3G телефон устанавливает радиосоединение и отправляет коммутатору MSC привычный запрос CM Service Request. Только здесь начинается то, что в 2G/3G было бы всем вызовом.
• Шаг 6. Разговор идёт по каналу домена CS. После отбоя телефон должен вернуться в LTE.

Входящий вызов устроен зеркально:

1. MSC -> MME       SGs paging         "абоненту звонят, найди его"
2. MME -> eNodeB    paging в LTE       поиск по зоне отслеживания
3. UE -> MME        Extended Service Request (MT CS fallback)
4. ...              дальше — как шаги 2–6 исходящего вызова:
                    уход в 2G/3G, ответ на поиск в домене CS, разговор

Цена CSFB: четыре проблемы

1. Дополнительная задержка установления. Шаги 2–4 — перевод в 2G/3G, перестройка радио, чтение системной информации, новое радиосоединение — выполняются до обычного установления вызова в MSC. Абонент ждёт гудков дольше. Если зона местоположения в 2G/3G не совпала с ожидаемой, телефону приходится ещё и обновлять местоположение — задержка растёт (курс lte, урок 95).
2. Потеря или замедление данных LTE. Пока идёт разговор, телефон не в LTE. В сети 3G данные продолжаются, но со скоростью 3G. В сети 2G, где голос и данные одновременно часто не поддерживаются, передача данных приостанавливается до конца разговора — по TS 23.272 это отдельная процедура приостановки. Навигатор Лейлы «замер» именно поэтому.
3. Обязательная сеть 2G/3G и её загрузка. Каждый голосовой вызов абонента LTE — это вызов в 2G/3G. Значит, везде, где есть LTE, оператор обязан держать 2G/3G с достаточной ёмкостью: базовые станции, частоты, коммутатор, SGs. Чем больше абонентов в LTE, тем больше голосовой нагрузки падает на старую сеть.
4. «Залипание» в 2G/3G после вызова. После отбоя телефон возвращается в LTE не мгновенно. Если сеть 2G/3G не направила его обратно (быстрый возврат, курс lte, урок 95), телефон ждёт обычной смены соты и какое-то время остаётся в медленной сети, хотя LTE рядом.

3. SVLTE и VoLGA: исторический контекст

Параллельно с CSFB пробовали ещё два подхода. Сегодня они важны только как урок истории — почему отрасль выбрала IMS.

• SVLTE (Simultaneous Voice and LTE, «одновременно голос и LTE») — телефон с двумя радиотрактами: один постоянно работает в LTE для данных, второй — в старой сети для голоса. Уходить из LTE не нужно, данные во время разговора не прерываются. Цена: два радиомодуля одновременно — больше расход батареи, дороже и сложнее телефон, и старая голосовая сеть всё равно нужна. По мере появления VoLTE от такой схемы отказались.
• VoLGA (Voice over LTE via Generic Access) — голос старого ядра CS передают поверх LTE через особый шлюз, который подключается к существующему коммутатору MSC. Идею продвигала группа компаний как быстрый промежуточный вариант, но стандартом 3GPP она не стала. Временным решением отрасль выбрала CSFB, целевым — IMS, и VoLGA не прижился.

Аналогия: SVLTE — носить с собой два телефона; VoLGA — пустить старый телефонный кабель внутри новой магистрали. Оба способа работают, но не решают главное — не избавляют от старой голосовой сети.

4. VoLTE: голос как услуга IMS поверх LTE

VoLTE (Voice over LTE, «голос поверх LTE») — голосовой вызов, который целиком идёт в LTE: сигнализация SIP и голос RTP передаются как IP-пакеты через EPC, а управляет вызовом ядро IMS по 3GPP TS 23.228. Сама телефонная услуга — номер, гудки, удержание, переадресация — это MMTel, мультимедийная телефония IMS (курс ims, уроки 9 и 85).

Путь вызова: телефон → eNodeB → S-GW → P-GW (это EPC) → вход в IMS P-CSCF → ядро IMS и сервер MMTel AS → вызываемый абонент.

Чтобы голос в LTE звучал как «настоящий» телефонный, сеть даёт VoLTE два отдельных bearer (курс lte, уроки 48–50):

1. Сигнальный bearer для SIP. Существует всё время, пока телефон зарегистрирован в IMS, и имеет высокий приоритет — поэтому INVITE не стоит в очереди за видео и обновлениями.
2. Голосовой bearer с гарантированной скоростью (GBR). Создаётся в начале разговора по запросу ядра IMS (курс lte, урок 72) и удаляется после отбоя. Пока он есть, планировщик базовой станции резервирует голосу нужную скорость, даже если сота загружена.

Какие именно параметры у этих bearer, разберём в разделе 1 курса.

Аналогия: VoLTE — это когда вокзал наконец построили прямо на магистрали. Пассажиру не нужно съезжать на старую дорогу, а для рейса выделяется собственная полоса, которая действует, пока автобус в пути.

Что даёт VoLTE

Переназначение частот (refarming) — когда полосу, на которой работала старая сеть (например, 3G), после её выключения отдают новой технологии. Частоты те же, но в LTE на них помещается заметно больше данных.

Важно: VoLTE работает, только если его поддерживают и телефон, и сеть, и подписка абонента. Если хоть одно звено «не умеет», телефон звонит по-старому — через CSFB. Поэтому годами операторы держат оба механизма.

CSFB, VoLTE и мессенджер OTT

Мессенджер тоже «звонит через LTE». Чем он отличается? Вспомните урок 1 курса ims: для оператора звонок OTT — просто пакеты в общем интернет-канале.

Обратите внимание на предпоследнюю строку: у VoLTE есть слабое место, которого нет у CSFB. Если абонент во время разговора уезжает за край покрытия LTE, разговор надо передать в 2G/3G, не обрывая его. Как это делается — отдельная большая тема курса.

Разбор примера: время установления вызова

Посчитаем, сколько времени Лейла ждёт гудков при CSFB и при VoLTE. Все слагаемые — условное допущение задачи, а не нормы стандарта: реальные значения зависят от сети, настроек и телефона.

Дано (исходящий вызов, телефон в режиме ожидания в LTE):

• CSFB: сигнализация в LTE (шаги 1–2) — 0.3 s; освобождение в LTE и перестройка на 3G (шаги 3–4) — 0.4 s; чтение системной информации соты 3G — 1.0 s; радиосоединение в 3G — 0.3 s; установление вызова в MSC до гудков — 2.0 s.
• VoLTE: выход из режима ожидания (Service Request, курс lte, урок 67) — 0.1 s; установление вызова через IMS вместе с голосовым bearer до гудков — 1.9 s.

# Время от нажатия «вызов» до гудков, секунды (условные значения)
csfb:
  t1_lte_signalling: 0.3    # Extended Service Request + команда eNodeB
  t2_retune_to_3g: 0.4      # освобождение в LTE, перестройка на 3G
  t3_read_3g_info: 1.0      # системная информация соты 3G
  t4_rrc_in_3g: 0.3         # радиосоединение в 3G
  t5_cs_call_setup: 2.0     # CM Service Request ... гудки
  total: 4.0                # 0.3 + 0.4 + 1.0 + 0.3 + 2.0
  fallback_overhead: 1.7    # t2 + t3 + t4 — цена ухода из LTE

volte:
  v1_service_request: 0.1   # выход из режима ожидания в LTE
  v2_ims_call_setup: 1.9    # SIP через IMS + голосовой bearer
  total: 2.0                # 0.1 + 1.9

difference: 2.0             # 4.0 - 2.0
ratio: 2.0                  # 4.0 / 2.0

Построчно:

• csfb.total = 4.0: складываем пять слагаемых: $0{,}3 + 0{,}4 + 1{,}0 + 0{,}3 + 2{,}0 = 4{,}0$ с.
• fallback_overhead = 1.7: шаги 2–4 (перестройка, чтение соты, радиосоединение в 3G) существуют только потому, что телефону надо уйти из LTE: $0{,}4 + 1{,}0 + 0{,}3 = 1{,}7$ с — больше трети всего времени.
• volte.total = 2.0: $0{,}1 + 1{,}9 = 2{,}0$ с — ухода из LTE нет.
• difference = 2.0, ratio = 2.0: при этих допущениях CSFB вдвое медленнее, абонент ждёт на 2.0 s дольше.

💡 Архитектурный вердикт: при заданных допущениях VoLTE сокращает ожидание гудков с 4.0 s до 2.0 s, сохраняет LTE-данные во время разговора и, главное, снимает зависимость голоса от 2G/3G. Директору из примера 2 ответ такой: выключать 3G можно только после того, как основная масса вызовов перейдёт на VoLTE, а для телефонов без VoLTE будет решено, куда им звонить.

Что может сломаться и как это найти

⚠️ Типичная ошибка: решать судьбу 3G только по графику интернет-трафика. Данных в 3G может почти не быть, а голос всех абонентов без VoLTE по-прежнему идёт туда через CSFB. Сначала смотрят долю голосовых вызовов через CSFB, потом выключают сеть.

Практика

1. Предскажите. Абонент в LTE слушает потоковую музыку и ведёт машину по навигатору. Ему поступает входящий вызов, сеть использует CSFB и направляет телефон в 2G. Что будет с музыкой и навигатором во время разговора и сразу после отбоя?
2. Проверьте. Верны ли утверждения: а) при CSFB разговор идёт через ядро EPC; б) для голоса VoLTE сеть создаёт отдельный bearer с гарантированной скоростью; в) мессенджер OTT получает гарантию качества, потому что тоже работает через LTE; г) без интерфейса SGs между MME и MSC CSFB не работает.
3. Объясните. Почему оператор, у которого голос держится только на CSFB, не может выключить 3G (и 2G), даже если весь интернет уже идёт через LTE?
4. Измените. В разборе примера сеть научилась заранее передавать телефону параметры соты 3G, и чтение системной информации сократилось с 1.0 s до 0.2 s. Остальные слагаемые те же. Посчитайте новое время CSFB, новую цену ухода из LTE и разницу с VoLTE.
5. Сделайте сами ⭐. Другие условные значения. CSFB: 0.2 s + 0.5 s + 1.2 s + 0.4 s + 2.3 s. VoLTE: 0.1 s + 2.3 s. В сети 500 000 исходящих вызовов в сутки, и все они переходят с CSFB на VoLTE. Посчитайте время установления для CSFB и VoLTE, разницу на один вызов и сколько часов ожидания в сутки экономят абоненты вместе (округлите до десятых).

# Задание 5: слагаемые, секунды (условные значения)
csfb: [0.2, 0.5, 1.2, 0.4, 2.3]
volte: [0.1, 2.3]
calls_per_day: 500000

Самопроверка

1. Почему при CSFB вызов устанавливается дольше, чем при VoLTE, даже если MSC и IMS работают одинаково быстро?
   Разбор: при CSFB к обычному установлению вызова добавляются шаги, которых при VoLTE нет вообще: команда MME базовой станции, освобождение радиосоединения LTE, перестройка телефона на частоту 2G/3G, чтение системной информации новой соты и новое радиосоединение. Только после этого телефон отправляет CM Service Request. При VoLTE телефон остаётся в LTE и сразу отправляет SIP INVITE в IMS. В нашем примере только уход из LTE стоил 1.7 s.
2. Что даёт VoLTE оператору, который хочет выключить 3G, и почему одного VoLTE в сети мало?
   Разбор: при VoLTE голос не уходит в 2G/3G, поэтому старая сеть перестаёт быть обязательной для каждого вызова, а её частоты можно переназначить под LTE. Но VoLTE нужен ещё в телефоне и в подписке абонента. Пока заметная часть абонентов звонит через CSFB, выключение 3G оставит их без звонков (или перегрузит 2G). Поэтому сначала переводят на VoLTE основную массу вызовов и решают вопрос со старыми телефонами.

Ответы к практике

• Задание 1: во время разговора телефон в 2G, где данные на время вызова приостанавливаются: музыка играет, пока хватает буфера, потом замолкает; карта перестаёт обновляться. После отбоя передача данных возобновляется, но, пока телефон не вернулся в LTE, — на медленной скорости 2G/3G.
• Задание 2: а) неверно — при CSFB разговор идёт через домен CS 2G/3G и коммутатор MSC; б) верно — это голосовой bearer GBR, который создаётся на время разговора; в) неверно — OTT идёт в общем интернет-канале без гарантии, сеть не знает, что внутри разговор; г) верно — через SGs MSC находит абонента в LTE, а MME узнаёт о вызове.
• Задание 3: при CSFB каждый голосовой вызов абонента LTE физически выполняется в 2G/3G. Если выключить 3G, вызовы останутся только в 2G (её ёмкости может не хватить) или пропадут вовсе там, где 2G нет. Сначала голос нужно перевести на VoLTE.
• Задание 4: CSFB $= 0{,}3 + 0{,}4 + 0{,}2 + 0{,}3 + 2{,}0 = 3{,}2$ с; цена ухода из LTE $= 0{,}4 + 0{,}2 + 0{,}3 = 0{,}9$ с; разница с VoLTE $= 3{,}2 - 2{,}0 = 1{,}2$ с. Ускорение помогает, но переход в 2G/3G всё равно остаётся.
• Задание 5: CSFB $= 0{,}2 + 0{,}5 + 1{,}2 + 0{,}4 + 2{,}3 = 4{,}6$ с; VoLTE $= 0{,}1 + 2{,}3 = 2{,}4$ с; разница $= 2{,}2$ с на вызов. За сутки: $500\,000 \times 2{,}2 = 1\,100\,000$ с $= 1\,100\,000 / 3600 \approx 305{,}6$ ч — почти 13 суток ожидания каждый день.

Повторение и критерий перехода

• В LTE нет домена CS: голосу нужен либо уход в 2G/3G (CSFB), либо своя услуга поверх IP (VoLTE).
• CSFB (3GPP TS 23.272) опирается на SGs: телефон для каждого вызова уходит в 2G/3G. Цена: дольше установление, данные LTE стоят или замедляются, сеть 2G/3G обязательна и загружена, после вызова возможно «залипание» в 2G/3G.
• SVLTE (два радиотракта) и VoLGA (голос ядра CS через шлюз поверх LTE) — исторические варианты, которые не прижились.
• VoLTE — голос как услуга IMS (MMTel) поверх LTE: bearer для сигнализации и голосовой bearer GBR. Выгоды: быстрое установление, HD-голос, данные во время вызова, путь к выводу 2G/3G и переназначению частот.
• OTT-мессенджер не даёт гарантии качества, экстренных вызовов и номера E.164; у VoLTE слабое место — выход из зоны LTE во время разговора.

Критерий перехода: вы можете по памяти расставить шесть шагов исходящего CSFB-вызова, назвать четыре проблемы CSFB, объяснить, зачем VoLTE два bearer, заполнить таблицу CSFB / VoLTE / OTT и посчитать время установления по заданным слагаемым.

Дальше — урок 2 «LTE + IMS: узлы и интерфейсы»: из каких узлов собирается VoLTE и как они связаны; а впереди в курсе — профиль GSMA IR.92, VoWiFi и SRVCC.

Стандарты и источники

• 3GPP TS 23.272 — Circuit Switched (CS) fallback in Evolved Packet System (EPS); Stage 2: процедуры CSFB, вызовы через SGs, приостановка данных.
• 3GPP TS 29.118 — Mobility Management Entity (MME) – Visitor Location Register (VLR) SGs interface specification: интерфейс SGs.
• 3GPP TS 23.228 — IP Multimedia Subsystem (IMS); Stage 2: архитектура IMS, на которой построен VoLTE.
• 3GPP TS 24.173 — IMS multimedia telephony communication service and supplementary services; Stage 3: услуга MMTel.
• 3GPP TS 23.401 — GPRS enhancements for E-UTRAN access: EPC и каналы EPS Bearer.
• GSMA IR.92 — IMS Profile for Voice and SMS.