VoLTE, VoWiFi i VoNR: kako danas prolazi telefonski poziv

Uvod u savremene glasovne komunikacije

Telefonski poziv, nekada jednostavan čin spajanja dva sagovornika putem fiksne linije, a potom i mobilne mreže zasnovane na komutaciji kola (Circuit Switching – CS), doživeo je duboku transformaciju. Danas, kada podignemo slušalicu ili pritisnemo ikonu "pozovi" na našem pametnom telefonu, putanja glasa je daleko složenija, ali i efikasnija, fleksibilnija i bogatija. Evolucija mobilnih mreža od 2G i 3G do 4G i 5G ere donela je sa sobom i fundamentalnu promenu u načinu prenosa glasa: od tradicionalnog CS sistema ka paketno usmerenom prenosu (Packet Switching – PS), primarno putem tehnologija kao što su VoLTE (Voice over LTE), VoWiFi (Voice over Wi-Fi) i, najnovije, VoNR (Voice over New Radio). Centralni stub koji omogućava ovu tranziciju i objedinjuje sve ove usluge jeste IP Multimedijalni Podsistem (IMS). Razumevanje kako ove tehnologije funkcionišu, kako su međusobno povezane i kako se ponašaju u dinamičnom okruženju mobilnih mreža ključno je za razumevanje savremenih telekomunikacija.

Revolucija glasovnih poziva: Od CS do PS

Istorijski gledano, glasovni pozivi u mobilnim mrežama bili su zasnovani na principu komutacije kola. Ovaj pristup, nasleđen iz fiksne telefonije, obezbeđivao je namenski, konstantni kanal za prenos glasa tokom celog trajanja poziva. Sa dolaskom 4G LTE (Long-Term Evolution) tehnologije, koja je od samog početka dizajnirana isključivo kao paketno usmerena mreža, pojavila se potreba za novim rešenjem za glasovne usluge.

Circuit Switching (CS) i Počeci

U 2G (GSM) i 3G (UMTS) mrežama, glasovni pozivi su se obavljali putem komutacije kola. Kada bi korisnik inicirao poziv, mreža bi uspostavila posvećeni kanal – "kolo" – između dva telefona. Ovo kolo bi ostalo rezervisano za taj poziv sve dok se ne završi, bez obzira da li se glas prenosio ili ne. Prednost je bila zagarantovan kvalitet usluge (QoS) i niska latencija, dok je mana bila neefikasno korišćenje resursa mreže, posebno u poređenju sa paketnim prenosom koji je optimizovan za isprekidani saobraćaj podataka.

Sa širenjem 4G LTE mreža, operateri su se suočili sa izazovom: kako obezbediti glasovne usluge u mreži koja je primarno namenjena za brzi prenos podataka. Prelazno rešenje, poznato kao CS Fallback (CSFB), omogućavalo je LTE uređajima da se, prilikom iniciranja ili primanja poziva, privremeno vrate na 2G ili 3G mrežu kako bi obavili poziv putem komutacije kola. Iako funkcionalno, CSFB je donosio duže vreme uspostave poziva i prekide u prenosu podataka tokom poziva, što je narušavalo korisničko iskustvo.

Paketno usmeravanje (PS) i nastanak IMS-a

Paralelno sa razvojem LTE tehnologije, industrija je radila na standardizovanom rešenju za prenos glasa preko paketno usmerenih mreža. To rešenje je IP Multimedijalni Podsistem (IMS), arhitektura definisana od strane 3GPP (3rd Generation Partnership Project) koja omogućava isporuku multimedijalnih usluga, uključujući glas, preko IP (Internet Protokola) mreža. IMS je osmišljen kao generička platforma koja je nezavisna od pristupne tehnologije, što znači da može da podrži usluge preko LTE, Wi-Fi, fiksnih širokopojasnih mreža, pa čak i budućih 5G mreža.

IMS koristi Session Initiation Protocol (SIP) za signalizaciju i uspostavljanje, modifikaciju i prekid multimedijalnih sesija, dok se sam glasovni saobraćaj prenosi putem Real-time Transport Protocol (RTP) protokola. Ključna prednost IMS-a je njegova sposobnost da obezbedi bogate komunikacione usluge (Rich Communication Services – RCS), kao što su video pozivi, deljenje sadržaja i napredne poruke, pored standardnog glasovnog poziva, sve unutar jedne arhitekture.

VoLTE: Glas na 4G mreži

VoLTE, ili Voice over LTE, predstavlja prvu široko prihvaćenu komercijalnu implementaciju IMS-a za prenos glasovnih poziva u mobilnim mrežama. Sa VoLTE-om, glas se tretira kao bilo koji drugi podatkovni paket, ali sa prioritetom i garantovanim kvalitetom usluge (QoS) kako bi se osiguralo optimalno korisničko iskustvo.

Arhitektura i ključne komponente (IMS)

Srce VoLTE arhitekture je IMS. Kada korisnik inicira VoLTE poziv, njegov uređaj (pametni telefon) se preko LTE radio mreže povezuje sa IMS jezgrom operatera. Ključne komponente IMS-a uključuju:

• P-CSCF (Proxy-Call Session Control Function): Prva tačka kontakta za korisnički uređaj u IMS mreži, odgovorna za registraciju i prosleđivanje SIP poruka.

• I-CSCF (Interrogating-Call Session Control Function): Upitna funkcija koja locira odgovarajući S-CSCF za korisnika.

• S-CSCF (Serving-Call Session Control Function): Centralna tačka za kontrolu sesija u IMS-u, odgovorna za autentifikaciju, autorizaciju i rutiranje poziva.

• HSS (Home Subscriber Server): Baza podataka koja čuva informacije o pretplatnicima i njihovim uslugama.

• Media Gateway: Komponenta koja omogućava interkonekciju između IMS mreže i tradicionalnih PSTN (Public Switched Telephone Network) mreža, kao i transkodiranje između različitih kodeka.

Putanja VoLTE poziva počinje registracijom uređaja na IMS, nakon čega se uspostavlja SIP sesija za poziv. Glasovni podaci se zatim enkapsuliraju u RTP pakete i prenose preko LTE mreže. Zahvaljujući HD Voice kodecima (npr. AMR-WB – Adaptive Multi-Rate Wideband), VoLTE nudi značajno bolji kvalitet zvuka u poređenju sa tradicionalnim CS pozivima.

Prednosti i izazovi implementacije

Prednosti VoLTE-a su višestruke:

• Brža uspostava poziva: Nema potrebe za prebacivanjem na 2G/3G mrežu, što skraćuje vreme uspostave poziva.

• Poboljšan kvalitet zvuka (HD Voice): Širi frekventni opseg omogućava čistiji i prirodniji zvuk.

• Istovremeni prenos glasa i podataka: Korisnici mogu da pretražuju internet ili koriste aplikacije koje zahtevaju podatke tokom VoLTE poziva, za razliku od CSFB gde bi se prenos podataka prekidao.

• Efikasnije korišćenje mrežnih resursa: Paketni prenos je efikasniji od komutacije kola.

• Osnova za RCS usluge: VoLTE otvara vrata za napredne multimedijalne usluge.

Međutim, implementacija VoLTE-a nosila je i određene izazove. Operateri su morali da nadograde svoju mrežnu infrastrukturu, implementiraju IMS jezgro i osiguraju interoperabilnost sa postojećim 2G/3G mrežama. Takođe, podrška uređaja je bila ključna.

Kompatibilnost uređaja i operatera

Za uspešno funkcionisanje VoLTE-a, neophodna je podrška na tri nivoa:

1. Mreža operatera: Operater mora imati implementiran IMS i VoLTE uslugu u svojoj 4G mreži.

2. Uređaj: Pametni telefon mora podržavati VoLTE. To podrazumeva odgovarajući hardver i softver, uključujući specifične firmvere i profile optimizovane za mrežu određenog operatera. Nije dovoljno da telefon "podržava VoLTE" generalno; često je potrebna specifična validacija i konfiguracija od strane proizvođača uređaja u saradnji sa operaterom.

3. SIM kartica: SIM kartica mora biti kompatibilna sa VoLTE uslugama, što je obično slučaj sa modernijim karticama.

U ranim fazama implementacije, kompatibilnost je bila značajan problem. Operateri su morali da testiraju i sertifikuju svaki model telefona, što je dovodilo do toga da isti model telefona može podržavati VoLTE kod jednog, ali ne i kod drugog operatera. Danas je situacija znatno bolja, sa širokom podrškom VoLTE-a na većini modernih pametnih telefona i kod većine globalnih operatera.

VoWiFi: Glas preko Wi-Fi mreže

VoWiFi, ili Voice over Wi-Fi (često se naziva i Wi-Fi Calling), omogućava korisnicima da obavljaju i primaju glasovne pozive preko Wi-Fi mreže, umesto preko mobilne mreže operatera. Iako koristi drugačiji pristupni medij, VoWiFi je usko integrisan sa IMS arhitekturom, što mu omogućava da pruža slično iskustvo kao VoLTE.

Princip rada i integracija sa IMS-om

Kada je VoWiFi omogućen, korisnikov pametni telefon, umesto da se povezuje na mobilnu mrežu, koristi dostupnu Wi-Fi konekciju za slanje i primanje glasovnih paketa. Poziv se i dalje uspostavlja putem SIP protokola preko IMS jezgra operatera. Ključna komponenta koja omogućava ovu integraciju je ePDG (evolved Packet Data Gateway). ePDG deluje kao siguran prolaz, enkapsulirajući Wi-Fi saobraćaj i tunelirajući ga do operaterovog jezgra mreže, obezbeđujući autentifikaciju i autorizaciju kao da je korisnik povezan na mobilnu mrežu.

Ova integracija znači da se VoWiFi pozivi tretiraju kao standardni mobilni pozivi, koristeći isti broj i tarifni paket. Za razliku od VoIP aplikacija trećih strana (kao što su Viber, WhatsApp, Skype), VoWiFi pozivi su nativni pozivi integrisani u mobilni broj korisnika.

Scenariji upotrebe i benefiti

Primarni scenariji upotrebe i benefiti VoWiFi-a uključuju:

• Poboljšana pokrivenost u zatvorenom prostoru: U područjima sa slabim mobilnim signalom (npr. podrumi, zgrade sa debelim zidovima), Wi-Fi signal može biti dostupan, omogućavajući obavljanje poziva.

• Međunarodni roaming: Korisnici mogu da obavljaju pozive po cenama lokalnih poziva, izbegavajući visoke troškove rominga, pod uslovom da su povezani na Wi-Fi mrežu.

• Jednostavnost upotrebe: Za korisnika je iskustvo identično kao kod običnog poziva, bez potrebe za pokretanjem posebnih aplikacija.

• HD Voice kvalitet: Kao i VoLTE, VoWiFi obično podržava HD Voice kodeke.

Povezanost sa VoLTE tehnologijom

VoLTE i VoWiFi su komplementarne tehnologije koje dele isto IMS jezgro. Ova zajednička arhitektura omogućava besprekoran prelazak poziva (handover) između VoLTE i VoWiFi mreža. Na primer, ako korisnik započne poziv preko VoLTE-a i uđe u zgradu sa slabim signalom ali jakim Wi-Fi signalom, poziv se može automatski prebaciti na VoWiFi bez prekida. Ova funkcionalnost je poznata kao "Wi-Fi to Cellular Handover" i obrnuto.

Kao i kod VoLTE-a, podrška za VoWiFi zavisi od operatera i modela uređaja. Operater mora aktivirati VoWiFi uslugu, a uređaj mora imati odgovarajući firmver i konfiguraciju.

VoNR: Budućnost glasa u 5G eri

Sa dolaskom 5G mreža, telekomunikaciona industrija se priprema za sledeću generaciju glasovnih usluga – VoNR, ili Voice over New Radio. VoNR predstavlja implementaciju glasovnih poziva direktno preko 5G New Radio (NR) interfejsa, koristeći 5G jezgro mreže.

Nativni glas u 5G SA mrežama

Za razliku od ranih faza 5G implementacije (poznatih kao 5G Non-Standalone – NSA), gde se 5G radio mreža oslanjala na postojeće 4G jezgro za kontrolne funkcije i glasovne pozive (što je značilo da bi se glasovni pozivi i dalje obavljali putem VoLTE-a), VoNR je namenjen za 5G Standalone (SA) mreže. U 5G SA mrežama, i radio i jezgro mreže su potpuno 5G, što omogućava nativnu podršku za VoNR.

VoNR pozivi će, kao i VoLTE i VoWiFi, koristiti IMS jezgro, ali sa poboljšanjima optimizovanim za 5G. Prednosti VoNR-a uključuju:

• Ultra-niska latencija: 5G mreže su dizajnirane za ekstremno nisku latenciju, što će dodatno poboljšati iskustvo glasovnih poziva.

• Poboljšan QoS: Mogućnost naprednijeg upravljanja kvalitetom usluge u 5G mreži.

• Veći kapacitet: Efikasnije korišćenje spektra i resursa u 5G mreži.

• Podrška za napredne usluge: VoNR će biti osnova za još bogatije multimedijalne usluge i integraciju sa IoT (Internet of Things) uređajima.

Evolucija IMS-a za 5G

IMS arhitektura je dovoljno fleksibilna da podrži VoNR, ali su potrebne određene nadogradnje i optimizacije. 5G jezgro mreže (5GC) je razvijeno sa "cloud-native" principima, koristeći tehnologije kao što su kontejnerizacija i mikroservisi. IMS će se integrisati sa 5GC, koristeći njegove funkcije za upravljanje sesijama, autentifikaciju i rutiranje. Ova evolucija će omogućiti operaterima da ponude još agilnije i skalabilnije glasovne usluge.

Očekivanja i izazovi tranzicije

Iako je VoNR budućnost glasovnih poziva, njegova široka komercijalna implementacija je još uvek u ranoj fazi. Glavni izazovi uključuju:

• Izgradnja 5G SA mreža: Većina operatera je još uvek u fazi implementacije 5G NSA. Izgradnja punokrvnih 5G SA mreža zahteva značajna ulaganja.

• Kompatibilnost uređaja: Samo najnoviji 5G uređaji sa odgovarajućim čipsetima i softverom će podržavati VoNR.

• Interoperabilnost: Obezbeđivanje besprekornog prelaska između 2G/3G/4G/5G mreža i VoWiFi-a tokom poziva je složen zadatak.

Prema procenama analitičkih kuća, očekuje se da će VoNR postati dominantan način prenosa glasa u 5G mrežama u narednih nekoliko godina, prateći širenje 5G SA infrastrukture.

Kompatibilnost i prelazak između mreža (Handover)

Jedan od najkritičnijih aspekata savremenih glasovnih usluga je sposobnost sistema da obezbedi kontinuitet poziva kada se korisnik kreće između različitih tehnologija pristupa ili čak između različitih ćelija unutar iste tehnologije. Ovaj proces je poznat kao handover.

Jedinstveni IMS za sve tehnologije

Lepota i snaga IMS arhitekture leži u njenoj sposobnosti da deluje kao jedinstvena platforma za kontrolu sesija za VoLTE, VoWiFi i VoNR. Bez obzira na to da li se korisnik povezuje preko 4G LTE, Wi-Fi ili 5G NR, IMS jezgro obrađuje poziv na konzistentan način. Ovo pojednostavljuje mrežu operatera i omogućava unificirano korisničko iskustvo.

Seamless handover: SRVCC, eSRVCC i LVS

Da bi se obezbedio "seamless" (besprekoran) prelazak poziva bez prekida, razvijeni su specifični mehanizmi:

• SRVCC (Single Radio Voice Call Continuity): Standardizovani mehanizam koji omogućava prebacivanje glasovnog poziva sa VoLTE (LTE) na 2G/3G CS mrežu. Ovo je ključno u situacijama kada korisnik izgubi 4G signal i mora se vratiti na starije mreže. SRVCC je dizajniran da minimizira prekid poziva tokom ovog prelaska.

• eSRVCC (enhanced SRVCC): Poboljšana verzija SRVCC-a koja nudi još brži i efikasniji prelazak sa VoLTE na CS mreže, dodatno smanjujući šanse za prekid poziva.

• LVS (LTE-WLAN Voice Service): Mehanizam koji omogućava prelazak poziva između VoLTE i VoWiFi mreža. To znači da poziv započet na 4G mreži može biti prebačen na Wi-Fi kada korisnik uđe u Wi-Fi pokrivenu zonu, i obrnuto, bez prekida.

Ponašanje uređaja u različitim scenarijima

Ponašanje uređaja prilikom prelaska između mreža je kompleksno i zavisi od nekoliko faktora:

• Prioritet mreže: Uređaji su obično konfigurisani da preferiraju VoLTE kada je dostupan, zatim VoWiFi, a potom da se vrate na CSFB ako nijedna od ovih opcija nije dostupna.

• Jačina signala: Uređaj neprestano meri jačinu signala i kvalitet mreže. Ako kvalitet VoLTE signala padne ispod određenog praga, uređaj će pokušati da se prebaci na VoWiFi ili SRVCC.

• Mrežna politika operatera: Operateri mogu definisati sopstvene politike za handover, koje diktiraju kada i kako će se pozivi prebacivati između različitih tehnologija.

Važno je napomenuti da, dok je prelazak sa VoLTE na CS (SRVCC) dobro uspostavljen, prelazak sa VoNR na VoLTE ili VoWiFi, kao i obrnuto, biće ključan za budućnost. Ovi mehanizmi su aktivno razvijani i standardizovani unutar 3GPP.

Putanja modernog telefonskog poziva

Zamislite da korisnik A (koji koristi pametni telefon) poziva korisnika B (koji takođe koristi pametni telefon). Putanja poziva može izgledati ovako:

1. Inicijacija poziva: Korisnik A pritisne "pozovi". Telefon detektuje da je povezan na 4G mrežu sa VoLTE podrškom (ili Wi-Fi sa VoWiFi, ili 5G SA sa VoNR).

2. Registracija i signalizacija (IMS): Telefon korisnika A šalje SIP INVITE poruku preko LTE/Wi-Fi/5G radio mreže do P-CSCF-a u IMS jezgru operatera A. P-CSCF prosleđuje poziv S-CSCF-u, koji proverava pretplatničke podatke u HSS-u.

3. Rutiranje poziva: S-CSCF operatera A, na osnovu broja korisnika B, rutira poziv ka IMS jezgru operatera B (ili ka PSTN mreži ako je korisnik B na fiksnoj liniji ili staroj mobilnoj mreži).

4. Uspostava poziva kod korisnika B: IMS operatera B prima SIP INVITE, locira korisnika B (preko njegovog S-CSCF-a i HSS-a) i šalje SIP INVITE poruku na telefon korisnika B.

5. Zvono i odgovor: Telefon korisnika B zazvoni. Kada korisnik B odgovori, šalje se SIP 200 OK poruka nazad kroz IMS mreže do korisnika A.

6. Prenos glasa (RTP): Nakon uspostave sesije, glasovni podaci se prenose direktno između telefona korisnika A i B (preko odgovarajućih radio mreža i IMS jezgra) koristeći RTP protokol.

7. Handover (ako je potrebno): Tokom poziva, ako se korisnik A kreće i izgubi 4G signal, ali se poveže na Wi-Fi, poziv se može automatski prebaciti sa VoLTE na VoWiFi (LVS). Ako se izgube i 4G i Wi-Fi, poziv se može prebaciti na 3G CS (SRVCC).

8. Završetak poziva: Kada jedan od korisnika prekine poziv, šalje se SIP BYE poruka, čime se sesija raskida i oslobađaju resursi.

Ovaj proces se dešava u delićima sekunde, neprimetno za korisnika, obezbeđujući brzo i kvalitetno uspostavljanje poziva.

Kontrolna tabela podrške i karakteristika

"IP Multimedijalni Podsistem (IMS) nije samo tehnička platforma; to je paradigma koja je redefinisala način na koji mobilni operateri isporučuju glasovne i multimedijalne usluge. Njegova arhitekturna fleksibilnost omogućava tranziciju od komutacije kola ka paketnom prenosu, osiguravajući kontinuitet i evoluciju komunikacionih usluga kroz generacije mreža." – Izveštaj 3GPP o evoluciji IMS-a, 2018.

Zaključak: Put ka unificiranoj komunikaciji

Od jednostavne komutacije kola do sofisticiranog IP Multimedijalnog Podsistema, putanja telefonskog poziva je prešla dug put. VoLTE, VoWiFi i VoNR nisu samo skraćenice, već ključni stubovi savremenih telekomunikacija koji omogućavaju kvalitetnije, fleksibilnije i efikasnije glasovne usluge. IMS arhitektura, kao objedinjujuća platforma, omogućava da se glas tretira kao bogata multimedijalna usluga, nezavisno od pristupne tehnologije.

Iako je VoLTE već postao standard u 4G mrežama, a VoWiFi nudi vrednu komplementarnost, budućnost je u VoNR-u i punoj implementaciji 5G Standalone mreža. Izazovi tranzicije su značajni, od izgradnje infrastrukture do obezbeđivanja besprekorne kompatibilnosti i handovera između svih generacija mreža. Međutim, krajnji cilj je jasan: unificirana komunikaciona platforma koja korisnicima pruža konstantno visok kvalitet usluge, bez obzira na njihovu lokaciju ili tehnologiju pristupa. Razumevanje ovih tehnologija je imperativ ne samo za inženjere i operatere, već i za svakog korisnika koji želi da razume kako funkcioniše svet u kome je glas postao samo jedan od mnogih paketa koji putuju kroz globalnu mrežu.

Ključna saznanja

• IMS je srce modernih glasovnih usluga: IP Multimedijalni Podsistem (IMS) je objedinjujuća arhitektura koja omogućava prenos glasa preko paketno usmerenih mreža (4G, Wi-Fi, 5G), zamenjujući tradicionalnu komutaciju kola.

• VoLTE, VoWiFi i VoNR su komplementarne tehnologije: Svaka koristi IMS za isporuku glasovnih usluga, ali preko različitih pristupnih tehnologija (4G LTE, Wi-Fi, 5G NR), nudeći prednosti kao što su HD Voice, istovremeni podaci i poboljšana pokrivenost.

• Kompatibilnost je ključna: Za funkcionalnost VoLTE/VoWiFi/VoNR neophodna je podrška na nivou mreže operatera, specifičnog modela uređaja i SIM kartice.

• Seamless handover je imperativ: Mehanizmi poput SRVCC, eSRVCC i LVS omogućavaju kontinuitet poziva prilikom prelaska između različitih mrežnih tehnologija, minimalizujući prekide u korisničkom iskustvu.

• Budućnost je u 5G SA i VoNR: Iako je VoLTE dominantan danas, VoNR predstavlja sledeću evoluciju glasa, obećavajući ultra-nisku latenciju i poboljšan kvalitet u potpunosti 5G mrežama.

Primarni izvori

• 3GPP Technical Specifications (TS 23.228, TS 23.401, TS 23.292)

• GSMA Publications and Whitepapers on VoLTE, VoWiFi, and 5G Voice

• ITU-T Recommendations for IP-based Multimedia Services

• Analyst Reports from IDC, Gartner, Ericsson Mobility Report (PRAK)