Přenos hlasu a dat v LTE
Long Term Evolution (LTE) je plně paketově orientovaná mobilní technologie čtvrté generace, která sjednocuje přenos hlasu i dat nad IP. Zatímco u 2G/3G se hlas realizoval převážně okruhově přepínanou doménou (CS), LTE využívá IP Multimedia Subsystem (IMS) a služby Voice over LTE (VoLTE) pro nativní hlas, přičemž veškerá signalizace i uživatelská data jsou přenášena přes Evolved Packet Core (EPC). Klíčové je řízení kvality služby (QoS), nízká latence a spolehlivost přenosu v rádiovém rozhraní E-UTRAN.
Referenční architektura: E-UTRAN a EPC
Architektura LTE se skládá z eNodeB (základnové stanice) v přístupové části E-UTRAN a z EPC v jádru s uzly MME (Mobility Management Entity), SGW (Serving Gateway), PGW (Packet Data Network Gateway) a PCRF/PCF (Policy and Charging Rules Function). Uživatel se připojuje k jedné či více PDN (typicky IMS a Internet) prostřednictvím EPS session, která je realizována jedním či více EPS bearery se specifickými QoS parametry.
EPS bearer, QoS a třídy QCI
Každé IP spojení v LTE je mapováno na EPS bearer. Rozlišujeme GBR (Guaranteed Bit Rate) a non-GBR bearery. Hlas (VoLTE) používá GBR bearer s přísně definovanou třídou QCI a prioritou:
- QCI 1: konverzační hlas (GBR), nízká latence (typicky < 100 ms jednosměrně v RAN), vysoká priorita.
- QCI 5: IMS signalizace (non-GBR) – SIP zprávy s vysokou prioritou, ale nízkým objemem dat.
- Další QCI (např. 6, 8, 9) pro internetová data, video, best-effort apod.
Parametry QoS zahrnují Packet Delay Budget, Packet Error Loss Rate, prioritu a Allocation/Retention Priority (ARP). Bearer mapping se promítá až do rádiového rozhraní, kde plánovač eNodeB preferuje hlas díky GBR a ARP.
VoLTE a IMS – signalizační a datová rovina
VoLTE je služba nad IMS, která využívá SIP pro signalizaci hovorů a RTP/SRTP pro média. Uživatelská zařízení (UE) po úspěšné registraci do IMS (SIP REGISTER) navazují hovory pomocí SIP INVITE s SDP popisem kodeků (AMR-WB, EVS). IMS uzly zahrnují P-/I-/S-CSCF, HSS/UDM a aplikační servery (AS). Registrace i hovory probíhají přes dedikovaný PDN konektor do IMS, obvykle s IPv6 (případně dual-stack).
Kodeky a parametry médií
Standardní kodeky pro VoLTE jsou AMR-WB (G.722.2) s typickými bitraty 12.65–23.85 kb/s a modernější EVS (Enhanced Voice Services) s vyšší odolností vůči ztrátám, širším pásmem (NB–SWB/FB) a efektivnějším využitím bitratu. Obvyklá délka paketizace je 20 ms. RTP používá menší jitter buffer s adaptivním řízením, aby byly minimalizovány zpoždění a kolísání.
Bezpečnost: autentizace a šifrování
LTE využívá EPS-AKA pro vzájemnou autentizaci UE a sítě. Na rádiovém rozhraní se používá šifrování (EEA1/2/3 – SNOW 3G, AES, ZUC) a integrita signalizace (EIA1/2/3). IMS média jsou často zabezpečena pomocí SRTP (DTLS-SRTP nebo SDES), zatímco SIP signalizace bývá chráněna přes IPsec nebo TLS mezi UE a P-CSCF.
Řízení relace a politik: PCRF/PCF a Gx/Gy
PCRF/PCF uplatňuje zásady QoS a účtování. PGW na základě pravidel (Gx) zřizuje bearery s požadovanou QCI/ARP. Online účtování využívá rozhraní Gy (OCS), offline přes CDR (OFCS). Pro hovory to zajišťuje okamžité přidělení GBR beareru a správné účtování hlasu odděleně od dat.
Rádiové rozhraní: plánování, HARQ a RLC/MAC/PHY
Hlas vyžaduje deterministickou latenci. eNodeB používá:
- Semi-Persistent Scheduling (SPS) pro periodické přidělování zdrojů RTP rámcům.
- TTI bundling u okrajových uživatelů buňky pro zlepšení pokrytí a snížení BLER.
- HARQ s nízkým zpožděním pro včasné opakované přenosy.
- ROHC (header komprese) na PDCP ke snížení režie IP/UDP/RTP.
Na fyzické vrstvě se využívá OFDMA (downlink) a SC-FDMA (uplink) s adaptivní modulací (QPSK/16QAM/64QAM/256QAM) a MIMO. Plánovač preferuje GBR bearery (hlas) před best-effort daty, aby dodržel QoS.
Latence a kvalita: cíle a metriky
Jednosměrná latence pro VoLTE by měla být v praxi do ~50–75 ms v RAN a <150 ms end-to-end. Důležité metriky jsou Call Setup Time (PESQ/MOS korelace), Packet Loss (cílově <1–2 % po FEC a concealment), Jitter (typicky <30 ms) a Mute/Clip události. KPI zahrnují Call Setup Success Rate (CSSR), VoLTE Drop Rate a SRVCC Success.
SRVCC a CSFB: kontinuita při mobilitě
Pro zachování hovorů mimo pokrytí LTE se používá SRVCC (Single Radio Voice Call Continuity) – plynulý přechod probíhajícího VoLTE hovoru do 3G/2G CS domény (SIP → ISUP přes ATCF/ATGW/E-SRVCC). CSFB (Circuit Switched Fallback) se používá pro odchozí hovory v sítích bez VoLTE: během sestavení hovoru se UE přesune do 3G/2G a hovor probíhá v CS. Pro SMS existují režimy SMS over SGs (bez IMS) a SMS over IMS.
Handover a měření: X2/S1, RSRP/RSRQ/SINR
LTE podporuje X2 handover (přímo mezi eNodeB) a S1 handover (přes MME). Rozhodování vychází z měření UE (RSRP, RSRQ, případně SINR). Pro hlas se používají přísnější prahy a time-to-trigger pro minimalizaci přerušení médií. PDCCH kapacita a správná konfigurace DRX jsou klíčové pro spolehlivost VoLTE v zatížených buňkách.
IMS doplňky: VoWiFi, ePDG a roaming
VoWiFi (Wi-Fi Calling) rozšiřuje IMS hlas mimo LTE pomocí ePDG a IPSec tunelů přes nedůvěryhodný přístup. V roamingu existují modely S8 Home Routing (S8HR) pro VoLTE, kde média i signalizace směřují do domácího IMS, což zjednodušuje inter-PLMN interoperabilitu a účtování. DNS/ENUM a sjednocení SIP profilů jsou zásadní pro směrování.
Datové služby: internet, podnikové přístupy a aplikační chování
Datový provoz (web, video, aplikace) využívá non-GBR bearery (QCI 6/8/9). TCP výkon ovlivňuje RTT, ztráty a bufferbloat. Moderní sítě zavádějí TCP ACK pacing, Explicit Congestion Notification a politiky QoS na PGW, aby optimalizovaly špičky. Díky plné paketizaci LTE je zachována end-to-end transparentnost (absence PEP v síti operátora).
MBMS/eMBMS: multicast pro hlas a data
eMBMS umožňuje multicast/broadcast přenos (např. varovné zprávy, živé události). Pro hlas se příležitostně uvažovalo o skupinových službách (GCSE), ale běžný unicast VoLTE zůstává dominantní pro individuální hovory díky jednoduchosti a QoS.
Energetická efektivita a DRX
Pro prodloužení výdrže baterie UE používá Discontinuous Reception (DRX). U VoLTE se nastavují krátké DRX cykly a využívá se SPS, aby se dosáhlo rovnováhy mezi latencí a spotřebou. Špatně zvolená DRX konfigurace vede k zpoždění RTP a degradaci MOS.
Nasazení v praxi: dimenzování a plánování kapacity
Pro hladký provoz VoLTE je třeba dimenzovat air interface (PDCCH/PDSCH/PUCCH), backhaul s nízkou latencí, a jádro EPC/IMS s dostatečnou redundancí. Call admission control a ARP chrání hlas před vytlačením daty v špičkách. Monitoring využívá per-QCI counters, bearer level KPIs i trace sessions.
Nouzové volání a služby s přidanou hodnotou
Nouzové hovory v IMS obsluhuje E-CSCF s lokalizačními mechanizmy (HELD/AML podle lokálních regulací). Služby jako Supplementary Services (CLIP/CLIR, call hold/transfer) jsou realizovány v aplikačních serverech IMS (TAS) a mapovány na SIP (např. REFER, UPDATE).
IoT a LTE optimalizace: Cat-M1 a NB-IoT
Pro IoT se využívají LTE varianty Cat-M1 (eMTC) a NB-IoT s úzkým pásmem a vysoce energeticky efektivním provozem. Tyto technologie nejsou určeny pro konverzační hlas (s výjimkami u Cat-M1), ale sdílí EPC a QoS rámec. Pro kritické M2M jsou důležitá rozšíření pokrytí (CE modes) a delší DRX (eDRX, PSM).
Interoperabilita a testování
Úspěšné nasazení VoLTE vyžaduje důsledné interoperability testing (IOT) zařízení, profilů SIP/SDP, kodeků a SRVCC scénářů. Testují se hraniční stavy (codec switch, DTX/Comfort Noise, změna směrování, výpadky eNodeB), chování při změně QCI a reakce plánovače při přetížení.
Trendy: EVS, 256QAM, agregace pásem a 5G migrace
Operátoři zavádějí EVS pro vyšší kvalitu, 256QAM a agregaci pásem (CA) pro vyšší kapacitu dat. S nástupem 5G NSA/SA se hlas realizuje jako VoLTE/VoNR s inter-RAT kotvou v LTE; IMS zůstává univerzální hlasovou platformou napříč generacemi.
Optimalizační techniky pro kvalitu hovoru
- Jemné ladění SPS a TTI bundlingu dle zatížení a pokrytí.
- Správné dimenzování PDCCH a prioritizační schémata pro QCI 1/5.
- Nasazení ROHC a RTP header compression pro snížení režie.
- Monitoring MOS/PESQ/POLQA a korelace s rádiovými KPI.
- Policy řízení v PCRF (např. blokace „noisy apps“ během hovoru) – citlivé k uživatelskému zážitku.
Zabezpečení a soulad s regulací
Kromě šifrování na rádiu a SRTP je důležitý lawful interception dle lokálních předpisů, ochrana SIP před útoky (flood, fuzzing) a segmentace IMS domény. DNS/ENUM a bezpečné směrování zabraňuje toll fraud. Ochrana proti silent call a robocalls využívá aplikační filtry (např. analýza SIP Identity/attestací).
Přenos dat a hlas souběžně: multiplicitní bearery
UE běžně používá současně GBR bearer pro hlas (QCI 1) a non-GBR bearer pro data (QCI 9). Plánovač přiděluje prostředky s preferencí pro hlas; data jsou řízena algoritmy Proportional Fair a AQM v EPC. V praxi to umožňuje např. surfování na webu během hovoru s minimálním dopadem na kvalitu hlasu.
Provozní doporučení pro operátory
- Definovat konzervativní codec policy (AMR-WB základ, EVS kde je podpora) a správné SDP offer/answer.
- Striktní QoS enforcement (ARP, GBR, prioritizace) a ochrana PDCCH.
- Implementovat SRVCC pro okrajové oblasti a indoor, kde není jistota LTE pokrytí.
- Pravidelně provádět drive-testy a voip trace s korelací RAN/EPC/IMS dat.
- Optimalizovat DRX, SPS a TTI bundling podle charakteru sítě.
Závěr
LTE sjednocuje hlas i data na IP a díky IMS/VoLTE poskytuje kvalitní, nízkolatenční a škálovatelnou hlasovou službu. Úspěch stojí na pečlivě nastaveném QoS, správném plánování rádiových zdrojů, bezpečnostních mechanizmech a interoperabilitě. S migrací k 5G zůstává IMS centrální platformou, zatímco principy EPS bearerů a přísné QoS pro hlas stále tvoří základ spolehlivého přenosu hlasu a dat v mobilních sítích.
