📘 AI時代系列(4)：AI 驅動的電信網路規劃與設計 🌐
23/100 第三週：📌 核心網與數據承載
23. IMS 與語音服務架構 📞 VoLTE / VoNR —— 核心語音服務的基石
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🎯 單元導讀
在 2G/3G 時代，語音是靠電路交換（Circuit Switching, CS）實現的；
但進入 4G LTE 與 5G NR，網路完全基於 封包交換（Packet Switching, PS），因此必須用 IMS（IP Multimedia Subsystem） 來提供語音與多媒體服務。
這就是 VoLTE（Voice over LTE） 與 VoNR（Voice over New Radio, 5G 語音） 的基礎。
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🧠 一、IMS（IP Multimedia Subsystem）簡介
• 核心角色：在全 IP 網路上，提供語音、視訊、多媒體通話。
• 協定基礎：使用 SIP（Session Initiation Protocol）建立、修改、釋放通話。
• 功能：
o 處理語音通話的 信令控制。
o 整合語音、視訊、訊息於同一平台。
o 提供跨網路的一致體驗（4G/5G/Wi-Fi 通話）。
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🧠 二、VoLTE（4G 語音）
• 需求背景：4G LTE 是純封包網路，沒有電路交換，需要 IMS 支撐語音。
• 運作流程：
1. UE 發起語音呼叫，使用 SIP 向 IMS 發送訊號。
2. IMS 系統建立會話，分配資源。
3. 語音資料透過 EPC（PGW/SGW）傳輸，QoS 保障語音品質。
• 優點：高清語音（HD Voice）、可同時使用數據與語音、通話建立速度快。
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🧠 三、VoNR（5G 語音）
• 需求背景：在 5G SA（Standalone）架構下，語音必須透過 IMS + 5GC 來實現。
• 運作流程：
1. UE → gNodeB → 5GC → IMS，建立 SIP 通話。
2. UPF 提供低延遲數據傳送。
3. 通話品質由 QoS Flow 管理。
• 優點：更低延遲、更高音質，支援 AR/VR 實時語音。
• 挑戰：需完整 5G SA 部署，NSA 下多依靠 VoLTE fallback。
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🔁 四、ASCII 架構示意
VoLTE（4G EPC）
[UE] → [eNodeB] → [EPC] → [IMS] → [對方 UE]
│
[PCRF/QoS 控制]
VoNR（5G 5GC）
[UE] → [gNodeB] → [5GC] → [IMS] → [對方 UE]
│
[PCF + QoS Flow 控制]
這張圖展示了 4G 與 5G 語音服務的演進：
在 VoLTE（基於 4G EPC） 中，語音通話需經由 EPC 核心網再接入 IMS 平台，由 PCRF 進行 QoS 控制，確保語音品質。
到了 VoNR（基於 5G 5GC），整個語音流程全面移到 5GC，並透過 PCF 配合 QoS Flow 更細緻地管理資源，實現更低延遲與更高穩定度。
👉 總結：VoLTE 是 4G 的語音解決方案，而 VoNR 則是 5G 的原生語音，從網路結構到 QoS 控制都更智慧化，確保語音與數據服務的無縫整合。
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🧪 五、應用場景
• 行動語音：VoLTE/VoNR 提供高清語音，替代傳統電路交換。
• 多媒體服務：支援語音 + 視訊通話、群組會議。
• 企業應用：與 UC 平台（如 Teams、Zoom）整合，打造企業 VoIP。
• VoWiFi（Wi-Fi 語音）：當蜂巢訊號差時，語音透過 Wi-Fi 傳輸，仍由 IMS 控制。
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⚙️ 六、AI 在 IMS 語音中的角色
• 智慧 QoS 管理：AI 預測語音流量，動態調整優先級。
• 異常偵測：AI 偵測掉話率上升，自動進行網路優化。
• 通話品質監控：AI 分析 MOS（Mean Opinion Score），優化用戶體驗。
• 融合通訊：AI 驅動語音 + 即時翻譯 + 智慧客服，拓展 IMS 應用。
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💭 七、問題與思考
1. 為什麼 4G/5G 必須依靠 IMS 才能提供語音？
• 原因：4G/5G 的核心網（EPC、5GC）是 全封包式網路 (All-IP)，不再支援 2G/3G 的電路交換 (CS, Circuit Switching) 語音。
• 解法：因此需要 IMS（IP Multimedia Subsystem）作為統一的多媒體服務平台，提供語音、視訊、訊息等 IP 化服務。
👉 結論：IMS 是承載 VoLTE 與 VoNR 的必備平台，讓語音能在 IP 網路中以 VoIP 方式傳送。
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2. VoLTE 與傳統 3G CS 語音相比，有哪些優勢？
• 更快呼叫建立時間：VoLTE 通話接通時間約 1 秒，CS 語音可能需 4～6 秒。
• 更高音質：VoLTE 支援 HD Voice (AMR-WB)，音質清晰度遠優於 3G。
• 語音與數據並行：VoLTE 可同時上網與講電話，而 3G CS 語音常需分時或速率下降。
• 網路效率更高：VoLTE 使用封包交換技術，頻譜利用率比電路交換更佳。
👉 結論：VoLTE 在「體驗、效率、音質」上全面優於 3G 語音。
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3. 在 5G SA 環境下，如果 VoNR 還不成熟，會發生什麼 fallback 機制？
• EPS Fallback：UE 在 5G SA 下發現 VoNR 不可用，會自動回落到 4G LTE 網路，透過 VoLTE 完成通話。
• VoWiFi（若支援）：部分場景可透過 Wi-Fi Calling 維持語音。
👉 結論：VoNR 尚未普及時，5G SA 會透過 EPS Fallback → VoLTE 的方式，確保語音服務不中斷。
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✅ 八、小結與啟示
• IMS：IP 多媒體子系統，是 4G/5G 語音的基石。
• VoLTE：IMS + EPC，提供高清語音與快速通話。
• VoNR：IMS + 5GC，實現低延遲、高音質的 5G 語音。
• AI 加持：語音服務更智慧、更穩定，並延伸到企業與跨語言應用。
• 就像「電話總機」升級成「智慧語音雲平台」，IMS 讓語音服務進化為多媒體通訊的核心。
