Motivação do autor

Com a experiência de ter implementado uma das primeiras redes IMS para rede móvel do Brasil em 2016 e após fazer vários cursos de diferentes fornecedores decidi preparar essa série de documentos para apresentar a arquitetura IMS e seus principais componentes com informações objetivas para fornecer um sólido conhecimento.

A motivação foi perceber que os formatos apresentados e os materiais disponíveis, inclusive na internet, na maioria das vezes apresentam diversas informações fora da ordem que entendo ser a mais fácil para o entendimento do funcionamento da rede IMS, mas sobretudo o objetivo é poder colaborar com o aprendizado de uma nova rede que em breve será responsável por todo o tráfego de voz das principais operadoras espalhadas pelo mundo.

Um pouco de história

No passado o tráfego de voz e dados era transportado pela mesma rede 2G/3G, porém com aumento da demanda por tráfego de dados o core de dados evoluiu para a rede 4G/LTE. Nessa primeira fase a rede 4G não transportava voz e para solucionar esse problema foi desenvolvido o CSFB (Circuit Switch fall back) onde o usuário registrado no 4G ao receber ou fazer uma chamada “caia” para a rede 2G/3G ou rede de circuito.

O CS Fallback solucionou o problema de falta de voz no 4G, contudo trouxe problemas como aumento de sinalização na rede da operadora, por fazer os assinantes intercalarem com frequência entre as redes 4G e 2G/3G. Esse comportamento consequentemente aumenta o consumo da bateria do terminal.

Outro ponto de contantes reclamações envolvendo o CS fallback é quando usuários navegando na rede 4G, por exemplo usando streaming, ao receber uma chamada “cai” para a rede 2G/3G reduzindo sua velocidade ou em alguns casos até mesmo interrompendo a reprodução do conteúdo.

 O desenvolvimento da rede IMS soluciona os problemas causados pelo CSFB, pois permite a utilização do serviço de voz sobre a rede 4G/LTE. Isso inclusive deu no nome ao VoLTE (Voice over LTE).

É importante reforçar que não há comutação por circuito na rede 4G/LTE e os serviços de telefonia (voz, vídeo e SMS) são implementados como mais um serviço de pacote. A figura a seguir mostra os EPS bearer que são túneis criados entre o terminal móvel e os PDN Gateway (PGW) para transporte pela rede 4G/LTE de serviços, como voz, vídeo, tráfego de dados, etc.

Porque investir em IMS

O usual é apresentarem que os motivadores para implementação de uma rede IMS, são: melhoria na qualidade da chamada com adição de novos codec, redução do call setup (tempo entre a discagem e o ring), rapidez na implementação de novos serviços através da inclusão de novos “Application Server”, redução do consumo de bateria nos terminais, evitar interrupção do serviço de dados ao usar o serviço de voz através do CS Fallback e convergência para atendimento dos serviços de voz e dados em uma mesma rede.

Esse último sem dúvida é o grande motivador. Isso porque essa convergência faz com que as operadoras possam expandir a sua capacidade de tráfego de dados uma vez que poderão reutilizar o espectro de frequência anteriormente disponibilizado para rede 2G/3G para a rede 4G e 5G. A voz se torna apenas mais um serviço oferecido pela rede de dados e a operadora passa a ter somente uma rede voltada a pacotes também conhecida como rede PS (Packet Switch).

Nesse sentido é inevitável que o profissional responsável pelo serviço de voz tenha que conhecer a rede de pacotes. Isso vale tanto para os novos profissionais que desejam entrar no mercado quanto para os profissionais que querem se manter no mercado.

Linha do tempo da evolução do serviço de voz

1. Era Analógica (1G – anos 1980)

• Primeiras redes móveis (AMPS nos EUA, NMT na Europa)
• Voz transmitida por sinais analógicos
• Qualidade limitada e pouca segurança

 2. Era Digital (2G – anos 1990)

• Introdução do GSM, CDMA e TDMA
• Voz digital com melhor qualidade e segurança
• SMS como serviço adicional
• Início da mobilidade global com roaming

3. Voz sobre pacotes (3G – anos 2000)

• Redes UMTS e CDMA2000
• Suporte a dados e voz simultaneamente
• Surgimento da VoIP (Voice over IP) em redes móveis
• Início da transição para serviços multimídia

4. Voz sobre IP nativa (4G – anos 2010)

• LTE não possui canal de voz tradicional
• Introdução do VoLTE (Voice over LTE) via rede IMS
• Chamadas com alta qualidade (HD Voice)
• Suporte a VoWiFi e chamadas de vídeo

5. Voz sobre NR (5G – anos 2020+)

• Integração com URLLC para chamadas críticas
• Suporte a NG-eCall e voz com baixa latência
• Comunicação entre máquinas (M2M) com voz e dados

Porque investir no IMS

O usual é apresentarem que os motivadores para implementação de uma rede IMS, são: melhoria na qualidade da chamada com adição de novos codec, redução do call setup (tempo entre a discagem e o ring), rapidez na implementação de novos serviços através da inclusão de novos “Application Server”, redução do consumo de bateria nos terminais, evitar interrupção do serviço de dados ao usar o serviço de voz através do CS Fallback e convergência para atendimento dos serviços de voz e dados em uma mesma rede.

Esse último sem dúvida é o grande motivador. Isso porque essa convergência faz com que as operadoras possam expandir a sua capacidade de tráfego de dados uma vez que poderão reutilizar o espectro de frequência anteriormente disponibilizado para rede 2G/3G para a rede 4G e 5G. A voz se torna apenas mais um serviço oferecido pela rede de dados e a operadora passa a ter somente uma rede voltada a pacotes também conhecida como rede PS (Packet Switch).

Nesse sentido é inevitável que o profissional responsável pelo serviço de voz tenha que conhecer a rede de pacotes. Isso vale tanto para os novos profissionais que desejam entrar no mercado quanto para os profissionais que querem se manter no mercado.

Principais vantagens para o assinante

• Aumento da qualidade de voz
• Redução do call setup Time
• Redução do consumo de bateria nos terminais
• Continuidade do serviço de dados ao usar o serviço de voz

Principais vantagens para a operadora

• Rapidez na implementação de novos serviços através da inclusão de novos “Application Server”
• Unificação de serviços, permitindo oferecer voz, vídeo, mensagens e dados sobre uma única infraestrutura IP
• Reutilização do espectro de frequência

Tendencia a desligamento das redes 2G e 3G pelo mundo

O gráfico abaixo de entre 2019 e 2023 mostra uma corrida por parte das operadoras de diversos países para enceramento das redes 2G e 3G.

Tendencia a desligamento das redes 2G e 3G no Brasil

Apesar do Brasil estar atrasado no desligamento das redes 2G e 3G as matérias extraídas de diversos portais mostram que essa também é uma tendencia no Brasil.

Arquitetura IMS e EPS

O foco desse documento é a rede IMS, porém é necessário apresentar a integração com os demais elementos de rede, por isso abaixo apresento a topologia básica IMS integrada com os elementos da rede 4G (core PS), da rede 3G (core CS) e da rede de acesso.

SRVCC (Single Radio Voice Call Continuity)

Antes de concluir a introdução do IMS é importante abordar o SRVCC que será muito útil principalmente antes que haja uma cobertura ampla de VoLTE.

O SRVCC é uma tecnologia padronizada pelo 3GPP que permite a continuidade de chamadas de voz quando um dispositivo móvel migra do VoLTE para uma rede circuit-switched (como 2G ou 3G) durante uma chamada em andamento.

Vantagens do SRVCC para operadoras e usuários

• Melhora a experiência do usuário, evitando quedas de chamadas em áreas com cobertura mista.
• Permite a adoção plena do VoLTE, mesmo em regiões onde a cobertura LTE não é contínua.
• Facilita a transição tecnológica, mantendo compatibilidade com redes legadas.
• Reduz custos operacionais, ao permitir uso eficiente das redes existentes.