5G語音解決方案及VoNR演進部署策略研究

姚家甫

（安徽電信規劃設計有限責任公司，安徽 合肥 230031）

1 5G語音標準化進展

R15 NSA標準于2018就已凍結，R15標準確認5G語音沿用4G VoLTE的語音架構，仍基于IP多媒體系統（IP Multimedia Subsystem，IMS）提供話音業務，適用于基礎語音類、短信類、緊急呼叫類業務。R16 SA標準繼續將服務化架構的優勢應用于IMS，主要針對物聯網類應用，對IMS架構及部分接口進行增強，該標準已于2020年凍結。

事實上，3GPP R15標準已完成滿足5G SA基礎語音、短信的商用需求，R16標準主要研究IMS增強應用，滿足人與物之間的信息交互業務，對人與人之間的語音短信業務影響不大。

2 5G語音解決方案概述

語音是基礎電信業務，也是運營商的重要收入來源。根據非獨立組網（Non-Stand Alone，NSA）和獨立組網（Stand Alone，SA）兩大部署選項，結合5G網絡所處的部署階段，理論上共有長期演進語音承載（Voice over Long-Term Evolution，Vo-LTE）、EPS Fallback、新空口承載語音（Voice over New Radio，VoNR）這3種5G語音方案可選。

2.1 Vo-LTE

在NSA模式下采用4G核心網時，用戶設備（User Equipment，UE）同時錨定于長期演進技術（Long Term Evolution，LTE）與新空口（New Radio，NR），數據業務由NR承載，語音業務由VoLTE承載，暫不需考慮演進分組核心網（Evolved Packet Core，EPC）與5G核心網（5G Core，5GC）之間的互操作，無須對現網網元改造或較少改造，是一種經濟、快速的語音方案選項[1]。

在VoLTE引入IMS，采用自適應多速率寬帶編碼（Adaptive Multi-Rate-Wide Band，AMR-WB）技術，大幅提升編碼速率，音質更清晰、音域更廣、時延更低且穩定性更強。

2.2 EPS Fallback

在SA模式下，由于5G建網初期NR僅完成熱點部署，網絡覆蓋不連續，為了避免頻繁切換引起語音通信質量下降，選用過渡性的EPS Fallback方案。5G終端駐留NR，在NR發起語音起呼時由NR網絡控制回退到LTE，使用IMS提供VoLTE語音業務[2]。

2.3 VoNR

隨著5G SA網絡進入成熟期，網絡實現連續覆蓋，可以選用VoNR方案。語音和數據業務在NR網絡上承載，呼叫時延更短，清晰度更高，穩定性更好。當終端離開NR覆蓋區時，語音業務切換到VoLTE上，需要考慮VoNR與VoLTE之間的業務連續性互操作。

VoNR與EPS FallBack關鍵指標對比如表1所示。

表1 VoNR與EPS FallBack關鍵指標對比

3 VoNR關鍵技術

3.1 語音編解碼技術

增強語音服務（Enhanced Voice Services，EVS）編碼器是新一代高清語音頻編碼器，可在5.9～128 kb/s的編碼速率范圍內工作。EVS可以提供更高的音頻質量和系統容量、更強的抗丟幀和抗時延抖動能力，為用戶帶來全新體驗[3]。

VoNR語音業務存在通話期和靜默期2個狀態，對于EVS語音編碼方式，相應的語音包幀長度和發射/接收周期會有較大變化。VoNR不同狀態下的語音包特點如圖1所示。

圖1 VoNR不同狀態下語音包特點

3.2 基于覆蓋的自適應技術

語音承載建立前，終端會不定期上報A2事件測量結果，gNodeB根據A2事件測量結果來判斷該用戶所處區域的覆蓋質量。當判定用戶處于強覆蓋區域時，gNodeB選擇VoNR語音方案，發起相應的VoNR呼叫流程；當判定用戶處于弱覆蓋區域時，將進行EPS Fallback語音呼叫流程，最大限度地保障用戶語音體驗。

3.3 上行RB預留

為了保障語音用戶體驗，gNodeB會在特定位置預留一定數量的資源塊（Resource Block，RB），并標記為語音用戶專用，數據用戶不可占用。當這些RB被全部占用仍不能滿足語音業務需要時，可繼續使用未標記的RB資源，調度分配按正常流程進行。該功能要求NR小區及鄰區均預留相同的RB，既保障語音業務的RB充足，又將語音與數據業務的RB進行物理隔離，避免數據業務對語音的干擾[4]。上行RB預留分配如圖2所示。

圖2 上行RB預留分配示意圖

3.4 基于語音質量的異頻切換

當網絡中存在語音質量較低的VoNR用戶時，支持對這類用戶進行基于語音質量的異頻切換，以確保用戶的語音業務體驗，其關鍵步驟包括切換功能啟動判決、測量控制下發以及測量報告上報。當丟包率大于門限時，觸發基于語音質量的異頻測量，根據異頻頻點優先級從高到低的順序下發測量控制。當UE上報的鄰區參考信號接收質量（Reference Signal Receiving Quality，RSRQ）測量值大于鄰區RSRQ門限時，A5事件測量報告有效。

4 VoNR典型應用場景

4.1 個人增強多媒體通信

VoNR依靠5G大帶寬、低時延等網絡特性讓語音通話過程中更多個人多媒體及時通信應用的實現成為可能，同時還可以與AR/VR技術結合，以提供沉浸式應用。典型應用包括高清語音通話、個性化新呼叫、來電視頻彩鈴等。

4.2 行業增強交互式通信

引入實時交互通道，面向垂直行業提供個性化的交互式應用，提高響應時間，改善用戶體驗。典型應用包括遠程診療、遠程教學等[5]。

5 VoNR面臨的挑戰

VoNR帶來全新的用戶業務體驗，加速老舊設備迭代更新，帶動新的業務增長。與此同時，當前VoNR部署也面臨著諸多挑戰。首先，居民區、新興城區等區域5G深度覆蓋不足。受限于中低頻清頻進度，中低頻5G部署受到影響。其次，VoNR語音業務相比數據業務更加敏感。由于VoNR端到端流程涉及的網元和網絡接口較多，任何環節出現問題都可能導致語音感知差，故障排查困難，特殊場景感知待優化。最后，基于VoNR與EPS Fallback這2種語音方案間的互操作策略異常復雜，室內外同頻組網帶來的內部干擾問題亟需解決。

6 VoNR演進路徑及部署策略建議

VoNR和EPS Fallback共用1套IMS架構，EPC/LTE和5GC/NR分別作為分組語音的承載。初期NR覆蓋不好時，通過VoLTE實現語音業務，NR覆蓋逐步完善后可以平滑演進到VoNR。VoNR演進路徑如圖3所示。

圖3 VoNR演進路徑

6.1 NR部署初期語音方案

NR部署初期未形成5G網絡的連續覆蓋，采用過渡的EPS Fallback方案，由VoLTE提供語音業務。該方案下語音建立需先回落到4G，相比VoNR，其呼叫建立時長略長，約2.5～5 s，但不敏感。

對于Option3/3a/3x選項的NSA組網仍依托于4G核心網，5G只用作熱點覆蓋，用戶錨定于4G，語音通過VoLTE承載。在此方案中，NR只是作為新的用戶接入方式，語音業務仍然在LTE網絡中處理。如果LTE網絡覆蓋不到或發生切換，則通過CSFB或SRVCC回落到CS網絡。

對于依托5GC架構的SA組網，當5G NR只是熱點覆蓋且NR暫時無法規模化提供語音服務時，5G語音一般采用EPS Fallback方案。當UE在EPC和5GC同時注冊時，無須打通移動性管理實體（Mobility Management Entity，MME）和接入和移動管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）之間的N26接口；當UE采用單注冊方式時，需打通MME和AMF之間的N26接口，實現快速回落。

6.2 NR成熟期語音方案

NR規模部署后，5GNR連續覆蓋，終端大量普及，并且5GC也實現大規模部署。5GNR直接接入5GC，5G語音采用VoNR方案，終端駐留在NR上，語音和數據均由NR/NGC提供承載，呼叫建立時延更短，用戶體驗好。VoNR與5GC結合便于沉浸式/交互式/開放式VoNR為運營商帶來更多業務模式，在5G邊緣區域則平滑切換至VoLTE。

6.3 不同終端的語音方案選擇策略

對于不支持VoNR的SA終端，接入獨立5G載波或共享載波的歸屬PLMN 5G小區，語音業務由EPS Fallback回落至4G，提供VoLTE語音業務，語音業務結束后快速返回5G網絡。

對于支持VoNR的SA終端，接入獨立5G載波或共享載波的歸屬PLMN5G小區，語音業務采用VoNR，語音業務移動性優先采用5G系統內切換。

NSA/SA雙模終端駐留在NSA/SA雙模小區時，終端優選SA網絡，采用VoNR方案。當終端處于NSA小區時，則采用VoLTE方案。

7 結 論

VoNR是5G語音方案的必由之路，能夠為用戶提供極致的業務體驗，是運營商新的業務增長點。通過進一步加快5G網絡建設，持續推進網元升級改造，提高網絡優化和維護能力，為構建超高清、低時延、賦能新一代應用的語音體系提供保障，有效帶動相關產業發展。