5G系統(tǒng)中的終端話音方案探討

金晨光

【摘 要】話音業(yè)務(wù)是移動(dòng)通信中的基本業(yè)務(wù)，而5G系統(tǒng)具有的許多全新特性將對(duì)語(yǔ)音業(yè)務(wù)功能、性能帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)，因此通過(guò)對(duì)5G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和組合方式的特性分析，研究話音方案設(shè)計(jì)中所面臨的關(guān)鍵影響因素，最后討論評(píng)估了多種潛在終端話音方案的技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】5G 終端 話音方案

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2017）19-0090-07

Discussion on Solution to Terminal Voice for 5G Systems

JIN Chenguang

[Abstract] The voice is the basic service in mobile communications. The new features of 5G systems will be challenging to the voice service and performance. Therefore， the characteristics of network architecture and composition mode for 5G systems were analyzed. Key influencing factors in the design of voice solution were investigated. Besides， the advantages and disadvantages of several potential terminal voice solutions were evaluated.

[Key words]5G terminal voice solution

1 引言

當(dāng)前伴隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的日益興起，以微信、QQ、WhatsApp等為代表各種即時(shí)消息APP已經(jīng)日漸成為人們相互溝通聯(lián)系的工具和手段。然而語(yǔ)音電話業(yè)務(wù)作為移動(dòng)通信中最基本的通信方式，始終以其高質(zhì)量、高可靠、可信賴等優(yōu)點(diǎn)，仍然被手機(jī)用戶廣泛使用。

在2G/3G網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)包括電路交換交換和分組域交換，并且話音業(yè)務(wù)由電路域提供。在4G網(wǎng)絡(luò)中電路域交換方式已經(jīng)消失，分組域交換與IP化成為4G網(wǎng)絡(luò)的核心和基礎(chǔ)，話音業(yè)務(wù)也伴隨著IP技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了發(fā)展和演進(jìn)，采用基于IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng)）的Voice over LTE的技術(shù)。

在終端話音方案的演進(jìn)和發(fā)展過(guò)程中，結(jié)合不同的市場(chǎng)需求和語(yǔ)音方案策略，市場(chǎng)上陸續(xù)出現(xiàn)過(guò)有多種具備不同終端產(chǎn)品形態(tài)，例如，單卡單待終端、單卡雙待終端、雙卡雙待單通終端、雙卡雙待雙通終端等。

5G技術(shù)正在蓬勃興起，技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品等正處于熱烈的技術(shù)研究和分析討論階段。本文主要結(jié)合當(dāng)前5G技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)5G時(shí)代的終端話音方案及產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)行研究和展望。

2 5G時(shí)代終端話音業(yè)務(wù)的基本需求

基于IMS架構(gòu)的4G VoLTE話音方案作為4G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)話音方案，已經(jīng)在全球超過(guò)56個(gè)國(guó)家和地區(qū)的105個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)上得到了廣泛的部署和應(yīng)用。在中國(guó)，中國(guó)移動(dòng)已經(jīng)建設(shè)部署和商用了全球最大的VoLTE網(wǎng)絡(luò)，正在為數(shù)以億計(jì)的4G用戶提供高質(zhì)量的語(yǔ)音通信服務(wù)。

4G VoLTE的成功不僅證明了語(yǔ)音方案由電路域交換向分組域交換演進(jìn)的成功，而且也證明了基于IMS架構(gòu)對(duì)話音方案控制和承載的可靠能力。5G網(wǎng)絡(luò)作為4G網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)和發(fā)展，5G時(shí)代的話音方案從趨勢(shì)來(lái)看還會(huì)由IMS提供會(huì)話控制和基本業(yè)務(wù)，即IMS Voice over 5G。

5G網(wǎng)絡(luò)作為下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)車(chē)聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)提供超大帶寬、超低時(shí)延、超大容量、海量連接的全新網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。但考慮到移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)和部署往往也是循序漸進(jìn)的，因此往往同一個(gè)區(qū)域會(huì)有2G、3G甚至4G和未來(lái)5G的覆蓋。話音業(yè)務(wù)不僅要求在各種網(wǎng)絡(luò)下能夠使用話音進(jìn)行通信，而且還要求能夠在不同網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域下保持話音持續(xù)的要求，就像GSM與WCDMA之間的切換，3G與4G之間的VoLTE SRVCC等。5G系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)之初就面向未來(lái)的前向兼容基本原則，與現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)（2G/3G/4G）的遷移和互操作上，也是以與4G保持遷移和互操為重點(diǎn)。因此5G系統(tǒng)連續(xù)性和互操作的設(shè)計(jì)上主要是保證在5G-4G之間保持連續(xù)性，但不要求5G-2G/3G保持業(yè)務(wù)連續(xù)性（保持當(dāng)前4G-2G/3G連續(xù)性要求）。

除了話音業(yè)務(wù)連續(xù)性要求，用戶對(duì)通話體驗(yàn)也有很高的要求，尤其對(duì)話音中斷時(shí)延非常敏感。結(jié)合參照4G VoLTE eSRVCC性能指標(biāo)，5G系統(tǒng)內(nèi)互操作和5G-4G系統(tǒng)間互操作過(guò)程中的話音中斷時(shí)延指標(biāo)應(yīng)小于300 ms。

3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)終端話音方案帶來(lái)的

問(wèn)題與挑戰(zhàn)

從現(xiàn)在3GPP中技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和討論文稿來(lái)看，5G網(wǎng)絡(luò)無(wú)論無(wú)線接入網(wǎng)還是核心都存在著多種組織架構(gòu)或接口連接方式的選擇：在無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)部分，包括SA（Standalone，獨(dú)立組網(wǎng)）和NSA（Non-standalone，非獨(dú)立組網(wǎng)）架構(gòu)方式；而核心網(wǎng)部分，在5GC與4G EPC的互聯(lián)上也包括支持Nx接口的互聯(lián)方式和不支持Nx接口的互聯(lián)方式。這些不同的組合場(chǎng)景對(duì)終端話音方案，尤其是話音連續(xù)性上帶來(lái)了諸多影響因素。

3.1 SA架構(gòu)的基本特性

SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點(diǎn)在于4G網(wǎng)絡(luò)（如圖1所示）和5G網(wǎng)絡(luò)（如圖2所示）均擁有完整獨(dú)立的接入網(wǎng)和接入網(wǎng)。

從5G與4G網(wǎng)絡(luò)之間是否互通互聯(lián)的角度來(lái)看，可以進(jìn)一步細(xì)分為具有Nx接口的獨(dú)立組網(wǎng)和沒(méi)有Nx接口的獨(dú)立組網(wǎng)。Nx接口位于4G MME與5G AMF之間的跨核心網(wǎng)接口。該接口主要作用是在4G系統(tǒng)和5G系統(tǒng)之間建立一個(gè)傳遞移動(dòng)性相關(guān)信息與互操作消息的通道。endprint

在獨(dú)立組網(wǎng)場(chǎng)景中，終端需要能夠擁有分別接入4G和5G系統(tǒng)的多模能力，但這兩套系統(tǒng)的核心網(wǎng)之間是否有互通接口對(duì)終端話音方案的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法產(chǎn)生影響，這些影響主要包括：

終端話音的基本提供方式（例如待機(jī)方式、注冊(cè)方式）；

終端話音連續(xù)性的實(shí)現(xiàn)方式和性能保障。

（1）有Nx接口的SA架構(gòu)對(duì)話音連續(xù)性的影響

類似VoLTE SRVCC過(guò)程中用于保證話音連續(xù)性的位于MME與MSC間的Sv接口，在4G EPC MME與5GC AMF開(kāi)通Nx接口，相關(guān)信令消息，尤其是互操作與移動(dòng)性相關(guān)的信息（如位置區(qū)/注冊(cè)區(qū)信息、源小區(qū)/目的小區(qū)信息等）能夠在4G和5G網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行傳遞，統(tǒng)一協(xié)調(diào)兩套網(wǎng)絡(luò)的承載建立和釋放，保證會(huì)話的連續(xù)性（Seamless Session Continuity）。

（2）無(wú)Nx接口的SA架構(gòu)對(duì)話音連續(xù)性的影響

由于4G EPC和5GC之間不存在互通接口，終端在這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)過(guò)程中，終端的位置狀態(tài)、會(huì)話上下文等信息無(wú)法被通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞，會(huì)話遷移過(guò)程會(huì)出現(xiàn)中斷。即使由終端自主進(jìn)行業(yè)務(wù)狀態(tài)保持和恢復(fù)，仍然不能可靠保證話音業(yè)務(wù)連續(xù)。

3.2 NSA架構(gòu)的基本特性

非獨(dú)立組網(wǎng)NSA架構(gòu)下，依據(jù)核心網(wǎng)與無(wú)線接入網(wǎng)的連接方式，NSA存在多種可能的架構(gòu)選擇，圖3、圖4、圖5中分別表示了各種候選NSA架構(gòu)選項(xiàng)：

無(wú)論接入網(wǎng)與核心網(wǎng)具體的連接方式如何，系統(tǒng)整體上僅存在一個(gè)核心網(wǎng)（4G核心網(wǎng)或者5G核心網(wǎng)），因此移動(dòng)性信息屬于單一核心網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的消息過(guò)程，不存在像SA架構(gòu)那樣有跨核心網(wǎng)傳遞的問(wèn)題。

從移動(dòng)性管理的角度來(lái)看，終端僅能存在一個(gè)與該核心網(wǎng)對(duì)應(yīng)的移動(dòng)性管理實(shí)體，也就意味著終端須支持網(wǎng)絡(luò)單注冊(cè)。而從無(wú)線角度來(lái)看，終端則有4G LTE和5G NR兩種空口的無(wú)線接入技術(shù)，DR（Dual Radio）也是可選的接入方式，例如由4G LTE承載控制面數(shù)據(jù)（例如IMS信令），由5G NR承載用戶面數(shù)據(jù)（例如話音媒體）。

4 終端話音方案選擇與話音連續(xù)性分析

4.1 單待機(jī)終端

單待機(jī)終端是最基本最普遍的終端話音方案。在多模網(wǎng)絡(luò)下，終端根據(jù)自身對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境條件的選擇和判斷，單一駐留在最合適的網(wǎng)絡(luò)并使用業(yè)務(wù)，并在多模網(wǎng)絡(luò)間的移動(dòng)過(guò)程中通過(guò)小區(qū)重選或者切換等互操作過(guò)程保持網(wǎng)絡(luò)持續(xù)連接。為了能夠維持業(yè)務(wù)連續(xù)性，也需要網(wǎng)絡(luò)側(cè)具備相應(yīng)的功能要求，即異系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)之間要建立必要的接口，以便在移動(dòng)互操作過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠及時(shí)可靠地傳遞位置區(qū)、頻點(diǎn)等命令消息。

（1）有Nx接口的SA架構(gòu)場(chǎng)景

以VoLTE SRVCC過(guò)程為例，為了實(shí)現(xiàn)4G LTE向2G/3G的語(yǔ)音連續(xù)性，在4G與2G/3G之間的移動(dòng)性消息是通過(guò)4G MME與2G/3G MSC之間建立的Sv接口來(lái)進(jìn)行傳遞的，如圖6所示。

當(dāng)前3GPP也已經(jīng)明確說(shuō)明，如果要實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)會(huì)話的無(wú)縫連續(xù)性，必須在4G EPC和5GC間部署Nx接口，如圖7所示。

圖8描述了有Nx接口場(chǎng)景下，多模終端由5GS向EPS的切換過(guò)程（以單注冊(cè)模式為例）。

在步驟3可以看出通過(guò)跨核心網(wǎng)的Nx接口，5G核心網(wǎng)AMF向4G核心網(wǎng)MME發(fā)送請(qǐng)求消息Relocation Request，向MME傳遞了包括目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID、MM/SM上下文、承載等信息；而在步驟9中MME經(jīng)過(guò)Nx接口反饋了請(qǐng)求響應(yīng)Relocation Response，向AMF反饋?lái)憫?yīng)了包括響應(yīng)原因值、目標(biāo)EPS承載列表及其他必要信息。后續(xù)再經(jīng)過(guò)其他必要的信令交互過(guò)程，共同實(shí)施和完成了終端當(dāng)前會(huì)話業(yè)務(wù)在5GS和4G EPS間的平滑切換。

（2）無(wú)Nx接口的SA架構(gòu)場(chǎng)景

對(duì)于無(wú)Nx接口的SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這意味著當(dāng)終端進(jìn)行連接態(tài)通話過(guò)程時(shí)，如果從5G區(qū)域移動(dòng)到4G覆蓋區(qū)域（或者相反），網(wǎng)絡(luò)側(cè)無(wú)法為終端語(yǔ)音的會(huì)話連續(xù)性提供網(wǎng)絡(luò)保障。

圖9描述了無(wú)Nx接口下多模終端由5GS向EPS的重選過(guò)程（以單注冊(cè)模式為例）。

在步驟1中，5G NR可以通知終端進(jìn)行跨系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)“切換”，由終端自身進(jìn)行從步驟2到步驟5的后續(xù)重選流程操作。由于在此期間，5G網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有與4G EPC的跨核心網(wǎng)交互和進(jìn)行必要的連續(xù)性保障，因此造成了一段時(shí)間內(nèi)終端當(dāng)前會(huì)話業(yè)務(wù)中斷。

如果采用單卡雙注冊(cè)終端，盡管可以利用終端具有的獨(dú)立雙注冊(cè)模式，在離開(kāi)源網(wǎng)絡(luò)之前，由終端提前向目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)發(fā)起接入駐留，以減少終端在跨系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和會(huì)話遷移過(guò)程中的中斷間隔時(shí)間（例如終端對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線測(cè)量時(shí)間、對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)接入與注冊(cè)時(shí)間等），但由于這些過(guò)程操作完全取決于終端自身的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和過(guò)程處理，不僅無(wú)法確保中斷間隔時(shí)間能夠滿足性能要求（<300 ms），而且由于終端功能實(shí)現(xiàn)上的多樣化差異化以及終端在不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下適用性也有很多不確定性，還需要進(jìn)一步地深入研究。

4.2 雙待機(jī)/雙注冊(cè)

雙待機(jī)終端話音方案是指多模終端在多模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，通過(guò)雙接收-發(fā)射機(jī)的方式（雙獨(dú)立射頻-基帶通道）同時(shí)保持與兩個(gè)不同制式網(wǎng)絡(luò)下（例如2G/3G和4G）進(jìn)行位置注冊(cè)并待機(jī)狀態(tài)，依照終端自身具有的雙待單通或者雙待雙通的能力，在兩個(gè)制式網(wǎng)絡(luò)下單獨(dú)或者并發(fā)使用業(yè)務(wù)。

雙待機(jī)終端的話音業(yè)務(wù)大多是由其中某一個(gè)通信模式（例如2G/3G電路域語(yǔ)音）完全承載語(yǔ)音通話；另外一個(gè)通信模式（例如4G或者5G）承載單純的PS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)連接，并且兩個(gè)模式之間彼此獨(dú)立，不存在互通互聯(lián)操作。

若5G系統(tǒng)內(nèi)沒(méi)有部署IMS子系統(tǒng)，終端始終無(wú)法將語(yǔ)音業(yè)務(wù)駐留在5G系統(tǒng)。如果必須保留5G的承載連接，終端必須將話音通過(guò)其他系統(tǒng)（例如4G VoLTE）來(lái)提供。雙待雙注冊(cè)終端可以同時(shí)附著在LTE和5G上，僅通過(guò)LTE在IMS注冊(cè)，使用VoLTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)并保證話音業(yè)務(wù)的移動(dòng)性和連續(xù)性；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)附著在5G，當(dāng)無(wú)5G覆蓋時(shí)，在5G上去附著，在4G上新建數(shù)據(jù)的PDN連接。endprint

4.3 雙射頻/單注冊(cè)

5G系統(tǒng)中的NSA選項(xiàng)，由于僅存在一個(gè)獨(dú)立的核心網(wǎng)進(jìn)行會(huì)話控制、移動(dòng)性管理，因此在發(fā)生移動(dòng)和互操作時(shí)，也能夠在核心網(wǎng)的控制下進(jìn)行切換。而由于存在4G LTE和5GNR兩套無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)，所以5G終端可以使用4G和5G兩條射頻通道，分別承載控制面數(shù)據(jù)（例如信息消息）和用戶面數(shù)據(jù)（例如語(yǔ)音媒體數(shù)據(jù)）。

但從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，由于頻段分配和建設(shè)部署等原因，4G覆蓋區(qū)域往往會(huì)大于5G覆蓋區(qū)域。終端使用4G-5G雙Radio承載業(yè)務(wù)過(guò)程中，5G的無(wú)線承載更加容易觸發(fā)切換，對(duì)業(yè)務(wù)的可靠性也許會(huì)有所影響。另外，盡管雙射頻分別承載信令與數(shù)據(jù)信息，能夠發(fā)揮5G NR大帶寬的優(yōu)勢(shì)，但考慮到話音媒體帶寬約300 kbit左右（AMR-WB 23.85 bit/s），將信令和話音分離承載是否必要還需要結(jié)合需求和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行進(jìn)一步討論。

5 結(jié)論

本文圍繞終端話音業(yè)務(wù)基本需求，介紹分析了話音業(yè)務(wù)的基本實(shí)現(xiàn)方式、業(yè)務(wù)功能及性能要求，并提出面向5G時(shí)代的話音業(yè)務(wù)需求展望。通過(guò)對(duì)當(dāng)前5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中各種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的組合方式及特性研究，重點(diǎn)闡述話音業(yè)務(wù)在連續(xù)性、中斷時(shí)延等方面所面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，并結(jié)合多種類型終端的話音功能特性，討論分析了若干種終端話音業(yè)務(wù)技術(shù)方案。

當(dāng)前從3GPP及產(chǎn)業(yè)進(jìn)展來(lái)看，5G時(shí)代的話音方案還沒(méi)有一個(gè)明確和統(tǒng)一的解決方案，還需要在技術(shù)、產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)品方面進(jìn)行更加深入和細(xì)致的研究。

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