5G NR語音解決方案分析

王耀祖，張洪偉，吳 磊（中國移動通信集團設計院有限公司重慶分公司，重慶 404100）

0 引言

4G LTE 實現(xiàn)了全IP 化，拋棄了原來的CS 電路域方式，語音服務采用VoLTE 語音方案，但為保證語音業(yè)務的連續(xù)性，仍需通過CSFB、SRVCC 方式與2G/3G電路域進行交互。

5G 時代語音業(yè)務延續(xù)了4G VoLTE IP 化解決方案，制定了5G時代的全IP化語音——VoNR，5G VoNR的實現(xiàn)方式與4G VoLTE 存在差異，考慮到與其他網(wǎng)絡制式互操作的復雜性和鑒權安全性問題，5G VoNR僅實現(xiàn)了與4G VoLTE 的切換流程，可切換或回落到支持VoLTE 的LTE 區(qū)域，實現(xiàn)語音業(yè)務連續(xù)性，無法支持5G 核心網(wǎng)與2G/3G CS 電路域語音業(yè)務的互操作，故5G 語音業(yè)務的連續(xù)性依賴于4G 網(wǎng)絡VoLTE 的覆蓋率。

5G 技術正在逐步完善，相應的技術、標準和產(chǎn)品正處于研究和討論落地階段，本文主要結合5G語音標準現(xiàn)狀和其發(fā)展趨勢，對5G系統(tǒng)的語音解決方案及其可行性進行研究。

1 5G語音標準現(xiàn)狀及存在的問題

目前5G 協(xié)議僅有到4G 的語音切換流程，在5G 信號覆蓋較差的區(qū)域可通過切換或回落到支持VoLTE的LTE區(qū)域來保障5G網(wǎng)絡語音的連續(xù)性（見圖1）。

圖1 協(xié)議定義的標準4G/5G語音切換流程

5G NR 使用NGC 核心網(wǎng)，為了保證其語音業(yè)務的連續(xù)性，在5G 還沒有實現(xiàn)連續(xù)覆蓋時，對應的4G 網(wǎng)絡需要有連續(xù)的VoLTE語音覆蓋，5G語音的連續(xù)依賴于4G網(wǎng)絡覆蓋率。

目前5G 在獨立組網(wǎng)模式下的語音實現(xiàn)方式還沒有定論，SA Option2/4/4a是現(xiàn)階段討論的熱點方案，如圖2 所示，在5G NR 或4G VoLTE 連續(xù)覆蓋的場景下，可通過互操作實現(xiàn)語音切換。目前5G標準還不完善，對于4G LTE 不支持VoLTE 的場景，5G 就無法進行切換或者回落（見圖3），需要從標準層面推動5G VoNR往2G/3G的語音連續(xù)性流程。

圖2 SA Option2/4/4a模式下組網(wǎng)方案

圖3 建立5G到CS域的語音標準流程

2 5G語音業(yè)務解決方案

為確保5G語音服務的連續(xù)性，可通過以下三大設計原則來實現(xiàn)5G語音業(yè)務。

a）5G Phase 1 不提供NR/NGC 系統(tǒng)與CS 語音系統(tǒng)的語音互操作。

b）運營商前期在LTE 或NR 上提供基于現(xiàn)有IMS的語音業(yè)務。

c）NR/NGC 語音連續(xù)性性能指標與VoLTE 保持一致（語音連續(xù)性中斷時延不超過300 ms）。

5G 網(wǎng)絡按組網(wǎng)模式可分為非獨立組網(wǎng)（NSA）和獨立組網(wǎng)（SA）2種，運營商可依據(jù)現(xiàn)網(wǎng)結構，制定適合自身的網(wǎng)絡建設方案，下面主要討論現(xiàn)階段主流的4種解決方案。

2.1 非獨立組網(wǎng)模式

2.1.1 雙連接雙注冊模式

非獨立組網(wǎng)模式中，終端采用LTE-NR 雙連接、雙注冊策略，控制面錨定、語音業(yè)務承載均依托于4G，數(shù)據(jù)業(yè)務承載于5G 和4G，以實現(xiàn)終端在5G、4G 的雙連接，即直接由4G VoLTE 提供語音服務，不考慮5G 與4G間的語音連續(xù)性互操作（終端需開通VoLTE功能），具體如圖4所示。

圖4 非獨立組網(wǎng)雙連接5G語音方案

但是雙連接、雙注冊策略要求終端同時駐留LTE和NR 網(wǎng)絡，終端功耗會增加，同時可能存在互干擾，這增大了終端實現(xiàn)難度。

2.1.2 多步驟演進模式

在5G 建網(wǎng)初期，先不引入5G 核心網(wǎng)NGC，5G 核心網(wǎng)由4G EPC 網(wǎng)絡承載，之后由Option 3 演進到Option 7（見圖5），直到Option 2/4。這種模式可盡快部署5G NR網(wǎng)絡，但演進步驟較多，實現(xiàn)周期較長。

2.2 獨立組網(wǎng)模式

2.2.1 EPS Fallback方式

圖5 NSA Option3/3a/7模式下組網(wǎng)方案

在4G 初期建網(wǎng)，需要通過CSFB 方式實現(xiàn)與CS域的互操作，EPS Fallback同上述方式相似。5G NR網(wǎng)絡不提供語音業(yè)務，當終端駐留5G，發(fā)起語音業(yè)務時會觸發(fā)切換流程，同時由5G 基站向LTE EPC 發(fā)起inter-RAT 切換請求，終端回落到4G 網(wǎng)絡，以VoLTE 方式提供語音業(yè)務，此為EPS Fallback，如圖6所示。

圖6 EPS Fallback 5G語音方案

EPS Fallback 通過5G NGC 核心網(wǎng)和LTE EPC 之間的N26 接口實現(xiàn)互操作。在5G 網(wǎng)絡覆蓋不連續(xù)的場景下，語音業(yè)務的連續(xù)性依賴于4G VoLTE 網(wǎng)絡的覆蓋率。

2.2.2 VoNR方式

VoNR 是由5G NR 提供語音業(yè)務，5G 核心網(wǎng)NGC引入IMS，借助4G VoLTE/IMS 組網(wǎng)經(jīng)驗，開通VoNR 難度不大，但需在TTI bundling、編碼速率、SPS、半靜態(tài)調(diào)度等參數(shù)上有所調(diào)整。

在VoNR 下，終端駐留5G 網(wǎng)絡，語音和數(shù)據(jù)均承載在5G網(wǎng)絡，在5G邊緣區(qū)域信號較差時，可通過基于覆蓋、質(zhì)量的切換方式來實現(xiàn)與4G 網(wǎng)絡的互操作，由LTE網(wǎng)絡提供語音業(yè)務，如圖7所示。

圖7 5G VoNR語音方案

網(wǎng)絡語音承載方式主要有以下4種（見圖8）。

圖8 整體的網(wǎng)絡語音承載形式

a）現(xiàn)階段2G/3G網(wǎng)絡支持CS語音。

b）現(xiàn) 階 段4G 缺 乏IMS 部 署，4G 網(wǎng) 絡 不 支 持VoLTE場景。

c）4G 支持VoLTE 場景，由IMS +EPC+eNB 實現(xiàn)PS語音。

d）未來5G 支持語音，由IMS +NGC+eLTE/NR 實現(xiàn)PS語音。

從以上網(wǎng)絡語音承載方式可以看出，如果要支持VoLTE 或VoNR，需要在核心網(wǎng)側引入IMS，實現(xiàn)PS 域語音業(yè)務?，F(xiàn)階段各運營商網(wǎng)絡部署的方式存在差異，導致最終實現(xiàn)形式也存在差異。

3 5G建網(wǎng)初期語音方案可行性研究及建議

3.1 5G建網(wǎng)初期語音實現(xiàn)方式建議

針對以上的5G 網(wǎng)絡語音實現(xiàn)方式，在建網(wǎng)初期，從5G 網(wǎng)絡覆蓋連續(xù)性、VoNR 技術發(fā)展、建網(wǎng)成本、盈利能力等多方面考慮，建議采用EPS Fallback 方式實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡語音業(yè)務連續(xù)性，在前期投資較少的情況下，可借助現(xiàn)有的LTE 網(wǎng)絡和VoLTE 語音的優(yōu)勢實現(xiàn)5G與VoLTE的語音連續(xù)性互操作。

3.2 基于EPS Fallback的5G語音業(yè)務的可行性研究

下面通過統(tǒng)計現(xiàn)階段LTE 的網(wǎng)絡覆蓋情況和VoLTE-VoLTE 接續(xù)時延，分析在建網(wǎng)初期采用EPS Fallback作為語音解決方案的可行性。

3.2.1 LTE的網(wǎng)絡覆蓋情況

LTE城區(qū)覆蓋良好，可滿足VoLTE良好通話需求，但因投資有限，農(nóng)村區(qū)域覆蓋偏弱，通過對農(nóng)村不同覆蓋場景（平原、丘陵、山區(qū)）進行測試，統(tǒng)計不同的地理環(huán)境下不同的用戶感知度。分場景下用戶體驗測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 分場景下用戶體驗測試統(tǒng)計數(shù)據(jù)

VoLTE 語音業(yè)務對網(wǎng)絡側的資源需求較小，且對無線環(huán)境的覆蓋邊緣速率要求較低，在農(nóng)村場景下即便處于RSRP=-120 dBm 的覆蓋差點，其整體測試接通率仍可達到98%以上。

語音MOS 值與具體無線環(huán)境質(zhì)量關系如圖9 和圖10所示。

圖9 語音MOS與SINR關系曲線

圖10 語音MOS與RSRP關系曲線

MOS 值在好點（SINR＞18 dB）可以穩(wěn)定在3.7 分以上，當5 dB＜SINR＜11 dB時，由于SINR 降低、小區(qū)間切換、TAU 和TM 模式切換等，MOS 值略微下降，但整體仍保持在3.5 以上；當SINR＜-5.5 dB 時，MOS 值下降趨勢明顯。在RSRP方面，當RSRP＜-113 dBm時，MOS分值下降較為明顯。

依據(jù)場景測試及MOS 值和SINR、RSRP 的關系，農(nóng)村場景下VoLTE 業(yè)務覆蓋條件為RSRP≥-113 dBm且SINR≥-3 dB。

通過對MRS 采樣點進行分場景統(tǒng)計，現(xiàn)網(wǎng)MR 覆蓋率（RSRP≥-110 dBm 的占比，下同）的平均值為95.89%，全網(wǎng)90.38%的區(qū)域MR 覆蓋率在平均值以上，雖存在覆蓋漏洞，但整體狀況良好；農(nóng)村區(qū)域MR覆蓋率為92.69%，較全網(wǎng)平均水平低3.2 個百分點，如圖11 所示。伴隨4G 網(wǎng)絡規(guī)劃、建設的逐步完善，經(jīng)過后期補盲，網(wǎng)絡覆蓋將不斷優(yōu)化，可支撐5G 網(wǎng)絡通過4G VoLTE 實現(xiàn)語音業(yè)務連續(xù)性，降低5G 網(wǎng)絡與CS 域互操作的復雜性，縮短建網(wǎng)周期。

圖11 現(xiàn)網(wǎng)MR覆蓋率整體情況

3.2.2 VoLTE接續(xù)時延

通過信令端到端平臺對現(xiàn)階段VoLTE-VoLTE 的接續(xù)時延進行統(tǒng)計，結果如圖12 所示?，F(xiàn)階段全省V-V 接續(xù)時延均值為2.73 s，地（市）8 略高，為3.35 s，全省總體在3.5 s以內(nèi)。

圖12 VoLTE-VoLTE呼叫接續(xù)時延

5G 語音回落到LTE網(wǎng)絡的過程中，端到端語音接續(xù)時延需在現(xiàn)有VoLTE-VoLTE 接續(xù)時延的基礎上增加1～2 s，總體5G 語音回落到VoLTE 時延為3～5 s，遠低于現(xiàn)網(wǎng)4G 以CSFB 方式回落到2G 的總時延為6.5～8.5 s，故該方案能夠滿足建網(wǎng)初期實現(xiàn)5G 語音連續(xù)性的業(yè)務需求。

4 結束語

在5G 網(wǎng)絡初期建設階段，因網(wǎng)絡覆蓋的不連續(xù)，無法實現(xiàn)VoNR 語音業(yè)務全面覆蓋，可采用現(xiàn)已成熟VoLTE語音解決方案來保障5G語音的連續(xù)性，在用戶發(fā)起語音接入時，以EPS Fallback 方式回落到LTE 網(wǎng)絡，由VoLTE 實現(xiàn)語音通話，從而縮短5G 建網(wǎng)周期，降低初期建網(wǎng)成本，實現(xiàn)快速商用。