5G語音業(yè)務解決方案研究

張海霞，魏書偉，范敏

（青島恒星科技學院 信息學院，山東 青島 266000）

0 引言

移動通信經(jīng)歷了1G到5G，從語音業(yè)務到高速數(shù)據(jù)業(yè)務的飛躍式發(fā)展，在移動互聯(lián)網(wǎng)和移動物聯(lián)網(wǎng)領域的應用呈現(xiàn)爆炸式增長。近年來，人工智能、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等新產(chǎn)業(yè)、新技術、新業(yè)態(tài)蓬勃發(fā)展，5G應用場景更加豐富，智慧城市、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等進程加速發(fā)展。作為移動通信的典型語音業(yè)務，在5G系統(tǒng)中如何演進，有著重要的理論研究意義和現(xiàn)實應用價值。本文就這一問題進行方案探討。提出不同網(wǎng)絡架構(gòu)下，SA和NSA組網(wǎng)模式下的5G語音解決方案。

1 5G網(wǎng)絡架構(gòu)

5G網(wǎng)路架構(gòu)分為接入網(wǎng)和核心網(wǎng)兩部分。5G接入層稱為NG-RAN(NR)，主要包括gNB和升級版LTE基站，稱為ng-eNB。其中gNB管理NR用戶面和控制面協(xié)議，ng-eNB管理E-UTRAN用戶面和控制面協(xié)議。5G核心網(wǎng)主要分為控制面和用戶面，其中控制面主要包括AMF和SMF，用戶面主要包括UPF。

5G網(wǎng)絡接口和各網(wǎng)元如下圖1所示。

圖1 5G網(wǎng)絡架構(gòu)

核心網(wǎng)與接入網(wǎng)融合的5G網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，通過軟件定義網(wǎng)絡、移動性管理等關鍵技術，來為用戶提供更好的服務體驗。

2 5G組網(wǎng)模式

2.1 5G組網(wǎng)模式

3GPP規(guī)定了5G網(wǎng)絡架構(gòu)的兩種組網(wǎng)模式，非獨立組網(wǎng)(NSA, Non-standalone)和獨立組網(wǎng)(SA, Standalone)兩種模式[1]。NSA模式把4G現(xiàn)有的無線及核心網(wǎng)等基礎設施作為基礎，再新增5G載波作為配合，負責移動管理和覆蓋；SA模式，采用5G核心網(wǎng)絡架構(gòu)，定義了新的核心網(wǎng)網(wǎng)絡設備及他們之間的接口，應用了軟件定義網(wǎng)絡，網(wǎng)絡虛擬化等新技術[2]。

按照獨立組網(wǎng)和非獨立組網(wǎng)劃分，大約有Option1至Option7等多種架構(gòu)，還有三種變形方式，Option3a/Option3x、Option4a和Option7a/Option7x。如圖2所示。Option1為LTE+EPC，也就是4G系統(tǒng)的常見組網(wǎng)方式。5G的組網(wǎng)以此為基礎。Option2為5G網(wǎng)絡組網(wǎng)的最終目標，需要替代LTE系統(tǒng)的基站和核心網(wǎng)，完全由gNB和NGC組成實現(xiàn)，實現(xiàn)5G系統(tǒng)的全面部署。

圖2 5G常見網(wǎng)絡部署

2.2 NSA和SA的優(yōu)勢

NSA的優(yōu)勢主要包括：

1. 通過現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡增加5G的輻射范圍。

2. 標準的確立時間早于SA。NSA通過更多的產(chǎn)品測試，技術理論上應更穩(wěn)定。

3. 利用4G EPC網(wǎng)絡，無需建設5G核心網(wǎng)。

SA的優(yōu)勢主要包括：

1. 在該組網(wǎng)模式下，NR之間的切換時延較低。而在NSA模式下，由于和LTE連接復雜，NR之間切換需要更長時間。

2. 在采用NSA模式時，終端天線既要連接LTE又要連接NR；采用SA模式時，終端天線僅需連接NR[3]。

3. SA可支持邊緣計算、SDN、NFV等新技術，使5G擁有更強更全面的業(yè)務能力，應對各種5G業(yè)務需求。

3 5G語音解決方案

盡管5G在數(shù)據(jù)服務上有眾多技術應用，但是語音業(yè)務仍然是運營商的重要基礎服務，具有理論研究意義和應用價值。

5G網(wǎng)絡中用戶進行話音業(yè)務時，不僅要求系統(tǒng)能夠提供不同網(wǎng)絡制式環(huán)境下的語音切換，以及終端用戶從一個小區(qū)向另一個小區(qū)移動過程中，使通話不中斷。比如3G與4G之間的VoLTE、SRVCC等；5G系統(tǒng)架構(gòu)既需要滿足未來網(wǎng)絡需求，又需要考慮與現(xiàn)有網(wǎng)絡（2G/3G/4G）的遷移和互操作。尤其是和4G網(wǎng)絡的交互尤為重要；因此在互操作和連續(xù)性的設計上，5G系統(tǒng)主要考慮5G與4G網(wǎng)絡之間保持連續(xù)性[4]。

3.1 SA組網(wǎng)場景下的語音解決方案

SA場景下，包括兩種語音解決方案，EPS Fallback（簡稱EPS FB）方案和VoNR（Voice over New Radio）方案。該模式下的組網(wǎng)架構(gòu)主要有option2、option4/4a。

EPS FB方案中，用戶設備入網(wǎng)初始注冊在5G網(wǎng)絡中，可以由5G提供數(shù)據(jù)業(yè)務。當有語音業(yè)務如語音電話接入時，用戶設備將由網(wǎng)絡輔助完成切換流程，進行VoLTE通話，通話結(jié)束后，用戶設備再切換回5G網(wǎng)絡。EPS FB方案需要網(wǎng)絡規(guī)劃實施人員將5G NR部署在和LTE重復覆蓋的區(qū)域，以便進行4G和5G的業(yè)務切換，主要用在5G網(wǎng)絡部署初期，核心網(wǎng)設備還未大面積鋪設的情況下[5]。

VoNR方案是通過5G借助于IMS系統(tǒng)提供語音業(yè)務的技術方案，在全IP情況下部署。IMS又稱為IP多媒體子系統(tǒng)，可以在分組交換網(wǎng)絡下實現(xiàn)語音業(yè)務，在VoNR技術方案中，5G作為一種接入方式接入IMS網(wǎng)絡，通過IMS控制語音業(yè)務，其他業(yè)務通過5G網(wǎng)絡進行承載。在VoNR下，語音和數(shù)據(jù)業(yè)務都承載在NR網(wǎng)絡，當終端移動到5G信號盲區(qū)或者覆蓋較差的地區(qū)時，需要切換到4G網(wǎng)絡，由4G網(wǎng)絡為其提供VoLTE語音服務[6]。

根據(jù)不同的5G組網(wǎng)，存在不同的選項。

1. 通過5GC和gNB承載VoNR，如下圖3所示。

圖3 VoNR協(xié)議棧-通過5GC和gNB承載

2. 通過EPC和gNB承載VoNR，如下圖4所示。

圖4 VoNR協(xié)議棧-通過EPC和gNB承載

目前可以有多種方案將最初5G過渡階段選擇的語音解決方案轉(zhuǎn)換為VoNR。

路徑1：VoLTE->EPS FB->VoNR

5G初期語音業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務分離，語音業(yè)務通過EPC+LTE來提供，以VoLTE作為初期語音解決方案。隨著5GC的接入，語音繼續(xù)由EPC+LTE提供，以EPS FB為語音解決方案[7]。在5G網(wǎng)絡全面推進優(yōu)化后，推出VoNR。

路徑2：VoLTE->VoNR

5G建設的最終目標是完全通過5G網(wǎng)絡來同時傳輸語音和數(shù)據(jù)，因此option2是最終的5G網(wǎng)絡組網(wǎng)模式。

路徑3：VoLTE->VoeLTE->RAT FB ->VoNR

VoeLTE即Voice over eLTE，指話音承載在5GC以及ng-eNB上，在VoeLTE下，終端駐留eLTE網(wǎng)絡中，語音業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務都承載在eLTE。當移動用戶進入到eLTE信號覆蓋較差的區(qū)域時，會觸發(fā)切換來實現(xiàn)4G或NR的互操作，切換到LTE或NR，由LTE或VoNR來提供服務。

RAT FB，與EPS FB類似，當終端在5G網(wǎng)絡上要發(fā)起語音呼叫請求時，在語音信道建立過程中會切換到eLTE網(wǎng)絡中，由VoeLTE提供服務，當語音通話結(jié)束后，終端再切換到5G網(wǎng)絡[8]。

3.2 NSA組網(wǎng)場景下的語音解決方案

在非獨立組網(wǎng)模式下，主要有option3/3a/3x和option7/7a/7x架構(gòu)，話音業(yè)務可以繼續(xù)使用CSFB、VoLTE等技術。由于沒有引入真正的5G核心網(wǎng)，因此不支持5G新功能，如網(wǎng)絡切片功能等。語音技術演進方案可選擇CSFB演進到VoLTE,然后再向VoNR演進[9]。

VoLTE方案由4G網(wǎng)絡LTE/EPC提供語音，數(shù)據(jù)業(yè)務由4G/5G網(wǎng)絡共同承載[10]。

4 結(jié)論

5G語音業(yè)務仍然采用VoLTE中的IMS系統(tǒng)架構(gòu)，繼承支持現(xiàn)網(wǎng)中的所有語音業(yè)務。未來5G語音方案將提供更全面豐富的業(yè)務，通過對IMS網(wǎng)絡進行架構(gòu)優(yōu)化，滿足物聯(lián)網(wǎng)等需求，伴隨著5G無線技術的發(fā)展以及網(wǎng)絡切片等技術的不斷創(chuàng)新，5G時代的語音視頻業(yè)務將帶給用戶更新的體驗。