VoNR 語音解決方案應(yīng)用研究

李貝，劉光海，肖天，胡煜華，鄭杭波，成晨，伍一帆，黃秀珍

（1. 中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院，北京 100048；2. 中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司浙江省分公司，浙江 杭州 310051；3. 杭州蕭山國際機場有限公司，浙江 杭州 310051；4. 杭州中威電子股份有限公司，浙江 杭州 310051；5. 浙江理工大學(xué)科技與藝術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312369）

0 引言

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求是移動通信網(wǎng)絡(luò)向5G 演進(jìn)的主要推動力，但語音業(yè)務(wù)仍然是不可或缺的業(yè)務(wù)需求。移動通信網(wǎng)絡(luò)的語音業(yè)務(wù)經(jīng)歷了2G、3G、4G 到5G 不同的解決方案，3GPP 確定了5G 沿用4G 的語音架構(gòu)仍基于IP 多媒體子系統(tǒng)（IP multimedia subsystem，IMS）提供語音業(yè)務(wù)，5G 獨立組網(wǎng)（5G SA）主要有演進(jìn)的分組系統(tǒng)回落（evolved packet system fallback，EPS Fallback）和5G 新通話（voice over new radio，VoNR）兩種方案。VoNR 語音呼叫建立時長更短、語音質(zhì)量更好，且用戶在語音通話的同時能享受暢快的5G 網(wǎng)速，用戶體驗質(zhì)量大幅提升。此外，隨著VoNR 規(guī)模部署，更多的語音業(yè)務(wù)向4G/5G網(wǎng)絡(luò)遷移，這有利于加速淘汰老舊的2G/3G 電路交換（circuit switching，CS）的語音方案，重耕2G/3G 優(yōu)質(zhì)頻段。

1 語音通信技術(shù)發(fā)展歷程

移動通信網(wǎng)絡(luò)的語音業(yè)務(wù)解決方案，2G 和3G采用CS 語音方案，4G 采用電路域語音回落（CS fallback，CSFB）和長期演進(jìn)語音承載（voice over long-term evolution，VoLTE）的語音方案[1]，CSFB即終端在4G 網(wǎng)絡(luò)語音呼叫時從4G 網(wǎng)絡(luò)回落到2G/3G 網(wǎng)絡(luò)的電路域進(jìn)行語音通話結(jié)束后返回4G網(wǎng)絡(luò)，VoLTE 即長期演進(jìn)（long-term evolution，LTE）網(wǎng)絡(luò)直接提供基于IP 的語音業(yè)務(wù)；5G 網(wǎng)絡(luò)有非獨立組網(wǎng)（NSA）和SA 兩大選項，對應(yīng)采用VoLTE、EPS Fallback（即終端在5G 網(wǎng)絡(luò)語音呼叫時從5G 網(wǎng)絡(luò)回落到4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行基于IP 的語音業(yè)務(wù)通話結(jié)束后返回5G 網(wǎng)絡(luò)）、VoNR 3 種語音方案[2]；從2G、3G、4G 到現(xiàn)在的5G 時代，為了增強實時語音通信的清晰度，語音編碼技術(shù)從自適應(yīng)多速率（adaptive multi-rate，AMR）語音、寬帶自適應(yīng)多速率編碼（adaptive multi-rate- wideband，AMR-WB）演進(jìn)到增強型語音服務(wù)（enhanced voice service，EVS）[3]。

2 語音通信現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)

語音技術(shù)演進(jìn)方面，5G SA網(wǎng)絡(luò)初期采用EPS Fallback 到LTE 網(wǎng)，SA 網(wǎng)絡(luò)成熟后采用VoNR 方案[4]，VoNR 和EPS Fallback 共用一套IMS 架構(gòu)，4G 核心網(wǎng)分組核心網(wǎng)（evolved packet core，EPC）和5G 核心網(wǎng)（5G core，5GC）分別作為分組語音的承載。EPS Fallback 與VoNR 方案結(jié)構(gòu)比較如圖1 所示[5]，EPS Fallback 與VoNR 方案理論性能差異比較見表1[6]，VoNR 較現(xiàn)網(wǎng)EPS Fallback 具有無須系統(tǒng)間操作、呼叫時延短、高清晰高保真語音體驗等優(yōu)勢[7]，待現(xiàn)網(wǎng)中驗證后應(yīng)用。

表1 EPS Fallback 與VoNR 方案理論性能差異比較[6]

圖1 EPS Fallback 與VoNR 方案結(jié)構(gòu)比較[5]

網(wǎng)絡(luò)方面，隨著4G 網(wǎng)絡(luò)不再大量建設(shè)、5G共建共享后網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴大，NR 覆蓋不連續(xù)的場景需要向VoLTE 切換保障語音業(yè)務(wù)連續(xù)，5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋后可不依賴4G 網(wǎng)絡(luò)使網(wǎng)絡(luò)建設(shè)更獨立、靈活。

終端方面，截至2021 年年底，高通、三星等主要芯片廠商已支持VoNR，華為、小米、三星等主流終端廠商軟、硬件均必選支持VoNR 并默認(rèn)開啟VoNR 功能，VoNR 產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展可以滿足商用需求，須推動端網(wǎng)適配。

用戶感知方面，用戶凈推薦值（net promoter score，NPS）提升對用戶語音感知需求提出了更高要求。

3 VoNR 與VoLTE 方案趨同性和差異性

VoNR 信令流程、信令中包含消息內(nèi)容、語音包狀態(tài)及周期均與4G VoLTE 相似，VoNR 與VoLTE 方案比較見表2[8]，VoNR 較VoLTE 支持更多編碼方式、語音體驗更佳，終端功耗增加專用帶寬部分（bandwidth part，BWP）節(jié)電性能提升。VoNR 所使用的承載包括信令承載（signaling radio bearer，SRB）和業(yè)務(wù)承載（data radio bearer，DRB）[9]。3GPP 協(xié)議定義了5G 服務(wù)質(zhì)量等級標(biāo)識（5G QoS identifier，5QI）[10]，描述了服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）流在用戶設(shè)備（user equipment，UE）和用戶面功能（user plane function，UPF）之間端到端接收分組數(shù)據(jù)處理特性。確認(rèn)模式（acknowledged mode，AM）、非確認(rèn)模式（unacknowledged mode，UM）為無線鏈路控制（radio link control，RLC）層的傳輸模式。5QI 對應(yīng)4G 的服務(wù)質(zhì)量等級標(biāo)識（QoS class identifier，QCI）。

表2 VoNR 與VoLTE 方案比較[8]

3GPP 定義了終端可配置最多4 個上行/下行BWP，但同一時刻只能激活一個上行/下行BWP，終端在激活的BWP 范圍內(nèi)接收/發(fā)送信息[11]。多BWP 有利于根據(jù)運營商的可用帶寬以及UE 能力支持的帶寬綜合配置以滿足不同需求，支持多專用BWP 的終端可以通過不同帶寬的BWP 之間的轉(zhuǎn)換和自適應(yīng)，將UE 切換到所需帶寬運行以降低終端能耗。

連接態(tài)下的非連續(xù)接收（connected discontinuous reception，C-DRX）可以讓UE 周期性地進(jìn)入睡眠狀態(tài)而不監(jiān)聽物理下行控制信道，監(jiān)聽時則從睡眠狀態(tài)中喚醒，以節(jié)省UE 電力消耗[12]。C-DRX對應(yīng)VoLTE 采用DRX（discontinuous reception，DRX）。非連續(xù)接收長周期的長度（DRX-Long Cycle）、上行/下行BWP 傳輸塊中接收到的符號數(shù)（DRX-HARQ-RTT-timer UL /DL）、DRX 持續(xù)定時器的長度（DRX-onDuration Timer）、DRX 非激活定時器的長度（DRX-inactivity Timer）、混合自動重傳請求（hybrid automatic repeat request，HARQ）重傳時需監(jiān)聽的最大的物理下行控制信道（physical downlink control channel ， PDCCH ） 的 子 幀（DRX-retransmission Timer DL）、DRX 非激活定時器的長度、HARQ 重傳時需監(jiān)聽的最大的物理上行鏈路控制信道（physical uplink control channel，PUCCH）的子幀數(shù)（DRX-Retransmission Timer UL）等參數(shù)組合共同影響DRX 操作機制。

4 VoNR 方案實施效果

某運營商在某市對VoNR 性能表現(xiàn)、VoNR業(yè)務(wù)中終端差異性以及VoNR 語音通話終端功耗進(jìn)行研究。

4.1 VoNR 性能平穩(wěn)時延改善明顯

SA 基站下不同語音能力終端分場景配置語音碼率為AMR-WB 23.85 kbit/s 進(jìn)行VoNR 與VoNR 終端/非VoNR 終端互通各10 次拉網(wǎng)測試，VoNR 互通性能測試統(tǒng)計見表3，其中面場景指市區(qū)道路、居民區(qū)道路為代表的面上的覆蓋。不同語音能力終端用戶均能正常起呼實現(xiàn)互聯(lián)互通，性能穩(wěn)定，語音接通率達(dá)100%，整體看VoNR 互通平均意見得分（mean opinion score，MOS）均值、呼叫建立時延均優(yōu)于非VoNR 業(yè)務(wù)。面場景3.5 GHz 網(wǎng)絡(luò)的VoNR 路測（driving test，DT）數(shù)據(jù)秒級采集如圖2 所示，去除異常采樣點RSRP約-110 dBm 時MOS＜3.5，5G 不同頻率下RSRP、SINR 與MOS=3.5 關(guān)系需要深入研究并進(jìn)一步定標(biāo)。另外，異設(shè)備廠商邊界目前Xn 接口還沒有互通，因此均須通過共享基站核心網(wǎng)實現(xiàn)通信，造成時延較長。在切換速度快的高速場景、SA 覆蓋區(qū)域和4G 覆蓋區(qū)域邊界移動時異系統(tǒng)切換判決門限設(shè)置合理性對該些場景的語音業(yè)務(wù)質(zhì)量有影響，從而導(dǎo)致時延及MOS 值劣于面場景的整體測試指標(biāo)。

圖2 面場景3.5 GHz 網(wǎng)絡(luò)的VoNR DT 數(shù)據(jù)秒級采集

表3 VoNR 互通性能測試統(tǒng)計

4.2 端網(wǎng)適配已逐漸完善

目前高通、海思等主要芯片廠商理論上已支持VoNR，但需要進(jìn)行端網(wǎng)適配，在實際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，有6 款終端已完成網(wǎng)絡(luò)和路測工具適配（例如目前華為P40 適配華虎路測軟件、三星S21 適配鼎利路測軟件等，適配終端數(shù)量在不斷增加中），可以通過路測進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)中VoNR 性能評估，在某運營商承建的SA 3.5 GHz 網(wǎng)絡(luò)共享站某市區(qū)道路場景同一測試區(qū)域進(jìn)行不同芯片5G 終端對比測試，配置語音碼率為AMR-WB 23.85 kbit/s時主被叫進(jìn)行VoNR 連接態(tài)互撥的拉網(wǎng)測試，芯片X 的終端型號A 和芯片Y 的終端型號B 兩款終端存在SSB 測量的差異性，試點區(qū)域不同芯片測試終端路測網(wǎng)絡(luò)感知對比如圖3 所示，本輪測試芯片X 質(zhì)量優(yōu)于芯片Y。對編碼速率比較發(fā)現(xiàn)芯片X 的編碼速率可自適應(yīng)變化、芯片Y 的編碼速率保持23.85 kbit/s。由于目前試點城市VoNR開通終端數(shù)量有限，建議終端廠商緊跟VoNR 開通步伐，聯(lián)合芯片廠商采集log 分析終端性能，及時進(jìn)行差異化分析，適時進(jìn)行提升性能的版本升級。

圖3 試點區(qū)域不同芯片測試終端路測網(wǎng)絡(luò)感知對比

為了對比不同終端的性能差異，在某運營商承建的SA 3.5 GHz 網(wǎng)絡(luò)共享站辦公室場景進(jìn)行5G 終端型號D（芯片Y）和終端型號E（芯片X）對比的相同場景弱覆蓋場景的定點測試，測試方法為D、E 均為主叫在辦公樓宇內(nèi)RSRP=-100 dBm、-105 dBm、-110 dBm、-115 dBm 的點位分別向被叫（固定在同一個5G 好點）撥打 VoNREVS24.4 kbit/s 語音呼叫，呼叫保持45 s 掛斷，間隔15 s 后重新發(fā)起，每個點位重復(fù)50 次。測試結(jié)果表明EVS24.4 kbit/s 較AMR23.85 kbit/s 整體MOS 偏高，這與兩者算法差異有關(guān)，需要進(jìn)一步進(jìn)行算法差異分析，4 個點位兩款終端呼叫成功率為100%、掉話次數(shù)0 次、掉話率0%，兩款終端在4 個點位主要路測指標(biāo)對比見表4，終端D 部分MOS 采樣點在語音文件感知清晰的情況下打分明顯過低，存在異常，初步定位為路測音頻口松動、路測時云MOS 服務(wù)器異常、終端異常過熱導(dǎo)致，建議后繼全國大范圍路測時關(guān)注該問題。另外，路測RSRP 為-115 dBm 點位兩款終端RSRP 采樣點對比如圖4 所示，在RSRP 為-115 dBm 點位，一定比例終端D 的采樣點RSRP下降至-130 dBm 以下、終端E 性能較穩(wěn)定RSRP在-120 dBm 以上。

表4 兩款終端在4 個點位主要路測指標(biāo)對比

圖4 路測RSRP 為-115 dBm 點位兩款終端RSRP 采樣點對比

4.3 終端功耗改善等配套優(yōu)化措施成效初顯

為降低VoNR 終端功耗進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，相同終端設(shè)置BWP 與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)下的配置相同，配置BWP1=100 MHz，BWP2=20 MHz。為了達(dá)到最優(yōu)功耗效果，C-DRX 設(shè)置了3 套參數(shù)，3 套CDRX驗證參數(shù)見表5，對比每組參數(shù)下的功耗節(jié)省效果以及兼容性情況。VoNR 語音通話終端功耗對比分析如圖5 所示，開啟C-DRX 后功耗有顯著降低，平均降低21.3%，配置BWP 后，VoNR 功耗降低22.3%，同時配置BWP 和C-DRX2 的功耗節(jié)省效果最優(yōu)，相比不配置BWP 及C-DRX 終端VoNR功耗節(jié)省32.2%，且未發(fā)現(xiàn)兼容性問題，推薦配置該參數(shù)并進(jìn)一步開展VoNR 端網(wǎng)兼容測試。其中平均降低功耗計算方法為 1-（C-DRX1+C-DRX2+ C-DRX3）/3/關(guān)閉C-DRX。

表5 3 套CDRX 驗證參數(shù)

圖5 VoNR 語音通話終端功耗對比分析

5 挑戰(zhàn)及展望

VoNR 語音解決方案的挑戰(zhàn)及展望具體如下。

（1）5G 深度覆蓋不足

VoNR 不依賴4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行語音業(yè)務(wù)，目前5G網(wǎng)絡(luò)部分重點場景宏基站、室內(nèi)重點場景（如樓宇）垂直覆蓋不足[13]，而隨著5G 用戶發(fā)展和終端VoNR 適配性提高[14]，在5G 覆蓋不足區(qū)域存在VoLTE、VoNR 互操作問題，當(dāng)5G 覆蓋滿足一定標(biāo)準(zhǔn)下可考慮全面進(jìn)行VoNR 商用，建議一方面加大5G 網(wǎng)絡(luò)共建、共享力度和進(jìn)度，一方面采用微基站、天線權(quán)值調(diào)整等手段提升5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋，同時盡快完成VoNR 商用標(biāo)準(zhǔn)確定。

（2）2.1 GHz 引入及多頻多網(wǎng)協(xié)同風(fēng)險

目前部分5G 采用2.1 GHz 覆蓋，與3.5 GHz的VoNR 互操作策略部署建議比較，VoLTE、VoNR 互操作存在4G 和5G 不同設(shè)備廠商而參數(shù)配置匹配不一致風(fēng)險，建議統(tǒng)一考慮，目前短期看VoLTE 仍是語音承載主要方式，而LTE 2.1 GHz 退頻影響4G 覆蓋連續(xù)性，建議加強多頻多網(wǎng)協(xié)同，語音頻譜策略需要網(wǎng)絡(luò)共建、共享各方協(xié)同推進(jìn)。

（3）多語音場景并存下運維復(fù)雜性增加

2G、3G、4G、5G 聯(lián)合組網(wǎng)，跨網(wǎng)絡(luò)、跨廠商，多頻段多制式互操作復(fù)雜[15]，尤其是異設(shè)備廠商、異運營商、5G 與4G 區(qū)域邊界，須加強移動性策略研究（如語音切換策略確定），提升運維優(yōu)化能力。

（4）端網(wǎng)協(xié)同待完善

終端方面，目前與VoNR 測試工具適配的測試終端種類較少，難以完全評估每款終端在現(xiàn)網(wǎng)中的VoNR 實際性能，須加快終端與網(wǎng)絡(luò)、路測軟件的適配，且在VoNR 實際測試使用中，不同終端敏感度有一定差異，EVS24.4 kbit/s 與AMR23.85 kbit/s 算法存在差異，對不同編碼算法、多種類型終端的差異性須盡快展開研究驗證，加快推進(jìn)VoNR 產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展；無線網(wǎng)方面，須進(jìn)一步進(jìn)行VoNR 的RLC 層分片限制等增強功能的研究和驗證用以提升VoNR 業(yè)務(wù)感知和覆蓋能力，同時為了保障VoNR 商用，須進(jìn)行VoNR 試點城市典型優(yōu)化問題梳理和指導(dǎo)，總結(jié)優(yōu)化中的問題為全國商用提供借鑒，協(xié)同友商、設(shè)備廠商制定并全國發(fā)布VoNR 無線關(guān)鍵參數(shù)配置建議，為VoNR 商用后評估做好保障；網(wǎng)管方面，需要協(xié)同友商制定VoNR 無線側(cè)指標(biāo)規(guī)范為VoNR 商用后性能評估打好基礎(chǔ)；承載網(wǎng)方面，需要進(jìn)行容量及傳輸質(zhì)量優(yōu)化解決抖動、丟包等問題；核心網(wǎng)方面，需要制定EVS 開通對增值業(yè)務(wù)的影響的標(biāo)準(zhǔn)解決方案，并為計費系統(tǒng)增加VoNR 開網(wǎng)核心網(wǎng)包括與VoLTE 區(qū)分等的計費參數(shù)。

6 結(jié)束語

本文基于語音通信技術(shù)發(fā)展歷程、VoNR 技術(shù)特點等方面，對VoNR 語音解決方案進(jìn)行了深入剖析，對VoNR 語音解決方案實施效果進(jìn)行了分析，并對當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和展望做了進(jìn)一步探索，為后繼VoNR 語音全國實施提供了技術(shù)借鑒。VoNR 語音解決方案具有無須系統(tǒng)間操作、呼叫時延短、高清晰高保真語音體驗、視頻畫質(zhì)不變前提下數(shù)據(jù)量減少、可與虛擬現(xiàn)實應(yīng)用結(jié)合等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。