VoNR無線優(yōu)化策略研究

張新超，李榮琳

（中國移動通信集團山東有限公司，山東 濟南 250002）

0 引言

數(shù)據(jù)業(yè)務驅動了通信網(wǎng)絡向5G網(wǎng)絡的演進，但語音業(yè)務仍然是通信網(wǎng)絡必備的關鍵基礎業(yè)務。在5G網(wǎng)絡建設初期，5G基站覆蓋和終端滲透率均不高，獨立組網(wǎng)（stan2alone，SA）模式下的語音業(yè)務采用演進分組系統(tǒng)回落（evolution packet system falls back，EPS Fallback）解決方案，從5G網(wǎng)絡回落到4G網(wǎng)絡，相應數(shù)據(jù)業(yè)務也在4G網(wǎng)絡進行。EPS Fallback方案一方面會造成語音呼叫建立時延變高，另一方面基于4G網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)業(yè)務速率相對于5G網(wǎng)絡會降低[1]。

隨著5G網(wǎng)絡的規(guī)模部署，支持采用新空口承載語音（voice over new ra2io，VoNR）解決方案解決上述問題[2]。支持5G用戶基于5G網(wǎng)絡直接進行語音業(yè)務，無須回落到4G網(wǎng)絡，從而獲得更高質量的語音業(yè)務體驗和更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務體驗。

1 5G網(wǎng)絡語音通話的兩種方式

1.1 EPS Fallback

5G網(wǎng)絡初期不提供語音業(yè)務，當5G基站（gNo2eB）在新空口（new ra2io，NR）上建立IP多媒體子系統(tǒng)（IP multime2ia subsystem，IMS）語音通道時會觸發(fā)EPS Fallback切換。此時gNo2eB向5G核心網(wǎng)（5G core，5GC）發(fā)起重定向或者異系統(tǒng)（inter-RAT）切換請求，回落到4G網(wǎng)絡，由VoLTE提供語音業(yè)務。該方案在核心側要求5GC與演進的分組核心網(wǎng)（evolve2 packet core，EPC）、IMS開通服務接口[3]，接入側要求NR與長期演進（long term evolution，LTE）技術重疊覆蓋[4-7]。

1.2 VoNR

VoNR支持5G用戶基于5G網(wǎng)絡直接進行語音業(yè)務，即在5G網(wǎng)絡內的用戶設備（user equipment，UE）和IMS間建立基于IP傳輸網(wǎng)絡的語音專用承載[8]。VoNR方案需要規(guī)?；渴?G網(wǎng)絡和IMS網(wǎng)絡，為語音業(yè)務提供質量保證，當5G網(wǎng)絡覆蓋不足時，終端在移出5G網(wǎng)絡覆蓋區(qū)時觸發(fā)切換，切換至4G網(wǎng)絡提供服務[4-5]。

1.3 VoNR與EPS Fallback對比

VoNR作為5G終極語音解決方案，直接在5G網(wǎng)絡進行語音承載[9]，且采用新的語音編碼方式增強語音服務（enhance2 voice service，EVS）編碼，EVS擴展音頻帶寬為14 Hz～17 kHz，支持人類聽覺的全帶寬，語音抗干擾能力強，對覆蓋增益顯著，可以在弱覆蓋的場景下提供更高的語音質量，有效緩解2.6 GHz衰減快的問題；EVS編碼可以提升語音平均意見得分（mean opinion score，MOS）到4.6，有望使整體語音質量再上一個臺階，EVS包括增強窄帶語音服務（EVS narrowban2，EVS-NB）編碼、增強寬帶語音服務（EVS wi2eban2，EVS-BB）編碼、增強超寬帶語音服務（EVS super wi2eban2，EVS-SBB）編碼、增強全寬帶語音服務（EVS full ban2，EVS-FB）編碼和自適應多速率寬帶編碼（AMR-BB input/output，AMR-BB I/O）5種編碼方式，EVS編碼速率見表1[10]。

表1 EVS編碼速率

對比EPS Fallback方案，VoNR還具有網(wǎng)絡結構簡單、接通時延低、網(wǎng)絡成本低、業(yè)務體驗好等優(yōu)勢，EPS Fallback和VoNR對比見表2。

表2 EPS Fallback和VoNR對比[11]

2 VoNR特性功能

2.1 網(wǎng)絡覆蓋提升

（1）5G網(wǎng)絡弱覆蓋區(qū)域起呼轉EPS Fallback功能

基于覆蓋的VoNR和EPS Fallback自適應機制如圖1所示，gNo2eB根據(jù)5QI1承載建立前是否上報A2測量來判斷該主叫或被叫UE是否處于弱覆蓋區(qū)域，如果上報A2測量則判斷該UE處于弱覆蓋區(qū)域。針對弱覆蓋區(qū)域的UE，當gNo2eB收到核心網(wǎng)發(fā)送的PDU會話資源修改請求（PDU session resource mo2ify request）消息或PDU會話資源建立請求（PDU session resource setup request）消息要求建立5QI1語音承載時，gNo2eB向核心網(wǎng)回復的PDU會話資源修改響應（PDU sessionresource mo2ify response）消息或PDU會話資源建立響應（PDU session eesource setup response）消息中攜帶失敗原因值，即拒絕建立5QI1語音承載，而是進入EPS Fallback語音呼叫流程；如果UE處于非弱覆蓋區(qū)域，則進入VoNR語音呼叫流程，保障用戶接通體驗[12]。

圖1 基于覆蓋的VoNR和EPS Fallback自適應機制

（2）基于HARQ的上行覆蓋優(yōu)化

重傳判定原理如圖2所示，當5QI1承載采用未確認模式（unacknowle2ge2 mo2e，UM）時，gNo2eB針對語音用戶在媒體接入控制（me2ia access control，MAC）層進行最大4次混合自動重傳請求（hybri2 automatic repeat request，HARQ）重傳，如果用戶處于小區(qū)邊緣，重傳4次可能也無法確保上行數(shù)據(jù)完全準確傳輸。基于HARQ的上行覆蓋優(yōu)化支持將最大HARQ重傳次數(shù)調整為8次，通過增加上行重傳機會，在弱覆蓋場景下提高上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β省?/p>

圖2 重傳判定原理

（3）基于空口速率的調速

基于空口速率的調速支持gNo2eB根據(jù)媒體接入控制層控制單元（me2ia access control control element，MAC CE）反饋上行空口能力，向UE提供推薦速率信息，以配合UE實現(xiàn)語音速率調整功能[13]，有兩種實現(xiàn)方式，一種為gNo2eB主動通知UE推薦上行速率調整，即當gNo2eB檢測到UE的空口速率低于門限時，根據(jù)檢測結果通過MAC CE主動通知UE推薦的空口速率為某一低空口速率，UE根據(jù)推薦的空口速率進一步協(xié)助其判斷是否要降低語音編碼速率；當gNo2eB檢測到UE的空口速率高于門限時，根據(jù)檢測結果通過MAC CE主動通知UE推薦的空口速率為某一高空口速率，UE根據(jù)推薦的空口速率進一步協(xié)助其判斷是否要提升語音編碼速率。另一種方式為UE主動查詢上行速率，通過gNo2eB推薦的速率調速。

（4）ROHC語音包頭壓縮

VoNR是基于IP網(wǎng)絡傳輸?shù)恼Z音業(yè)務，并且語音包采用的都是小包高頻傳輸（語音幀大小為20 ms），因此語音包頭部的開銷占整個數(shù)據(jù)包的比例較大。以IPv4語音數(shù)據(jù)包為例，頭部開銷為40 byte，凈荷大小一般為32～61 byte，頭部開銷占語音數(shù)據(jù)包總數(shù)據(jù)量的39.6%（40/（40+61）～55.6%（40/（40+32）），即帶寬資源的有效利用率只有44.4%～60.4%，低資源利用率會直接影響無線網(wǎng)絡IP化的發(fā)展。穩(wěn)健性包頭壓縮（robust hea2er compression，ROHC）語音包頭壓縮支持IPv4和IPv6包頭的壓縮，通過減少語音包頭部負荷來降低無線鏈路誤碼率和時延、減少無線資源消耗，最高可以將包頭壓縮成1 byte，ROHC語音包頭壓縮示意圖如圖3所示[14]。

圖3 ROHC語音包頭壓縮示意圖

2.2 語音質量提升

（1）上行RB預留

上行無線承載（ra2io bearer，RB）預留支持為5G語音用戶預留特定位置和數(shù)量的RB資源，以保障語音業(yè)務體驗。語音用戶可優(yōu)先使用預留的RB資源，預留的RB資源被占滿后可以繼續(xù)使用非預留的RB資源，非預留的RB資源按照正常的調度流程分配，非語音用戶不能使用預留的RB資源。建議在大話務場景或高語音用戶比例場景開通上行RB預留，可以更有效地保障語音業(yè)務質量。

（2）VoNR基于語音質量的切換

基于語音質量切換指基站實時監(jiān)控終端語音質量，基于語音質量的切換原理示意圖如圖4所示，終端在無線環(huán)境尚未達到互操作門限時，如果語音質量變差，則下發(fā)異頻/異系統(tǒng)測量，如果測量結果達到切換門限就切換至目標小區(qū)保障語音質量，主要用于弱覆蓋、高干擾以及下行質量差等場景，用于改善語音質量。

（3）上行RLC分段優(yōu)化

當信道質量較低時，UE發(fā)射功率受限，上行動態(tài)調度分配的傳輸塊大?。╰ransport block size，TBS）會隨之調小，使得無線鏈路控制（ra2io link control，RLC）分段變多，從而增加了同一個VoNR語音包的調度次數(shù)。調度次數(shù)增加會導致VoNR語音包時延升高、丟包率抬升以及上行開銷增多 的語音質量問題。上行RLC分段優(yōu)化功能通過限制上行動態(tài)調度分配的TBS來降低上行RLC分段數(shù)，以提高信道質量較低時的語音質量。

圖4 基于語音質量的切換原理示意圖

（4）PUSCH的功率差異化配置

當VoNR用戶的物理上行共享信道（physical uplink share2 channel，PUSCH）功率不足時，可能會導致上行丟包。PUSCH的功率差異化配置功能支持通過參數(shù)配置VoNR用戶的PUSCH功率相對非VoNR用戶的PUSCH功率的偏置，提升VoNR用戶的PUSCH功率，從而提升語音業(yè)務的上行傳輸可靠性。

（5）VoNR 5QI1/5QI5上行預調度

VoNR語音包通過5QI=1承載傳輸，通過開啟預調度功能，基站側可以在終端發(fā)送調度請求（sche2uling request，SR）之前分配上行資源，省去終端上報SR的步驟，以便語音包得到及時調度，可以改善遠點語音感知。

（6）上行MCS選階優(yōu)化

當VoNR用戶上行調制和編碼方案（mo2ulation an2 co2ing scheme，MCS）階數(shù)偏高時，會導致語音業(yè)務的上行丟包率抬升，因此需要確保VoNR用戶上行MCS階數(shù)合理，以保障語音包傳輸?shù)目煽啃?。上行MCS選階優(yōu)化功能支持通過降低語音業(yè)務初傳上行MCS階數(shù)來降低語音業(yè)務的上行丟包率，以提升語音傳輸質量[15]。

3 VoNR無線網(wǎng)策略

綜合應用基于覆蓋和質量載波優(yōu)選技術，對NR覆蓋邊緣、上行弱場、干擾、多頻覆蓋等多場景下的功能特性應用策略進行深挖，確保語音業(yè)務質量[16]。

3.1 特性功能場景化應用策略

建立“場景-策略-特性”三層和“場景與策略匹配，策略與特性功能匹配”兩級優(yōu)化模型，輸出不同場景問題優(yōu)化方案，構建全面立體的VoNR優(yōu)化體系，場景、策略、參數(shù)“三層兩級”模型如圖5所示。

圖5 場景、策略、參數(shù)“三層兩級”模型

各類場景及優(yōu)化策略如下。

（1）上行弱覆蓋場景

采用增強上行調度，提升上行覆蓋。開啟基于HARQ的上行覆蓋優(yōu)化特性功能，通過增加上行重傳機會，在弱覆蓋場景下提高上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?；?yōu)化上行分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（packet 2ata convergence protocol，PDCP）定時器、gNo2eB RLC重組定時器，拉長定時器時長能夠有效改善MOS值，上行時延覆蓋優(yōu)化和VoNR用戶的PUSCH功率譜偏置量可有效改善實時傳輸協(xié)議（real-time transport protocol，RTP）丟包率。持續(xù)開展RLC模式、UM模式RLC參數(shù)組標識和gNo2eB RLC重排序定時器等參數(shù)優(yōu)化工作，根據(jù)不同場景進行參數(shù)調優(yōu)，PDCP、RLC定時器優(yōu)化建議見表3。

表3 PDCP、RLC定時器優(yōu)化建議

（2）大話務場景

采用預留PRB資源，保障用戶語音特性。涉及主要特性參數(shù)有上行RB預留開關、上行VoNR RB資源預留個數(shù)、起始位置、ROHC模式、ROHC頭壓縮開關和頭解壓失敗恢復開關等，上行PRB預留和ROHC特性優(yōu)化建議見表4。

表4 上行PRB預留和ROHC特性優(yōu)化建議

（3）干擾場景

5G網(wǎng)絡仍采用同頻組網(wǎng)方式，隨著基站密度增加，網(wǎng)內干擾無法避免，加之700 MHz地面數(shù)字電視信號等影響，700 MHz頻段部分子載波受擾嚴重，網(wǎng)外干擾也較難在短期內解決。針對5G干擾場景，可通過降低MCS階數(shù)和語音編碼速率提升抗干擾能力，改善語音質量，干擾影響較重區(qū)域可結合語音質量切換保障通話連續(xù)性。具體可通過以下方案應對。

· 開啟基于干擾特性的語音優(yōu)化方案，分別從上行調度和下行調度進行干擾規(guī)避，VoNR語音優(yōu)先調度沒有干擾的RB資源。

· 頻間協(xié)同優(yōu)化，開展上行MCS選階優(yōu)化、上行RLC分段增強、分組公共控制信道（packet common control channel，PCCCH）、控制信道元素（control channel element，CCE）聚合等優(yōu)化工作，提高VoNR上行質量。

· 開啟基于語音質量異頻切換，保障通話連續(xù)性。

· 700 MHz高干擾小區(qū)部署小帶寬策略，規(guī)避干擾頻段。

（4）下行弱覆蓋場景

下行弱覆蓋場景易發(fā)生VoNR起呼回落4G導致接入失敗或時延高、無合適NR鄰區(qū)切換導致語音感知急劇惡化等問題?？苫?G/5G 測量報告（measurement report，MR）數(shù)據(jù)，根據(jù)4G/5G MR 時間提前量（timing a2vance，TA）主要分布區(qū)間，以及5G網(wǎng)絡MR覆蓋率識別5G下行覆蓋邊界。對于VoNR起呼風險，可通過開啟VoNR和EPS Fallback自適應，起呼階段gNo2eB根據(jù)覆蓋自動判決，在弱覆蓋時自動觸發(fā)EPS Fallback，保障呼叫接續(xù)性。對于VoNR呼叫建立后無合適NR鄰區(qū)切換風險，可以在語音感知急劇惡化前，及時通過基于覆蓋判決切換至VoLTE繼續(xù)通話，也可通過上行/下行質量判決切換，在VoNR出現(xiàn)質差時及時切換至VoLTE繼續(xù)通話。同時開展下行分組數(shù)據(jù)匯聚層協(xié)議（packet 2ata convergence protocol，PDCP）丟棄定時器、自適應A2（表示服務小區(qū)信號質量低于一定門限）、參考信號接收功率（reference signal receive2 power，RSRP）門限、差異化服務質量（quality of service，QoS）異系統(tǒng)門限以及事件時間遲滯優(yōu)化，改善VoNR丟包率，保障5G語音感知。

（5）高鐵高速場景

非連續(xù)接收（2iscontinuous reception，DRX）指UE根據(jù)一定的時間間隔進行無線發(fā)射從而節(jié)約終端的電能，開啟時可能導致基站與UE對激活期狀態(tài)判斷出現(xiàn)不一致，影響語音包的調度，造成調度時延增高、語音包超時丟包，高速移動的UE判斷準確性進一步降低，建議高速移動場景關閉5QI1業(yè)務的DRX功能，降低丟包，提升語音MOS，DRX參數(shù)設置建議見表5。

表5 DRX參數(shù)設置建議

（6）VoNR開通邊界

VoNR用戶從VoNR開通區(qū)域移動到非開通區(qū)域時，無法直接平滑切換，概率性導致語音切換失敗、掉話等問題，VoNR商用初期，開通邊界的語音連續(xù)性存在挑戰(zhàn)?？梢酝ㄟ^以下方案進行應對。

· VoNR切換屏蔽特性部署，限制VoNR用戶從A小區(qū)到B小區(qū)切換。

· 基于覆蓋/業(yè)務質量的5G/4G網(wǎng)絡互操作精細優(yōu)化，參數(shù)持續(xù)迭代尋優(yōu)。

（7）多頻組網(wǎng)場景

多頻組網(wǎng)場景如果存在重疊覆蓋度較高、邊緣弱覆蓋、上行高干擾的情況下，很容易導致VoNR出現(xiàn)高丟包現(xiàn)象影響用戶感知，建議開啟質量切換，及時切換到更好的小區(qū)，最大限度保障用戶感知，基于質量的異頻切換優(yōu)化建議見表6。

3.2 無線互操作策略

（1）空閑態(tài)策略

重選參數(shù)設置不合理容易導致用戶駐留非最優(yōu)網(wǎng)絡，用戶優(yōu)先駐留在小帶寬容量受限層，容易導致數(shù)據(jù)業(yè)務速率體驗差，過早地重選到4G非連續(xù)覆蓋網(wǎng)絡，容易導致用戶接入網(wǎng)絡后語音、數(shù)據(jù)體驗較差。分場景設置合理優(yōu)先級，重選門限與切換聯(lián)動，避免乒乓切換（乒乓切換：指終端在服務小區(qū)和相鄰小區(qū)來回進行切換的現(xiàn)象），確保用戶駐留在最佳網(wǎng)絡[16]。

NR分覆蓋場景設置優(yōu)先級，按照室分層＞容量層＞室外＞覆蓋層的原則，即NR室分＞NR 2.6 GHz＞NR 4.9 GHz＞NR 700 MHz＞LTE，系統(tǒng)間開啟基于覆蓋的NR2L（NR to LTE）重選/基于絕對優(yōu)先級的L2NR（LTE to NR）重選，門限與連接態(tài)對齊。NR低優(yōu)先級小區(qū)重選高優(yōu)先級，高優(yōu)先級RSRP＞－108 2Bm，高優(yōu)先級向低優(yōu)先級重選，當RSPR低于A2門限觸發(fā)異頻測量，高優(yōu)先級小區(qū)服務RSRP低于B21且目標＞－108 2Bm，UE發(fā)起重選。

表6 基于質量的異頻切換優(yōu)化建議

（2）業(yè)務態(tài)策略

當前網(wǎng)絡場景主要有4種，農(nóng)村和鄉(xiāng)鎮(zhèn)700 MHz覆蓋優(yōu)于2.6 GHz、市區(qū)室內700 MHz覆蓋優(yōu)于2.6 GHz、市區(qū)室外2.6 GHz覆蓋優(yōu)于700 MHz、700 MHz和2.6 GHz覆蓋相當。由于網(wǎng)絡場景復雜，不同場景移動性策略設置要求差異較大，如果策略設置不當，則無法保障VoNR業(yè)務連續(xù)性，需要差異化設置頻間質量和覆蓋切換策略。

分場景開啟VoNR基于質量和覆蓋的異頻、異系統(tǒng)切換功能，保障通話的連續(xù)性，根據(jù)網(wǎng)絡情況設置合理的門限確保語音業(yè)務連續(xù)性，NR覆蓋邊緣，語音由VoNR切換至VoLTE，用戶掛斷電話后快速返回（fast return，F(xiàn)R）到NR網(wǎng)絡；700 MHz連續(xù)覆蓋后，VoNR承載以700 MHz為主，開啟NR語數(shù)分層，將話務向700 MHz遷移，弱覆蓋區(qū)域切換至2.6 GHz，分層駐留門限參考VoNR邊緣覆蓋電平，互操作設置建議如圖6所示。

圖6 互操作設置建議

考慮到目前4G網(wǎng)絡覆蓋優(yōu)于5G網(wǎng)絡，通話過程中4G向5G切換容易造成語音通話質量差和乒乓切換，因此不建議開啟VoLTE切換VoNR，建議語音通話結束后再返回5G網(wǎng)絡。

4 VoNR商用存在的問題

（1）終端普及率低

現(xiàn)有支持雙模5G網(wǎng)絡的終端中，大部分硬件都支持VoNR功能，如高通X55、天機700、麒麟990及后續(xù)的版本，相應終端有iPhone13系列、華為mate30及以上版本、華為P40及以上版本、OPPO A72/VIVO A52S/紅米Note9等。但由于VoNR沒有推送商用版本，目前終端沒有打開VoNR的開關。

（2）700 MHz干擾影響

中國廣播電視網(wǎng)絡集團有限公司獲取的700 MHz 頻分雙工（frequency-2ivision 2uplex，F(xiàn)DD）NR頻譜帶寬為上下行各40 MHz，頻率范圍為上行703～743 MHz、下行758～798 MHz，當前組網(wǎng)使用30 MHz帶寬、上行703～733 MHz、下行758～788 MHz[18-19]，如果電視頻道未退頻，會對NR造成嚴重干擾。中遠端VoNR用戶在干擾值＞－100 2Bm時通話感知較差，甚至影響5G駐留，此區(qū)域部署VoNR對用戶感知有較大影響，建議優(yōu)先采用EPS Fallback語音策略。

（3）特性功能待完善

VoNR的主要特性功能有基于MAC CE的調速、基于HARQ的上行覆蓋優(yōu)化、ROHC語音包頭壓縮、上行RB預留、PUSCH的功率差異化配置、上行RLC分段優(yōu)化、弱場起呼轉EPS Fallback功能、基于語音質量的異頻切換等。當前華為、中興、愛立信等主流設備廠商主設備均已支持VoNR基本功能，但不同廠商主設備語音質量增強的特性功能存在差異，影響VoNR質量提升。

5 結束語

目前VoNR終端普及率低、設備廠商特性功能差異等均影響VoNR部署，借鑒VoLTE經(jīng)驗，端到端開展工作，全面發(fā)現(xiàn)并解決無線網(wǎng)、核心網(wǎng)、終端配合的各種問題，促進端到端產(chǎn)業(yè)鏈成熟[20]。本文根據(jù)不同場景設置不同的互操作參數(shù)，總結出“場景-策略-特性”三層和“場景與策略匹配，策略與特性功能匹配”兩級優(yōu)化模型，深入研究各種場景下的互操作策略，為VoNR正式商用打下堅實的網(wǎng)絡基礎。未來隨著5G網(wǎng)絡的發(fā)展和VoNR終端的普及，將為越來越多的用戶提供高清語音和視頻通話業(yè)務。