姚家甫

（安徽電信規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230031）

1 5G語(yǔ)音標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

R15 NSA標(biāo)準(zhǔn)于2018就已凍結(jié)，R15標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)5G語(yǔ)音沿用4G VoLTE的語(yǔ)音架構(gòu)，仍基于IP多媒體系統(tǒng)（IP Multimedia Subsystem，IMS）提供話音業(yè)務(wù)，適用于基礎(chǔ)語(yǔ)音類、短信類、緊急呼叫類業(yè)務(wù)。R16 SA標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)將服務(wù)化架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于IMS，主要針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)類應(yīng)用，對(duì)IMS架構(gòu)及部分接口進(jìn)行增強(qiáng)，該標(biāo)準(zhǔn)已于2020年凍結(jié)。

事實(shí)上，3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)已完成滿足5G SA基礎(chǔ)語(yǔ)音、短信的商用需求，R16標(biāo)準(zhǔn)主要研究IMS增強(qiáng)應(yīng)用，滿足人與物之間的信息交互業(yè)務(wù)，對(duì)人與人之間的語(yǔ)音短信業(yè)務(wù)影響不大。

2 5G語(yǔ)音解決方案概述

語(yǔ)音是基礎(chǔ)電信業(yè)務(wù)，也是運(yùn)營(yíng)商的重要收入來(lái)源。根據(jù)非獨(dú)立組網(wǎng)（Non-Stand Alone，NSA）和獨(dú)立組網(wǎng)（Stand Alone，SA）兩大部署選項(xiàng)，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)所處的部署階段，理論上共有長(zhǎng)期演進(jìn)語(yǔ)音承載（Voice over Long-Term Evolution，Vo-LTE）、EPS Fallback、新空口承載語(yǔ)音（Voice over New Radio，VoNR）這3種5G語(yǔ)音方案可選。

2.1 Vo-LTE

在NSA模式下采用4G核心網(wǎng)時(shí)，用戶設(shè)備（User Equipment，UE）同時(shí)錨定于長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（Long Term Evolution，LTE）與新空口（New Radio，NR），數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)由NR承載，語(yǔ)音業(yè)務(wù)由VoLTE承載，暫不需考慮演進(jìn)分組核心網(wǎng)（Evolved Packet Core，EPC）與5G核心網(wǎng)（5G Core，5GC）之間的互操作，無(wú)須對(duì)現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)元改造或較少改造，是一種經(jīng)濟(jì)、快速的語(yǔ)音方案選項(xiàng)[1]。

在VoLTE引入IMS，采用自適應(yīng)多速率寬帶編碼（Adaptive Multi-Rate-Wide Band，AMR-WB）技術(shù)，大幅提升編碼速率，音質(zhì)更清晰、音域更廣、時(shí)延更低且穩(wěn)定性更強(qiáng)。

2.2 EPS Fallback

在SA模式下，由于5G建網(wǎng)初期NR僅完成熱點(diǎn)部署，網(wǎng)絡(luò)覆蓋不連續(xù)，為了避免頻繁切換引起語(yǔ)音通信質(zhì)量下降，選用過(guò)渡性的EPS Fallback方案。5G終端駐留NR，在NR發(fā)起語(yǔ)音起呼時(shí)由NR網(wǎng)絡(luò)控制回退到LTE，使用IMS提供VoLTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)[2]。

2.3 VoNR

隨著5G SA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入成熟期，網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋，可以選用VoNR方案。語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在NR網(wǎng)絡(luò)上承載，呼叫時(shí)延更短，清晰度更高，穩(wěn)定性更好。當(dāng)終端離開(kāi)NR覆蓋區(qū)時(shí)，語(yǔ)音業(yè)務(wù)切換到VoLTE上，需要考慮VoNR與VoLTE之間的業(yè)務(wù)連續(xù)性互操作。

VoNR與EPS FallBack關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

表1 VoNR與EPS FallBack關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

3 VoNR關(guān)鍵技術(shù)

3.1 語(yǔ)音編解碼技術(shù)

增強(qiáng)語(yǔ)音服務(wù)（Enhanced Voice Services，EVS）編碼器是新一代高清語(yǔ)音頻編碼器，可在5.9～128 kb/s的編碼速率范圍內(nèi)工作。EVS可以提供更高的音頻質(zhì)量和系統(tǒng)容量、更強(qiáng)的抗丟幀和抗時(shí)延抖動(dòng)能力，為用戶帶來(lái)全新體驗(yàn)[3]。

VoNR語(yǔ)音業(yè)務(wù)存在通話期和靜默期2個(gè)狀態(tài)，對(duì)于EVS語(yǔ)音編碼方式，相應(yīng)的語(yǔ)音包幀長(zhǎng)度和發(fā)射/接收周期會(huì)有較大變化。VoNR不同狀態(tài)下的語(yǔ)音包特點(diǎn)如圖1所示。

圖1 VoNR不同狀態(tài)下語(yǔ)音包特點(diǎn)

3.2 基于覆蓋的自適應(yīng)技術(shù)

語(yǔ)音承載建立前，終端會(huì)不定期上報(bào)A2事件測(cè)量結(jié)果，gNodeB根據(jù)A2事件測(cè)量結(jié)果來(lái)判斷該用戶所處區(qū)域的覆蓋質(zhì)量。當(dāng)判定用戶處于強(qiáng)覆蓋區(qū)域時(shí)，gNodeB選擇VoNR語(yǔ)音方案，發(fā)起相應(yīng)的VoNR呼叫流程；當(dāng)判定用戶處于弱覆蓋區(qū)域時(shí)，將進(jìn)行EPS Fallback語(yǔ)音呼叫流程，最大限度地保障用戶語(yǔ)音體驗(yàn)。

3.3 上行RB預(yù)留

為了保障語(yǔ)音用戶體驗(yàn)，gNodeB會(huì)在特定位置預(yù)留一定數(shù)量的資源塊（Resource Block，RB），并標(biāo)記為語(yǔ)音用戶專用，數(shù)據(jù)用戶不可占用。當(dāng)這些RB被全部占用仍不能滿足語(yǔ)音業(yè)務(wù)需要時(shí)，可繼續(xù)使用未標(biāo)記的RB資源，調(diào)度分配按正常流程進(jìn)行。該功能要求NR小區(qū)及鄰區(qū)均預(yù)留相同的RB，既保障語(yǔ)音業(yè)務(wù)的RB充足，又將語(yǔ)音與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的RB進(jìn)行物理隔離，避免數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)語(yǔ)音的干擾[4]。上行RB預(yù)留分配如圖2所示。

圖2 上行RB預(yù)留分配示意圖

3.4 基于語(yǔ)音質(zhì)量的異頻切換

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在語(yǔ)音質(zhì)量較低的VoNR用戶時(shí)，支持對(duì)這類用戶進(jìn)行基于語(yǔ)音質(zhì)量的異頻切換，以確保用戶的語(yǔ)音業(yè)務(wù)體驗(yàn)，其關(guān)鍵步驟包括切換功能啟動(dòng)判決、測(cè)量控制下發(fā)以及測(cè)量報(bào)告上報(bào)。當(dāng)丟包率大于門限時(shí)，觸發(fā)基于語(yǔ)音質(zhì)量的異頻測(cè)量，根據(jù)異頻頻點(diǎn)優(yōu)先級(jí)從高到低的順序下發(fā)測(cè)量控制。當(dāng)UE上報(bào)的鄰區(qū)參考信號(hào)接收質(zhì)量（Reference Signal Receiving Quality，RSRQ）測(cè)量值大于鄰區(qū)RSRQ門限時(shí)，A5事件測(cè)量報(bào)告有效。

4 VoNR典型應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 個(gè)人增強(qiáng)多媒體通信

VoNR依靠5G大帶寬、低時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)特性讓語(yǔ)音通話過(guò)程中更多個(gè)人多媒體及時(shí)通信應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)成為可能，同時(shí)還可以與AR/VR技術(shù)結(jié)合，以提供沉浸式應(yīng)用。典型應(yīng)用包括高清語(yǔ)音通話、個(gè)性化新呼叫、來(lái)電視頻彩鈴等。

4.2 行業(yè)增強(qiáng)交互式通信

引入實(shí)時(shí)交互通道，面向垂直行業(yè)提供個(gè)性化的交互式應(yīng)用，提高響應(yīng)時(shí)間，改善用戶體驗(yàn)。典型應(yīng)用包括遠(yuǎn)程診療、遠(yuǎn)程教學(xué)等[5]。

5 VoNR面臨的挑戰(zhàn)

VoNR帶來(lái)全新的用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)，加速老舊設(shè)備迭代更新，帶動(dòng)新的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)。與此同時(shí)，當(dāng)前VoNR部署也面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先，居民區(qū)、新興城區(qū)等區(qū)域5G深度覆蓋不足。受限于中低頻清頻進(jìn)度，中低頻5G部署受到影響。其次，VoNR語(yǔ)音業(yè)務(wù)相比數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)更加敏感。由于VoNR端到端流程涉及的網(wǎng)元和網(wǎng)絡(luò)接口較多，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都可能導(dǎo)致語(yǔ)音感知差，故障排查困難，特殊場(chǎng)景感知待優(yōu)化。最后，基于VoNR與EPS Fallback這2種語(yǔ)音方案間的互操作策略異常復(fù)雜，室內(nèi)外同頻組網(wǎng)帶來(lái)的內(nèi)部干擾問(wèn)題亟需解決。

6 VoNR演進(jìn)路徑及部署策略建議

VoNR和EPS Fallback共用1套IMS架構(gòu)，EPC/LTE和5GC/NR分別作為分組語(yǔ)音的承載。初期NR覆蓋不好時(shí)，通過(guò)VoLTE實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音業(yè)務(wù)，NR覆蓋逐步完善后可以平滑演進(jìn)到VoNR。VoNR演進(jìn)路徑如圖3所示。

圖3 VoNR演進(jìn)路徑

6.1 NR部署初期語(yǔ)音方案

NR部署初期未形成5G網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)覆蓋，采用過(guò)渡的EPS Fallback方案，由VoLTE提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)。該方案下語(yǔ)音建立需先回落到4G，相比VoNR，其呼叫建立時(shí)長(zhǎng)略長(zhǎng)，約2.5～5 s，但不敏感。

對(duì)于Option3/3a/3x選項(xiàng)的NSA組網(wǎng)仍依托于4G核心網(wǎng)，5G只用作熱點(diǎn)覆蓋，用戶錨定于4G，語(yǔ)音通過(guò)VoLTE承載。在此方案中，NR只是作為新的用戶接入方式，語(yǔ)音業(yè)務(wù)仍然在LTE網(wǎng)絡(luò)中處理。如果LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到或發(fā)生切換，則通過(guò)CSFB或SRVCC回落到CS網(wǎng)絡(luò)。

對(duì)于依托5GC架構(gòu)的SA組網(wǎng)，當(dāng)5G NR只是熱點(diǎn)覆蓋且NR暫時(shí)無(wú)法規(guī)模化提供語(yǔ)音服務(wù)時(shí)，5G語(yǔ)音一般采用EPS Fallback方案。當(dāng)UE在EPC和5GC同時(shí)注冊(cè)時(shí)，無(wú)須打通移動(dòng)性管理實(shí)體（Mobility Management Entity，MME）和接入和移動(dòng)管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）之間的N26接口；當(dāng)UE采用單注冊(cè)方式時(shí)，需打通MME和AMF之間的N26接口，實(shí)現(xiàn)快速回落。

6.2 NR成熟期語(yǔ)音方案

NR規(guī)模部署后，5GNR連續(xù)覆蓋，終端大量普及，并且5GC也實(shí)現(xiàn)大規(guī)模部署。5GNR直接接入5GC，5G語(yǔ)音采用VoNR方案，終端駐留在NR上，語(yǔ)音和數(shù)據(jù)均由NR/NGC提供承載，呼叫建立時(shí)延更短，用戶體驗(yàn)好。VoNR與5GC結(jié)合便于沉浸式/交互式/開(kāi)放式VoNR為運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)更多業(yè)務(wù)模式，在5G邊緣區(qū)域則平滑切換至VoLTE。

6.3 不同終端的語(yǔ)音方案選擇策略

對(duì)于不支持VoNR的SA終端，接入獨(dú)立5G載波或共享載波的歸屬PLMN 5G小區(qū)，語(yǔ)音業(yè)務(wù)由EPS Fallback回落至4G，提供VoLTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)，語(yǔ)音業(yè)務(wù)結(jié)束后快速返回5G網(wǎng)絡(luò)。

對(duì)于支持VoNR的SA終端，接入獨(dú)立5G載波或共享載波的歸屬PLMN5G小區(qū)，語(yǔ)音業(yè)務(wù)采用VoNR，語(yǔ)音業(yè)務(wù)移動(dòng)性優(yōu)先采用5G系統(tǒng)內(nèi)切換。

NSA/SA雙模終端駐留在NSA/SA雙模小區(qū)時(shí)，終端優(yōu)選SA網(wǎng)絡(luò)，采用VoNR方案。當(dāng)終端處于NSA小區(qū)時(shí)，則采用VoLTE方案。

7 結(jié) 論

VoNR是5G語(yǔ)音方案的必由之路，能夠?yàn)橛脩籼峁O致的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，是運(yùn)營(yíng)商新的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)點(diǎn)。通過(guò)進(jìn)一步加快5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，持續(xù)推進(jìn)網(wǎng)元升級(jí)改造，提高網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和維護(hù)能力，為構(gòu)建超高清、低時(shí)延、賦能新一代應(yīng)用的語(yǔ)音體系提供保障，有效帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。