5G NR语音解决方案分析

王耀祖，张洪伟，吴 磊（中国移动通信集团设计院有限公司重庆分公司，重庆 404100）

0 引言

4G LTE 实现了全IP 化，抛弃了原来的CS 电路域方式，语音服务采用VoLTE 语音方案，但为保证语音业务的连续性，仍需通过CSFB、SRVCC 方式与2G/3G电路域进行交互。

5G 时代语音业务延续了4G VoLTE IP 化解决方案，制定了5G时代的全IP化语音——VoNR，5G VoNR的实现方式与4G VoLTE 存在差异，考虑到与其他网络制式互操作的复杂性和鉴权安全性问题，5G VoNR仅实现了与4G VoLTE 的切换流程，可切换或回落到支持VoLTE 的LTE 区域，实现语音业务连续性，无法支持5G 核心网与2G/3G CS 电路域语音业务的互操作，故5G 语音业务的连续性依赖于4G 网络VoLTE 的覆盖率。

5G 技术正在逐步完善，相应的技术、标准和产品正处于研究和讨论落地阶段，本文主要结合5G语音标准现状和其发展趋势，对5G系统的语音解决方案及其可行性进行研究。

1 5G语音标准现状及存在的问题

目前5G 协议仅有到4G 的语音切换流程，在5G 信号覆盖较差的区域可通过切换或回落到支持VoLTE的LTE区域来保障5G网络语音的连续性（见图1）。

图1 协议定义的标准4G/5G语音切换流程

5G NR 使用NGC 核心网，为了保证其语音业务的连续性，在5G 还没有实现连续覆盖时，对应的4G 网络需要有连续的VoLTE语音覆盖，5G语音的连续依赖于4G网络覆盖率。

目前5G 在独立组网模式下的语音实现方式还没有定论，SA Option2/4/4a是现阶段讨论的热点方案，如图2 所示，在5G NR 或4G VoLTE 连续覆盖的场景下，可通过互操作实现语音切换。目前5G标准还不完善，对于4G LTE 不支持VoLTE 的场景，5G 就无法进行切换或者回落（见图3），需要从标准层面推动5G VoNR往2G/3G的语音连续性流程。

图2 SA Option2/4/4a模式下组网方案

图3 建立5G到CS域的语音标准流程

2 5G语音业务解决方案

为确保5G语音服务的连续性，可通过以下三大设计原则来实现5G语音业务。

a）5G Phase 1 不提供NR/NGC 系统与CS 语音系统的语音互操作。

b）运营商前期在LTE 或NR 上提供基于现有IMS的语音业务。

c）NR/NGC 语音连续性性能指标与VoLTE 保持一致（语音连续性中断时延不超过300 ms）。

5G 网络按组网模式可分为非独立组网（NSA）和独立组网（SA）2种，运营商可依据现网结构，制定适合自身的网络建设方案，下面主要讨论现阶段主流的4种解决方案。

2.1 非独立组网模式

2.1.1 双连接双注册模式

非独立组网模式中，终端采用LTE-NR 双连接、双注册策略，控制面锚定、语音业务承载均依托于4G，数据业务承载于5G 和4G，以实现终端在5G、4G 的双连接，即直接由4G VoLTE 提供语音服务，不考虑5G 与4G间的语音连续性互操作（终端需开通VoLTE功能），具体如图4所示。

图4 非独立组网双连接5G语音方案

但是双连接、双注册策略要求终端同时驻留LTE和NR 网络，终端功耗会增加，同时可能存在互干扰，这增大了终端实现难度。

2.1.2 多步骤演进模式

在5G 建网初期，先不引入5G 核心网NGC，5G 核心网由4G EPC 网络承载，之后由Option 3 演进到Option 7（见图5），直到Option 2/4。这种模式可尽快部署5G NR网络，但演进步骤较多，实现周期较长。

2.2 独立组网模式

2.2.1 EPS Fallback方式

图5 NSA Option3/3a/7模式下组网方案

在4G 初期建网，需要通过CSFB 方式实现与CS域的互操作，EPS Fallback同上述方式相似。5G NR网络不提供语音业务，当终端驻留5G，发起语音业务时会触发切换流程，同时由5G 基站向LTE EPC 发起inter-RAT 切换请求，终端回落到4G 网络，以VoLTE 方式提供语音业务，此为EPS Fallback，如图6所示。

图6 EPS Fallback 5G语音方案

EPS Fallback 通过5G NGC 核心网和LTE EPC 之间的N26 接口实现互操作。在5G 网络覆盖不连续的场景下，语音业务的连续性依赖于4G VoLTE 网络的覆盖率。

2.2.2 VoNR方式

VoNR 是由5G NR 提供语音业务，5G 核心网NGC引入IMS，借助4G VoLTE/IMS 组网经验，开通VoNR 难度不大，但需在TTI bundling、编码速率、SPS、半静态调度等参数上有所调整。

在VoNR 下，终端驻留5G 网络，语音和数据均承载在5G网络，在5G边缘区域信号较差时，可通过基于覆盖、质量的切换方式来实现与4G 网络的互操作，由LTE网络提供语音业务，如图7所示。

图7 5G VoNR语音方案

网络语音承载方式主要有以下4种（见图8）。

图8 整体的网络语音承载形式

a）现阶段2G/3G网络支持CS语音。

b）现 阶 段4G 缺 乏IMS 部 署，4G 网 络 不 支 持VoLTE场景。

c）4G 支持VoLTE 场景，由IMS +EPC+eNB 实现PS语音。

d）未来5G 支持语音，由IMS +NGC+eLTE/NR 实现PS语音。

从以上网络语音承载方式可以看出，如果要支持VoLTE 或VoNR，需要在核心网侧引入IMS，实现PS 域语音业务。现阶段各运营商网络部署的方式存在差异，导致最终实现形式也存在差异。

3 5G建网初期语音方案可行性研究及建议

3.1 5G建网初期语音实现方式建议

针对以上的5G 网络语音实现方式，在建网初期，从5G 网络覆盖连续性、VoNR 技术发展、建网成本、盈利能力等多方面考虑，建议采用EPS Fallback 方式实现5G 网络语音业务连续性，在前期投资较少的情况下，可借助现有的LTE 网络和VoLTE 语音的优势实现5G与VoLTE的语音连续性互操作。

3.2 基于EPS Fallback的5G语音业务的可行性研究

下面通过统计现阶段LTE 的网络覆盖情况和VoLTE-VoLTE 接续时延，分析在建网初期采用EPS Fallback作为语音解决方案的可行性。

3.2.1 LTE的网络覆盖情况

LTE城区覆盖良好，可满足VoLTE良好通话需求，但因投资有限，农村区域覆盖偏弱，通过对农村不同覆盖场景（平原、丘陵、山区）进行测试，统计不同的地理环境下不同的用户感知度。分场景下用户体验测试数据如表1所示。

表1 分场景下用户体验测试统计数据

VoLTE 语音业务对网络侧的资源需求较小，且对无线环境的覆盖边缘速率要求较低，在农村场景下即便处于RSRP=-120 dBm 的覆盖差点，其整体测试接通率仍可达到98%以上。

语音MOS 值与具体无线环境质量关系如图9 和图10所示。

图9 语音MOS与SINR关系曲线

图10 语音MOS与RSRP关系曲线

MOS 值在好点（SINR＞18 dB）可以稳定在3.7 分以上，当5 dB＜SINR＜11 dB时，由于SINR 降低、小区间切换、TAU 和TM 模式切换等，MOS 值略微下降，但整体仍保持在3.5 以上；当SINR＜-5.5 dB 时，MOS 值下降趋势明显。在RSRP方面，当RSRP＜-113 dBm时，MOS分值下降较为明显。

依据场景测试及MOS 值和SINR、RSRP 的关系，农村场景下VoLTE 业务覆盖条件为RSRP≥-113 dBm且SINR≥-3 dB。

通过对MRS 采样点进行分场景统计，现网MR 覆盖率（RSRP≥-110 dBm 的占比，下同）的平均值为95.89%，全网90.38%的区域MR 覆盖率在平均值以上，虽存在覆盖漏洞，但整体状况良好；农村区域MR覆盖率为92.69%，较全网平均水平低3.2 个百分点，如图11 所示。伴随4G 网络规划、建设的逐步完善，经过后期补盲，网络覆盖将不断优化，可支撑5G 网络通过4G VoLTE 实现语音业务连续性，降低5G 网络与CS 域互操作的复杂性，缩短建网周期。

图11 现网MR覆盖率整体情况

3.2.2 VoLTE接续时延

通过信令端到端平台对现阶段VoLTE-VoLTE 的接续时延进行统计，结果如图12 所示。现阶段全省V-V 接续时延均值为2.73 s，地（市）8 略高，为3.35 s，全省总体在3.5 s以内。

图12 VoLTE-VoLTE呼叫接续时延

5G 语音回落到LTE网络的过程中，端到端语音接续时延需在现有VoLTE-VoLTE 接续时延的基础上增加1～2 s，总体5G 语音回落到VoLTE 时延为3～5 s，远低于现网4G 以CSFB 方式回落到2G 的总时延为6.5～8.5 s，故该方案能够满足建网初期实现5G 语音连续性的业务需求。

4 结束语

在5G 网络初期建设阶段，因网络覆盖的不连续，无法实现VoNR 语音业务全面覆盖，可采用现已成熟VoLTE语音解决方案来保障5G语音的连续性，在用户发起语音接入时，以EPS Fallback 方式回落到LTE 网络，由VoLTE 实现语音通话，从而缩短5G 建网周期，降低初期建网成本，实现快速商用。