5G语音连续性方案研究

杜鹏 王刚

【摘  要】为了解决5G语音在不同网络（2G/3G/4G/5G）切换过程中尽量保持连续的问题，介绍了5G NSA/SA不同架构下的5G语音连续性解决方案，包括NSA架构下4G到2G/3G的切换场景，SA架构下5G到4G以及5G到2G/3G的切换场景，以及切换后终端如何快速返回5G等，然后根据运营商现网的实际情况和5G的部署阶段，提出相应的5G语音及连续性方案部署和演进建议。

【关键词】5G;语音连续性;NSA; SA

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.10.006        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）10-0034-04

引用格式：杜鹏，王刚. 5G语音连续性方案研究[J]. 移动通信， 2020，44（10）： 34-37.

0   引言

语音连续性是移动网络中语音业务的一项重要指标，关系到用户的业务体验。2G/3G时代，语音主要由CS（Circuit Switched，电路交换）域提供。4G网络中又引入了一种新的基于LTE的IP语音—VoLTE（Voice over LTE），与传统的CS语音并存。为了解决VoLTE到CS语音之间切换的连续性问题，3GPP提出了一系列的SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity）解决方案，满足不同场景的语音切换要求，优化切换时延，提高用户体验。

到了5G时代，语音同样是5G网络中的一项基本业务。3GPP定义的5G网络分为NSA（Non-Stand Alone，非独立组网）和SA（Stand Alone，独立组网）两种架构[1-2]，目前这两种架构标准都已冻结，可以进行商用部署。为此3GPP针对5G NSA/SA架构的不同场景，提出了多种语音解决方案，包括VoLTE、EPS Fallback、RAT Fallback、VoNR（Voice over New Radio）等[3-4]，这些都是基于IMS提供的语音业务。运营商在实际部署时，如果采用5G网络承载语音，必然面临和现网已有的VoLTE或CS语音并存的现象，因此如何保证5G到2G/3G/4G切换的语音连续性，也是运营商关注的重点。

1   5G语音连续性解决方案

在3GPP定义的Option2/3/4/5/7等一系列5G网络架构中，最典型的就是NSA的Option3架构和SA的Option2架构，也是目前5G商用部署的主流场景。至于Option4/5/7架构需要LTE升级到eLTE，短期内实际部署的可能性不大，所以暂不考虑。因此关于5G语音的连续性解决方案，主要针对NSA（Option3）和SA（Option2）这两种场景来考虑[5-6]，下面我们将按照图1所示场景逐一进行分析：

1.1  5G NSA（Option3）架构的语音连续性

根据3GPP的定义，5G NSA（Option3）架构下的语音解决方案和4G网络的完全一致：如果现网支持VoLTE，就继续采用SRVCC保证语音的连续性;如果现网不支持VoLTE，采用CSFB（CS Fallback）方式回落到2G/3G CS提供语音。所以在5G部署初期，5G NR只是少量部署用于热点覆盖，适合采用5G NSA（Option3）架构，重用现有的EPC核心网，语音继续由VoLTE/CSFB提供，对现网影响较小，有助于5G业务快速开通。5G NSA（Option3）架构下的的语音解决方案如图2所示：

需要说明一点：5G NSA架构下虽然引入了5G NR，但信令面的錨点仍然在eNB，理论上eNB可以控制语音流和数据流一样通过5G NR承载，但是NSA架构下5G NR通常只是热点覆盖，使用5G NR承载语音会带来频繁的切换导致eNB和5G NR控制复杂等问题，所以目前业界没有NSA架构下通过5G NR承载语音的案例，也不推荐这种方式。

1.2  5G SA（Option2）架构的语音连续性

对于SA架构，3GPP定义了EPS Fallback和VoNR两种语音解决方案（如图3所示），适用于5G部署的不同阶段。5G NR根据终端能力（PS Voice能力、VoNR、VoEUTRA等），无线能力（小区语音业务负载、本地策略等）、网络能力（N26接口指示、SRVCC能力、PS Voice能力等）等多种因素综合决定是采用VoNR还是触发EPS Fallback。

（1）EPS fallback的语音连续性

在5G部署初期，5G NR覆盖不连续，支持VoNR的终端较少，可采用EPS fallback方式，当语音在5G NR上建立IMS语音通道时触发回落到4G网络[7]。如果现网支持VoLTE，由VoLTE提供语音业务，并继续采用SRVCC保证语音切换到2G/3G的连续性;如果现网不支持VoLTE，可以继续触发CSFB回落到2G/3G，由CS提供语音业务，但是这种5G->4G->2G/3G两次回落会导致呼叫建立时间过长，用户体验较差，不予考虑。因此采用EPS fallback的前提是现网已经部署VoLTE，其语音连续性和5G NSA（Option3）架构是一致的。

（2）VoNR的语音连续性

在5G部署中后期，5G NR连续覆盖，可采用5G NR承载语音，用户体验更好，所以VoNR是5G语音的终极解决方案[8]。但是在5G NR覆盖的边缘，也要考虑切换到2G/3G/4G的语音连续性，3GPP定义了5G切换到4G以及5G切换到2G/3G两种场景的解决方案。

1）场景1：从5G切换到4G

如果4G现网支持VoLTE，VoNR在5G NR覆盖边缘可以平滑切换到4G eNB上变成VoLTE，这就是VoNR Handover流程。

VoNR Handover流程涉及5G和4G之间的互操作，此时5GC与EPC之间是否开启N26接口对切换时的语音体验有较大影响。如果采用N26接口互操作：在切换过程中5GC和EPC通过N26接口完成切换及上下文信息交互，保证会话的连续性（中断时延大约350 ms）;如果EPC不支持N26接口：发生切换时终端需要重新附着接入4G网络，这导致语音会有明显中断（大约1 600 ms），用户体验较差，所以在商用部署时建议现网EPC升级支持N26接口与5GC互操作。

当语音从VoNR切换到VoLTE后，如果移动到4G信号覆盖不好的区域，会触发SRVCC流程到2G/3G，不过这种5G->4G->2G/3G两次切换的语音体验用户感知较差，因此采用VoNR也要求4G网络有足够的覆盖，避免语音再次切换到2G/3G。

2）场景2：从5G切换到2G/3G

如果现网不支持VoLTE或4G网络覆盖不好，VoNR只能通过SRVCC切换到2G/3G CS语音，但是3GPP R15并未考虑5G与2G/3G的互操作。为了解决这个问题，3GPP R16[1-2]新增了VoNR到3G CS的SRVCC切换流程（如图4所示），实现5G切换到3G的语音连续性。至于5G切换到2G的场景，3GPP不再考虑。

5G到3G的SRVCC流程与LTE到2G/3G的SRVCC流程类似，因为3GPP没有定义5GC和CS之间的接口，因此需要MME网元支持N26和Sv接口作为桥接间接实现5GC与CS的信令交互，因此切换的中断时延会比VoLTE的eSRVCC流程略长，大约300 ms，但体验上和VoLTE SRVCC无明显差别。另外该方案对终端及网络侧（5GC、EPC、CS）都有额外的改造需求，比如需要支持SRVCC能力标识的传递和处理等，实现流程复杂，对现网影响较大，能否实际商用还有待检验。

1.3  切换后终端的快速返回

在上述场景发生5G SRVCC或者Fallback切换时，通常情况下数据会随语音一同回落，所以在通话结束后，应采取措施让终端尽快返回5G，以免对数据业务产生影响。如果当前区域没有5G覆盖，终端继续保持当前的接入状态;如果当前区域有5G覆盖，终端快速返回5G的机制分以下2种场景。

（1）场景1：从2G/3G返回5G

终端上配置为“5GS优先”，通话结束后终端会逐个扫描5G频点，找到5G NR的频点后发起重选。这种方式对无线无额外要求，但是因频点扫描比较耗时导致终端返回较慢。

（2）场景2：从4G返回5G

终端从4G返回分两种状态：如果处于idle态，处理方式同3G返回5G;如果处于连接态，可以利用现有的RFSP（Index to RAT/Frequency Selection Priority）机制获取5G频点，具体流程如下：

1）UE的签约RFSP中，5G的优先级高，该签约数据发给MME;

2）MME把签约RFSP发给eNB（eNB也可能利用本地的RFSP策略）;

3）eNB在RRC release的时候，会把idle mode驻留频率优先级发给UE，其中5G的频率优先级最高;

4）UE在idle mode重选到5G。

2   5G语音连续性解决方案的部署建议

通过上面的分析，总结5G语音连续解决方案的部署总共分4种场景，详见表1。

在5G部署的不同阶段以及覆盖的不同区域，运营商可以根据实际情况选择以上4种不同的应用场景。例如在5G部署初期，5G NR主要集中在城市商业区、工业园区等地方进行热点覆盖，建议运营商选择场景1或场景2作为过渡方案，充分利旧现网成熟的VoLTE/SRVCC保证现语音的连续性，减少建设投资，缩短建设周期，实现5G业务的快速开通。在5G部署中后期，5G NR进入大规模部署阶段，在主要城市实现连续覆盖，再演进到场景3，实现VoNR与VoLTE的平滑切换。但是在未实现5G NR连续覆盖的区域，比如中小城镇、偏远地区等，建议继续采用场景1或场景2过渡。如果有些运营商现网没有规模部署4G网络，就选择场景4跳过VoLTE直接采用VoNR，然后通过5G SRVCC实现VoNR和CS之间切换，但是这种场景将导致CS长期无法退网，不符合网络演进的方向，不建议采用。所以，场景1、2、3可能在5G部署过程中长期并存，等到5G NR真正实现了广域覆盖，那时理论上可以只有VoNR一种语音解决方案，就不必再考虑语音在不同网络之间切换的连续性问题。

3   结束语

在5G商用部署的进程中，运营商需要根据自身的情况选择相应的5G语音解决方案。由于5G网络是叠加在现有的2G/3G/4G网络之上，导致网络情况复杂，切换頻繁，语音的连续性难以保障。从长远角度来看，运营商应借5G网络部署这个机会，采取措施大力推动老网改造，例如部署基于虚拟化的、支持2G/3G/4G/5G融合的融合核心网替代传统PS网络，减少不同网络之间的互操作，同时加速采用IMS替代传统CS提供语音，减少不同语音方案之间的切换，有效地降低OPEX和CAPEX。可以预见，未来VoLTE和VoNR将会共同成为5G时代的基础语音，并且相互协同一起保障语音业务的连续性。

参考文献：

[1]    3GPP. 3GPP TS 23.501： Technical Specification Group Services and System Aspects; System Architecture for the 5G System; Stage 2[S]. 2019.

[2]    3GPP. 3GPP TS 23.502： Technical Specification Group Services and System Aspects; Procedures for the 5G System;  Stage 2[S]. 2019.

[3]    3GPP. 3GPP TS 23.228. Technical Specification Group Services and System Aspects; IP Multimedia Subsystem （IMS）; Stage 2[S]. 2019.

[4]    3GPP. 3GPP TS 23.216. Technical Specification Group Services and System Aspects; Single Radio Voice Call Continuity （SRVCC）;Stage 2[S]. 2019.

[5]    方琰崴，周俊超. 5G语音解决方案和关键技术[C]//5G网络创新研讨会（2019）. 北京： TD产业联盟，《移动通信》杂志社， 2019（8）： 68-75.

[6]     马金兰，杨征，朱晓洁. 5G语音回落4G解决方案探讨[J]. 移动通信， 2019，43（4）： 37-42.

[7]     王耀祖，张洪伟，吴磊. 5G NR 语音解决方案分析[J]. 邮电设计技术， 2019（10）： 66-70.