5G语音业务解决方案研究

张海霞，魏书伟，范敏

（青岛恒星科技学院 信息学院，山东 青岛 266000）

0 引言

移动通信经历了1G到5G，从语音业务到高速数据业务的飞跃式发展，在移动互联网和移动物联网领域的应用呈现爆炸式增长。近年来，人工智能、大数据、移动互联网等新产业、新技术、新业态蓬勃发展，5G应用场景更加丰富，智慧城市、工业互联网等进程加速发展。作为移动通信的典型语音业务，在5G系统中如何演进，有着重要的理论研究意义和现实应用价值。本文就这一问题进行方案探讨。提出不同网络架构下，SA和NSA组网模式下的5G语音解决方案。

1 5G网络架构

5G网路架构分为接入网和核心网两部分。5G接入层称为NG-RAN(NR)，主要包括gNB和升级版LTE基站，称为ng-eNB。其中gNB管理NR用户面和控制面协议，ng-eNB管理E-UTRAN用户面和控制面协议。5G核心网主要分为控制面和用户面，其中控制面主要包括AMF和SMF，用户面主要包括UPF。

5G网络接口和各网元如下图1所示。

图1 5G网络架构

核心网与接入网融合的5G网络结构，通过软件定义网络、移动性管理等关键技术，来为用户提供更好的服务体验。

2 5G组网模式

2.1 5G组网模式

3GPP规定了5G网络架构的两种组网模式，非独立组网(NSA, Non-standalone)和独立组网(SA, Standalone)两种模式[1]。NSA模式把4G现有的无线及核心网等基础设施作为基础，再新增5G载波作为配合，负责移动管理和覆盖；SA模式，采用5G核心网络架构，定义了新的核心网网络设备及他们之间的接口，应用了软件定义网络，网络虚拟化等新技术[2]。

按照独立组网和非独立组网划分，大约有Option1至Option7等多种架构，还有三种变形方式，Option3a/Option3x、Option4a和Option7a/Option7x。如图2所示。Option1为LTE+EPC，也就是4G系统的常见组网方式。5G的组网以此为基础。Option2为5G网络组网的最终目标，需要替代LTE系统的基站和核心网，完全由gNB和NGC组成实现，实现5G系统的全面部署。

图2 5G常见网络部署

2.2 NSA和SA的优势

NSA的优势主要包括：

1. 通过现有的4G网络增加5G的辐射范围。

2. 标准的确立时间早于SA。NSA通过更多的产品测试，技术理论上应更稳定。

3. 利用4G EPC网络，无需建设5G核心网。

SA的优势主要包括：

1. 在该组网模式下，NR之间的切换时延较低。而在NSA模式下，由于和LTE连接复杂，NR之间切换需要更长时间。

2. 在采用NSA模式时，终端天线既要连接LTE又要连接NR；采用SA模式时，终端天线仅需连接NR[3]。

3. SA可支持边缘计算、SDN、NFV等新技术，使5G拥有更强更全面的业务能力，应对各种5G业务需求。

3 5G语音解决方案

尽管5G在数据服务上有众多技术应用，但是语音业务仍然是运营商的重要基础服务，具有理论研究意义和应用价值。

5G网络中用户进行话音业务时，不仅要求系统能够提供不同网络制式环境下的语音切换，以及终端用户从一个小区向另一个小区移动过程中，使通话不中断。比如3G与4G之间的VoLTE、SRVCC等；5G系统架构既需要满足未来网络需求，又需要考虑与现有网络（2G/3G/4G）的迁移和互操作。尤其是和4G网络的交互尤为重要；因此在互操作和连续性的设计上，5G系统主要考虑5G与4G网络之间保持连续性[4]。

3.1 SA组网场景下的语音解决方案

SA场景下，包括两种语音解决方案，EPS Fallback（简称EPS FB）方案和VoNR（Voice over New Radio）方案。该模式下的组网架构主要有option2、option4/4a。

EPS FB方案中，用户设备入网初始注册在5G网络中，可以由5G提供数据业务。当有语音业务如语音电话接入时，用户设备将由网络辅助完成切换流程，进行VoLTE通话，通话结束后，用户设备再切换回5G网络。EPS FB方案需要网络规划实施人员将5G NR部署在和LTE重复覆盖的区域，以便进行4G和5G的业务切换，主要用在5G网络部署初期，核心网设备还未大面积铺设的情况下[5]。

VoNR方案是通过5G借助于IMS系统提供语音业务的技术方案，在全IP情况下部署。IMS又称为IP多媒体子系统，可以在分组交换网络下实现语音业务，在VoNR技术方案中，5G作为一种接入方式接入IMS网络，通过IMS控制语音业务，其他业务通过5G网络进行承载。在VoNR下，语音和数据业务都承载在NR网络，当终端移动到5G信号盲区或者覆盖较差的地区时，需要切换到4G网络，由4G网络为其提供VoLTE语音服务[6]。

根据不同的5G组网，存在不同的选项。

1. 通过5GC和gNB承载VoNR，如下图3所示。

图3 VoNR协议栈-通过5GC和gNB承载

2. 通过EPC和gNB承载VoNR，如下图4所示。

图4 VoNR协议栈-通过EPC和gNB承载

目前可以有多种方案将最初5G过渡阶段选择的语音解决方案转换为VoNR。

路径1：VoLTE->EPS FB->VoNR

5G初期语音业务和数据业务分离，语音业务通过EPC+LTE来提供，以VoLTE作为初期语音解决方案。随着5GC的接入，语音继续由EPC+LTE提供，以EPS FB为语音解决方案[7]。在5G网络全面推进优化后，推出VoNR。

路径2：VoLTE->VoNR

5G建设的最终目标是完全通过5G网络来同时传输语音和数据，因此option2是最终的5G网络组网模式。

路径3：VoLTE->VoeLTE->RAT FB ->VoNR

VoeLTE即Voice over eLTE，指话音承载在5GC以及ng-eNB上，在VoeLTE下，终端驻留eLTE网络中，语音业务和数据业务都承载在eLTE。当移动用户进入到eLTE信号覆盖较差的区域时，会触发切换来实现4G或NR的互操作，切换到LTE或NR，由LTE或VoNR来提供服务。

RAT FB，与EPS FB类似，当终端在5G网络上要发起语音呼叫请求时，在语音信道建立过程中会切换到eLTE网络中，由VoeLTE提供服务，当语音通话结束后，终端再切换到5G网络[8]。

3.2 NSA组网场景下的语音解决方案

在非独立组网模式下，主要有option3/3a/3x和option7/7a/7x架构，话音业务可以继续使用CSFB、VoLTE等技术。由于没有引入真正的5G核心网，因此不支持5G新功能，如网络切片功能等。语音技术演进方案可选择CSFB演进到VoLTE,然后再向VoNR演进[9]。

VoLTE方案由4G网络LTE/EPC提供语音，数据业务由4G/5G网络共同承载[10]。

4 结论

5G语音业务仍然采用VoLTE中的IMS系统架构，继承支持现网中的所有语音业务。未来5G语音方案将提供更全面丰富的业务，通过对IMS网络进行架构优化，满足物联网等需求，伴随着5G无线技术的发展以及网络切片等技术的不断创新，5G时代的语音视频业务将带给用户更新的体验。