5G语音解决方案及VoNR演进部署策略研究

姚家甫

（安徽电信规划设计有限责任公司，安徽 合肥 230031）

1 5G语音标准化进展

R15 NSA标准于2018就已冻结，R15标准确认5G语音沿用4G VoLTE的语音架构，仍基于IP多媒体系统（IP Multimedia Subsystem，IMS）提供话音业务，适用于基础语音类、短信类、紧急呼叫类业务。R16 SA标准继续将服务化架构的优势应用于IMS，主要针对物联网类应用，对IMS架构及部分接口进行增强，该标准已于2020年冻结。

事实上，3GPP R15标准已完成满足5G SA基础语音、短信的商用需求，R16标准主要研究IMS增强应用，满足人与物之间的信息交互业务，对人与人之间的语音短信业务影响不大。

2 5G语音解决方案概述

语音是基础电信业务，也是运营商的重要收入来源。根据非独立组网（Non-Stand Alone，NSA）和独立组网（Stand Alone，SA）两大部署选项，结合5G网络所处的部署阶段，理论上共有长期演进语音承载（Voice over Long-Term Evolution，Vo-LTE）、EPS Fallback、新空口承载语音（Voice over New Radio，VoNR）这3种5G语音方案可选。

2.1 Vo-LTE

在NSA模式下采用4G核心网时，用户设备（User Equipment，UE）同时锚定于长期演进技术（Long Term Evolution，LTE）与新空口（New Radio，NR），数据业务由NR承载，语音业务由VoLTE承载，暂不需考虑演进分组核心网（Evolved Packet Core，EPC）与5G核心网（5G Core，5GC）之间的互操作，无须对现网网元改造或较少改造，是一种经济、快速的语音方案选项[1]。

在VoLTE引入IMS，采用自适应多速率宽带编码（Adaptive Multi-Rate-Wide Band，AMR-WB）技术，大幅提升编码速率，音质更清晰、音域更广、时延更低且稳定性更强。

2.2 EPS Fallback

在SA模式下，由于5G建网初期NR仅完成热点部署，网络覆盖不连续，为了避免频繁切换引起语音通信质量下降，选用过渡性的EPS Fallback方案。5G终端驻留NR，在NR发起语音起呼时由NR网络控制回退到LTE，使用IMS提供VoLTE语音业务[2]。

2.3 VoNR

随着5G SA网络进入成熟期，网络实现连续覆盖，可以选用VoNR方案。语音和数据业务在NR网络上承载，呼叫时延更短，清晰度更高，稳定性更好。当终端离开NR覆盖区时，语音业务切换到VoLTE上，需要考虑VoNR与VoLTE之间的业务连续性互操作。

VoNR与EPS FallBack关键指标对比如表1所示。

表1 VoNR与EPS FallBack关键指标对比

3 VoNR关键技术

3.1 语音编解码技术

增强语音服务（Enhanced Voice Services，EVS）编码器是新一代高清语音频编码器，可在5.9～128 kb/s的编码速率范围内工作。EVS可以提供更高的音频质量和系统容量、更强的抗丢帧和抗时延抖动能力，为用户带来全新体验[3]。

VoNR语音业务存在通话期和静默期2个状态，对于EVS语音编码方式，相应的语音包帧长度和发射/接收周期会有较大变化。VoNR不同状态下的语音包特点如图1所示。

图1 VoNR不同状态下语音包特点

3.2 基于覆盖的自适应技术

语音承载建立前，终端会不定期上报A2事件测量结果，gNodeB根据A2事件测量结果来判断该用户所处区域的覆盖质量。当判定用户处于强覆盖区域时，gNodeB选择VoNR语音方案，发起相应的VoNR呼叫流程；当判定用户处于弱覆盖区域时，将进行EPS Fallback语音呼叫流程，最大限度地保障用户语音体验。

3.3 上行RB预留

为了保障语音用户体验，gNodeB会在特定位置预留一定数量的资源块（Resource Block，RB），并标记为语音用户专用，数据用户不可占用。当这些RB被全部占用仍不能满足语音业务需要时，可继续使用未标记的RB资源，调度分配按正常流程进行。该功能要求NR小区及邻区均预留相同的RB，既保障语音业务的RB充足，又将语音与数据业务的RB进行物理隔离，避免数据业务对语音的干扰[4]。上行RB预留分配如图2所示。

图2 上行RB预留分配示意图

3.4 基于语音质量的异频切换

当网络中存在语音质量较低的VoNR用户时，支持对这类用户进行基于语音质量的异频切换，以确保用户的语音业务体验，其关键步骤包括切换功能启动判决、测量控制下发以及测量报告上报。当丢包率大于门限时，触发基于语音质量的异频测量，根据异频频点优先级从高到低的顺序下发测量控制。当UE上报的邻区参考信号接收质量（Reference Signal Receiving Quality，RSRQ）测量值大于邻区RSRQ门限时，A5事件测量报告有效。

4 VoNR典型应用场景

4.1 个人增强多媒体通信

VoNR依靠5G大带宽、低时延等网络特性让语音通话过程中更多个人多媒体及时通信应用的实现成为可能，同时还可以与AR/VR技术结合，以提供沉浸式应用。典型应用包括高清语音通话、个性化新呼叫、来电视频彩铃等。

4.2 行业增强交互式通信

引入实时交互通道，面向垂直行业提供个性化的交互式应用，提高响应时间，改善用户体验。典型应用包括远程诊疗、远程教学等[5]。

5 VoNR面临的挑战

VoNR带来全新的用户业务体验，加速老旧设备迭代更新，带动新的业务增长。与此同时，当前VoNR部署也面临着诸多挑战。首先，居民区、新兴城区等区域5G深度覆盖不足。受限于中低频清频进度，中低频5G部署受到影响。其次，VoNR语音业务相比数据业务更加敏感。由于VoNR端到端流程涉及的网元和网络接口较多，任何环节出现问题都可能导致语音感知差，故障排查困难，特殊场景感知待优化。最后，基于VoNR与EPS Fallback这2种语音方案间的互操作策略异常复杂，室内外同频组网带来的内部干扰问题亟需解决。

6 VoNR演进路径及部署策略建议

VoNR和EPS Fallback共用1套IMS架构，EPC/LTE和5GC/NR分别作为分组语音的承载。初期NR覆盖不好时，通过VoLTE实现语音业务，NR覆盖逐步完善后可以平滑演进到VoNR。VoNR演进路径如图3所示。

图3 VoNR演进路径

6.1 NR部署初期语音方案

NR部署初期未形成5G网络的连续覆盖，采用过渡的EPS Fallback方案，由VoLTE提供语音业务。该方案下语音建立需先回落到4G，相比VoNR，其呼叫建立时长略长，约2.5～5 s，但不敏感。

对于Option3/3a/3x选项的NSA组网仍依托于4G核心网，5G只用作热点覆盖，用户锚定于4G，语音通过VoLTE承载。在此方案中，NR只是作为新的用户接入方式，语音业务仍然在LTE网络中处理。如果LTE网络覆盖不到或发生切换，则通过CSFB或SRVCC回落到CS网络。

对于依托5GC架构的SA组网，当5G NR只是热点覆盖且NR暂时无法规模化提供语音服务时，5G语音一般采用EPS Fallback方案。当UE在EPC和5GC同时注册时，无须打通移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）和接入和移动管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）之间的N26接口；当UE采用单注册方式时，需打通MME和AMF之间的N26接口，实现快速回落。

6.2 NR成熟期语音方案

NR规模部署后，5GNR连续覆盖，终端大量普及，并且5GC也实现大规模部署。5GNR直接接入5GC，5G语音采用VoNR方案，终端驻留在NR上，语音和数据均由NR/NGC提供承载，呼叫建立时延更短，用户体验好。VoNR与5GC结合便于沉浸式/交互式/开放式VoNR为运营商带来更多业务模式，在5G边缘区域则平滑切换至VoLTE。

6.3 不同终端的语音方案选择策略

对于不支持VoNR的SA终端，接入独立5G载波或共享载波的归属PLMN 5G小区，语音业务由EPS Fallback回落至4G，提供VoLTE语音业务，语音业务结束后快速返回5G网络。

对于支持VoNR的SA终端，接入独立5G载波或共享载波的归属PLMN5G小区，语音业务采用VoNR，语音业务移动性优先采用5G系统内切换。

NSA/SA双模终端驻留在NSA/SA双模小区时，终端优选SA网络，采用VoNR方案。当终端处于NSA小区时，则采用VoLTE方案。

7 结 论

VoNR是5G语音方案的必由之路，能够为用户提供极致的业务体验，是运营商新的业务增长点。通过进一步加快5G网络建设，持续推进网元升级改造，提高网络优化和维护能力，为构建超高清、低时延、赋能新一代应用的语音体系提供保障，有效带动相关产业发展。