5G语音业务终极解决方案探讨

5G语音业务终极解决方案探讨

苏鹏 钱玉东 赵静 张瑞磊

中国联通山东省分公司，山东济南，250001

摘要: 5G时代语音业务由三种方式可以实现：VOLTE、EPS Fallback和VONR。

通过对通信音频信号带宽、编码方式、语音质量评估以及核心网侧网络架构、信令处理流程进行对比，从三种语音业务的解决方案中得出最佳解决方案。

关键词：VoLTE；EPS Fallback；VONR；EVS

引言:随着通信技术的不断演进，传统2/3G电路域（CS）语音方案低效且复杂，正逐渐被全IP化的VoLTE语音方案淘汰。5G建设初期，承载于4G网络的VoLTE语音方案是支持5G时代语音业务的关键，在5G信号覆盖较差的区域由EPS Fallback解决；后5G时代，为给用户带来更佳的通话体验，5G VONR是最佳的解决方案。

5G VONR的优势有:

1.拥有超低通话接通时延，几乎可以秒拨秒通，在你拨号的瞬间即可接通，大大减少了此前的等待交换机反馈回铃音时间；

2.音质更高，因为VoNR全面支持EVS（Enhance Voice Services）编解码，比VoLTE更先进，故可以打造超高清语音通话体验；

3.拥有超清画质优势，分辨率可以达到720P，相比VoLTE的480P提高了整整一个等级；

4.语音、数据同时常驻5G网，5G网络下使用VoLTE时语音需回落4G网的弊端，故高速享受数据不断线体验比4G更强。

一、VoNR语音方案概述

传统的2G时代（1990年-2000年），语音业务是由CS域承载；3G时代（2000年-2010年），UTMS保留了CS语音业务，2002年3GPP R5定义了IMS，并首次提供基于IMS的VOIP，但是并未获得成功；4G时代（2010年-2020年），全球272家运营商投资引入IMS技术的Volte业务,其中211家进行了商用，覆盖全部主流运营商。4G业务在网络建设初期，依靠CSFB解决Volte覆盖不足的问题。5G时代（2020年后）来临后，有两种组网架构可以采用，分为方5G NSA方式组网和5G SA方式组网。对于5G NSA方式组网，LTE与NR双连接，控制面锚定于4G网络，语音业务承载于4G，数据业务承载于5G和4G，即直接通过4G网络提供语音服务，无需考虑4G与5G之间的语音连续性互操作，EPS Fallback

下，当终端在5G上起呼时触发切换，此时5G基站向EPC发起inter-RAT切换请求，回落到LTE网络，由VoLTE提供语音业务，称之为EPS Fallback。。随着3GPP版本的的不断演进，R15、R16、R17逐渐冻结，各通信运营商的组网方式也大部分由5G NSA方式组网过渡到5G SA方式组网，此时5G VONR将逐渐成为解决语音业务的主流方式。在VoNR下，终端驻留5G，语音业务和数据业务都承载在5G网络，但需考虑与VoLTE的语音连续性互操作——当手机移动到5G信号覆盖较差的区域时，需发起基于覆盖的切换来实现互操作，切换到LTE，由VoLTE来提供服务。

1、语音频率

语音频率范围：人说话频率在4KHz以内，但是听觉范围是20~20KHz。因此音频范围越大，听觉体验越好。

基本（300~3.4K）：可包含绝大部分人声，语义可懂；

低频（20~300）：使得话音更自然、更舒适、更有面对面感觉；

高频（3.4K~20K）：使得话音更清晰，更能分辨个体特征；

5G VONR的默认编码方式为EVS编码，基于超宽带音频；4G常用的编码方式为AMR-WB，基于宽带音频。

2、编码格式

5G VONR默认的编码方式：EVS编码(Enhanced Voice Service)，该编码具有以下两种优势:

一是兼容性：EVS编码里包含了两种模式，可以兼容AMR-WB（4G常用）：

1.AMR-WB IO mode—向下兼容AMR

2.EVS primary mode—更好的编码方式和语音质量

二是稳健性：EVS支持CAM功能（channel aware mode），当传输丢包以后，可以通过信源冗余进行丢包补偿恢复（第N+2/3/5/7其中一帧进行冗余传输）

根据算法仿真结果，相同码率下EVS-SWB相较于LTE常用的AMR-WB，MOS分约有0.1~0.5的提升。EVS-SWB@13.2kbps相较AMR-WB@12.65kbps覆盖提升约2.5dB

EVS编码可以区分语音和音乐，用不同的方式编码（分别基于ACELP和MDCT算法），压缩率更高，音质更好。

3、VoNR语音质量评估方法（基站侧VQI）

根据ITU-T P.800.1定义，业界的语音质量评估方法可以分类为主观测量方法、客观测量方法（P.863）以及估计测量方法（VQI）三类。VQI是一种参数估计测量方法，根据网络模型可以预测主观听觉的测试分数，如华为的VQI，爱立信的SQI等。VQI可以随时随地进行语音质量测量，能更真实的反应现网质量状况。根据仿真数据，P.863和VQI的相关性系数最低可以达到80%以上：

VQI算法基本原理如下：

1.根据RTP包载荷长度和FT字段识别编码速率（当语音包长度变化时，重新获取编码和速率），当2.5S周期内语音包数超过60个，根据编码速率选择VQI计算系数；

2.除了计算系数，VQI主要与FER（Frame Error Rate）有关。对于能正确识别编码速率的语音包，FER与丢包率和语音包的间隔（默认为20ms）抖动有关；对于无法正确识别编码速率的语音包，FER主要由丢包率确定；

3. 上下行分别检测计算，上行FER包含错包和超时包，下行FER包含gNodeB内部丢包和Uu口丢包（无法统计超时包）。

二、VoNR技术简介

2.1、VONR与EPS Fallback的对比

2.1.1网络架构不同

EPS Fallback网络架构如下图：

此种方式下，5G NR不提供语音业务，当gNB在NR上建立IMS话音通道时触发EPS Fallback，此时gNB向5GC发起切换或者重定向请求，回落到LTE网络，由LTE提供语音业务。IMS仅先支持SIP即可（简化部署），未来支持用户面即可升级到VoNR。由于网络不支持VoNR，用户发起语音业务时直接回落到LTE，数据业务将跟随切换到LTE。

VONR网络架构如下图：

VONR环境下，语音默认采用EVS编码，MOS分更高。没有Fallback的流程，接入时延更低。数据业务在NR侧，体验更优。

2.2回落的信令流程不同

EPS fallback基本流程：接入过程中通过PS HO或重定向流程切换到4G。

①RRC连接建立;

②默认承载建立：5QI=8/9；

③IMS 信令面SIP默认承载建立：5QI=5；

④EPS Fallback，IMS用户面建立到LTE,此时核心网要求建立5QI1承载，RAN启动LTE测量，并返回拒绝（原因值为UE正在进行切换)，RAN启动常规PS HO或重定向，将UE回落到LTE（注：有N26接口，则可以做切换和重定向，没有N26接口，则只能做重定向）

⑤切换完成后，在LTE建立正常QCI1承载；

⑥语音通话开始。

VoNR基本流程：VoNR切换VoLTE流程同普通数据业务切换流程

①UE上报测量报告给源gNB；

②gNB执行切换判决，然后向5GC发起切换请求；

③目标eNB切换准备，然后发送切换指示；

④终端在目标eNB发起随机接入；

⑤UE切换到目标小区；

⑥通知源gNB切换完成，并释放UE上下文。

2.3语音业务流程不同

TS 23.502的4.13.6.1 EPS fallback for IMS voice流程如下：

（1）UE通过5G注册到IMS。UE发起或者接收语音呼叫。

（2）网络侧发起PDU session修改，建立IMS语音的QoS流。

（3）5G无线接入网根据UE的能力，AMF的“Redirection for EPS fallback for voice is possible”指示，网络配置等，确定对于IMS语音采用EPS fallback方式，触发fall back EPS。

（4）5G无线接入网回响应，拒绝请求，并指示IMS语音需回落。

（5）5G无线接入网发起handover或者redirection到EPS。handover为软切，使用4.11.1.2.1 5GS to EPS handover using N26 interface流程，handover command之前为准备过程。redirection为硬切，使用4.2.6 AN Release流程。

（6a）对于handover（使用4.11.1.2.1 5GS to EPS handover using N26 interface流程 ）或者有N26接口的redirection（使用4.11.1.3.2 5GS to EPS Idle mode mobility using N26 interface的流程），UE通过 TAU（Tracking Area Update）流程，接入EPS。注：N26接口为MME与AMF之间的接口

（6b）对于没有N26接口的redirection（使用4.11.2.2 5GS to EPS Mobility流程，Mobility procedure from 5GS to EPS without N26 interface），UE通过附着流程，接入EPS，PDN connectivity request type为handover。

（7）网络侧建立IMS语音的专有承载。

（8）继续IMS呼叫流程。

注：在语音呼叫期间，E-UTRAN需要配置为不会触发切换回5GS。

VONR语音用户的5G注册和IMS建立流程

5G注册：

①终端注册到5G，AMF和UDM交互，通知UDM UE的IMSVOPS能力；

②AMF在 NAS消息中通知UE网络侧支持IMS Voice over PS Session

IMS PDU 会话建立

终端在获知网络侧支持IMSVOPS 后，触发IMS PDU Session建立请求，创建缺省Qos flow(5Qi=5)

三、结论

  通过以上对5G阶段三种语音解决方案的对比，可以做出结论：5G NONR无论从用户的感知方面还是网络的技术演进方向，都是解决5G语音业务的最佳解决方案。

四、参考文献

（1）3GPP TS 23.501: " System Architecture for the 5G System; Stage 2"（V15.1.0）.

（2）3GPP TS 23.502: " Procedures for the 5G System;Stage 2"（V15.1.0）