5G語音連續(xù)性方案研究

杜鵬 王剛

【摘? 要】為了解決5G語音在不同網(wǎng)絡(luò)（2G/3G/4G/5G）切換過程中盡量保持連續(xù)的問題，介紹了5G NSA/SA不同架構(gòu)下的5G語音連續(xù)性解決方案，包括NSA架構(gòu)下4G到2G/3G的切換場(chǎng)景，SA架構(gòu)下5G到4G以及5G到2G/3G的切換場(chǎng)景，以及切換后終端如何快速返回5G等，然后根據(jù)運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)的實(shí)際情況和5G的部署階段，提出相應(yīng)的5G語音及連續(xù)性方案部署和演進(jìn)建議。

【關(guān)鍵詞】5G;語音連續(xù)性;NSA; SA

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.10.006? ? ? ? 中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2020）10-0034-04

引用格式：杜鵬，王剛. 5G語音連續(xù)性方案研究[J]. 移動(dòng)通信， 2020，44（10）： 34-37.

0? ?引言

語音連續(xù)性是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中語音業(yè)務(wù)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，關(guān)系到用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。2G/3G時(shí)代，語音主要由CS（Circuit Switched，電路交換）域提供。4G網(wǎng)絡(luò)中又引入了一種新的基于LTE的IP語音—VoLTE（Voice over LTE），與傳統(tǒng)的CS語音并存。為了解決VoLTE到CS語音之間切換的連續(xù)性問題，3GPP提出了一系列的SRVCC（Single Radio Voice Call Continuity）解決方案，滿足不同場(chǎng)景的語音切換要求，優(yōu)化切換時(shí)延，提高用戶體驗(yàn)。

到了5G時(shí)代，語音同樣是5G網(wǎng)絡(luò)中的一項(xiàng)基本業(yè)務(wù)。3GPP定義的5G網(wǎng)絡(luò)分為NSA（Non-Stand Alone，非獨(dú)立組網(wǎng)）和SA（Stand Alone，獨(dú)立組網(wǎng)）兩種架構(gòu)[1-2]，目前這兩種架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)都已凍結(jié)，可以進(jìn)行商用部署。為此3GPP針對(duì)5G NSA/SA架構(gòu)的不同場(chǎng)景，提出了多種語音解決方案，包括VoLTE、EPS Fallback、RAT Fallback、VoNR（Voice over New Radio）等[3-4]，這些都是基于IMS提供的語音業(yè)務(wù)。運(yùn)營(yíng)商在實(shí)際部署時(shí)，如果采用5G網(wǎng)絡(luò)承載語音，必然面臨和現(xiàn)網(wǎng)已有的VoLTE或CS語音并存的現(xiàn)象，因此如何保證5G到2G/3G/4G切換的語音連續(xù)性，也是運(yùn)營(yíng)商關(guān)注的重點(diǎn)。

1? ?5G語音連續(xù)性解決方案

在3GPP定義的Option2/3/4/5/7等一系列5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，最典型的就是NSA的Option3架構(gòu)和SA的Option2架構(gòu)，也是目前5G商用部署的主流場(chǎng)景。至于Option4/5/7架構(gòu)需要LTE升級(jí)到eLTE，短期內(nèi)實(shí)際部署的可能性不大，所以暫不考慮。因此關(guān)于5G語音的連續(xù)性解決方案，主要針對(duì)NSA（Option3）和SA（Option2）這兩種場(chǎng)景來考慮[5-6]，下面我們將按照?qǐng)D1所示場(chǎng)景逐一進(jìn)行分析：

1.1? 5G NSA（Option3）架構(gòu)的語音連續(xù)性

根據(jù)3GPP的定義，5G NSA（Option3）架構(gòu)下的語音解決方案和4G網(wǎng)絡(luò)的完全一致：如果現(xiàn)網(wǎng)支持VoLTE，就繼續(xù)采用SRVCC保證語音的連續(xù)性;如果現(xiàn)網(wǎng)不支持VoLTE，采用CSFB（CS Fallback）方式回落到2G/3G CS提供語音。所以在5G部署初期，5G NR只是少量部署用于熱點(diǎn)覆蓋，適合采用5G NSA（Option3）架構(gòu)，重用現(xiàn)有的EPC核心網(wǎng)，語音繼續(xù)由VoLTE/CSFB提供，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)影響較小，有助于5G業(yè)務(wù)快速開通。5G NSA（Option3）架構(gòu)下的的語音解決方案如圖2所示：

需要說明一點(diǎn)：5G NSA架構(gòu)下雖然引入了5G NR，但信令面的錨點(diǎn)仍然在eNB，理論上eNB可以控制語音流和數(shù)據(jù)流一樣通過5G NR承載，但是NSA架構(gòu)下5G NR通常只是熱點(diǎn)覆蓋，使用5G NR承載語音會(huì)帶來頻繁的切換導(dǎo)致eNB和5G NR控制復(fù)雜等問題，所以目前業(yè)界沒有NSA架構(gòu)下通過5G NR承載語音的案例，也不推薦這種方式。

1.2? 5G SA（Option2）架構(gòu)的語音連續(xù)性

對(duì)于SA架構(gòu)，3GPP定義了EPS Fallback和VoNR兩種語音解決方案（如圖3所示），適用于5G部署的不同階段。5G NR根據(jù)終端能力（PS Voice能力、VoNR、VoEUTRA等），無線能力（小區(qū)語音業(yè)務(wù)負(fù)載、本地策略等）、網(wǎng)絡(luò)能力（N26接口指示、SRVCC能力、PS Voice能力等）等多種因素綜合決定是采用VoNR還是觸發(fā)EPS Fallback。

（1）EPS fallback的語音連續(xù)性

在5G部署初期，5G NR覆蓋不連續(xù)，支持VoNR的終端較少，可采用EPS fallback方式，當(dāng)語音在5G NR上建立IMS語音通道時(shí)觸發(fā)回落到4G網(wǎng)絡(luò)[7]。如果現(xiàn)網(wǎng)支持VoLTE，由VoLTE提供語音業(yè)務(wù)，并繼續(xù)采用SRVCC保證語音切換到2G/3G的連續(xù)性;如果現(xiàn)網(wǎng)不支持VoLTE，可以繼續(xù)觸發(fā)CSFB回落到2G/3G，由CS提供語音業(yè)務(wù)，但是這種5G->4G->2G/3G兩次回落會(huì)導(dǎo)致呼叫建立時(shí)間過長(zhǎng)，用戶體驗(yàn)較差，不予考慮。因此采用EPS fallback的前提是現(xiàn)網(wǎng)已經(jīng)部署VoLTE，其語音連續(xù)性和5G NSA（Option3）架構(gòu)是一致的。

（2）VoNR的語音連續(xù)性

在5G部署中后期，5G NR連續(xù)覆蓋，可采用5G NR承載語音，用戶體驗(yàn)更好，所以VoNR是5G語音的終極解決方案[8]。但是在5G NR覆蓋的邊緣，也要考慮切換到2G/3G/4G的語音連續(xù)性，3GPP定義了5G切換到4G以及5G切換到2G/3G兩種場(chǎng)景的解決方案。

1）場(chǎng)景1：從5G切換到4G

如果4G現(xiàn)網(wǎng)支持VoLTE，VoNR在5G NR覆蓋邊緣可以平滑切換到4G eNB上變成VoLTE，這就是VoNR Handover流程。

VoNR Handover流程涉及5G和4G之間的互操作，此時(shí)5GC與EPC之間是否開啟N26接口對(duì)切換時(shí)的語音體驗(yàn)有較大影響。如果采用N26接口互操作：在切換過程中5GC和EPC通過N26接口完成切換及上下文信息交互，保證會(huì)話的連續(xù)性（中斷時(shí)延大約350 ms）;如果EPC不支持N26接口：發(fā)生切換時(shí)終端需要重新附著接入4G網(wǎng)絡(luò)，這導(dǎo)致語音會(huì)有明顯中斷（大約1 600 ms），用戶體驗(yàn)較差，所以在商用部署時(shí)建議現(xiàn)網(wǎng)EPC升級(jí)支持N26接口與5GC互操作。

當(dāng)語音從VoNR切換到VoLTE后，如果移動(dòng)到4G信號(hào)覆蓋不好的區(qū)域，會(huì)觸發(fā)SRVCC流程到2G/3G，不過這種5G->4G->2G/3G兩次切換的語音體驗(yàn)用戶感知較差，因此采用VoNR也要求4G網(wǎng)絡(luò)有足夠的覆蓋，避免語音再次切換到2G/3G。

2）場(chǎng)景2：從5G切換到2G/3G

如果現(xiàn)網(wǎng)不支持VoLTE或4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋不好，VoNR只能通過SRVCC切換到2G/3G CS語音，但是3GPP R15并未考慮5G與2G/3G的互操作。為了解決這個(gè)問題，3GPP R16[1-2]新增了VoNR到3G CS的SRVCC切換流程（如圖4所示），實(shí)現(xiàn)5G切換到3G的語音連續(xù)性。至于5G切換到2G的場(chǎng)景，3GPP不再考慮。

5G到3G的SRVCC流程與LTE到2G/3G的SRVCC流程類似，因?yàn)?GPP沒有定義5GC和CS之間的接口，因此需要MME網(wǎng)元支持N26和Sv接口作為橋接間接實(shí)現(xiàn)5GC與CS的信令交互，因此切換的中斷時(shí)延會(huì)比VoLTE的eSRVCC流程略長(zhǎng)，大約300 ms，但體驗(yàn)上和VoLTE SRVCC無明顯差別。另外該方案對(duì)終端及網(wǎng)絡(luò)側(cè)（5GC、EPC、CS）都有額外的改造需求，比如需要支持SRVCC能力標(biāo)識(shí)的傳遞和處理等，實(shí)現(xiàn)流程復(fù)雜，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)影響較大，能否實(shí)際商用還有待檢驗(yàn)。

1.3? 切換后終端的快速返回

在上述場(chǎng)景發(fā)生5G SRVCC或者Fallback切換時(shí)，通常情況下數(shù)據(jù)會(huì)隨語音一同回落，所以在通話結(jié)束后，應(yīng)采取措施讓終端盡快返回5G，以免對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響。如果當(dāng)前區(qū)域沒有5G覆蓋，終端繼續(xù)保持當(dāng)前的接入狀態(tài);如果當(dāng)前區(qū)域有5G覆蓋，終端快速返回5G的機(jī)制分以下2種場(chǎng)景。

（1）場(chǎng)景1：從2G/3G返回5G

終端上配置為“5GS優(yōu)先”，通話結(jié)束后終端會(huì)逐個(gè)掃描5G頻點(diǎn)，找到5G NR的頻點(diǎn)后發(fā)起重選。這種方式對(duì)無線無額外要求，但是因頻點(diǎn)掃描比較耗時(shí)導(dǎo)致終端返回較慢。

（2）場(chǎng)景2：從4G返回5G

終端從4G返回分兩種狀態(tài)：如果處于idle態(tài)，處理方式同3G返回5G;如果處于連接態(tài)，可以利用現(xiàn)有的RFSP（Index to RAT/Frequency Selection Priority）機(jī)制獲取5G頻點(diǎn)，具體流程如下：

1）UE的簽約RFSP中，5G的優(yōu)先級(jí)高，該簽約數(shù)據(jù)發(fā)給MME;

2）MME把簽約RFSP發(fā)給eNB（eNB也可能利用本地的RFSP策略）;

3）eNB在RRC release的時(shí)候，會(huì)把idle mode駐留頻率優(yōu)先級(jí)發(fā)給UE，其中5G的頻率優(yōu)先級(jí)最高;

4）UE在idle mode重選到5G。

2? ?5G語音連續(xù)性解決方案的部署建議

通過上面的分析，總結(jié)5G語音連續(xù)解決方案的部署總共分4種場(chǎng)景，詳見表1。

在5G部署的不同階段以及覆蓋的不同區(qū)域，運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)實(shí)際情況選擇以上4種不同的應(yīng)用場(chǎng)景。例如在5G部署初期，5G NR主要集中在城市商業(yè)區(qū)、工業(yè)園區(qū)等地方進(jìn)行熱點(diǎn)覆蓋，建議運(yùn)營(yíng)商選擇場(chǎng)景1或場(chǎng)景2作為過渡方案，充分利舊現(xiàn)網(wǎng)成熟的VoLTE/SRVCC保證現(xiàn)語音的連續(xù)性，減少建設(shè)投資，縮短建設(shè)周期，實(shí)現(xiàn)5G業(yè)務(wù)的快速開通。在5G部署中后期，5G NR進(jìn)入大規(guī)模部署階段，在主要城市實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋，再演進(jìn)到場(chǎng)景3，實(shí)現(xiàn)VoNR與VoLTE的平滑切換。但是在未實(shí)現(xiàn)5G NR連續(xù)覆蓋的區(qū)域，比如中小城鎮(zhèn)、偏遠(yuǎn)地區(qū)等，建議繼續(xù)采用場(chǎng)景1或場(chǎng)景2過渡。如果有些運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)沒有規(guī)模部署4G網(wǎng)絡(luò)，就選擇場(chǎng)景4跳過VoLTE直接采用VoNR，然后通過5G SRVCC實(shí)現(xiàn)VoNR和CS之間切換，但是這種場(chǎng)景將導(dǎo)致CS長(zhǎng)期無法退網(wǎng)，不符合網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的方向，不建議采用。所以，場(chǎng)景1、2、3可能在5G部署過程中長(zhǎng)期并存，等到5G NR真正實(shí)現(xiàn)了廣域覆蓋，那時(shí)理論上可以只有VoNR一種語音解決方案，就不必再考慮語音在不同網(wǎng)絡(luò)之間切換的連續(xù)性問題。

3? ?結(jié)束語

在5G商用部署的進(jìn)程中，運(yùn)營(yíng)商需要根據(jù)自身的情況選擇相應(yīng)的5G語音解決方案。由于5G網(wǎng)絡(luò)是疊加在現(xiàn)有的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)之上，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)情況復(fù)雜，切換頻繁，語音的連續(xù)性難以保障。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來看，運(yùn)營(yíng)商應(yīng)借5G網(wǎng)絡(luò)部署這個(gè)機(jī)會(huì)，采取措施大力推動(dòng)老網(wǎng)改造，例如部署基于虛擬化的、支持2G/3G/4G/5G融合的融合核心網(wǎng)替代傳統(tǒng)PS網(wǎng)絡(luò)，減少不同網(wǎng)絡(luò)之間的互操作，同時(shí)加速采用IMS替代傳統(tǒng)CS提供語音，減少不同語音方案之間的切換，有效地降低OPEX和CAPEX。可以預(yù)見，未來VoLTE和VoNR將會(huì)共同成為5G時(shí)代的基礎(chǔ)語音，并且相互協(xié)同一起保障語音業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

參考文獻(xiàn)：

[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語音解決方案和關(guān)鍵技術(shù)[C]//5G網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研討會(huì)（2019）. 北京： TD產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，《移動(dòng)通信》雜志社， 2019（8）： 68-75.

[6]? ? ?馬金蘭，楊征，朱曉潔. 5G語音回落4G解決方案探討[J]. 移動(dòng)通信， 2019，43（4）： 37-42.

[7]? ? ?王耀祖，張洪偉，吳磊. 5G NR 語音解決方案分析[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù)， 2019（10）： 66-70.