5G語音方案研究

【摘要】本文對5G網(wǎng)絡(luò)下包含VoNR及EPS fallback等在內(nèi)的語音技術(shù)進行了介紹，涉及5G語音方案相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、基本業(yè)務(wù)流程等層面。并針對現(xiàn)有語音方案流程設(shè)計，提出了存在的問題，以及可能的解決方向。

1 引言

從4G LTE開始，語音實現(xiàn)方案就不再僅僅是2G/3G網(wǎng)絡(luò)，單純通過電路域網(wǎng)絡(luò)提供如語音業(yè)務(wù)和其他增值業(yè)務(wù)，而是設(shè)計通過IP多媒體子系統(tǒng)（IMS，IP Multimedia Subsystem）實現(xiàn)將語音業(yè)務(wù)承載在IP網(wǎng)絡(luò)，也即VoLTE（Voice over LTE）的方式，實現(xiàn)將2G/3G電路域所有業(yè)務(wù)在4G網(wǎng)絡(luò)全部“IP化”。4G網(wǎng)絡(luò)的逐步部署擴展過程中，處于對網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的不同階段及對語音業(yè)務(wù)連續(xù)性的考慮，4G還提出了如電路域回落（CSFB，Circuit Switched Fallback）及單無線語音呼叫連續(xù)性（SRVCC，Single Radio Voice Call Continuity）等過渡方案。

5G NR語音方案設(shè)計，延續(xù)了4G LTE通過IP網(wǎng)絡(luò)承載語音業(yè)務(wù)的方式，通過5G網(wǎng)絡(luò)（無線網(wǎng)+核心網(wǎng)）和IMS系統(tǒng)承載語音業(yè)務(wù)，該種方式稱為VoNR（Voice over NR）。同樣地，考慮大道5G不同階段部署規(guī)模不同，而4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛部署并可能在未來長期存在，以及對語音業(yè)務(wù)連續(xù)性保證的需求，回落方案設(shè)計也是十分必要的，因此演進的分組系統(tǒng)回落（EPS fallback）方案也是5G語音方案的一種。這里EPS fallback主要指回落到4G通過VoLTE的方式實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)，但由于4G網(wǎng)絡(luò)存在多種語音方案，當4G網(wǎng)絡(luò)無線環(huán)境較差時，不可避免地，UE會通過如CSFB的方式，完成語音業(yè)務(wù)。

2 5G語音方案介紹

2.1 方案介紹

在概述部分，本文以簡單介紹了5G網(wǎng)絡(luò)中可能存在的語音方案。

（1）VoNR：基于IMS網(wǎng)絡(luò)的5G NR 語音解決方案，架構(gòu)在5G NR網(wǎng)絡(luò)上，全IP條件下，基于IMS server的端到端語音方案。VoNR通過部署IMS，可以實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并發(fā)，所有業(yè)務(wù)都通過5G網(wǎng)絡(luò)承載，但語音業(yè)務(wù)需要IMS進行業(yè)務(wù)控制。

（2）EPS fallback：借助4G網(wǎng)絡(luò)語音業(yè)務(wù)的方案。

1）VoLTE：基于IMS網(wǎng)絡(luò)的5G NR 語音解決方案，架構(gòu)在5G NR網(wǎng)絡(luò)上，全IP條件下，基于IMS server的端到端語音方案。VoLTE方案可以保證話音質(zhì)量，但需要4G網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)間的互操作，語音業(yè)務(wù)發(fā)起時延相較VoNR會更長，同時也需要部署IMS。

2）CSFB：終端在LTE接入下能夠發(fā)起話音業(yè)務(wù)等CS業(yè)務(wù)，以及接收到話音等CS業(yè)務(wù)的尋呼，并且能夠?qū)�終端在LTE網(wǎng)絡(luò)中正在進行的PS業(yè)務(wù)進行正確地處理的技術(shù)。終端在LTE接入下能夠發(fā)起話音業(yè)務(wù)等CS業(yè)務(wù)，以及接收到話音等CS業(yè)務(wù)的尋呼，并且能夠?qū)�終端在LTE網(wǎng)絡(luò)中正在進行的PS業(yè)務(wù)進行正確地處理的技術(shù)。當前版本，5G不支持和2/3G網(wǎng)絡(luò)的交互，因此要發(fā)起CSFB，首先需要回落到4G網(wǎng)絡(luò)。當前版本，5G不支持和2G/3G網(wǎng)絡(luò)的交互，因此要發(fā)起CSFB，首先需要回落到4G網(wǎng)絡(luò)，通過這種方案實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)，時延最長，但是該方案對終端的要求比較低。

5G網(wǎng)絡(luò)部署初期，如果5G網(wǎng)絡(luò)是獨立部署（SA）的，通過EPS fallback方式回落4G，通過VoLTE甚至CSFB實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)，可以減少切換，確保語音的連續(xù)性。但隨著5G網(wǎng)絡(luò)部署的逐步成熟，VoNR將逐步成為5G主流語音方案。

2.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）VoNR

與4G網(wǎng)絡(luò)相似，通過5G核心網(wǎng)（5GC，5G core network），網(wǎng)絡(luò)就可以滿足運營商的業(yè)務(wù)需求，但是這種通過分組交換（PS，Packet Swith）實現(xiàn)的業(yè)務(wù)提供的是一種盡力而為的服務(wù)，不保證服務(wù)質(zhì)量，而語音業(yè)務(wù)對于對于話音質(zhì)量有較高的要求，特別是相較2/3G通過電路分組（CS，Circuit Switch）提供的是較為穩(wěn)定的高質(zhì)量業(yè)務(wù)。因此，5G網(wǎng)絡(luò)也需要通過部署IMS系統(tǒng)為語音業(yè)務(wù)提供語音質(zhì)量的保證。

除了為業(yè)務(wù)提供質(zhì)量保證外，IMS系統(tǒng)還提供策略和計費控制（PCC，Policy and Charging Control）。通過5G網(wǎng)絡(luò)提供VoNR的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示：

圖1 通過5GS連接IMS提供語音業(yè)務(wù)

（2）EPS fallback

根據(jù)前面的介紹，我們知道，EPS fallback方式需要5G網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)間的互操作完成語音業(yè)務(wù)，由于CSFB方案是UE在回落到4G基礎(chǔ)上進行二次回落，因此這里我們僅對通過EPS fallback方式回落到4G通過VoLTE方式完成語音業(yè)務(wù)進行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的介紹，如圖2所示：

圖2 通過EPS fallback提供語音業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

與VoNR網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，通過（EPS fallback回落后）VoLTE完成語音業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)仍需部署IMS系統(tǒng)，同時，需要4G網(wǎng)絡(luò)來完成語音業(yè)務(wù)。

2.3 基本流程

對于一個用戶終端（UE，User Equipment）來說，不論他要發(fā)起何種業(yè)務(wù)，都要經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)注冊、業(yè)務(wù)發(fā)起、資源釋放等過程，語音業(yè)務(wù)亦是如此。對于一個5G UE，如果他要在5G網(wǎng)絡(luò)上發(fā)起語音業(yè)務(wù)，需要經(jīng)歷5G網(wǎng)絡(luò)注冊（5GC Registration）、IMS系統(tǒng)注冊（IMS Register）、業(yè)務(wù)發(fā)起、資源分配、資源釋放等過程。下面將從注冊過程（包含5G網(wǎng)絡(luò)注冊和IMS系統(tǒng)注冊）以及業(yè)務(wù)發(fā)起及資源分配兩部分對5G語音實現(xiàn)進行介紹。

2.4 注冊過程

（1）5G系統(tǒng)注冊

對于任意一個用戶終端，當其開機后，都需要首先附著到5G網(wǎng)絡(luò)中，以便可以獲取相應(yīng)的服務(wù)。在初始接入過程中，網(wǎng)絡(luò)會從UE處獲取PEI（），AMF將會用EIR（）對UE 的PEI檢測，并將PEI發(fā)送給UDM、SMF、PCF等。在網(wǎng)絡(luò)注冊過程中，UE還會將注冊類型、UE能力、安全參數(shù)的信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)UE提供的信息，網(wǎng)絡(luò)對UE進行身份驗證、接入控制等。當網(wǎng)絡(luò)接受該UE時，會給UE反饋注冊接收（Registration Accept）消息，在這條信息中會包含如5G-GUTI、注冊區(qū)域、移動性限制條件、PDU會話在、語序的NSSAI、注冊更新定時器周期、LADN信息與MICO模式，以及是否支持通過PS會話實現(xiàn)IMS語音的指示，以及網(wǎng)絡(luò)是否支持N26接口時的互操作。 其中以及是否支持通過PS會話實現(xiàn)IMS語音的指示、網(wǎng)絡(luò)是否支持N26接口時的互操作兩項會對UE選擇語音實現(xiàn)方案有一定的影響。圖3是5G系統(tǒng)注冊流程圖。

圖3 5G系統(tǒng)注冊流程圖

這里“是否支持通過PS會話實現(xiàn)IMS語音的指示”是AMF根據(jù)UE能力和網(wǎng)絡(luò)能力的匹配情況設(shè)定的，為了設(shè)定該值，AMF會發(fā)起UE能力和兼容性查詢流程，且AMF設(shè)定該值后可在后續(xù)定期更新該值。具體來說AMF會在以下情況任意一個滿足的條件下將該指示設(shè)置為“支持”。

1）網(wǎng)絡(luò)能夠在當前注冊區(qū)域中通過支持語音的5G QoS流在PS會話上提供成功的IMS語音；

2）如果網(wǎng)絡(luò)無法通過連接到5GC的NR-RAN上的PS會話提供成功的IMS語音，但能夠執(zhí)行以下操作之一：

◆如果連接到5GC的E-UTRA支持IMS語音，并且NG-RAN支持切換或重定向到連接到5GC的E-UTRA，并未該UE建立用于IMS語音的QoS流；

◆如果UE支持切換到EPS，則EPS支持IMS語音，并且NG-RAN支持切換到EPS，并為UE建立用于IMS語音的QoS流建；

◆如果UE支持重定向到EPS，則EPS支持IMS語音，并且NG-RAN支重定向到EPS，并為UE建立用于IMS語音的QoS流建立。

區(qū)別于4G網(wǎng)絡(luò)附著（Attach）過程，在5G網(wǎng)絡(luò)注冊過程中網(wǎng)絡(luò)并不會為UE建立默認承載提供一直在線的服務(wù)。因此，如果該UE還是IMS用戶，當UE完成注冊后，由于還需進行IMS域注冊，因此需要建立相應(yīng)的承載/QoS流來承載注冊信令。

（2）IMS域注冊

作為一個相對獨立的系統(tǒng)，IMS需要用戶在IMS服務(wù)前進行鑒權(quán)和授權(quán)，因此與5G系統(tǒng)的注冊相似，IMS域的注冊過程也是網(wǎng)絡(luò)和UE間進行雙向鑒權(quán)的過程。

在該過程中，UE通過發(fā)出Register（注冊請求）消息，啟動IMS域的注冊過程。注冊請求消息中會包含如用戶表示、用戶信息、會話描述信息等，注冊請求消息首先會到達P-CSCF；之后，P-CSCF通過DNS得到用戶歸屬網(wǎng)的I-CSCF并將注冊消息轉(zhuǎn)到I-CSCF；通過查詢HSS，I-CSCF會為UE選擇一個S-CSCF并將消息轉(zhuǎn)到S-CSCF，然后S-CSCF借助從HSS獲取的用戶認證信息（如簽約信息、安全信息等），并UE進行鑒權(quán)數(shù)據(jù)的計算和反饋；在此只有，UE會發(fā)起二次注冊，并反饋計算數(shù)據(jù)，S-CSCF通過比較，確認UE為合法用戶后下發(fā)消息告知UE注冊成功。圖4為IMS注冊流程圖。

圖4 IMS注冊流程圖

2.5 業(yè)務(wù)發(fā)起及資源分配

一般來說，當UE完成5GS注冊及IMS域注冊，而沒有業(yè)務(wù)發(fā)起時，會釋放連接，進入空閑態(tài)，但是對于一個UE，從連接態(tài)或空閑態(tài)發(fā)起業(yè)務(wù)都是有可能的。這里，我們假設(shè)當UE完成2.3.1中所述注冊后進入了空閑態(tài)，當其要作為主叫用戶發(fā)起語音業(yè)務(wù)時會經(jīng)歷以下幾個階段：1）語音域選擇；2）語音方案確定。

（1）語音域選擇（Access Domain Selection）

本文所討論的基礎(chǔ)是，UE在5G網(wǎng)絡(luò)中注冊、駐留，一般來說UE也應(yīng)該通過5G系統(tǒng)實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)，但是存在一些情況，5G網(wǎng)絡(luò)不能為UE提供語音服務(wù)，需要UE重選或重定向到4G或2G/3G小區(qū)去，語音域選擇過程就是為了解決該問題。

UE進行接入域選擇時會考慮以下因素：

1）UE在IMS域的狀態(tài)：注冊或未注冊；

2）上文所提到的“是否支持通過PS會話實現(xiàn)IMS語音的指示”；

3）UE希望通過“語音業(yè)務(wù)為中心”還是“數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為中心”的方式接入5G系統(tǒng)；

4）UE對IMS PS語音的支持能力；

5）UE在雙注冊模式下進行所選PDU會話轉(zhuǎn)換的能力；

6）3GPP PS Data Off是否激活以及IMS語音是否包含在3GPP PS Data Off Exempt Services中。

如果UE不能在5G系統(tǒng)使用IMS進行語音業(yè)務(wù)，如因為“否支持通過PS會話實現(xiàn)IMS語音的指示”為“不支持”，也即5G系統(tǒng)不支持語音業(yè)務(wù)，UE則會根據(jù)“語音業(yè)務(wù)為中心”或“數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為中心”來選擇是否留在5G系統(tǒng)。

對于將5G系統(tǒng)設(shè)置為“語音業(yè)務(wù)為中心”的UE，他會盡可能的保證語音服務(wù)。對于這樣的UE，如果他同時支持5GC能力和EPC能力，而不能在5G系統(tǒng)獲得語音服務(wù)，他在小區(qū)選擇時將不會選擇只能連接到5GC的小區(qū)（5G中支持及連接到5GC同時連接到EPC的小區(qū)）。UE會通過禁用5GC能力，然后進行小區(qū)重選，盡可能的先選擇大連接到EPC的LTE 小區(qū)，按照4G語音方案進行如語音域選擇，方案選擇等實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)；

而對于設(shè)置5G系統(tǒng)設(shè)置為“數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為中心”的UE，即便當前小區(qū)不能時間語音業(yè)務(wù)，也不會進行小區(qū)重選。

（2）語音方案確定

不同于4G語音方案中，UE可以根據(jù)自己的選擇發(fā)起VoLTE還是CSFB（通過發(fā)送Service Request或Extended Service Request來區(qū)分），5G系統(tǒng)中，UE僅通過發(fā)送Service Request告知網(wǎng)絡(luò)自己需要發(fā)起語音業(yè)務(wù)，而具體實現(xiàn)方式由網(wǎng)絡(luò)決定。圖5為UE語音方案確定過程：

圖5 UE語音方案確定

1）UE駐留在5G系統(tǒng)的NG-RAN上，并進行MO/MT IMS語音會話建立的初始化，也即UE會發(fā)送Invite信令到IMS域。

2）網(wǎng)絡(luò)發(fā)起PDU會話修正過程以便通為通過NG-RAN實現(xiàn)的語音建立QoS流。

3）如果NG-RAN配置支持對IMS 語音進行EPS fallback，RAN側(cè)會將UE能力、AMF關(guān)于是否支持通過重定向發(fā)起語音業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)配置（如是否配置了N26接口）、以及當前無線條件等因素綜合考慮，來決定是為UE發(fā)起EPS fallback還是通過5G系統(tǒng)提供VoNR。為了進行該判定，RAN側(cè)可能會對LTE小區(qū)進行測量。

4）如果無線側(cè)判定要通過EPS fallback方式來實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)，無線側(cè)會拒絕PDU會話修正過程來為IMS語音建立QoS流，并告知SMF和PGW-C由于IMS語音回落要發(fā)生移動性，然后根據(jù)UE能力，網(wǎng)絡(luò)配置等，發(fā)起切換或重定向過程。當UE接入到EPS后，SMF/PGW重新發(fā)起專用承載建立過程，為語音業(yè)務(wù)建立承載，然后進行IMS會話建立等過程；如果無線側(cè)判定可以通過5G系統(tǒng)提供語音業(yè)務(wù)，則會接收PDU會話修正請求，通過RRC重配建立相應(yīng)的QoS流/承載，然后進行IMS會話建立等過程。

無論是通過VoNR還是VoLTE完成語音業(yè)務(wù)，IMS會話建立的過程都是類似的，只是因為5G核心網(wǎng)和4G核心網(wǎng)架構(gòu)及網(wǎng)元功能分配不同上略有不同，這里不再做介紹。

3 語音方案優(yōu)化方向

通過上文對5G系統(tǒng)中語音方案的介紹，可以發(fā)現(xiàn)，相較4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)從架構(gòu)上就存在更多的可能性，如存在4G基站接入到5G核心網(wǎng)的情況，這為5G語音業(yè)務(wù)的實現(xiàn)提供了更多的多樣性；此外，本身5G語音方案，繼承和改進了4G方案，方案選擇上也有更多可能。這些多樣性的存在一方面為保證用戶在5G系統(tǒng)中完成語音業(yè)務(wù)提供了保障，另一方面也帶來了一些問題。

（1）能力匹配問題

不同于4G網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)，5G網(wǎng)絡(luò)中存在多種語音方案，這也意味著網(wǎng)絡(luò)和UE所支持或所偏好的語音方案可能有差異，從而造成網(wǎng)絡(luò)和終端能力不匹配問題；另外，根據(jù)前文所述，由于5G網(wǎng)絡(luò)支持LTE連接到5G核心網(wǎng)的情況，且由于4G基站的廣泛部署，該中架構(gòu)也將極有可能在未來的5G網(wǎng)絡(luò)中廣泛存在。多種架構(gòu)的存在，也更加劇了“是否支持通過PS會話實現(xiàn)IMS語音的指示”的不明確性，UE無法向在4G網(wǎng)絡(luò)中那樣根據(jù)該指示明確網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀與自己能力的匹配程度，這會造成UE語音業(yè)務(wù)無法實現(xiàn)或者增大實現(xiàn)的時延。

要解決上述問題，可以從“是否支持通過PS會話實現(xiàn)IMS語音的指示”的明確性提升入手，也可以在UE注冊或者發(fā)起業(yè)務(wù)過程中通過更多的細致的能力匹配判斷來避免這一問題，及早發(fā)現(xiàn)能力的不匹配，讓UE選擇合適的無線小區(qū)發(fā)起業(yè)務(wù)。

（2）時延優(yōu)化問題

在能力不匹配問題中，我們提到了由于能力不匹配可能造成UE發(fā)起語音業(yè)務(wù)時延增大的問題，對此將不一一贅述。

另外，通過前文的方案介紹我們可以發(fā)現(xiàn)，相比4G語音方案，5G語音方案的決策權(quán)都在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，這樣做雖然能夠保證網(wǎng)絡(luò)的可控性，但細細研究現(xiàn)有流程也能夠發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有流程中網(wǎng)絡(luò)的決策時刻較晚，在此之前，會有很多UE和5G網(wǎng)絡(luò)、IMS的交互，一定程度上也增大了UE的語音業(yè)務(wù)發(fā)起時延，特別是當網(wǎng)絡(luò)決定讓UE進行EPS fallback情況下。對于該問題，可考慮借鑒LTE中UE發(fā)起不同語音方案的方式，以及將網(wǎng)絡(luò)決策點提前等方式來解決。

（3）語音業(yè)務(wù)連續(xù)性問題

語音業(yè)務(wù)的連續(xù)性是語音業(yè)務(wù)的一大重要指標，保證語音業(yè)務(wù)連續(xù)，提供高用戶體驗是十分必要的。由于當前協(xié)議版本暫不支持5G和2G/3G之間的互操作，因此也不支持通過使用SRVCC的方式到UTRAN完成語音業(yè)務(wù)，在一些場景下，發(fā)生移動性時會存在語音連續(xù)性問題，圖6所示為集中可能存在語音業(yè)務(wù)不連續(xù)的場景：

場景1

場景2

場景3

圖6 語音業(yè)務(wù)不連續(xù)場景示意

其中場景1為UE所處網(wǎng)絡(luò)中，運營商支持VoNR和VoLTE，但由于部署不完善，發(fā)生移動性時，UE移動到一個VoNR和VoLTE的空洞處，造成掉話；場景2為運營商部署了VoNR和LTE，但在LTE網(wǎng)絡(luò)中未配置VoLTE，當UE從5G網(wǎng)絡(luò)移動到4G網(wǎng)絡(luò)中時便會發(fā)生電話；場景3為在一些國家和地區(qū)，本身沒有部署4G而是只部署了2G/3G，后續(xù)直接部署5G，而5G和2G/3G網(wǎng)絡(luò)間的互操作又不被支持，當UE移動出5G網(wǎng)絡(luò)后，便會發(fā)生掉話。

針對這個問題，最直接的解決方案是支持5G和2G/3G網(wǎng)絡(luò)間的互操作，避免4G、5G網(wǎng)絡(luò)部署帶來的空洞等問題，或者考慮如D2D，V2X等方式進行彌補。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)現(xiàn)有協(xié)議標準進度，介紹了5G網(wǎng)絡(luò)語音方案，從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、工作流程等層面對語音方案進行了說明。之后基于對現(xiàn)有流程的理解和認識，對能力匹配、時延優(yōu)化、語音業(yè)務(wù)連續(xù)性等方面進行了分析，探究了當前語音方案的問題，并提出了一些可能的優(yōu)化方向，為后續(xù)5G語音方案的優(yōu)化、落地指明了方向�！�

作者：劉瀟蔓 陳卓 來源：《移動通信》