5G核心网VoNR语音演进方案研究

陈俊锴

中通服中睿科技有限公司

摘要：作为最基本的通讯服务，语音业务具有最大的承载能力，是5G时代电信运营商的主要基础业务。本文简单地阐述了语音技术的发展历史，以及 VoNR (5G语音承载）、 EPS Fallback (5G语音还原4G）、 RAT Fallback (5G语音增强、 eLTE（增强型4G网络）、5G SRVCC (5G语音恢复2G/3G）等语音方案的特点。本文对5G的发展、完善、运营和部署，提出了分三个步骤的5G语音解决方案。

关键词：5G核心网；语音解决方案；VoNR（5G语音承载）；网络部署

引言

5G技术的商业化，伴随着5G技术的初步发展，以及国内各大电信公司的积极参与，5G的新的大幕即将揭开。提到5G，人们对5G的认识就是它能提供三种主要的应用方案，并希望它能作为一个共同的平台，在将来的发展中。然而，在5G的早期，语音服务依然是最主要的一项。语音服务是5G时代最古老的通讯服务，它不仅不会消失，反而会不断地发展出新的技术。5G语音将逐渐打破“人人”通讯的常规方式，并将其导入“人-物”甚至“物-物”的通讯方式，拓展出更广泛的产业应用领域。

1、语音方案演进历程

在2G时代，语音服务成为主流，3G网络时代，对数据服务的需求不断增加，但是，目前主要的应用还是以 CS（Circuit）语音为主。在4G年代，虽然数据服务出现了爆炸，但是语音服务依然是消费者在选择电信运营商时考虑的一个重要问题。由于4G仅具有包域网，不能提供常规的线路域语音，因此采用 VoLTE (4G语音载体）和 CSFB (Circuit Buffer）来为当时的语音服务提供支撑。

在5G的今天，语音服务仍是人类最基础的通讯需要。在5G时代， VoLTE是5G时代的主要语音网络，它将和5G语音网共同保证业务的持续发展。VoNR （5G）是最终的解决办法，VoNR、VoLTE、2G/3G语音服务将会并存。在5G没有提供语音服务的情况下，全部通话退回4G，4G语音服务将被取消。当4G不能支持 VoLTE时，语音通话将会从4G降至2G/3G，而2G/3G将会有语音服务。如果将5G技术引进 IMS，就能实现 VoNR,5G将为5G覆盖地区的语音服务。图1显示了整个手机系统的发展过程。

图1移动语音演进历程示意图

2、5G语音方案

随着3G PPR15标准的出台，5G语音将继续保持 VoLTE的语音结构，仍然是以 IMS为基础。目前5G语音技术的发展方向有两种，一是以 EPC (4G数据中心网络）/IMS为基础的演进式语音， VoLTE提供语音业务；二是以5GC/IMS （5G）为基础的全新语音系统，通过 VoNR技术实现语音业务，在 VoNR网络容量不足的情况下，可以通过 VoLTE或 CS系统来实现。5G语音除目标演进方案 VoNR之外，还包括 EPS Fallback、 RAT Fallback (5G语音衰减 eLTE （增强4G）、 VoLTE/CSFB 、5G SRVCC (5G语音缩放2G/3G）等中间过渡方案，将在下文中逐一进行说明。

VoNR：这是一种基于5GNR （News-NR）的语音解决方案，它引进了最新的音频和视频压缩技术，如 IVAS, H.266/VCC，它能为 VR应用提供支持。VoNR技术在 IMS网络上实现了 VoLTE的全 IP服务，实现了语音服务与高速数据服务的融合，并实现了并行应用。在 VoNR系统中，5GNR和 IMS网络的规模部署是为了保障语音服务的质量，在 NR覆盖范围不大的情况下，终端会在 NR覆盖范围内进行切换，转换到 LTE网，以提供业务。

EPS Fallback：在5GNR网络容量不足的情况下，采用 EPC/LTE技术和5GC/NR技术实现了对语音和数据的传输。在 EPS回传模式中，用户常驻5GC, NR为其提供高速的数据服务，并在语音服务中使用。通过5G基站发送5GC的信号或请求主动回落到4G使用 VoLTE的服务。在核心端，需要5GC开通与 EPC和 IMS的业务接口，而接入端则需要 NR和 LTE的覆盖。因为采用了有源下降的方法，所以持续的持续时间比 VoLTE模式要长400ms，并且不会对用户造成影响。

RAT Fallback：这种方法与提供数据服务和 eLTE语音服务的 EPS Fallback模式相似。NR在终端启呼时将提升方向或inter-RAT请求发送给5GC，指令该终端切换到提供 VoLTE语音业务的 eLTE/IMS网络。该方案需要将现有网络 LTE站点升级到 eLTE，并与 NR共覆盖，对现有网络的升级和更新提出了更高的要求。

VoLTE/CSFB：在这种模式下，5GNR仅仅是一种无线接入，而 IMS则把它看作是 LTE的接入用户，并将其作为 LTE的接入服务。终端采用 NR、LTE的双重连接方式，完成了高速的数据服务，但是语音服务仍在 LTE中进行。当终端离开 LTE覆盖区域时，将会通过 CSFB返回至 CS网。该方案不会对 LTE现有网络造成太大的影响，同时也不会增加对现有网络的改造。

5G SRVCC：在这种模式下，5GNR为数据服务， CS为语音服务，终端为5GC，当出现呼叫时，会自动切换。5GC和2G/3G语音装置之间不存在直接的业务接口，该转换请求经由4G装置代理转送到2G/3G语音装置，然后将语音退回到2G/3G，完成业务传输，完成后迅速切回 NR。

3、5G语音方案部署建议

目前，5G网络正在发展中，2G/3G/4G/5G网络共存，由于标准太多，运营成本高，而2G/3G语音资源被2G/3G语音所占用，运营商目前面临着“建设不增收，运营成本高”的两难境地。加速2G、3G业务向4G/5G移动，并逐步淘汰2G/3G。其中，电话是电信企业最重要的基础业务，它不仅要保证业务的连续性，而且要实现经济、有效的发展；在电信企业中，如何合理地配置新的语音载体网络，是电信企业面临的一个新课题。VoNR是5G最终的语音解决方案，通过5G网络直接承载语音，使5G语音的“零回落”。VoNR采用了 EVS （VoNR）和 H.256编码技术，使得 VoNR能提供更好的通话质量，并能在语音业务中利用5G的高速数据传输，极大地提高了用户的使用体验，实现了供需两方面的双重驱动，VoNR技术是5G技术发展的一个关键环节。

3.1阶段一

在5G应用的前期和中期，5G NR仅仅是一个热点，为了防止5GNR和 LTE之间的频繁切换，5G NR将不会在这个阶段提供语音业务。在这一阶段，可以根据网络的部署密度和使用技术来确定语音下降载体： VoLTE的 EPS Fallback, VoeLTE RAT Fallback，以及基于 CS Voice的5G SRVCC。

a)采用 EPS Fallback 、语音和数据服务分网载体， VoLTE为语音载体。5G语音采用 EPS下降机制。EPS下降机制是指在5GNR上设置 IMS语音信道时， EPS下降，并启动5GC的切换或重新定向，然后返回 LTE/EPC网，语音服务由 LTE/EPC网提供。

b) RATFB模式，以语音及数据服务为分网，以 VoLTE为语音载体；RAT下降机制是在5GNR上建立 IMS语音信道时启动的 RAT下降（5GC锚定，5GNR》 eLTE), RAT下降（RAT下降），启动5GC的切换或重新定向请求；退步至 Elte/5GC网络，提供语音服务。

c)5GSRVCC系统，以语音和数据业务为分网， CS Voice为语音载体，需要对5GC/AMF、 MME、 MSC 进行服务界面的更新， MME设备负责5GC到 MSC之间的转换，5G语音系统通过 SRvCC下行（5GC-）。在此方案中，当使用者在5G NR上设置 IMS语音信道时， SRVCC将会下降，启动5GC的 SRVCC切换或重新定向，而3G/CS系统则会提供语音服务。

3.2阶段二

5G的中期和晚期，5GNR为持续覆盖，5GC已大量部署，5GNR接入5GC；VoNR技术用于5G语音。VoNR负责语音、数据业务的端到端承载，并实现了5G语音的具体实现。图2显示了5G语音解决方案的逐步发展。

图2 5G语音解决方案分阶段部署示意图

回顾4G语音的发展历程，VoLTE是4G语音发展的主要目标，在4G覆盖范围从薄到厚，到成熟的产业链，所有的电信公司都选择从 CSFB到 VoLTE。目前，我国电信公司在 IMS、5GC、EPC等方面都有一定规模的部署，但是在 NR和 VoLTE方面，其部署规模却有很大差别。该系统的演进战略与当前的5G部署时间和现状密切相关。在5G应用的前期和后期阶段， VoLTE覆盖率高的电信公司可以在早期阶段采用 EPS/RAT Fallback，而 VoLTE网络覆盖率低的电信公司则可以在早期阶段采用5G SRVCC。在5G网络的发展阶段，随着网络覆盖深度加深，语音业务可以顺利地过渡到 VoNR网络。而5G语音发展则要求更多的频谱资源，特别是具有较强穿透能力的低频带，加速5GNR覆盖和2/3G的扩频是无线通信技术发展的一个重要方向。通过逐步引进 NR单独的组网方式，实现4G+5G的简单无线网，既节省了公司的运行费用，又节省了资金，提高了网络的容量。

结束语

随着全球信息技术的发展，信息服务对移动通讯网的发展起到了促进作用，但是，语音服务依然是电信企业最主要的服务。文章对语音技术的特征和发展过程进行了深入的研究和分析，并对5G的语音解决方案进行了系统的设计，为下一代的语音应用提供了技术支持。伴随着技术的不断更新，移动通讯技术已经迈入5G的年代，电信运营商的语音服务网络也必须顺应时代的变化，走向更先进的技术。VoNR在5G时代的引进，也使语音和图像通讯发生了巨大的变化，并赋予了使用者许多意料之外的新功能和体验。

参考文献

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[2]赵云峰，魏芹，戴寒怡.5G语音解决方案EPSFallBack研究［J］.江苏通信，2021，（1）：21-34