VoNR 語音解決方案應用研究

李貝，劉光海，肖天，胡煜華，鄭杭波，成晨，伍一帆，黃秀珍

（1. 中國聯合網絡通信有限公司研究院，北京 100048；2. 中國聯合網絡通信有限公司浙江省分公司，浙江 杭州 310051；3. 杭州蕭山國際機場有限公司，浙江 杭州 310051；4. 杭州中威電子股份有限公司，浙江 杭州 310051；5. 浙江理工大學科技與藝術學院，浙江 紹興 312369）

0 引言

數據業務需求是移動通信網絡向5G 演進的主要推動力，但語音業務仍然是不可或缺的業務需求。移動通信網絡的語音業務經歷了2G、3G、4G 到5G 不同的解決方案，3GPP 確定了5G 沿用4G 的語音架構仍基于IP 多媒體子系統（IP multimedia subsystem，IMS）提供語音業務，5G 獨立組網（5G SA）主要有演進的分組系統回落（evolved packet system fallback，EPS Fallback）和5G 新通話（voice over new radio，VoNR）兩種方案。VoNR 語音呼叫建立時長更短、語音質量更好，且用戶在語音通話的同時能享受暢快的5G 網速，用戶體驗質量大幅提升。此外，隨著VoNR 規模部署，更多的語音業務向4G/5G網絡遷移，這有利于加速淘汰老舊的2G/3G 電路交換（circuit switching，CS）的語音方案，重耕2G/3G 優質頻段。

1 語音通信技術發展歷程

移動通信網絡的語音業務解決方案，2G 和3G采用CS 語音方案，4G 采用電路域語音回落（CS fallback，CSFB）和長期演進語音承載（voice over long-term evolution，VoLTE）的語音方案[1]，CSFB即終端在4G 網絡語音呼叫時從4G 網絡回落到2G/3G 網絡的電路域進行語音通話結束后返回4G網絡，VoLTE 即長期演進（long-term evolution，LTE）網絡直接提供基于IP 的語音業務；5G 網絡有非獨立組網（NSA）和SA 兩大選項，對應采用VoLTE、EPS Fallback（即終端在5G 網絡語音呼叫時從5G 網絡回落到4G 網絡進行基于IP 的語音業務通話結束后返回5G 網絡）、VoNR 3 種語音方案[2]；從2G、3G、4G 到現在的5G 時代，為了增強實時語音通信的清晰度，語音編碼技術從自適應多速率（adaptive multi-rate，AMR）語音、寬帶自適應多速率編碼（adaptive multi-rate- wideband，AMR-WB）演進到增強型語音服務（enhanced voice service，EVS）[3]。

2 語音通信現狀及面臨的挑戰

語音技術演進方面，5G SA網絡初期采用EPS Fallback 到LTE 網，SA 網絡成熟后采用VoNR 方案[4]，VoNR 和EPS Fallback 共用一套IMS 架構，4G 核心網分組核心網（evolved packet core，EPC）和5G 核心網（5G core，5GC）分別作為分組語音的承載。EPS Fallback 與VoNR 方案結構比較如圖1 所示[5]，EPS Fallback 與VoNR 方案理論性能差異比較見表1[6]，VoNR 較現網EPS Fallback 具有無須系統間操作、呼叫時延短、高清晰高保真語音體驗等優勢[7]，待現網中驗證后應用。

表1 EPS Fallback 與VoNR 方案理論性能差異比較[6]

圖1 EPS Fallback 與VoNR 方案結構比較[5]

網絡方面，隨著4G 網絡不再大量建設、5G共建共享后網絡規模不斷擴大，NR 覆蓋不連續的場景需要向VoLTE 切換保障語音業務連續，5G網絡全覆蓋后可不依賴4G 網絡使網絡建設更獨立、靈活。

終端方面，截至2021 年年底，高通、三星等主要芯片廠商已支持VoNR，華為、小米、三星等主流終端廠商軟、硬件均必選支持VoNR 并默認開啟VoNR 功能，VoNR 產業鏈進展可以滿足商用需求，須推動端網適配。

用戶感知方面，用戶凈推薦值（net promoter score，NPS）提升對用戶語音感知需求提出了更高要求。

3 VoNR 與VoLTE 方案趨同性和差異性

VoNR 信令流程、信令中包含消息內容、語音包狀態及周期均與4G VoLTE 相似，VoNR 與VoLTE 方案比較見表2[8]，VoNR 較VoLTE 支持更多編碼方式、語音體驗更佳，終端功耗增加專用帶寬部分（bandwidth part，BWP）節電性能提升。VoNR 所使用的承載包括信令承載（signaling radio bearer，SRB）和業務承載（data radio bearer，DRB）[9]。3GPP 協議定義了5G 服務質量等級標識（5G QoS identifier，5QI）[10]，描述了服務質量（quality of service，QoS）流在用戶設備（user equipment，UE）和用戶面功能（user plane function，UPF）之間端到端接收分組數據處理特性。確認模式（acknowledged mode，AM）、非確認模式（unacknowledged mode，UM）為無線鏈路控制（radio link control，RLC）層的傳輸模式。5QI 對應4G 的服務質量等級標識（QoS class identifier，QCI）。

表2 VoNR 與VoLTE 方案比較[8]

3GPP 定義了終端可配置最多4 個上行/下行BWP，但同一時刻只能激活一個上行/下行BWP，終端在激活的BWP 范圍內接收/發送信息[11]。多BWP 有利于根據運營商的可用帶寬以及UE 能力支持的帶寬綜合配置以滿足不同需求，支持多專用BWP 的終端可以通過不同帶寬的BWP 之間的轉換和自適應，將UE 切換到所需帶寬運行以降低終端能耗。

連接態下的非連續接收（connected discontinuous reception，C-DRX）可以讓UE 周期性地進入睡眠狀態而不監聽物理下行控制信道，監聽時則從睡眠狀態中喚醒，以節省UE 電力消耗[12]。C-DRX對應VoLTE 采用DRX（discontinuous reception，DRX）。非連續接收長周期的長度（DRX-Long Cycle）、上行/下行BWP 傳輸塊中接收到的符號數（DRX-HARQ-RTT-timer UL /DL）、DRX 持續定時器的長度（DRX-onDuration Timer）、DRX 非激活定時器的長度（DRX-inactivity Timer）、混合自動重傳請求（hybrid automatic repeat request，HARQ）重傳時需監聽的最大的物理下行控制信道（physical downlink control channel ， PDCCH ） 的 子 幀（DRX-retransmission Timer DL）、DRX 非激活定時器的長度、HARQ 重傳時需監聽的最大的物理上行鏈路控制信道（physical uplink control channel，PUCCH）的子幀數（DRX-Retransmission Timer UL）等參數組合共同影響DRX 操作機制。

4 VoNR 方案實施效果

某運營商在某市對VoNR 性能表現、VoNR業務中終端差異性以及VoNR 語音通話終端功耗進行研究。

4.1 VoNR 性能平穩時延改善明顯

SA 基站下不同語音能力終端分場景配置語音碼率為AMR-WB 23.85 kbit/s 進行VoNR 與VoNR 終端/非VoNR 終端互通各10 次拉網測試，VoNR 互通性能測試統計見表3，其中面場景指市區道路、居民區道路為代表的面上的覆蓋。不同語音能力終端用戶均能正常起呼實現互聯互通，性能穩定，語音接通率達100%，整體看VoNR 互通平均意見得分（mean opinion score，MOS）均值、呼叫建立時延均優于非VoNR 業務。面場景3.5 GHz 網絡的VoNR 路測（driving test，DT）數據秒級采集如圖2 所示，去除異常采樣點RSRP約-110 dBm 時MOS＜3.5，5G 不同頻率下RSRP、SINR 與MOS=3.5 關系需要深入研究并進一步定標。另外，異設備廠商邊界目前Xn 接口還沒有互通，因此均須通過共享基站核心網實現通信，造成時延較長。在切換速度快的高速場景、SA 覆蓋區域和4G 覆蓋區域邊界移動時異系統切換判決門限設置合理性對該些場景的語音業務質量有影響，從而導致時延及MOS 值劣于面場景的整體測試指標。

圖2 面場景3.5 GHz 網絡的VoNR DT 數據秒級采集

表3 VoNR 互通性能測試統計

4.2 端網適配已逐漸完善

目前高通、海思等主要芯片廠商理論上已支持VoNR，但需要進行端網適配，在實際網絡應用中，有6 款終端已完成網絡和路測工具適配（例如目前華為P40 適配華虎路測軟件、三星S21 適配鼎利路測軟件等，適配終端數量在不斷增加中），可以通過路測進行現網中VoNR 性能評估，在某運營商承建的SA 3.5 GHz 網絡共享站某市區道路場景同一測試區域進行不同芯片5G 終端對比測試，配置語音碼率為AMR-WB 23.85 kbit/s時主被叫進行VoNR 連接態互撥的拉網測試，芯片X 的終端型號A 和芯片Y 的終端型號B 兩款終端存在SSB 測量的差異性，試點區域不同芯片測試終端路測網絡感知對比如圖3 所示，本輪測試芯片X 質量優于芯片Y。對編碼速率比較發現芯片X 的編碼速率可自適應變化、芯片Y 的編碼速率保持23.85 kbit/s。由于目前試點城市VoNR開通終端數量有限，建議終端廠商緊跟VoNR 開通步伐，聯合芯片廠商采集log 分析終端性能，及時進行差異化分析，適時進行提升性能的版本升級。

圖3 試點區域不同芯片測試終端路測網絡感知對比

為了對比不同終端的性能差異，在某運營商承建的SA 3.5 GHz 網絡共享站辦公室場景進行5G 終端型號D（芯片Y）和終端型號E（芯片X）對比的相同場景弱覆蓋場景的定點測試，測試方法為D、E 均為主叫在辦公樓宇內RSRP=-100 dBm、-105 dBm、-110 dBm、-115 dBm 的點位分別向被叫（固定在同一個5G 好點）撥打 VoNREVS24.4 kbit/s 語音呼叫，呼叫保持45 s 掛斷，間隔15 s 后重新發起，每個點位重復50 次。測試結果表明EVS24.4 kbit/s 較AMR23.85 kbit/s 整體MOS 偏高，這與兩者算法差異有關，需要進一步進行算法差異分析，4 個點位兩款終端呼叫成功率為100%、掉話次數0 次、掉話率0%，兩款終端在4 個點位主要路測指標對比見表4，終端D 部分MOS 采樣點在語音文件感知清晰的情況下打分明顯過低，存在異常，初步定位為路測音頻口松動、路測時云MOS 服務器異常、終端異常過熱導致，建議后繼全國大范圍路測時關注該問題。另外，路測RSRP 為-115 dBm 點位兩款終端RSRP 采樣點對比如圖4 所示，在RSRP 為-115 dBm 點位，一定比例終端D 的采樣點RSRP下降至-130 dBm 以下、終端E 性能較穩定RSRP在-120 dBm 以上。

表4 兩款終端在4 個點位主要路測指標對比

圖4 路測RSRP 為-115 dBm 點位兩款終端RSRP 采樣點對比

4.3 終端功耗改善等配套優化措施成效初顯

為降低VoNR 終端功耗進行參數優化，相同終端設置BWP 與數據業務下的配置相同，配置BWP1=100 MHz，BWP2=20 MHz。為了達到最優功耗效果，C-DRX 設置了3 套參數，3 套CDRX驗證參數見表5，對比每組參數下的功耗節省效果以及兼容性情況。VoNR 語音通話終端功耗對比分析如圖5 所示，開啟C-DRX 后功耗有顯著降低，平均降低21.3%，配置BWP 后，VoNR 功耗降低22.3%，同時配置BWP 和C-DRX2 的功耗節省效果最優，相比不配置BWP 及C-DRX 終端VoNR功耗節省32.2%，且未發現兼容性問題，推薦配置該參數并進一步開展VoNR 端網兼容測試。其中平均降低功耗計算方法為 1-（C-DRX1+C-DRX2+ C-DRX3）/3/關閉C-DRX。

表5 3 套CDRX 驗證參數

圖5 VoNR 語音通話終端功耗對比分析

5 挑戰及展望

VoNR 語音解決方案的挑戰及展望具體如下。

（1）5G 深度覆蓋不足

VoNR 不依賴4G 網絡進行語音業務，目前5G網絡部分重點場景宏基站、室內重點場景（如樓宇）垂直覆蓋不足[13]，而隨著5G 用戶發展和終端VoNR 適配性提高[14]，在5G 覆蓋不足區域存在VoLTE、VoNR 互操作問題，當5G 覆蓋滿足一定標準下可考慮全面進行VoNR 商用，建議一方面加大5G 網絡共建、共享力度和進度，一方面采用微基站、天線權值調整等手段提升5G 網絡覆蓋，同時盡快完成VoNR 商用標準確定。

（2）2.1 GHz 引入及多頻多網協同風險

目前部分5G 采用2.1 GHz 覆蓋，與3.5 GHz的VoNR 互操作策略部署建議比較，VoLTE、VoNR 互操作存在4G 和5G 不同設備廠商而參數配置匹配不一致風險，建議統一考慮，目前短期看VoLTE 仍是語音承載主要方式，而LTE 2.1 GHz 退頻影響4G 覆蓋連續性，建議加強多頻多網協同，語音頻譜策略需要網絡共建、共享各方協同推進。

（3）多語音場景并存下運維復雜性增加

2G、3G、4G、5G 聯合組網，跨網絡、跨廠商，多頻段多制式互操作復雜[15]，尤其是異設備廠商、異運營商、5G 與4G 區域邊界，須加強移動性策略研究（如語音切換策略確定），提升運維優化能力。

（4）端網協同待完善

終端方面，目前與VoNR 測試工具適配的測試終端種類較少，難以完全評估每款終端在現網中的VoNR 實際性能，須加快終端與網絡、路測軟件的適配，且在VoNR 實際測試使用中，不同終端敏感度有一定差異，EVS24.4 kbit/s 與AMR23.85 kbit/s 算法存在差異，對不同編碼算法、多種類型終端的差異性須盡快展開研究驗證，加快推進VoNR 產業鏈發展；無線網方面，須進一步進行VoNR 的RLC 層分片限制等增強功能的研究和驗證用以提升VoNR 業務感知和覆蓋能力，同時為了保障VoNR 商用，須進行VoNR 試點城市典型優化問題梳理和指導，總結優化中的問題為全國商用提供借鑒，協同友商、設備廠商制定并全國發布VoNR 無線關鍵參數配置建議，為VoNR 商用后評估做好保障；網管方面，需要協同友商制定VoNR 無線側指標規范為VoNR 商用后性能評估打好基礎；承載網方面，需要進行容量及傳輸質量優化解決抖動、丟包等問題；核心網方面，需要制定EVS 開通對增值業務的影響的標準解決方案，并為計費系統增加VoNR 開網核心網包括與VoLTE 區分等的計費參數。

6 結束語

本文基于語音通信技術發展歷程、VoNR 技術特點等方面，對VoNR 語音解決方案進行了深入剖析，對VoNR 語音解決方案實施效果進行了分析，并對當前面臨的挑戰和展望做了進一步探索，為后繼VoNR 語音全國實施提供了技術借鑒。VoNR 語音解決方案具有無須系統間操作、呼叫時延短、高清晰高保真語音體驗、視頻畫質不變前提下數據量減少、可與虛擬現實應用結合等優點，具有廣闊的應用前景。