5G語音關(guān)鍵技術(shù)和體驗提升策略

王海飛 馬傳項 洪濤涌 丁 博

中郵建技術(shù)有限公司

0 引言

5G時代，語音業(yè)務(wù)仍是必需的基本業(yè)務(wù)能力。5G沿用4G的話音架構(gòu)，基于IMS提供話音業(yè)務(wù)。5G獨立組網(wǎng)模式下，語音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都承載在5G網(wǎng)絡(luò)上，基于5G的大帶寬、低時延特性，帶來更佳通話體驗。5G網(wǎng)絡(luò)還新增一些針對語音的技術(shù)，進一步提升語音體驗。

1 5G語音解決方案

5G組網(wǎng)類型分為NSA（non-standalone）組網(wǎng)和SA（standalone）組網(wǎng)兩類，不同組網(wǎng)類型的語音解決方案不同。5G語音解決方案演進路徑如圖1所示，運營商可以根據(jù)其5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)情況選擇合適的演進路徑。

圖1 5G語音解決方案演進路徑

1.1 NSA組網(wǎng)下語音解決方案

NSA組網(wǎng)下的5G語音解決方案采用的是4G語音解決方案，當(dāng)4G網(wǎng)絡(luò)支持VoLTE（即部署了IMS）時，5G終端在4G網(wǎng)絡(luò)中直接基于VoLTE進行語音業(yè)務(wù)。當(dāng)5G終端處于LTE小區(qū)覆蓋邊緣時，語音業(yè)務(wù)通過SRVCC切換至2G或3G網(wǎng)絡(luò)。具體實現(xiàn)方式如圖2所示。

圖2 5G終端基于VoLTE進行語音業(yè)務(wù)

當(dāng)4G網(wǎng)絡(luò)不支持VoLTE（即未部署IMS）時，5G終端的語音業(yè)務(wù)通過CS Fallback回落至2G或3G網(wǎng)絡(luò)。具體實現(xiàn)方式如圖3所示。

圖3 5G終端基于CS Fallback進行語音業(yè)務(wù)

1.2 SA組網(wǎng)下語音解決方案

當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)支持VoNR時，5G終端直接基于5G網(wǎng)絡(luò)進行語音業(yè)務(wù)。當(dāng)5G終端處于NR小區(qū)覆蓋邊緣時，語音業(yè)務(wù)通過PSHO（packet switched handover）切換至4G網(wǎng)絡(luò)，即采用4G網(wǎng)絡(luò)的語音解決方案。具體實現(xiàn)方式如圖4所示。

圖4 5G網(wǎng)絡(luò)支持VoNR時的語音解決方案

當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)不支持VoNR時，5G終端的語音業(yè)務(wù)通過EPS Fallback回落至4G網(wǎng)絡(luò)。具體實現(xiàn)方式如圖5所示。

圖5 5G網(wǎng)絡(luò)不支持VoNR時的語音解決方案

上述兩種方案中都涉及到了5G回落到4G的技術(shù)，即VoNR的PSHO和EPS Fallback，且都是在5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋變差的情況下使用的，那二者之間具體的差異是什么呢？

VoNR的PSHO：用戶在撥打或接聽語音電話時，優(yōu)先基于5G網(wǎng)絡(luò)進行VoNR業(yè)務(wù)，只有在進入到NR覆蓋效果較差或無覆蓋的場景下，才需要進行PSHO切換。PSHO切換不需要中斷RRC連接（基于RRC重配置），屬于無縫切換，因此基本不影響用戶感受。

EPS Fallback：用戶在撥打或接聽語音電話時，在建立通話之前就必須從5G網(wǎng)絡(luò)通過PSHO切換或重定向回落至4G網(wǎng)絡(luò)進行VoLTE。目前一般采用PSHO切換和重定向同時部署的方式，而重定向方式下會中斷RRC連接，整體回落時間相對較長。不管采用哪種方式，EPS Fallback的接入時延都比VoNR更長一些，對用戶感受的影響較大。

1.3 不同解決方案語音質(zhì)量對比

不同解決方案的語音MOS（mean opinion score）分值和接通時延對比如表1所示。

表1 不同語音方案的MOS分和接入時延

2 VoNR關(guān)鍵技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)新增了一些關(guān)鍵技術(shù)，包括EVS語音編碼、ROHC語音包頭壓縮等，用于保障VoNR通話質(zhì)量，提升用戶使用體驗。

2.1 EVS語音編解碼

5G智能終端默認語音編解碼器使用3GPP標(biāo)準化增強語音服務(wù)（EVS），與2G到4G網(wǎng)絡(luò)中的窄帶語音和高清語音相比，它提供了更好的語音質(zhì)量體驗。

如表2所示，EVS通過支持多速率語音編碼，提升編碼的靈活性和效率，運營商可根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)中的終端能力等因素來選擇需要支持的語音編碼速率。

表2 EVS不同編碼方式支持的編碼速率

EVS與其他常用語音編碼方式相比，可以提供更高的語音質(zhì)量。如圖6所示，采用EVS編碼（EVS-SWB或EVSFB）后，MOS分可達4.6分，已接近滿分5分，因此采用EVS編碼使得5G語音質(zhì)量提升了一個大臺階。

圖6 EVS編碼體驗提升效果

2.2 ROHC語音包頭壓縮

語音編碼過程中的壓縮環(huán)節(jié)，可以有效減少語音信號中的冗余信息，節(jié)省傳輸和存儲資源。經(jīng)過語音編碼過程的壓縮環(huán)節(jié)后，會得到語音編碼速率，語音編碼速率×語音幀的發(fā)送或接收周期=語音幀大小，也就是常說的語音數(shù)據(jù)包。ROHC（robust header compression）壓縮的對象就是語音數(shù)據(jù)包的包頭部分。如表3所示。

表3 IP語音數(shù)據(jù)包的頭部開銷

2.3 基于MAC CE調(diào)速

MAC CE即MAC Control Element，用 于gNodeB和UE之間的MAC層控制信令。基于MAC CE的調(diào)速功能支持gNodeB根據(jù)上行空口能力，通過MAC CE向UE提供推薦速率信息；同時支持UE在空口能力提升時向gNodeB查詢推薦速率。該功能可以協(xié)助UE進行更合理的語音速率調(diào)整，即協(xié)助UE通過調(diào)整編碼速率來應(yīng)對空口速率變化。

推薦空口速率依據(jù)3GPP協(xié)議約定，示例中的推薦速率分別對應(yīng)推薦速率表中的Index 11和Index 14，如表4所示。在協(xié)議中未約定空口速率對應(yīng)的語音編碼速率，需要依據(jù)產(chǎn)品的具體實現(xiàn)而定。

表4 推薦速率表

Index NR Recommended Bit Rate value （kbit/s）17 120 18 140………

3 5G語音體驗提升技術(shù)

為進一步提升VoNR語音通話質(zhì)量，各廠家還開發(fā)了一些技術(shù)來支撐VoNR，主要包括：（1）基于重傳次數(shù)增加的覆蓋優(yōu)化；（2）上行RLC（radio link control）分段優(yōu)化；（3）MCS（modulation and coding scheme）優(yōu)化；（4）上行RB預(yù)留；（5）基于語音質(zhì)量的異頻切換；（6）禁止切換入異站非VoNR鄰區(qū)；（7）基于覆蓋的VoNR和EPS Fallback自適應(yīng)；（8）禁止基于測量方式配置SCell；（9）與站內(nèi)UL CoMP功能配合優(yōu)化；（10）與窄帶寬BWP2和DRX功能配合優(yōu)化。

3.1 基于重傳次數(shù)增加的覆蓋優(yōu)化

5QI1承載只能采用UM模式，gNodeB針對語音數(shù)據(jù)包最多4次HARQ調(diào)度重傳，如果用戶處于小區(qū)邊緣，即使重傳4次也可能無法準確傳輸。增加HARQ重傳次數(shù)，增加上行重傳機會，提高上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β省Ｔ诮档蛠G包率、提高覆蓋率的同時，每增加一次HARQ重傳，會增加一定時延。

3.2 上行RLC分段優(yōu)化

當(dāng)信道質(zhì)量較低時，上行動態(tài)調(diào)度分配的TBS（Transport Block Size）會隨之調(diào)小，使得RLC分段變多。RLC分段變多會導(dǎo)致VoNR語音包時延增大、丟包率抬升以及上行開銷增多問題。上行RLC分段優(yōu)化功能通過限制上行動態(tài)調(diào)度分配的TBS來控制上行RLC分段數(shù)，以提高信道質(zhì)量較低時的語音質(zhì)量。

3.3 MCS優(yōu)化

MCS優(yōu)化包括上行MCS選階優(yōu)化和下行MCS快速降階兩部分，均支持為VoNR用戶選擇合適的MCS階數(shù)來提升語音傳輸質(zhì)量。

3.4 上行RB預(yù)留

gNodeB為語音業(yè)務(wù)預(yù)留特定位置和數(shù)量的RB資源，在資源不足時，保障語音業(yè)務(wù)資源。語音用戶可優(yōu)先使用預(yù)留的RB資源，預(yù)留的RB資源被占滿后可以繼續(xù)申請使用非預(yù)留的RB資源，非預(yù)留的RB資源按照正常的調(diào)度流程分配。

3.5 基于語音質(zhì)量的異頻切換

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在語音質(zhì)量低的VoNR用戶時，支持對這類用戶進行基于語音質(zhì)量的異頻切換，以確保用戶的語音業(yè)務(wù)體驗。基于語音質(zhì)量的異頻切換遵循與基于覆蓋的異頻切換相同的流程，僅支持測量模式，不支持盲模式。其中的切換功能啟動判決、測量控制下發(fā)和測量報告上報的實現(xiàn)與基于覆蓋的異頻切換存在差異。

3.6 禁止切換入異站非VoNR鄰區(qū)

當(dāng)VoNR用戶向不支持VoNR的異站鄰區(qū)切換時，由于切換過程中的同頻干擾可能導(dǎo)致RRC重建或掉話，影響語音業(yè)務(wù)體驗。本功能支持gNodeB禁止VoNR用戶切換至不支持VoNR的NG-RAN異站鄰區(qū)。并且，當(dāng)VoNR為非連續(xù)組網(wǎng)時，gNodeB會進一步指示VoNR用戶對E-UTRAN鄰頻點進行測量，在滿足切換條件的情況下，VoNR用戶可從NG-RAN小區(qū)切換至E-UTRAN鄰區(qū)。

3.7 基于覆蓋的VoNR和EPS Fallback自適應(yīng)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中同時支持VoNR功能和EPS Fallback功能時，UE能夠自適應(yīng)選擇進入EPS Fallback語音呼叫流程或VoNR語音呼叫流程，以確保語音用戶處于最佳覆蓋狀態(tài)。

3.8 禁止基于測量方式配置SCell

當(dāng)CA（Carrier Aggregation）用戶基于測量方式配置SCell（Secondary Cell）時會產(chǎn)生GAP測量，而GAP測量期間會因為停止調(diào)度而影響語音業(yè)務(wù)體驗。本功能支持對于進入CA狀態(tài)后再發(fā)起VoNR語音業(yè)務(wù)或發(fā)起VoNR語音業(yè)務(wù)后再進入CA狀態(tài)的用戶，禁止通過下發(fā)異頻測量的方式配置SCell，避免GAP測量對語音業(yè)務(wù)體驗的影響。

3.9 與站內(nèi)UL CoMP功能配合優(yōu)化

當(dāng)VoNR功能和站內(nèi)UL CoMP功能同時開啟時，gNodeB支持對VoNR用戶生效站內(nèi)UL CoMP功能，并提高VoNR用戶生效站內(nèi)UL CoMP功能的優(yōu)先級，從而提升VoNR語音業(yè)務(wù)在小區(qū)交疊區(qū)域的上行傳輸可靠性以及上行覆蓋能力。

3.10 與窄帶寬BWP2和DRX功能配合優(yōu)化

本功能基于不同的問題和場景分別通過支持如下功能來避免VoNR語音包的丟包和傳輸時延增大等問題。

（1）支持基于VoNR用戶數(shù)不生效窄帶寬BWP2。由于窄帶寬BWP2的帶寬有限，PDCCH資源以及可用PUSCH資源受限，會導(dǎo)致語音包調(diào)度阻塞、丟包和傳輸時延增大的問題，這類問題會隨著VoNR用戶數(shù)的增加而加重。

（2）支持在5QI1承載建立前不生效DRX。當(dāng)DRX功能生效時，VoNR用戶在休眠期無法進行調(diào)度，使語音包傳輸時延增大并導(dǎo)致丟包。本功能支持在語音呼叫建立過程中推遲DRX生效。即gNodeB在語音主叫用戶5QI1承載建立前不生效DRX，可以有效降低該用戶的語音承載建立時延。

（3）支持基于信道質(zhì)量不生效窄帶寬BWP2或DRX。對于處于窄帶寬BWP2狀態(tài)或處于DRX工作模式的VoNR用戶，在信道質(zhì)量變差時，gNodeB將支持該小區(qū)內(nèi)的VoNR用戶從窄帶寬BWP2切換至全帶寬BWP1或退出DRX，以更有效地降低傳輸時延和丟包，從而提升語音質(zhì)量。

（4）支持在擁塞場景下不生效窄帶寬BWP2。對于處于窄帶寬BWP2狀態(tài)的VoNR用戶，當(dāng)小區(qū)的窄帶寬BWP2資源不足導(dǎo)致用戶擁塞時，gNodeB對新接入該小區(qū)的VoNR用戶不再配置窄帶寬BWP2，同時禁止已接入該小區(qū)的VoNR用戶切換至窄帶寬BWP2，以更有效地降低傳輸時延和丟包，從而提升語音質(zhì)量。

3.11 語音用戶的PUSCH功率差異化配置

語音用戶的PUSCH功率差異化配置：在空口質(zhì)量較差的場景，語音數(shù)據(jù)包丟包的概率增加，但是此時UE可能還未滿功率發(fā)射，為提高語音小包業(yè)務(wù)可靠性，可提高用戶PSD，確保滿功率發(fā)送語音包。

針對語音用戶，設(shè)置差異于數(shù)據(jù)用戶的PSD：（1）為提高VoNR小包業(yè)務(wù)可靠性，在功率沒有用完的情況下，可增大功率譜密度；（2）通過配置VoNR PUSCH功率偏置，保證UE發(fā)送小包業(yè)務(wù)時功率可用滿。

3.12 ROHC語音包頭壓縮與頭解壓失敗恢復(fù)

gNodeB將在用戶使用語音業(yè)務(wù)時啟動ROHC流程，通過減少語音包頭部負荷降低無線鏈路時延，減少無線資源消耗。ROHC頭解壓失敗恢復(fù)功能，可減少丟包，減少MOS值降低概率，同時避免在遠點時退出ROHC引起語音中斷丟包，提升覆蓋。

4 結(jié)束語

高質(zhì)量的無線環(huán)境是保障VoNR語音質(zhì)量的“基礎(chǔ)”，VoNR端到端問題分析定位是“難點”。打得通、接得快、無掉話、聽得清是VoNR的4個關(guān)鍵指標(biāo)。VoNR性能指標(biāo)受終端、空口、基站、傳輸、核心網(wǎng)等多種因素影響，都有可能導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量下降。

針對農(nóng)村等廣覆蓋區(qū)域，5G網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)覆蓋是保障VoNR通話的關(guān)鍵。而在城市場景，無線環(huán)境復(fù)雜，室外重疊覆蓋、室內(nèi)弱覆蓋場景則成為影響VoNR通話質(zhì)量的關(guān)鍵因素。覆蓋問題解決周期較長，需要提前識別并制定措施，提升VoNR業(yè)務(wù)感知。

本研究對VoNR技術(shù)的先進性和優(yōu)化方案進行了研究分析，對VoNR的技術(shù)方案、特性、優(yōu)化提升進行了闡述。RF性能是基礎(chǔ)，VoNR語音質(zhì)量是重點，端到端定位是難點。VoNR語音相對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，對網(wǎng)絡(luò)覆蓋、鄰區(qū)規(guī)劃、系統(tǒng)干擾、傳輸質(zhì)量等的影響更敏感，對網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的要求更高。在聚焦VoNR優(yōu)化的同時，打造VoNR優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。