金晨光

【摘 要】話音業(yè)務是移動通信中的基本業(yè)務，而5G系統(tǒng)具有的許多全新特性將對語音業(yè)務功能、性能帶來諸多挑戰(zhàn)，因此通過對5G系統(tǒng)網絡架構和組合方式的特性分析，研究話音方案設計中所面臨的關鍵影響因素，最后討論評估了多種潛在終端話音方案的技術優(yōu)劣勢。

【關鍵詞】5G 終端 話音方案

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2017）19-0090-07

Discussion on Solution to Terminal Voice for 5G Systems

JIN Chenguang

[Abstract] The voice is the basic service in mobile communications. The new features of 5G systems will be challenging to the voice service and performance. Therefore， the characteristics of network architecture and composition mode for 5G systems were analyzed. Key influencing factors in the design of voice solution were investigated. Besides， the advantages and disadvantages of several potential terminal voice solutions were evaluated.

[Key words]5G terminal voice solution

1 引言

當前伴隨著移動互聯(lián)網的日益興起，以微信、QQ、WhatsApp等為代表各種即時消息APP已經日漸成為人們相互溝通聯(lián)系的工具和手段。然而語音電話業(yè)務作為移動通信中最基本的通信方式，始終以其高質量、高可靠、可信賴等優(yōu)點，仍然被手機用戶廣泛使用。

在2G/3G網絡中，移動通信網絡包括電路交換交換和分組域交換，并且話音業(yè)務由電路域提供。在4G網絡中電路域交換方式已經消失，分組域交換與IP化成為4G網絡的核心和基礎，話音業(yè)務也伴隨著IP技術發(fā)展進行了發(fā)展和演進，采用基于IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng)）的Voice over LTE的技術。

在終端話音方案的演進和發(fā)展過程中，結合不同的市場需求和語音方案策略，市場上陸續(xù)出現過有多種具備不同終端產品形態(tài)，例如，單卡單待終端、單卡雙待終端、雙卡雙待單通終端、雙卡雙待雙通終端等。

5G技術正在蓬勃興起，技術、標準和產品等正處于熱烈的技術研究和分析討論階段。本文主要結合當前5G技術的特點和發(fā)展趨勢，對5G時代的終端話音方案及產品形態(tài)進行研究和展望。

2 5G時代終端話音業(yè)務的基本需求

基于IMS架構的4G VoLTE話音方案作為4G技術標準目標話音方案，已經在全球超過56個國家和地區(qū)的105個LTE網絡上得到了廣泛的部署和應用。在中國，中國移動已經建設部署和商用了全球最大的VoLTE網絡，正在為數以億計的4G用戶提供高質量的語音通信服務。

4G VoLTE的成功不僅證明了語音方案由電路域交換向分組域交換演進的成功，而且也證明了基于IMS架構對話音方案控制和承載的可靠能力。5G網絡作為4G網絡的演進和發(fā)展，5G時代的話音方案從趨勢來看還會由IMS提供會話控制和基本業(yè)務，即IMS Voice over 5G。

5G網絡作為下一代移動通信網絡，其系統(tǒng)的設計目標是為移動互聯(lián)網、移動車聯(lián)網及物聯(lián)網提供超大帶寬、超低時延、超大容量、海量連接的全新網絡系統(tǒng)。但考慮到移動通信網絡的演進和部署往往也是循序漸進的，因此往往同一個區(qū)域會有2G、3G甚至4G和未來5G的覆蓋。話音業(yè)務不僅要求在各種網絡下能夠使用話音進行通信，而且還要求能夠在不同網絡覆蓋區(qū)域下保持話音持續(xù)的要求，就像GSM與WCDMA之間的切換，3G與4G之間的VoLTE SRVCC等。5G系統(tǒng)架構設計之初就面向未來的前向兼容基本原則，與現存網絡（2G/3G/4G）的遷移和互操作上，也是以與4G保持遷移和互操為重點。因此5G系統(tǒng)連續(xù)性和互操作的設計上主要是保證在5G-4G之間保持連續(xù)性，但不要求5G-2G/3G保持業(yè)務連續(xù)性（保持當前4G-2G/3G連續(xù)性要求）。

除了話音業(yè)務連續(xù)性要求，用戶對通話體驗也有很高的要求，尤其對話音中斷時延非常敏感。結合參照4G VoLTE eSRVCC性能指標，5G系統(tǒng)內互操作和5G-4G系統(tǒng)間互操作過程中的話音中斷時延指標應小于300 ms。

3 網絡系統(tǒng)架構對終端話音方案帶來的

問題與挑戰(zhàn)

從現在3GPP中技術標準和討論文稿來看，5G網絡無論無線接入網還是核心都存在著多種組織架構或接口連接方式的選擇：在無線接入網絡部分，包括SA（Standalone，獨立組網）和NSA（Non-standalone，非獨立組網）架構方式；而核心網部分，在5GC與4G EPC的互聯(lián)上也包括支持Nx接口的互聯(lián)方式和不支持Nx接口的互聯(lián)方式。這些不同的組合場景對終端話音方案，尤其是話音連續(xù)性上帶來了諸多影響因素。

3.1 SA架構的基本特性

SA網絡架構的特點在于4G網絡（如圖1所示）和5G網絡（如圖2所示）均擁有完整獨立的接入網和接入網。

從5G與4G網絡之間是否互通互聯(lián)的角度來看，可以進一步細分為具有Nx接口的獨立組網和沒有Nx接口的獨立組網。Nx接口位于4G MME與5G AMF之間的跨核心網接口。該接口主要作用是在4G系統(tǒng)和5G系統(tǒng)之間建立一個傳遞移動性相關信息與互操作消息的通道。endprint

在獨立組網場景中，終端需要能夠擁有分別接入4G和5G系統(tǒng)的多模能力，但這兩套系統(tǒng)的核心網之間是否有互通接口對終端話音方案的設計和實現方法產生影響，這些影響主要包括：

終端話音的基本提供方式（例如待機方式、注冊方式）；

終端話音連續(xù)性的實現方式和性能保障。

（1）有Nx接口的SA架構對話音連續(xù)性的影響

類似VoLTE SRVCC過程中用于保證話音連續(xù)性的位于MME與MSC間的Sv接口，在4G EPC MME與5GC AMF開通Nx接口，相關信令消息，尤其是互操作與移動性相關的信息（如位置區(qū)/注冊區(qū)信息、源小區(qū)/目的小區(qū)信息等）能夠在4G和5G網絡之間進行傳遞，統(tǒng)一協(xié)調兩套網絡的承載建立和釋放，保證會話的連續(xù)性（Seamless Session Continuity）。

（2）無Nx接口的SA架構對話音連續(xù)性的影響

由于4G EPC和5GC之間不存在互通接口，終端在這兩個網絡覆蓋的區(qū)域進行移動過程中，終端的位置狀態(tài)、會話上下文等信息無法被通過網絡進行傳遞，會話遷移過程會出現中斷。即使由終端自主進行業(yè)務狀態(tài)保持和恢復，仍然不能可靠保證話音業(yè)務連續(xù)。

3.2 NSA架構的基本特性

非獨立組網NSA架構下，依據核心網與無線接入網的連接方式，NSA存在多種可能的架構選擇，圖3、圖4、圖5中分別表示了各種候選NSA架構選項：

無論接入網與核心網具體的連接方式如何，系統(tǒng)整體上僅存在一個核心網（4G核心網或者5G核心網），因此移動性信息屬于單一核心網系統(tǒng)內的消息過程，不存在像SA架構那樣有跨核心網傳遞的問題。

從移動性管理的角度來看，終端僅能存在一個與該核心網對應的移動性管理實體，也就意味著終端須支持網絡單注冊。而從無線角度來看，終端則有4G LTE和5G NR兩種空口的無線接入技術，DR（Dual Radio）也是可選的接入方式，例如由4G LTE承載控制面數據（例如IMS信令），由5G NR承載用戶面數據（例如話音媒體）。

4 終端話音方案選擇與話音連續(xù)性分析

4.1 單待機終端

單待機終端是最基本最普遍的終端話音方案。在多模網絡下，終端根據自身對網絡環(huán)境條件的選擇和判斷，單一駐留在最合適的網絡并使用業(yè)務，并在多模網絡間的移動過程中通過小區(qū)重選或者切換等互操作過程保持網絡持續(xù)連接。為了能夠維持業(yè)務連續(xù)性，也需要網絡側具備相應的功能要求，即異系統(tǒng)網絡之間要建立必要的接口，以便在移動互操作過程中，網絡設備能夠及時可靠地傳遞位置區(qū)、頻點等命令消息。

（1）有Nx接口的SA架構場景

以VoLTE SRVCC過程為例，為了實現4G LTE向2G/3G的語音連續(xù)性，在4G與2G/3G之間的移動性消息是通過4G MME與2G/3G MSC之間建立的Sv接口來進行傳遞的，如圖6所示。

當前3GPP也已經明確說明，如果要實現業(yè)務會話的無縫連續(xù)性，必須在4G EPC和5GC間部署Nx接口，如圖7所示。

圖8描述了有Nx接口場景下，多模終端由5GS向EPS的切換過程（以單注冊模式為例）。

在步驟3可以看出通過跨核心網的Nx接口，5G核心網AMF向4G核心網MME發(fā)送請求消息Relocation Request，向MME傳遞了包括目標節(jié)點ID、MM/SM上下文、承載等信息；而在步驟9中MME經過Nx接口反饋了請求響應Relocation Response，向AMF反饋響應了包括響應原因值、目標EPS承載列表及其他必要信息。后續(xù)再經過其他必要的信令交互過程，共同實施和完成了終端當前會話業(yè)務在5GS和4G EPS間的平滑切換。

（2）無Nx接口的SA架構場景

對于無Nx接口的SA網絡架構，這意味著當終端進行連接態(tài)通話過程時，如果從5G區(qū)域移動到4G覆蓋區(qū)域（或者相反），網絡側無法為終端語音的會話連續(xù)性提供網絡保障。

圖9描述了無Nx接口下多模終端由5GS向EPS的重選過程（以單注冊模式為例）。

在步驟1中，5G NR可以通知終端進行跨系統(tǒng)的網絡“切換”，由終端自身進行從步驟2到步驟5的后續(xù)重選流程操作。由于在此期間，5G網絡沒有與4G EPC的跨核心網交互和進行必要的連續(xù)性保障，因此造成了一段時間內終端當前會話業(yè)務中斷。

如果采用單卡雙注冊終端，盡管可以利用終端具有的獨立雙注冊模式，在離開源網絡之前，由終端提前向目標網絡發(fā)起接入駐留，以減少終端在跨系統(tǒng)轉換和會話遷移過程中的中斷間隔時間（例如終端對目標網絡的無線測量時間、對目標網絡的隨機接入與注冊時間等），但由于這些過程操作完全取決于終端自身的設計實現和過程處理，不僅無法確保中斷間隔時間能夠滿足性能要求（<300 ms），而且由于終端功能實現上的多樣化差異化以及終端在不同的網絡場景下適用性也有很多不確定性，還需要進一步地深入研究。

4.2 雙待機/雙注冊

雙待機終端話音方案是指多模終端在多模網絡環(huán)境下，通過雙接收-發(fā)射機的方式（雙獨立射頻-基帶通道）同時保持與兩個不同制式網絡下（例如2G/3G和4G）進行位置注冊并待機狀態(tài)，依照終端自身具有的雙待單通或者雙待雙通的能力，在兩個制式網絡下單獨或者并發(fā)使用業(yè)務。

雙待機終端的話音業(yè)務大多是由其中某一個通信模式（例如2G/3G電路域語音）完全承載語音通話；另外一個通信模式（例如4G或者5G）承載單純的PS數據業(yè)務連接，并且兩個模式之間彼此獨立，不存在互通互聯(lián)操作。

若5G系統(tǒng)內沒有部署IMS子系統(tǒng)，終端始終無法將語音業(yè)務駐留在5G系統(tǒng)。如果必須保留5G的承載連接，終端必須將話音通過其他系統(tǒng)（例如4G VoLTE）來提供。雙待雙注冊終端可以同時附著在LTE和5G上，僅通過LTE在IMS注冊，使用VoLTE語音業(yè)務并保證話音業(yè)務的移動性和連續(xù)性；數據業(yè)務附著在5G，當無5G覆蓋時，在5G上去附著，在4G上新建數據的PDN連接。endprint

4.3 雙射頻/單注冊

5G系統(tǒng)中的NSA選項，由于僅存在一個獨立的核心網進行會話控制、移動性管理，因此在發(fā)生移動和互操作時，也能夠在核心網的控制下進行切換。而由于存在4G LTE和5GNR兩套無線接入網絡，所以5G終端可以使用4G和5G兩條射頻通道，分別承載控制面數據（例如信息消息）和用戶面數據（例如語音媒體數據）。

但從實際應用來看，由于頻段分配和建設部署等原因，4G覆蓋區(qū)域往往會大于5G覆蓋區(qū)域。終端使用4G-5G雙Radio承載業(yè)務過程中，5G的無線承載更加容易觸發(fā)切換，對業(yè)務的可靠性也許會有所影響。另外，盡管雙射頻分別承載信令與數據信息，能夠發(fā)揮5G NR大帶寬的優(yōu)勢，但考慮到話音媒體帶寬約300 kbit左右（AMR-WB 23.85 bit/s），將信令和話音分離承載是否必要還需要結合需求和應用場景進行進一步討論。

5 結論

本文圍繞終端話音業(yè)務基本需求，介紹分析了話音業(yè)務的基本實現方式、業(yè)務功能及性能要求，并提出面向5G時代的話音業(yè)務需求展望。通過對當前5G技術標準中各種網絡架構的組合方式及特性研究，重點闡述話音業(yè)務在連續(xù)性、中斷時延等方面所面臨的問題和挑戰(zhàn)，并結合多種類型終端的話音功能特性，討論分析了若干種終端話音業(yè)務技術方案。

當前從3GPP及產業(yè)進展來看，5G時代的話音方案還沒有一個明確和統(tǒng)一的解決方案，還需要在技術、產業(yè)及產品方面進行更加深入和細致的研究。

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