馬洪源，肖子玉，卜忠貴

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

1 引言

隨著5G標準的完善和產(chǎn)業(yè)鏈的進一步成熟，5G商用的步伐越來越快。5G網(wǎng)絡面向eMBB、uRLLC、mMTC三大應用場景，即將凍結(jié)的5G phase 1即R15標準主要針對eMBB場景。語音及短信作為基礎電信業(yè)務，仍然是5G時期網(wǎng)絡需要解決的重要問題之一。

與4G網(wǎng)絡不同，3GPP根據(jù)接入網(wǎng)絡與核心網(wǎng)絡的組合關(guān)系定義了不同的5G部署選項架構(gòu)，如表1所示，其中比較熱門的選項有基于NSA的Option3系列、Option4系列、Option7系列以及基于SA的Option2。Option3系列架構(gòu)標準已于2017年12月凍結(jié)，而Option2架構(gòu)標準預計將于2018年6月凍結(jié)，其余架構(gòu)標準預計將于2018年底完成。

不同部署架構(gòu)對網(wǎng)絡和終端能力均有不同的要求，本文描述的語音及短信解決方案基于R15，主要針對Option3系列及Option2，IMS支持服務化接口、語音能力開放、網(wǎng)絡切片以及對垂直行業(yè)的增強支持等問題需要在R16進行討論。

表1 5G網(wǎng)絡組網(wǎng)及部署架構(gòu)選項分析匯總表

2 5G語音方案

3GPP已經(jīng)明確基于IMS提供語音業(yè)務，5G作為IMS語音的一種IP接入，語音連續(xù)性性能指標與VoLTE保持一致（均為300 ms），5G語音業(yè)務需要提供5G與4G間的雙向語音業(yè)務連續(xù)性，但R15階段暫不提供與2G/3G語音的互操作。

針對5G網(wǎng)絡，3GPP R15提出了兩個新的語音解決方案：VoNR和EPS Fallback。NSA模式（Option3）核心網(wǎng)使用EPC+、UE雙連接，控制面錨定LTE，語音方案與4G一致，使用VoLTE。SA模式（Option2）核心網(wǎng)使用5GC，VoNR是目標方案，EPS Fallback為過渡方案。針對不同承載5G語音解決方案如圖1所示：

圖1 5G語音承載方案選擇與演進路徑

5G網(wǎng)絡的建成不是一蹴而就的，在相當長一段時間內(nèi)4G和5G網(wǎng)絡將會長期共存。5G終端用戶使用語音業(yè)務會出現(xiàn)以下場景：

（1）Option3用戶位于EPC提供服務的eNodeB下，使用VoLTE提供語音業(yè)務。

（2）Option3用戶位于EPC提供服務的NR下，使用VoLTE提供語音業(yè)務。

（3）Option2用戶位于5GC提供服務的NR下，使用VoNR提供語音業(yè)務。

用戶在通話前，從5GC提供服務的NR下移動到EPC提供服務的eNodeB需要支持EPS Fallback；用戶在通話過程中，從5GC提供服務的NR下移動到EPC提供服務的eNodeB需要支持PS切換；切換過程中需要UE的IP地址保持不變；回到LTE后語音解決方案同4G網(wǎng)絡。

（4）針對Option4系列和Option7系列，終端駐留在eLTE、語音和數(shù)據(jù)。

業(yè)務都承載在eLTE網(wǎng)絡。當終端移動到eLTE覆蓋區(qū)域外，需通過基于覆蓋的切換實現(xiàn)和LTE或NR的互操作，由VoLTE或VoNR提供服務。與EPS Fallback類似，5G網(wǎng)絡還存在RAT Fallback解決方案：當NR在5GC上建立IMS語音通道時觸發(fā)切換，此時NR向5GC發(fā)起重定向或inter-RAT切換請求，回落到eLTE網(wǎng)絡，由VoeLTE提供服務。但由于相關(guān)協(xié)議標準尚未凍結(jié)，本文不再展開說明。

2.1 VoNR方案

VoNR即Voice over NR，指語音承載在5G NR上，Option2場景下VoNR協(xié)議棧如圖2所示，在VoNR下，終端駐留NR，數(shù)據(jù)和語音業(yè)務都承載在NR網(wǎng)絡。

VoNR基本流程與VoLTE類似，5G UE通過NR接入5GC實現(xiàn)基于IMS的語音控制流程：

（1）UE首先完成在5G網(wǎng)絡的注冊過程，注冊接受消息中，AMF告知UE網(wǎng)絡是否支持“IMS voice over PS session”及N26接口。

（2）若支持，則在IMS PDU會話建立過程中，5G核心網(wǎng)通過AMF將P-CSCF地址頭傳給UE。

（3）UE在后續(xù)向IMS網(wǎng)絡注冊，為支持UE回落后的eSRVCC，AMF需要將用戶數(shù)據(jù)中心下發(fā)的STN-SR通過N26接口傳給MME。

（4）為支持VoNR的被叫域選擇，用戶透明數(shù)據(jù)的下載及語音計費，需要IMS網(wǎng)絡能夠識別新的無線接入類型及5G小區(qū)信息。

（5）VoNR方案中被叫域選擇需要HSS/UDM分別通過S6a接口和Namf接口向MME和AMF詢問“IMS voice over PS supported”情況，并根據(jù)被叫用戶實際登記位置選擇域選方案：

1）如果IMS voice PS為Supported，TAS選擇在IMS域呼叫被叫用戶；

2）如果IMS voice PS為NOT-Supported，用戶注冊時接入類型為LTE，RAT Type為5G，TAS選擇在IMS域呼叫被叫用戶；

3）如果IMS voice PS為NOT-Supported，用戶注冊時接入類型為LTE，RAT Type不是5G，TAS選擇在CS域呼叫被叫用戶；

表2 VoNR方案網(wǎng)絡支持功能匯總表

4）如果IMS voice PS為UNKNOWN，TAS根據(jù)全局配置，確定在IMS域或CS域呼叫被叫用戶。

（6）其余注冊及呼叫流程與VoLTE基本一致，僅僅是IMS網(wǎng)絡部分接口升級支持新的5G參數(shù)，具體的網(wǎng)絡功能改造點如表2所示。

（7）AMF需要支持緊急呼叫，支持指示以及緊急號碼列表下發(fā)。AMF和SMF需要支持緊急PDU session建立等功能，確保5G語音能夠滿足國內(nèi)緊急業(yè)務要求。

圖2 Option2 場景VoNR協(xié)議棧示意圖

2.2 EPS Fallback方案

針對EPS Fallback，終端已經(jīng)完成IMS注冊，但是在發(fā)起呼叫過程中發(fā)現(xiàn)不支持VoNR，則NR根據(jù)終端能力、N26接口可用性、網(wǎng)路配置及無線狀況觸發(fā)回落流程，重定向到EPS系統(tǒng)或切換至連接在5GC的E-UTRA。如果AMF指示EPS Fallback重定向不可行，則無法完成上述回落流程。回落過程NR使用切換流程還是系統(tǒng)內(nèi)重定向流程取決于終端支持情況。標準處理流程如圖3所示。

完成EPS移動性管理流程后，SMF/PGW重新建立IMS語音專載，后續(xù)由VoLTE提供服務，但是需要MME支持N26接口。回落完成語音業(yè)務流程后如何實現(xiàn)類似于4G網(wǎng)絡的Fast return快速返回機制有待標準的進一步明確。

外場測試表明，針對單注冊終端EPS Fallback語音連續(xù)性可保證，呼叫建立時延比NSA模式下VoLTE方案增加約400 ms，用戶基本無感知。

2.3 方案比較及部署建議

從場景定位、標準進展、對無線的要求及核心網(wǎng)改造范圍、業(yè)務體驗、業(yè)務指標等角度對R15提出的兩種5G語音解決方案進行了詳細的比較，如表3所示。

從比較結(jié)果來看，VoNR業(yè)務體驗較好，EPS Fallback部署相對簡單；SA組網(wǎng)下直接部署VoNR還是先部署EPS Fallback需要綜合考慮以下幾點因素：

（1）終端產(chǎn)業(yè)鏈是否成熟

終端成熟度晚于網(wǎng)絡設備，預計在2019年下半年實現(xiàn)量產(chǎn)。

（2）是否有業(yè)務需求驅(qū)動：如大規(guī)模視頻通話業(yè)務

目前沒有明確的新增業(yè)務需求，VoLTE能夠滿足現(xiàn)有通話場景需求。

（3）無線網(wǎng)絡建設成本：為滿足語音業(yè)務而進行的站址密度規(guī)劃及調(diào)整

圖3 EPS Fallback信令流程圖

表3 VoNR與EPS Fallback方案比較

基于目前產(chǎn)業(yè)鏈最成熟的3.5 GHz仿真，結(jié)果表明，3.5 GHz僅能實現(xiàn)淺層覆蓋，無法實現(xiàn)深層連續(xù)覆蓋，難以保證VoNR語音業(yè)務質(zhì)量。3.5 GHz NR基站站間距為300 m~350 m時，深層覆蓋能力弱于LTE D頻段（室內(nèi)兩堵墻弱1.7 dB左右），而語音業(yè)務大部分場景發(fā)生在室內(nèi)，VoNR語音業(yè)務質(zhì)量難以保證。如實現(xiàn)3.5 GHz NR基站的深度連續(xù)覆蓋，站間距要達到190 m左右，站址數(shù)量要較LTE D頻段增加一倍；同時，還需建設大量的3.5 GHz室內(nèi)分布系統(tǒng)，工程建設難度及投資均較大。

綜上分析，建議5G網(wǎng)絡建設初期，語音業(yè)務直接由4G VoLTE承載或者通過EPS Fallback回落到LTE，由VoLTE解決；遠期可考慮低頻（如：900 MHz）重耕進行5G深度覆蓋，再部署VoNR業(yè)務。但NSA模式下終端連接態(tài)時為雙通狀態(tài)，增加了終端功耗和干擾，同時為保證后期平滑演進，建議EPS Fallback終端同時支持VoNR功能。

3 5G短信方案

根據(jù)組網(wǎng)部署方案與終端能力，5G短信業(yè)務實現(xiàn)可選方案有三種：

（1）SMS over SGs

該方案與4G SGs短信方案相同，NSA組網(wǎng)模式可采用?；贓PC與傳統(tǒng)CS域間的SGs接口提供短信收發(fā)能力，但該方案對CS域存在依賴。

（2）SMS over IP

該方案與VoLTE短信方案相同，NSA和SA組網(wǎng)模式均可用。通過部署IP-SM-GW連接短信中心和IMS核心網(wǎng)，實現(xiàn)傳統(tǒng)電路域短消息與SIP消息間的轉(zhuǎn)換，為用戶提供短信業(yè)務。為支持5G用戶，IMS域的IP-SMGW設備需增加對5G接入信息的被叫域選支持。

（3）SMS over NAS

通過引入SMSF為5GC與短信業(yè)務系統(tǒng)提供交互，短消息通過UE與AMF間的NAS信令傳送。AMF與UDM設備需為終端與SMSF的注冊選擇、相關(guān)用戶數(shù)據(jù)信息管理提供支持。該方案中，每個UE僅關(guān)聯(lián)一個SMSF，由AMF決定。為了支持SMS的被叫域選擇，SMSF需要與IP-SM-GW及SGs MSC相連。

對于支持IMS的UE，需要在UE側(cè)配置歸屬運營商的MO SMS策略：如果網(wǎng)絡沒有部署SMS over IMS，那UE只能使用SMS over NAS；如果網(wǎng)絡部署了SMS over IMS，并且建議優(yōu)先使用，UE需要在IMS上發(fā)送SMS，如果無法發(fā)送，再回退使用SMS over NAS。

方案1和方案2可以滿足5G初期短信業(yè)務需要。如果有完善的IMS網(wǎng)絡及IP短信網(wǎng)關(guān)，則eMBB場景沒有引入SMSF的必要性，針對物聯(lián)網(wǎng)可以沿用現(xiàn)有短信方案，即基于SMS over SGs，對于5G非IMS用戶的消息交互場景建議基于分組數(shù)據(jù)形式完成。目前基于SGd接口的短信方案產(chǎn)業(yè)鏈支持程度較差，隨著短信中心虛擬化改造，可以考慮按需部署SMSF，支持SMS over NAS。

4 結(jié)論

面向5G網(wǎng)絡，語音及短信解決方案需要基于不同的部署架構(gòu)和終端能力選擇不同的解決方案。本文基于R15標準分析了候選的5G語音及短信解決方案，同時結(jié)合終端成熟度、無線網(wǎng)絡組網(wǎng)策略及建網(wǎng)成本、業(yè)務場景等因素提出了5G語音及短信部署策略。

根據(jù)5G網(wǎng)絡演進策略，5G語音也存在多條演進路線：

（1）VoLTE-＞VoNR；

（2）VoLTE-＞EPS Fallback-＞VoNR；

（3）VoLTE-＞VoLTE/RAT Fallback-＞VoNR。

鑒于頻譜策略和業(yè)務連續(xù)性的挑戰(zhàn)，無論采用何種路線，5G初期沿用VoLTE語音及短信解決方案有利于快速部署5G相關(guān)業(yè)務并保持網(wǎng)絡的簡潔性。隨著業(yè)務需求的發(fā)展和網(wǎng)絡的進一步演進，通信連接將從人與人之間擴展到人與物及物與物之間，這意味著短信及語音業(yè)務需要進一步增強，整個IMS網(wǎng)絡都要作出相應的變化。IMS網(wǎng)絡云化、支持服務化接口、語音能力開放、網(wǎng)絡切片以及對垂直行業(yè)的增強支持將會成為其關(guān)鍵屬性，這些問題將在5G第二階段即R16進一步討論和明確。