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        5G NR語音解決方案分析

        2019-10-29 05:24:22王耀祖張洪偉中國移動通信集團設(shè)計院有限公司重慶分公司重慶404100
        郵電設(shè)計技術(shù) 2019年10期

        王耀祖,張洪偉,吳 磊(中國移動通信集團設(shè)計院有限公司重慶分公司,重慶 404100)

        0 引言

        4G LTE 實現(xiàn)了全IP 化,拋棄了原來的CS 電路域方式,語音服務(wù)采用VoLTE 語音方案,但為保證語音業(yè)務(wù)的連續(xù)性,仍需通過CSFB、SRVCC 方式與2G/3G電路域進行交互。

        5G 時代語音業(yè)務(wù)延續(xù)了4G VoLTE IP 化解決方案,制定了5G時代的全IP化語音——VoNR,5G VoNR的實現(xiàn)方式與4G VoLTE 存在差異,考慮到與其他網(wǎng)絡(luò)制式互操作的復(fù)雜性和鑒權(quán)安全性問題,5G VoNR僅實現(xiàn)了與4G VoLTE 的切換流程,可切換或回落到支持VoLTE 的LTE 區(qū)域,實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)連續(xù)性,無法支持5G 核心網(wǎng)與2G/3G CS 電路域語音業(yè)務(wù)的互操作,故5G 語音業(yè)務(wù)的連續(xù)性依賴于4G 網(wǎng)絡(luò)VoLTE 的覆蓋率。

        5G 技術(shù)正在逐步完善,相應(yīng)的技術(shù)、標準和產(chǎn)品正處于研究和討論落地階段,本文主要結(jié)合5G語音標準現(xiàn)狀和其發(fā)展趨勢,對5G系統(tǒng)的語音解決方案及其可行性進行研究。

        1 5G語音標準現(xiàn)狀及存在的問題

        目前5G 協(xié)議僅有到4G 的語音切換流程,在5G 信號覆蓋較差的區(qū)域可通過切換或回落到支持VoLTE的LTE區(qū)域來保障5G網(wǎng)絡(luò)語音的連續(xù)性(見圖1)。

        圖1 協(xié)議定義的標準4G/5G語音切換流程

        5G NR 使用NGC 核心網(wǎng),為了保證其語音業(yè)務(wù)的連續(xù)性,在5G 還沒有實現(xiàn)連續(xù)覆蓋時,對應(yīng)的4G 網(wǎng)絡(luò)需要有連續(xù)的VoLTE語音覆蓋,5G語音的連續(xù)依賴于4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋率。

        目前5G 在獨立組網(wǎng)模式下的語音實現(xiàn)方式還沒有定論,SA Option2/4/4a是現(xiàn)階段討論的熱點方案,如圖2 所示,在5G NR 或4G VoLTE 連續(xù)覆蓋的場景下,可通過互操作實現(xiàn)語音切換。目前5G標準還不完善,對于4G LTE 不支持VoLTE 的場景,5G 就無法進行切換或者回落(見圖3),需要從標準層面推動5G VoNR往2G/3G的語音連續(xù)性流程。

        圖2 SA Option2/4/4a模式下組網(wǎng)方案

        圖3 建立5G到CS域的語音標準流程

        2 5G語音業(yè)務(wù)解決方案

        為確保5G語音服務(wù)的連續(xù)性,可通過以下三大設(shè)計原則來實現(xiàn)5G語音業(yè)務(wù)。

        a)5G Phase 1 不提供NR/NGC 系統(tǒng)與CS 語音系統(tǒng)的語音互操作。

        b)運營商前期在LTE 或NR 上提供基于現(xiàn)有IMS的語音業(yè)務(wù)。

        c)NR/NGC 語音連續(xù)性性能指標與VoLTE 保持一致(語音連續(xù)性中斷時延不超過300 ms)。

        5G 網(wǎng)絡(luò)按組網(wǎng)模式可分為非獨立組網(wǎng)(NSA)和獨立組網(wǎng)(SA)2種,運營商可依據(jù)現(xiàn)網(wǎng)結(jié)構(gòu),制定適合自身的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案,下面主要討論現(xiàn)階段主流的4種解決方案。

        2.1 非獨立組網(wǎng)模式

        2.1.1 雙連接雙注冊模式

        非獨立組網(wǎng)模式中,終端采用LTE-NR 雙連接、雙注冊策略,控制面錨定、語音業(yè)務(wù)承載均依托于4G,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載于5G 和4G,以實現(xiàn)終端在5G、4G 的雙連接,即直接由4G VoLTE 提供語音服務(wù),不考慮5G 與4G間的語音連續(xù)性互操作(終端需開通VoLTE功能),具體如圖4所示。

        圖4 非獨立組網(wǎng)雙連接5G語音方案

        但是雙連接、雙注冊策略要求終端同時駐留LTE和NR 網(wǎng)絡(luò),終端功耗會增加,同時可能存在互干擾,這增大了終端實現(xiàn)難度。

        2.1.2 多步驟演進模式

        在5G 建網(wǎng)初期,先不引入5G 核心網(wǎng)NGC,5G 核心網(wǎng)由4G EPC 網(wǎng)絡(luò)承載,之后由Option 3 演進到Option 7(見圖5),直到Option 2/4。這種模式可盡快部署5G NR網(wǎng)絡(luò),但演進步驟較多,實現(xiàn)周期較長。

        2.2 獨立組網(wǎng)模式

        2.2.1 EPS Fallback方式

        圖5 NSA Option3/3a/7模式下組網(wǎng)方案

        在4G 初期建網(wǎng),需要通過CSFB 方式實現(xiàn)與CS域的互操作,EPS Fallback同上述方式相似。5G NR網(wǎng)絡(luò)不提供語音業(yè)務(wù),當終端駐留5G,發(fā)起語音業(yè)務(wù)時會觸發(fā)切換流程,同時由5G 基站向LTE EPC 發(fā)起inter-RAT 切換請求,終端回落到4G 網(wǎng)絡(luò),以VoLTE 方式提供語音業(yè)務(wù),此為EPS Fallback,如圖6所示。

        圖6 EPS Fallback 5G語音方案

        EPS Fallback 通過5G NGC 核心網(wǎng)和LTE EPC 之間的N26 接口實現(xiàn)互操作。在5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋不連續(xù)的場景下,語音業(yè)務(wù)的連續(xù)性依賴于4G VoLTE 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率。

        2.2.2 VoNR方式

        VoNR 是由5G NR 提供語音業(yè)務(wù),5G 核心網(wǎng)NGC引入IMS,借助4G VoLTE/IMS 組網(wǎng)經(jīng)驗,開通VoNR 難度不大,但需在TTI bundling、編碼速率、SPS、半靜態(tài)調(diào)度等參數(shù)上有所調(diào)整。

        在VoNR 下,終端駐留5G 網(wǎng)絡(luò),語音和數(shù)據(jù)均承載在5G網(wǎng)絡(luò),在5G邊緣區(qū)域信號較差時,可通過基于覆蓋、質(zhì)量的切換方式來實現(xiàn)與4G 網(wǎng)絡(luò)的互操作,由LTE網(wǎng)絡(luò)提供語音業(yè)務(wù),如圖7所示。

        圖7 5G VoNR語音方案

        網(wǎng)絡(luò)語音承載方式主要有以下4種(見圖8)。

        圖8 整體的網(wǎng)絡(luò)語音承載形式

        a)現(xiàn)階段2G/3G網(wǎng)絡(luò)支持CS語音。

        b)現(xiàn) 階 段4G 缺 乏IMS 部 署,4G 網(wǎng) 絡(luò) 不 支 持VoLTE場景。

        c)4G 支持VoLTE 場景,由IMS +EPC+eNB 實現(xiàn)PS語音。

        d)未來5G 支持語音,由IMS +NGC+eLTE/NR 實現(xiàn)PS語音。

        從以上網(wǎng)絡(luò)語音承載方式可以看出,如果要支持VoLTE 或VoNR,需要在核心網(wǎng)側(cè)引入IMS,實現(xiàn)PS 域語音業(yè)務(wù)?,F(xiàn)階段各運營商網(wǎng)絡(luò)部署的方式存在差異,導(dǎo)致最終實現(xiàn)形式也存在差異。

        3 5G建網(wǎng)初期語音方案可行性研究及建議

        3.1 5G建網(wǎng)初期語音實現(xiàn)方式建議

        針對以上的5G 網(wǎng)絡(luò)語音實現(xiàn)方式,在建網(wǎng)初期,從5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋連續(xù)性、VoNR 技術(shù)發(fā)展、建網(wǎng)成本、盈利能力等多方面考慮,建議采用EPS Fallback 方式實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)語音業(yè)務(wù)連續(xù)性,在前期投資較少的情況下,可借助現(xiàn)有的LTE 網(wǎng)絡(luò)和VoLTE 語音的優(yōu)勢實現(xiàn)5G與VoLTE的語音連續(xù)性互操作。

        3.2 基于EPS Fallback的5G語音業(yè)務(wù)的可行性研究

        下面通過統(tǒng)計現(xiàn)階段LTE 的網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況和VoLTE-VoLTE 接續(xù)時延,分析在建網(wǎng)初期采用EPS Fallback作為語音解決方案的可行性。

        3.2.1 LTE的網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況

        LTE城區(qū)覆蓋良好,可滿足VoLTE良好通話需求,但因投資有限,農(nóng)村區(qū)域覆蓋偏弱,通過對農(nóng)村不同覆蓋場景(平原、丘陵、山區(qū))進行測試,統(tǒng)計不同的地理環(huán)境下不同的用戶感知度。分場景下用戶體驗測試數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 分場景下用戶體驗測試統(tǒng)計數(shù)據(jù)

        VoLTE 語音業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)側(cè)的資源需求較小,且對無線環(huán)境的覆蓋邊緣速率要求較低,在農(nóng)村場景下即便處于RSRP=-120 dBm 的覆蓋差點,其整體測試接通率仍可達到98%以上。

        語音MOS 值與具體無線環(huán)境質(zhì)量關(guān)系如圖9 和圖10所示。

        圖9 語音MOS與SINR關(guān)系曲線

        圖10 語音MOS與RSRP關(guān)系曲線

        MOS 值在好點(SINR>18 dB)可以穩(wěn)定在3.7 分以上,當5 dB<SINR<11 dB時,由于SINR 降低、小區(qū)間切換、TAU 和TM 模式切換等,MOS 值略微下降,但整體仍保持在3.5 以上;當SINR<-5.5 dB 時,MOS 值下降趨勢明顯。在RSRP方面,當RSRP<-113 dBm時,MOS分值下降較為明顯。

        依據(jù)場景測試及MOS 值和SINR、RSRP 的關(guān)系,農(nóng)村場景下VoLTE 業(yè)務(wù)覆蓋條件為RSRP≥-113 dBm且SINR≥-3 dB。

        通過對MRS 采樣點進行分場景統(tǒng)計,現(xiàn)網(wǎng)MR 覆蓋率(RSRP≥-110 dBm 的占比,下同)的平均值為95.89%,全網(wǎng)90.38%的區(qū)域MR 覆蓋率在平均值以上,雖存在覆蓋漏洞,但整體狀況良好;農(nóng)村區(qū)域MR覆蓋率為92.69%,較全網(wǎng)平均水平低3.2 個百分點,如圖11 所示。伴隨4G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)的逐步完善,經(jīng)過后期補盲,網(wǎng)絡(luò)覆蓋將不斷優(yōu)化,可支撐5G 網(wǎng)絡(luò)通過4G VoLTE 實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)連續(xù)性,降低5G 網(wǎng)絡(luò)與CS 域互操作的復(fù)雜性,縮短建網(wǎng)周期。

        圖11 現(xiàn)網(wǎng)MR覆蓋率整體情況

        3.2.2 VoLTE接續(xù)時延

        通過信令端到端平臺對現(xiàn)階段VoLTE-VoLTE 的接續(xù)時延進行統(tǒng)計,結(jié)果如圖12 所示?,F(xiàn)階段全省V-V 接續(xù)時延均值為2.73 s,地(市)8 略高,為3.35 s,全省總體在3.5 s以內(nèi)。

        圖12 VoLTE-VoLTE呼叫接續(xù)時延

        5G 語音回落到LTE網(wǎng)絡(luò)的過程中,端到端語音接續(xù)時延需在現(xiàn)有VoLTE-VoLTE 接續(xù)時延的基礎(chǔ)上增加1~2 s,總體5G 語音回落到VoLTE 時延為3~5 s,遠低于現(xiàn)網(wǎng)4G 以CSFB 方式回落到2G 的總時延為6.5~8.5 s,故該方案能夠滿足建網(wǎng)初期實現(xiàn)5G 語音連續(xù)性的業(yè)務(wù)需求。

        4 結(jié)束語

        在5G 網(wǎng)絡(luò)初期建設(shè)階段,因網(wǎng)絡(luò)覆蓋的不連續(xù),無法實現(xiàn)VoNR 語音業(yè)務(wù)全面覆蓋,可采用現(xiàn)已成熟VoLTE語音解決方案來保障5G語音的連續(xù)性,在用戶發(fā)起語音接入時,以EPS Fallback 方式回落到LTE 網(wǎng)絡(luò),由VoLTE 實現(xiàn)語音通話,從而縮短5G 建網(wǎng)周期,降低初期建網(wǎng)成本,實現(xiàn)快速商用。

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