張海霞，魏書偉，范敏

（青島恒星科技學(xué)院 信息學(xué)院，山東 青島 266000）

0 引言

移動(dòng)通信經(jīng)歷了1G到5G，從語(yǔ)音業(yè)務(wù)到高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛躍式發(fā)展，在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。近年來(lái)，人工智能、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新產(chǎn)業(yè)、新技術(shù)、新業(yè)態(tài)蓬勃發(fā)展，5G應(yīng)用場(chǎng)景更加豐富，智慧城市、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等進(jìn)程加速發(fā)展。作為移動(dòng)通信的典型語(yǔ)音業(yè)務(wù)，在5G系統(tǒng)中如何演進(jìn)，有著重要的理論研究意義和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。本文就這一問(wèn)題進(jìn)行方案探討。提出不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，SA和NSA組網(wǎng)模式下的5G語(yǔ)音解決方案。

1 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G網(wǎng)路架構(gòu)分為接入網(wǎng)和核心網(wǎng)兩部分。5G接入層稱為NG-RAN(NR)，主要包括gNB和升級(jí)版LTE基站，稱為ng-eNB。其中g(shù)NB管理NR用戶面和控制面協(xié)議，ng-eNB管理E-UTRAN用戶面和控制面協(xié)議。5G核心網(wǎng)主要分為控制面和用戶面，其中控制面主要包括AMF和SMF，用戶面主要包括UPF。

5G網(wǎng)絡(luò)接口和各網(wǎng)元如下圖1所示。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

核心網(wǎng)與接入網(wǎng)融合的5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)軟件定義網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)性管理等關(guān)鍵技術(shù)，來(lái)為用戶提供更好的服務(wù)體驗(yàn)。

2 5G組網(wǎng)模式

2.1 5G組網(wǎng)模式

3GPP規(guī)定了5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的兩種組網(wǎng)模式，非獨(dú)立組網(wǎng)(NSA, Non-standalone)和獨(dú)立組網(wǎng)(SA, Standalone)兩種模式[1]。NSA模式把4G現(xiàn)有的無(wú)線及核心網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施作為基礎(chǔ)，再新增5G載波作為配合，負(fù)責(zé)移動(dòng)管理和覆蓋；SA模式，采用5G核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，定義了新的核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及他們之間的接口，應(yīng)用了軟件定義網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)虛擬化等新技術(shù)[2]。

按照獨(dú)立組網(wǎng)和非獨(dú)立組網(wǎng)劃分，大約有Option1至Option7等多種架構(gòu)，還有三種變形方式，Option3a/Option3x、Option4a和Option7a/Option7x。如圖2所示。Option1為L(zhǎng)TE+EPC，也就是4G系統(tǒng)的常見(jiàn)組網(wǎng)方式。5G的組網(wǎng)以此為基礎(chǔ)。Option2為5G網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的最終目標(biāo)，需要替代LTE系統(tǒng)的基站和核心網(wǎng)，完全由gNB和NGC組成實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)的全面部署。

圖2 5G常見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)部署

2.2 NSA和SA的優(yōu)勢(shì)

NSA的優(yōu)勢(shì)主要包括：

1. 通過(guò)現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)增加5G的輻射范圍。

2. 標(biāo)準(zhǔn)的確立時(shí)間早于SA。NSA通過(guò)更多的產(chǎn)品測(cè)試，技術(shù)理論上應(yīng)更穩(wěn)定。

3. 利用4G EPC網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需建設(shè)5G核心網(wǎng)。

SA的優(yōu)勢(shì)主要包括：

1. 在該組網(wǎng)模式下，NR之間的切換時(shí)延較低。而在NSA模式下，由于和LTE連接復(fù)雜，NR之間切換需要更長(zhǎng)時(shí)間。

2. 在采用NSA模式時(shí)，終端天線既要連接LTE又要連接NR；采用SA模式時(shí)，終端天線僅需連接NR[3]。

3. SA可支持邊緣計(jì)算、SDN、NFV等新技術(shù)，使5G擁有更強(qiáng)更全面的業(yè)務(wù)能力，應(yīng)對(duì)各種5G業(yè)務(wù)需求。

3 5G語(yǔ)音解決方案

盡管5G在數(shù)據(jù)服務(wù)上有眾多技術(shù)應(yīng)用，但是語(yǔ)音業(yè)務(wù)仍然是運(yùn)營(yíng)商的重要基礎(chǔ)服務(wù)，具有理論研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

5G網(wǎng)絡(luò)中用戶進(jìn)行話音業(yè)務(wù)時(shí)，不僅要求系統(tǒng)能夠提供不同網(wǎng)絡(luò)制式環(huán)境下的語(yǔ)音切換，以及終端用戶從一個(gè)小區(qū)向另一個(gè)小區(qū)移動(dòng)過(guò)程中，使通話不中斷。比如3G與4G之間的VoLTE、SRVCC等；5G系統(tǒng)架構(gòu)既需要滿足未來(lái)網(wǎng)絡(luò)需求，又需要考慮與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)（2G/3G/4G）的遷移和互操作。尤其是和4G網(wǎng)絡(luò)的交互尤為重要；因此在互操作和連續(xù)性的設(shè)計(jì)上，5G系統(tǒng)主要考慮5G與4G網(wǎng)絡(luò)之間保持連續(xù)性[4]。

3.1 SA組網(wǎng)場(chǎng)景下的語(yǔ)音解決方案

SA場(chǎng)景下，包括兩種語(yǔ)音解決方案，EPS Fallback（簡(jiǎn)稱EPS FB）方案和VoNR（Voice over New Radio）方案。該模式下的組網(wǎng)架構(gòu)主要有option2、option4/4a。

EPS FB方案中，用戶設(shè)備入網(wǎng)初始注冊(cè)在5G網(wǎng)絡(luò)中，可以由5G提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。當(dāng)有語(yǔ)音業(yè)務(wù)如語(yǔ)音電話接入時(shí)，用戶設(shè)備將由網(wǎng)絡(luò)輔助完成切換流程，進(jìn)行VoLTE通話，通話結(jié)束后，用戶設(shè)備再切換回5G網(wǎng)絡(luò)。EPS FB方案需要網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃實(shí)施人員將5G NR部署在和LTE重復(fù)覆蓋的區(qū)域，以便進(jìn)行4G和5G的業(yè)務(wù)切換，主要用在5G網(wǎng)絡(luò)部署初期，核心網(wǎng)設(shè)備還未大面積鋪設(shè)的情況下[5]。

VoNR方案是通過(guò)5G借助于IMS系統(tǒng)提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)的技術(shù)方案，在全I(xiàn)P情況下部署。IMS又稱為IP多媒體子系統(tǒng)，可以在分組交換網(wǎng)絡(luò)下實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音業(yè)務(wù)，在VoNR技術(shù)方案中，5G作為一種接入方式接入IMS網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)IMS控制語(yǔ)音業(yè)務(wù)，其他業(yè)務(wù)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行承載。在VoNR下，語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都承載在NR網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)終端移動(dòng)到5G信號(hào)盲區(qū)或者覆蓋較差的地區(qū)時(shí)，需要切換到4G網(wǎng)絡(luò)，由4G網(wǎng)絡(luò)為其提供VoLTE語(yǔ)音服務(wù)[6]。

根據(jù)不同的5G組網(wǎng)，存在不同的選項(xiàng)。

1. 通過(guò)5GC和gNB承載VoNR，如下圖3所示。

圖3 VoNR協(xié)議棧-通過(guò)5GC和gNB承載

2. 通過(guò)EPC和gNB承載VoNR，如下圖4所示。

圖4 VoNR協(xié)議棧-通過(guò)EPC和gNB承載

目前可以有多種方案將最初5G過(guò)渡階段選擇的語(yǔ)音解決方案轉(zhuǎn)換為VoNR。

路徑1：VoLTE->EPS FB->VoNR

5G初期語(yǔ)音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分離，語(yǔ)音業(yè)務(wù)通過(guò)EPC+LTE來(lái)提供，以VoLTE作為初期語(yǔ)音解決方案。隨著5GC的接入，語(yǔ)音繼續(xù)由EPC+LTE提供，以EPS FB為語(yǔ)音解決方案[7]。在5G網(wǎng)絡(luò)全面推進(jìn)優(yōu)化后，推出VoNR。

路徑2：VoLTE->VoNR

5G建設(shè)的最終目標(biāo)是完全通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)來(lái)同時(shí)傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)，因此option2是最終的5G網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模式。

路徑3：VoLTE->VoeLTE->RAT FB ->VoNR

VoeLTE即Voice over eLTE，指話音承載在5GC以及ng-eNB上，在VoeLTE下，終端駐留eLTE網(wǎng)絡(luò)中，語(yǔ)音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都承載在eLTE。當(dāng)移動(dòng)用戶進(jìn)入到eLTE信號(hào)覆蓋較差的區(qū)域時(shí)，會(huì)觸發(fā)切換來(lái)實(shí)現(xiàn)4G或NR的互操作，切換到LTE或NR，由LTE或VoNR來(lái)提供服務(wù)。

RAT FB，與EPS FB類似，當(dāng)終端在5G網(wǎng)絡(luò)上要發(fā)起語(yǔ)音呼叫請(qǐng)求時(shí)，在語(yǔ)音信道建立過(guò)程中會(huì)切換到eLTE網(wǎng)絡(luò)中，由VoeLTE提供服務(wù)，當(dāng)語(yǔ)音通話結(jié)束后，終端再切換到5G網(wǎng)絡(luò)[8]。

3.2 NSA組網(wǎng)場(chǎng)景下的語(yǔ)音解決方案

在非獨(dú)立組網(wǎng)模式下，主要有option3/3a/3x和option7/7a/7x架構(gòu)，話音業(yè)務(wù)可以繼續(xù)使用CSFB、VoLTE等技術(shù)。由于沒(méi)有引入真正的5G核心網(wǎng)，因此不支持5G新功能，如網(wǎng)絡(luò)切片功能等。語(yǔ)音技術(shù)演進(jìn)方案可選擇CSFB演進(jìn)到VoLTE,然后再向VoNR演進(jìn)[9]。

VoLTE方案由4G網(wǎng)絡(luò)LTE/EPC提供語(yǔ)音，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)由4G/5G網(wǎng)絡(luò)共同承載[10]。

4 結(jié)論

5G語(yǔ)音業(yè)務(wù)仍然采用VoLTE中的IMS系統(tǒng)架構(gòu)，繼承支持現(xiàn)網(wǎng)中的所有語(yǔ)音業(yè)務(wù)。未來(lái)5G語(yǔ)音方案將提供更全面豐富的業(yè)務(wù)，通過(guò)對(duì)IMS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行架構(gòu)優(yōu)化，滿足物聯(lián)網(wǎng)等需求，伴隨著5G無(wú)線技術(shù)的發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)的不斷創(chuàng)新，5G時(shí)代的語(yǔ)音視頻業(yè)務(wù)將帶給用戶更新的體驗(yàn)。