VoNR 語音解決方案探討

［劉智德 馬金蘭］

1 引言

目前國內通信網絡正處于5G SA 部署初期，運營商采用從5G 回落到4G 網絡的EPS Fallback 方案，通過VoLTE 技術為5G SA 用戶提供語音業務。隨著5G SA 網絡達到一定的覆蓋率，終端、NR、5GC 和IMS 網絡都支持VoNR 后，將逐步過渡采用VoNR 為5G SA 用戶提供語音業務。

VoNR 即Voice over NR，指話音業務承載在5G 無線接入NR 即gNB 上。在VoNR 下，終端駐留NR，語音業務和數據業務都承載在5G 網絡，解決EPS Fallback 方案引起數據業務帶寬受限等問題。通話中的手機終端移動到NR 信號覆蓋較差的區域時，還可以發起基于覆蓋的切換來實現和4G 的互操作，切換到LTE 由VoLTE 繼續來提供服務，避免覆蓋原因引起的業務問題。

2 VoNR 總體技術方案

2.1 5G 網絡部署場景

3GPP 標準定義了兩類部署模式，SA 和NSA。其中SA（standalone）即LTE 與5G NR 獨立部署的獨立組網；NSA（non-standalone）即LTE 與5G NR 雙連接部署的非獨立組網。3GPP 標準按這兩種模式，根據5G 網絡網絡不同階段可能存在的部署場景，細化了8 種option，其中 option1、option2、option5 和option6 屬于SA 架構，option3、option4、option7 和option8屬于NSA架構。目前國內運營商中SA 主要采用option2，NSA 主要采用option3。在option2 的部署方式中，由于信令連接在5GC和NR 上，不采用VoNR 時用戶需回落至4G 網絡解決語音業務，采用EPS Fallback 為5G 用戶提供語音業務。

2.2 VoNR 總體解決方案

VoNR 的用戶終端駐留5G NR，語音業務和數據業務都承載在NR 網絡。在5G 網絡完成注冊后將通過5G網絡注冊到IMS 網絡，IMS 信令將承載在5G 網絡上，當用戶發起呼叫或者收到終呼請求，在5G NR 網絡建立語音或者視頻專用承載。與EPS Fallback 相比，由于不需要回落過程，流程相對簡單，接續時間也會短于EPS FallBack。VoNR 中的NR 不僅需要支持IMS 信令通道（SIP over NR），還需要支持IMS 話音通道（RTP/RTCP over NR）,對實時性的要求較高，因此往往需要NR 持續做網絡優化，以達到語音質量好和UE 功耗低的要求。

VoNR/EPS FB 語音呼叫建立流程如圖1 所示。

圖1 VoNR/EPS FB 語音呼叫建立流程

步驟1：終端發起呼叫，發送SIP INVITE 消息到PCSCF/BAC。

步驟2：PCSCF/BAC 向5GC 發起位置查詢。

步驟3：5GC 通知NR 建立專載。

步驟4：5GC 協同NR 建立專載，此步驟為VoNR 呼叫建立專載步驟。

步驟4’：此步驟為EPS FB 呼叫建立專載步驟。

4’-1：NR 建立專載失敗，并向5GC 告知需要回落

4’-2：NR 發起回落，在4G 網絡建立專載。

步驟5：成功建立專載后，5GC 向PCSCF/BAC 返回位置信息，對于VoNR 呼叫，返回5G 位置信息；對于EPS FB 呼叫，返回4G 位置信息。

步驟6：主叫PCSCF/BAC 將接入類型、位置信息映射到INVITE 消息的P-Access-Network-Info 頭域中，并通過IMS 網絡將呼叫接續到被叫。

步驟7：被叫向被叫PCSCF/BAC 發送183。

步驟8～11：被叫側建立專載，過程與主叫側相同（步驟2～5）。

步驟12：被叫PCSCF/BAC 將接入類型、位置信息映射到183 消息的P-Access-Network-Info 頭域中,并通過IMS 網絡將183 接續到主叫。

后續流程與VoLTE 相同

VoNR 視頻業務主被叫流程與音頻業務類似，不同點是對于視頻業務，除了建立語音專有承載外，還需同時建立視頻專有承載。

2.3 VoNR 與EPS FallBack 差異分析

VoNR 與EPS FallBack 是5G 用 戶語音業務的兩種實現方式，因此兩者的區別在于呼叫流程。在注冊流程中，兩者沒有區別，均在5G 網絡中完成，不涉及4G 網絡。

VoNR 與EPS FallBack 差異如表1所示。

表1 VoNR 與EPS FallBack 差異比對表

（1）承載網絡及專用承載

VoNR話務承載在5G網絡上，EPS FallBack則需要回落到4G 網絡，話務承載在4G 網絡上。由于承載網絡不同，兩者所建立的語音和視頻專用承載也不同，其中VoNR 話務的語音專用承載為5QI=1、視頻專用承載為5QI=2；EPS FallBack 話務的語音專用承載為QCI=1、視頻專用承載為QCI=2。

對VoNR 和EPS FB 呼叫流程的對比分析，VoNR 與EPS FB 最主要的區別在于專載的建立。VoNR 呼叫直接在5GNR 上建立專載，EPS FB 需要先觸發回落，然后在4G上建立專載，因此EPS FB 比VoNR 多了一個回落過程，相應的，其接續時長也比VoNR 的更長。

（2）位置信息

①Rx 接口中的位置信息

VoNR 與EPS FallBack 使用相同IP-CANTYPE（=3GPP-5GS（8））,不同RAT TYPE。其中VoNR 的RAT TYPE值 為NR（1006），EPS FallBack 的RAT TYPE 值為EUTRAN（1004）。VoNR 流程中，RAR 消息攜帶5G 接入位置信息”NCGI”（135）或”TAI and NCGI”（137）字段，包含5G 網絡的小區標識。EPS FallBack 流程中，RAR 消息攜帶4G 接入位置信息"TAI and ECGI"（130）字段，包含4G 網絡的小區標識。

② P-Access-Network-Info 字段中的位置信息

P-Access-Network-Info中包含access-class 和accessinfo。對于VoNR，access-class 取值"3GPP-NR"，accessinfo 攜帶5G 網絡的小區標識；對于EPS FallBack，accessclass 取值"3GPP-E-UTRAN "，access-info 攜帶4G 網絡的小區標識。

因此，在VoNR 中，P-CSCF/BAC 應能識別Rx 接口攜帶的5G 位置信息，并能映射至P-Access-Network-Info中進行傳送，呼叫相關KPI 話務統計需增加4G 用戶和5G 用戶的區分處理；S-CSCF 應能識別5G 位置信息，呼叫相關KPI 話務統計增加4G 用戶和5G 用戶的區分處理；MMTEL AS 應能識別5G 位置信息，并能根據在呼叫話單中填寫5G 位置信息，呼叫相關KPI 話務統計需增加4G用戶和5G 用戶的區分處理。其他業務平臺AS 如需使用位置信息，應能識別并處理5G 位置信息。

此外，在日常運營中，運營商需掌握VoNR 與EPS FallBack 的話務情況，因此還需要對VoNR 與EPS FallBack 進行KPI 話務統計。對于VoNR 話務，P-CSCF/BAC、S-CSCF、MMTEL AS 均可根據P-Access-Network-Info 中攜帶的5G 位置信息（access-class），實現VoNR話務的KPI 話務統計。對于EPS FallBack 話務，P-Access-Network-Info 中攜帶4G 位置信息，與VoLTE 話務相同，因此無法與VoLTE 話務區分。針對EPS FallBack 話務的特點：用戶發起呼叫時攜帶5G 位置信息，后續呼叫中變更為4G 位置信息，呼叫過程中位置信息發生變化。IMS網絡中僅P-CSCF/BAC 參與此變化過程，因此僅P-CSCF/BAC 能識別此類話務。由此，P-CSCF/BAC 還需增加EPS FallBack 話務相關KPI 話務統計。

（3）媒體流編解碼

VoNR 語音通話業務優先采用EVS 編解碼，同時支持AMR-NB 編解碼的窄帶語音通話以及采用AMR-WB編解碼的寬帶語音通話。VoNR 視頻業務優先采用H.265 1080P 30FPS 編解碼，同時支持H.264 VGA/720P,15FPS 以上編解碼，并支持通話過程中通過協商改變視頻分辨率。

EPS Fallback 業務承載在4G+VoLTE 網絡上，目前VoLTE 網絡支持語音業務的AMR-NB 編解碼、AMR-WB編解碼,視頻業務的H.264 編解碼。

因此，在支持VoLTE 現有編解碼能力的基礎上,負責媒體傳送的P-CSCF/BAC，還需支持EVS 編解碼、H.265編解碼，并支持新增編解碼與現網各種編解碼的媒體轉換；其他IMS 網元需支持EVS 編解碼、H.265 編解碼的協商。

（4）緊急呼叫流程

除基本呼叫中的差異外，在緊急呼叫中，VoNR 與EPS FallBack 也不盡相同。

對于EPS FallBack 的緊急呼叫，終端判斷需發起緊急呼叫，則發送Service Request，其中業務類型為emergency services fallback，NR 根據業務類型發起緊急回落，終端回落至4G 網絡，在4G 網絡完成緊急附著并建立緊急承載，之后再發起IMS 緊急注冊和呼叫，語音承載建立在4G 網絡，因此，EPS FallBack 緊急呼叫的緊急承載和語音承載都是在4G 網絡，用戶的位置信息也是4G 的位置信息。對于IMS 網絡來說，在 EPS FallBack 前并沒有收到緊急呼叫的INVITE 消息，IMS 并不感知EPS FallBack 的過程，因此，IMS 網絡的處理與對普通的VoLTE 緊急呼叫的處理是相同的。

對于VoNR 的緊急呼叫，VoNR 終端在5G 發起緊急注冊（對于未注冊的終端），注冊之后直接在5G 發起緊急PDU session 建立流程，然后在這個5G 承載上發起IMS 緊急注冊和緊急呼叫流程，語音承載建立在5G 網絡，因此，與EPS FallBack 不同的是，VoNR 緊急呼叫緊急PDU session 建立在5G 網絡，后續的語音專用承載也建立在5G 網絡，用戶的位置信息也是5G 的位置信息。P-CSCF/BAC 需要將5G 位置信息通過PANI 傳遞至E-CSCF，E-CSCF 根據5G 位置信息進行緊急呼叫中心的路由映射。

3 VoNR 對網絡的要求

基于上述對VoNR 和EPS FallBack 的差異分析，在已經支持EPS FallBack 的基礎上，IMS 和5G 網絡還需支持以下要求，方能支持VoNR 功能。

3.1 對IMS 網絡的要求

（1）P-CSCF/BAC

P-CSCF/BAC 應能在主叫或者被叫流程中從Rx 接口獲取并識別、處理5G 位置信息（IP-CAN TYPE 值為3GPP-5GS（8），RAT TYPE 值為NG-RAN（1006））；且通過P-Access-Network-Info 攜帶至IMS 其他網元，其中access-class 取值"3GPP-NR"，access-info 攜帶5G 網絡小區標識；支持EVS 和H.265 編解碼。

（2）I-CSCF、S-CSCF

I-CSCF 和S-CSCF 應能識別5G 位置信息，呼叫流程支持對5G 位置信息的處理。

（3）E-CSCF

E-CSCF 應支持根據5G 位置信息進行緊急呼叫中心的路由映射，支持緊急話單中填寫5G 位置信息，完成基于VoNR 的緊急呼叫流程。

（4）MMTEL AS

MMTEL AS 應能識別5G 位置信息，基本呼叫流程支持對5G 位置信息的處理，在呼叫話單中填寫5G 位置信息。

（5）MRFP

MRFP 需支持EVS 和H.265 編解碼。

（6）其他AS

其他AS 應能識別5G 位置信息，支持基本呼叫流程支持對5G 位置信息的處理，根據需要對位置信息進行相應的處理或者直接透傳，如業務涉及媒體交互，需支持EVS 和H.265 編解碼。

3.2 對5GC 的要求

（1）5GC 網元應能支持音視頻業務建立過程中所需要的語音專用承載（5QI=1）和視頻專用承載（5QI=2）的建立、修改和刪除。

（2）5GC 網元應能支持VoNR 緊急呼叫相關的緊急附著和緊急承載建立、修改、刪除等。

（3）PCF/PCRF 應能通過Rx 接口向P-CSCF/BAC傳遞5G 位置信息。

3.3 對NR 的要求

（1）支持對VoNR 業務建立5QI 5 默載、5QI 1 專載、5QI 2 專載，分別承載SIP 信令、語音業務和視頻業務。

（2）支持VoNR 緊急呼叫相關的緊急附著和緊急承載建立、修改、刪除等。

（3）支持通過優先響應話音業務所在邏輯信道組的SR 請求。

（4）對話音業務和視頻業務承載，支持頭壓縮（含IPv6 和IPv4）。

（5）對話音業務和視頻業務承載，支持RLC 分段，最大分段數支持配置。

（6）對話音業務和視頻業務承載，支持slot aggregation。

（7）對話音業務和視頻業務承載，支持下行SPS。

（8）對話音業務和視頻業務承載，支持上行Configured Grant。

（9）支持無線側基于覆蓋、容量等準則，通過MAC CE 觸發終端發起話音編碼codec 調整。

4 EPS FallBack 向VoNR 演進建議

EPS FallBack 向VoNR 的演進，可分為三個階段：EPS Fallback階段、EPS Fallback和VoNR并存階段、VoNR階段。

可在NR 中設置開關：VoNR 功能開關、策略開關，實現EPS FallBack 向VoNR 的演進。兩個開關與各階段的關系如下：

（1）EPS Fallback 階段：關閉VoNR 功能開關，所有5G 語音業務采用EPS Fallback 解決方案。

（2）EPS Fallback 和VoNR 并存階段：開啟VoNR功能開關，開啟策略開關，根據策略決定采用VoNR 或EPS Fallback 方案，滿足策略要求的情況下NR 執行VoNR流程，否則執行EPS Fallback 流程。

（3）VoNR 階段：開啟VoNR 功能略開關，關閉策略開關，該階段默認所有終端都支持VoNR,所有5G 語音業務執行VoNR 流程。

根據演進過程所處的階段依次設置開關：VoNR 功能開關關閉→VoNR 功能開關開啟，且策略開關開啟→VoNR 功能開關開啟，且策略開關關閉。

（1）目前國內運營商均處在EPS Fallback 階段，因此，VoNR 功能開關關閉。

（2）當滿足以下3 個條件時，運營商具備開展VoNR業務的能力：現網IMS 網元、5GC 網元、NR 都已經支持VoNR；具備支持VoNR 的商用終端；現網NR 達到語音業務對應的覆蓋率要求。當決定要逐步開啟VoNR 時，在完成現網試驗的基礎上，從覆蓋率較高的NR 開始，逐漸開啟現網NR 的VoNR 功能，同時打開策略開關，NR根據策略觸發VoNR 或EPS Fallback 流程，進入到EPS Fallback 和VoNR 并存階段。

（3）當默認所有終端都支持VoNR 時，關閉NR 上的策略開關，所有終端語音業務執行VoNR 流程，進入到VoNR 階段。

注意事項：在現網NR 大批量開啟VoNR 功能之前，建議進行現網試點，選取少量NR 開啟VoNR 功能，并進行VoNR 業務測試，尤其是5G 和4G 邊界的切換對音視頻業務的影響情況。

5 結束語

本文對VoNR 語音解決方案進行探討，分析VoNR 與EPS Fallback 的差異，提出EPS Fallback 向VoNR 的演進建議，對網絡提出能力要求，為5G 語音業務的解決提供最終方案，運營商可以此為參考，并結合自己的網絡特點和部署需求選擇合適的解決方案。