5G系统中的终端话音方案探讨

金晨光

【摘 要】话音业务是移动通信中的基本业务，而5G系统具有的许多全新特性将对语音业务功能、性能带来诸多挑战，因此通过对5G系统网络架构和组合方式的特性分析，研究话音方案设计中所面临的关键影响因素，最后讨论评估了多种潜在终端话音方案的技术优劣势。

【关键词】5G 终端 话音方案

中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：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

当前伴随着移动互联网的日益兴起，以微信、QQ、WhatsApp等为代表各种即时消息APP已经日渐成为人们相互沟通联系的工具和手段。然而语音电话业务作为移动通信中最基本的通信方式，始终以其高质量、高可靠、可信赖等优点，仍然被手机用户广泛使用。

在2G/3G网络中，移动通信网络包括电路交换交换和分组域交换，并且话音业务由电路域提供。在4G网络中电路域交换方式已经消失，分组域交换与IP化成为4G网络的核心和基础，话音业务也伴随着IP技术发展进行了发展和演进，采用基于IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统）的Voice over LTE的技术。

在终端话音方案的演进和发展过程中，结合不同的市场需求和语音方案策略，市场上陆续出现过有多种具备不同终端产品形态，例如，单卡单待终端、单卡双待终端、双卡双待单通终端、双卡双待双通终端等。

5G技术正在蓬勃兴起，技术、标准和产品等正处于热烈的技术研究和分析讨论阶段。本文主要结合当前5G技术的特点和发展趋势，对5G时代的终端话音方案及产品形态进行研究和展望。

2 5G时代终端话音业务的基本需求

基于IMS架构的4G VoLTE话音方案作为4G技术标准目标话音方案，已经在全球超过56个国家和地区的105个LTE网络上得到了广泛的部署和应用。在中国，中国移动已经建设部署和商用了全球最大的VoLTE网络，正在为数以亿计的4G用户提供高质量的语音通信服务。

4G VoLTE的成功不仅证明了语音方案由电路域交换向分组域交换演进的成功，而且也证明了基于IMS架构对话音方案控制和承载的可靠能力。5G网络作为4G网络的演进和发展，5G时代的话音方案从趋势来看还会由IMS提供会话控制和基本业务，即IMS Voice over 5G。

5G网络作为下一代移动通信网络，其系统的设计目标是为移动互联网、移动车联网及物联网提供超大带宽、超低时延、超大容量、海量连接的全新网络系统。但考虑到移动通信网络的演进和部署往往也是循序渐进的，因此往往同一个区域会有2G、3G甚至4G和未来5G的覆盖。话音业务不仅要求在各种网络下能够使用话音进行通信，而且还要求能够在不同网络覆盖区域下保持话音持续的要求，就像GSM与WCDMA之间的切换，3G与4G之间的VoLTE SRVCC等。5G系统架构设计之初就面向未来的前向兼容基本原则，与现存网絡（2G/3G/4G）的迁移和互操作上，也是以与4G保持迁移和互操为重点。因此5G系统连续性和互操作的设计上主要是保证在5G-4G之间保持连续性，但不要求5G-2G/3G保持业务连续性（保持当前4G-2G/3G连续性要求）。

除了话音业务连续性要求，用户对通话体验也有很高的要求，尤其对话音中断时延非常敏感。结合参照4G VoLTE eSRVCC性能指标，5G系统内互操作和5G-4G系统间互操作过程中的话音中断时延指标应小于300 ms。

3 网络系统架构对终端话音方案带来的

问题与挑战

从现在3GPP中技术标准和讨论文稿来看，5G网络无论无线接入网还是核心都存在着多种组织架构或接口连接方式的选择：在无线接入网络部分，包括SA（Standalone，独立组网）和NSA（Non-standalone，非独立组网）架构方式；而核心网部分，在5GC与4G EPC的互联上也包括支持Nx接口的互联方式和不支持Nx接口的互联方式。这些不同的组合场景对终端话音方案，尤其是话音连续性上带来了诸多影响因素。

3.1 SA架构的基本特性

SA网络架构的特点在于4G网络（如图1所示）和5G网络（如图2所示）均拥有完整独立的接入网和接入网。

从5G与4G网络之间是否互通互联的角度来看，可以进一步细分为具有Nx接口的独立组网和没有Nx接口的独立组网。Nx接口位于4G MME与5G AMF之间的跨核心网接口。该接口主要作用是在4G系统和5G系统之间建立一个传递移动性相关信息与互操作消息的通道。endprint

在独立组网场景中，终端需要能够拥有分别接入4G和5G系统的多模能力，但这两套系统的核心网之间是否有互通接口对终端话音方案的设计和实现方法产生影响，这些影响主要包括：

终端话音的基本提供方式（例如待机方式、注册方式）；

终端话音连续性的实现方式和性能保障。

（1）有Nx接口的SA架构对话音连续性的影响

类似VoLTE SRVCC过程中用于保证话音连续性的位于MME与MSC间的Sv接口，在4G EPC MME与5GC AMF开通Nx接口，相关信令消息，尤其是互操作与移动性相关的信息（如位置区/注册区信息、源小区/目的小区信息等）能够在4G和5G网络之间进行传递，统一协调两套网络的承载建立和释放，保证会话的连续性（Seamless Session Continuity）。

（2）无Nx接口的SA架构对话音连续性的影响

由于4G EPC和5GC之间不存在互通接口，终端在这两个网络覆盖的区域进行移动过程中，终端的位置状态、会话上下文等信息无法被通过网络进行传递，会话迁移过程会出现中断。即使由终端自主进行业务状态保持和恢复，仍然不能可靠保证话音业务连续。

3.2 NSA架构的基本特性

非独立组网NSA架构下，依据核心网与无线接入网的连接方式，NSA存在多种可能的架构选择，图3、图4、图5中分别表示了各种候选NSA架构选项：

无论接入网与核心网具体的连接方式如何，系统整体上仅存在一个核心网（4G核心网或者5G核心网），因此移动性信息属于单一核心网系统内的消息过程，不存在像SA架构那样有跨核心网传递的问题。

从移动性管理的角度来看，终端仅能存在一个与该核心网对应的移动性管理实体，也就意味着终端须支持网络单注册。而从无线角度来看，终端则有4G LTE和5G NR两种空口的无线接入技术，DR（Dual Radio）也是可选的接入方式，例如由4G LTE承载控制面数据（例如IMS信令），由5G NR承载用户面数据（例如话音媒体）。

4 终端话音方案选择与话音连续性分析

4.1 单待机终端

单待機终端是最基本最普遍的终端话音方案。在多模网络下，终端根据自身对网络环境条件的选择和判断，单一驻留在最合适的网络并使用业务，并在多模网络间的移动过程中通过小区重选或者切换等互操作过程保持网络持续连接。为了能够维持业务连续性，也需要网络侧具备相应的功能要求，即异系统网络之间要建立必要的接口，以便在移动互操作过程中，网络设备能够及时可靠地传递位置区、频点等命令消息。

（1）有Nx接口的SA架构场景

以VoLTE SRVCC过程为例，为了实现4G LTE向2G/3G的语音连续性，在4G与2G/3G之间的移动性消息是通过4G MME与2G/3G MSC之间建立的Sv接口来进行传递的，如图6所示。

当前3GPP也已经明确说明，如果要实现业务会话的无缝连续性，必须在4G EPC和5GC间部署Nx接口，如图7所示。

图8描述了有Nx接口场景下，多模终端由5GS向EPS的切换过程（以单注册模式为例）。

在步骤3可以看出通过跨核心网的Nx接口，5G核心网AMF向4G核心网MME发送请求消息Relocation Request，向MME传递了包括目标节点ID、MM/SM上下文、承载等信息；而在步骤9中MME经过Nx接口反馈了请求响应Relocation Response，向AMF反馈响应了包括响应原因值、目标EPS承载列表及其他必要信息。后续再经过其他必要的信令交互过程，共同实施和完成了终端当前会话业务在5GS和4G EPS间的平滑切换。

（2）无Nx接口的SA架构场景

对于无Nx接口的SA网络架构，这意味着当终端进行连接态通话过程时，如果从5G区域移动到4G覆盖区域（或者相反），网络侧无法为终端语音的会话连续性提供网络保障。

图9描述了无Nx接口下多模终端由5GS向EPS的重选过程（以单注册模式为例）。

在步骤1中，5G NR可以通知终端进行跨系统的网络“切换”，由终端自身进行从步骤2到步骤5的后续重选流程操作。由于在此期间，5G网络没有与4G EPC的跨核心网交互和进行必要的连续性保障，因此造成了一段时间内终端当前会话业务中断。

如果采用单卡双注册终端，尽管可以利用终端具有的独立双注册模式，在离开源网络之前，由终端提前向目标网络发起接入驻留，以减少终端在跨系统转换和会话迁移过程中的中断间隔时间（例如终端对目标网络的无线测量时间、对目标网络的随机接入与注册时间等），但由于这些过程操作完全取决于终端自身的设计实现和过程处理，不仅无法确保中断间隔时间能够满足性能要求（<300 ms），而且由于终端功能实现上的多样化差异化以及终端在不同的网络场景下适用性也有很多不确定性，还需要进一步地深入研究。

4.2 双待机/双注册

双待机终端话音方案是指多模终端在多模网络环境下，通过双接收-发射机的方式（双独立射频-基带通道）同时保持与两个不同制式网络下（例如2G/3G和4G）进行位置注册并待机状态，依照终端自身具有的双待单通或者双待双通的能力，在两个制式网络下单独或者并发使用业务。

双待机终端的话音业务大多是由其中某一个通信模式（例如2G/3G电路域语音）完全承载语音通话；另外一个通信模式（例如4G或者5G）承载单纯的PS数据业务连接，并且两个模式之间彼此独立，不存在互通互联操作。

若5G系统内没有部署IMS子系统，终端始终无法将语音业务驻留在5G系统。如果必须保留5G的承载连接，终端必须将话音通过其他系统（例如4G VoLTE）来提供。双待双注册终端可以同时附着在LTE和5G上，仅通过LTE在IMS注册，使用VoLTE语音业务并保证话音业务的移动性和连续性；数据业务附着在5G，当无5G覆盖时，在5G上去附着，在4G上新建数据的PDN连接。endprint

4.3 双射频/单注册

5G系统中的NSA选项，由于仅存在一个独立的核心网进行会话控制、移动性管理，因此在发生移动和互操作时，也能够在核心网的控制下进行切换。而由于存在4G LTE和5GNR两套无线接入网络，所以5G终端可以使用4G和5G两条射频通道，分别承载控制面数据（例如信息消息）和用户面数据（例如语音媒体数据）。

但从实际应用来看，由于频段分配和建设部署等原因，4G覆盖区域往往会大于5G覆盖区域。终端使用4G-5G双Radio承载业务过程中，5G的无线承载更加容易触发切换，对业务的可靠性也许会有所影响。另外，尽管双射频分别承载信令与数据信息，能够发挥5G NR大带宽的优势，但考虑到话音媒体带宽约300 kbit左右（AMR-WB 23.85 bit/s），将信令和话音分离承载是否必要还需要结合需求和应用场景进行进一步讨论。

5 结论

本文围绕终端话音业务基本需求，介绍分析了话音业务的基本实现方式、业务功能及性能要求，并提出面向5G时代的话音业务需求展望。通过对当前5G技术标准中各种网络架构的组合方式及特性研究，重点阐述话音业务在连续性、中断时延等方面所面临的问题和挑戰，并结合多种类型终端的话音功能特性，讨论分析了若干种终端话音业务技术方案。

当前从3GPP及产业进展来看，5G时代的话音方案还没有一个明确和统一的解决方案，还需要在技术、产业及产品方面进行更加深入和细致的研究。

参考文献：

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