5G网络语音及短信解决方案

马洪源，肖子玉，卜忠贵

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 引言

随着5G标准的完善和产业链的进一步成熟，5G商用的步伐越来越快。5G网络面向eMBB、uRLLC、mMTC三大应用场景，即将冻结的5G phase 1即R15标准主要针对eMBB场景。语音及短信作为基础电信业务，仍然是5G时期网络需要解决的重要问题之一。

与4G网络不同，3GPP根据接入网络与核心网络的组合关系定义了不同的5G部署选项架构，如表1所示，其中比较热门的选项有基于NSA的Option3系列、Option4系列、Option7系列以及基于SA的Option2。Option3系列架构标准已于2017年12月冻结，而Option2架构标准预计将于2018年6月冻结，其余架构标准预计将于2018年底完成。

不同部署架构对网络和终端能力均有不同的要求，本文描述的语音及短信解决方案基于R15，主要针对Option3系列及Option2，IMS支持服务化接口、语音能力开放、网络切片以及对垂直行业的增强支持等问题需要在R16进行讨论。

表1 5G网络组网及部署架构选项分析汇总表

2 5G语音方案

3GPP已经明确基于IMS提供语音业务，5G作为IMS语音的一种IP接入，语音连续性性能指标与VoLTE保持一致（均为300 ms），5G语音业务需要提供5G与4G间的双向语音业务连续性，但R15阶段暂不提供与2G/3G语音的互操作。

针对5G网络，3GPP R15提出了两个新的语音解决方案：VoNR和EPS Fallback。NSA模式（Option3）核心网使用EPC+、UE双连接，控制面锚定LTE，语音方案与4G一致，使用VoLTE。SA模式（Option2）核心网使用5GC，VoNR是目标方案，EPS Fallback为过渡方案。针对不同承载5G语音解决方案如图1所示：

图1 5G语音承载方案选择与演进路径

5G网络的建成不是一蹴而就的，在相当长一段时间内4G和5G网络将会长期共存。5G终端用户使用语音业务会出现以下场景：

（1）Option3用户位于EPC提供服务的eNodeB下，使用VoLTE提供语音业务。

（2）Option3用户位于EPC提供服务的NR下，使用VoLTE提供语音业务。

（3）Option2用户位于5GC提供服务的NR下，使用VoNR提供语音业务。

用户在通话前，从5GC提供服务的NR下移动到EPC提供服务的eNodeB需要支持EPS Fallback；用户在通话过程中，从5GC提供服务的NR下移动到EPC提供服务的eNodeB需要支持PS切换；切换过程中需要UE的IP地址保持不变；回到LTE后语音解决方案同4G网络。

（4）针对Option4系列和Option7系列，终端驻留在eLTE、语音和数据。

业务都承载在eLTE网络。当终端移动到eLTE覆盖区域外，需通过基于覆盖的切换实现和LTE或NR的互操作，由VoLTE或VoNR提供服务。与EPS Fallback类似，5G网络还存在RAT Fallback解决方案：当NR在5GC上建立IMS语音通道时触发切换，此时NR向5GC发起重定向或inter-RAT切换请求，回落到eLTE网络，由VoeLTE提供服务。但由于相关协议标准尚未冻结，本文不再展开说明。

2.1 VoNR方案

VoNR即Voice over NR，指语音承载在5G NR上，Option2场景下VoNR协议栈如图2所示，在VoNR下，终端驻留NR，数据和语音业务都承载在NR网络。

VoNR基本流程与VoLTE类似，5G UE通过NR接入5GC实现基于IMS的语音控制流程：

（1）UE首先完成在5G网络的注册过程，注册接受消息中，AMF告知UE网络是否支持“IMS voice over PS session”及N26接口。

（2）若支持，则在IMS PDU会话建立过程中，5G核心网通过AMF将P-CSCF地址头传给UE。

（3）UE在后续向IMS网络注册，为支持UE回落后的eSRVCC，AMF需要将用户数据中心下发的STN-SR通过N26接口传给MME。

（4）为支持VoNR的被叫域选择，用户透明数据的下载及语音计费，需要IMS网络能够识别新的无线接入类型及5G小区信息。

（5）VoNR方案中被叫域选择需要HSS/UDM分别通过S6a接口和Namf接口向MME和AMF询问“IMS voice over PS supported”情况，并根据被叫用户实际登记位置选择域选方案：

1）如果IMS voice PS为Supported，TAS选择在IMS域呼叫被叫用户；

2）如果IMS voice PS为NOT-Supported，用户注册时接入类型为LTE，RAT Type为5G，TAS选择在IMS域呼叫被叫用户；

3）如果IMS voice PS为NOT-Supported，用户注册时接入类型为LTE，RAT Type不是5G，TAS选择在CS域呼叫被叫用户；

表2 VoNR方案网络支持功能汇总表

4）如果IMS voice PS为UNKNOWN，TAS根据全局配置，确定在IMS域或CS域呼叫被叫用户。

（6）其余注册及呼叫流程与VoLTE基本一致，仅仅是IMS网络部分接口升级支持新的5G参数，具体的网络功能改造点如表2所示。

（7）AMF需要支持紧急呼叫，支持指示以及紧急号码列表下发。AMF和SMF需要支持紧急PDU session建立等功能，确保5G语音能够满足国内紧急业务要求。

图2 Option2 场景VoNR协议栈示意图

2.2 EPS Fallback方案

针对EPS Fallback，终端已经完成IMS注册，但是在发起呼叫过程中发现不支持VoNR，则NR根据终端能力、N26接口可用性、网路配置及无线状况触发回落流程，重定向到EPS系统或切换至连接在5GC的E-UTRA。如果AMF指示EPS Fallback重定向不可行，则无法完成上述回落流程。回落过程NR使用切换流程还是系统内重定向流程取决于终端支持情况。标准处理流程如图3所示。

完成EPS移动性管理流程后，SMF/PGW重新建立IMS语音专载，后续由VoLTE提供服务，但是需要MME支持N26接口。回落完成语音业务流程后如何实现类似于4G网络的Fast return快速返回机制有待标准的进一步明确。

外场测试表明，针对单注册终端EPS Fallback语音连续性可保证，呼叫建立时延比NSA模式下VoLTE方案增加约400 ms，用户基本无感知。

2.3 方案比较及部署建议

从场景定位、标准进展、对无线的要求及核心网改造范围、业务体验、业务指标等角度对R15提出的两种5G语音解决方案进行了详细的比较，如表3所示。

从比较结果来看，VoNR业务体验较好，EPS Fallback部署相对简单；SA组网下直接部署VoNR还是先部署EPS Fallback需要综合考虑以下几点因素：

（1）终端产业链是否成熟

终端成熟度晚于网络设备，预计在2019年下半年实现量产。

（2）是否有业务需求驱动：如大规模视频通话业务

目前没有明确的新增业务需求，VoLTE能够满足现有通话场景需求。

（3）无线网络建设成本：为满足语音业务而进行的站址密度规划及调整

图3 EPS Fallback信令流程图

表3 VoNR与EPS Fallback方案比较

基于目前产业链最成熟的3.5 GHz仿真，结果表明，3.5 GHz仅能实现浅层覆盖，无法实现深层连续覆盖，难以保证VoNR语音业务质量。3.5 GHz NR基站站间距为300 m~350 m时，深层覆盖能力弱于LTE D频段（室内两堵墙弱1.7 dB左右），而语音业务大部分场景发生在室内，VoNR语音业务质量难以保证。如实现3.5 GHz NR基站的深度连续覆盖，站间距要达到190 m左右，站址数量要较LTE D频段增加一倍；同时，还需建设大量的3.5 GHz室内分布系统，工程建设难度及投资均较大。

综上分析，建议5G网络建设初期，语音业务直接由4G VoLTE承载或者通过EPS Fallback回落到LTE，由VoLTE解决；远期可考虑低频（如：900 MHz）重耕进行5G深度覆盖，再部署VoNR业务。但NSA模式下终端连接态时为双通状态，增加了终端功耗和干扰，同时为保证后期平滑演进，建议EPS Fallback终端同时支持VoNR功能。

3 5G短信方案

根据组网部署方案与终端能力，5G短信业务实现可选方案有三种：

（1）SMS over SGs

该方案与4G SGs短信方案相同，NSA组网模式可采用。基于EPC与传统CS域间的SGs接口提供短信收发能力，但该方案对CS域存在依赖。

（2）SMS over IP

该方案与VoLTE短信方案相同，NSA和SA组网模式均可用。通过部署IP-SM-GW连接短信中心和IMS核心网，实现传统电路域短消息与SIP消息间的转换，为用户提供短信业务。为支持5G用户，IMS域的IP-SMGW设备需增加对5G接入信息的被叫域选支持。

（3）SMS over NAS

通过引入SMSF为5GC与短信业务系统提供交互，短消息通过UE与AMF间的NAS信令传送。AMF与UDM设备需为终端与SMSF的注册选择、相关用户数据信息管理提供支持。该方案中，每个UE仅关联一个SMSF，由AMF决定。为了支持SMS的被叫域选择，SMSF需要与IP-SM-GW及SGs MSC相连。

对于支持IMS的UE，需要在UE侧配置归属运营商的MO SMS策略：如果网络没有部署SMS over IMS，那UE只能使用SMS over NAS；如果网络部署了SMS over IMS，并且建议优先使用，UE需要在IMS上发送SMS，如果无法发送，再回退使用SMS over NAS。

方案1和方案2可以满足5G初期短信业务需要。如果有完善的IMS网络及IP短信网关，则eMBB场景没有引入SMSF的必要性，针对物联网可以沿用现有短信方案，即基于SMS over SGs，对于5G非IMS用户的消息交互场景建议基于分组数据形式完成。目前基于SGd接口的短信方案产业链支持程度较差，随着短信中心虚拟化改造，可以考虑按需部署SMSF，支持SMS over NAS。

4 结论

面向5G网络，语音及短信解决方案需要基于不同的部署架构和终端能力选择不同的解决方案。本文基于R15标准分析了候选的5G语音及短信解决方案，同时结合终端成熟度、无线网络组网策略及建网成本、业务场景等因素提出了5G语音及短信部署策略。

根据5G网络演进策略，5G语音也存在多条演进路线：

（1）VoLTE-＞VoNR；

（2）VoLTE-＞EPS Fallback-＞VoNR；

（3）VoLTE-＞VoLTE/RAT Fallback-＞VoNR。

鉴于频谱策略和业务连续性的挑战，无论采用何种路线，5G初期沿用VoLTE语音及短信解决方案有利于快速部署5G相关业务并保持网络的简洁性。随着业务需求的发展和网络的进一步演进，通信连接将从人与人之间扩展到人与物及物与物之间，这意味着短信及语音业务需要进一步增强，整个IMS网络都要作出相应的变化。IMS网络云化、支持服务化接口、语音能力开放、网络切片以及对垂直行业的增强支持将会成为其关键属性，这些问题将在5G第二阶段即R16进一步讨论和明确。