运营商语音业务发展探讨

2021-03-14陈俊明张洁王岱

广东通信技术 2021年1期

［陈俊明张洁王岱］

1 语音业务现状与挑战

语音是运营商的一项基本业务，随着移动互联网时代的到来，数据业务在运营商总体营收中的比例逐步增加，但语音收入仍是运营商较大的单项收入，是运营商稳定的收入来源。以中国移动为例，语音+彩短信2020年上半年收入仍有558.3亿元，占比14.3%。另外，语音也是用户的刚需，拥有最广泛的用户基础，用户对运营商语音的体验满意度对运营商的品牌形象有较大的影响，商用网络质量评测组织P3-GROUP所定义的网络质量评估方法中语音体验分占比仍有40%。所以，在未来相当长时间内运营商仍需运营好语音业务。

语音向VoLTE的切换方面，中国移动从2015年8月就开始商用VoLTE，中国电信从2018年11月底开始全网试商用VoLTE，中国联通由于WCDMA覆盖较好，CS语音质量相对较好，VoLTE的商用推进滞后，从2019年6月才开始试商用VoLTE。目前三大运营商VoLTE用户都发展了相当的规模，但仍需进一步推进VoLTE用户数的继续增加，以便运营商加快腾退2G/3G，减少不同制式的运维成本，提升频谱利用效率。目前VoLTE业务上存在如下挑战。

VOLTE用户数快速发展相关挑战：VoLTE用户数要做到快速发展既离不开终端的支持也跟系统整体的感知保障相关。从用户体验的角度看，用户感知的是电话“打得通”、“接得快”、“不掉话”、“听得清”和“看得清”。影响用户感知的因素众多，有的不是以故障的形式体现出来的，如“听得清”，所以需要有系统化的手段进行用户感知保障。

核心网大区部署相关挑战：考虑到集约化运营，运营商普遍推行大区制建设，将控制面网元I/S-CSCF，MMTEL AS等放到大区进行集中部署，将用户面网元SBC仍放到本地部署和运维；跨地区跨团队沟通协调成本高，为降本增效，需要能够高效定位语音相关故障。

核心网云化相关挑战：运营商逐步推进语音核心网IMS虚拟化/云化，逐渐从二层解耦（软、硬件解耦）向三层解耦（应用、虚层、硬件解耦）推进，语音相关故障需要具备跨层高效定位的能力。

随着2019年5G开始启动建设，跟5G引入相关语音业务还有如下挑战：

共建共享相关挑战：中国电信和中国联通进行了共建共享，中国移动与中国广电也将开展共建共享，这一方面节省了运营商的5G投资、加速了5G网络的建设，另一方面出现问题需要跨运营商进行定位，复杂度大大增加。

5G引入对4G覆盖影响相关挑战：部署5G后一个共性的影响用户体验的问题来自于引入NSA后带来的语音覆盖收缩，这对小区边缘的语音业务有影响。

多制式共存相关挑战：运营商现网普遍有2G/3G语音、4G语音、固网语音，后续还将包括5G语音，硬件上目前存在分开的情况，不同网络互通的开销大，导致语音性能指标不佳，也使得运维非常复杂。

2 语音业务当前挑战应对

考虑到语音长期上仍然是运营商不可或缺的业务，针对语音业务的各种挑战需考虑适合的解决方案，下面分别说明。

2.1 促进VoLTE用户数快速发展的挑战应对

要使得VoLTE用户数快速发展，一方面需要解决终端支持的问题。运营商需要推动终端进一步支持VoLTE，具体来说对于存量终端，建议推动终端厂家缺省情况下打开VoLTE支持的软件开关；对于新上市终端推动硬软件支持VoLTE，目前大部分新上市终端都已经支持VoLTE，工作的重点宜放在推动百元手机支持VoLTE。要使得VoLTE用户数快速发展，另一方面需要保证VoLTE用户数不断增加时网络的质量没有下降，也就是需要做好用户体验保障。需要明确用户体验保障的目标，就是要保障通话的全过程的质量，包括用户从拨号、接通、通话到挂机。首先需要将用户体验对应到网络质量上，拨号、接通、通话到挂机，分别对应到注册&附着（信令面）、接续（信令面）、保持&切换（信令面）和全过程语音/视频（媒体面），在此基础上考虑一系列的指标从而建立语音感知保障指标体系，如图1所示。

图1 语音感知保障体系

语音业务涉及到无线、承载、核心网PS、IMS/CS，针对不同网元需要考虑对应的指标，如呼叫接通率需要在主被叫的SBC/PCSCF/SCSCF/MMTel AS上都要具备此指标。

其次，需要有语音质量监测系统，针对这些指标的异常情况进行告警。由于语音业务涉及到无线、承载、核心网PS/EPC/5GC/IMS/CS多个域，域选、VoNR/VoLTE/CS、网间、省际、漫游等多个场景，在监测到具体的问题后需要全网元和全场景故障关联分析。需要将用户一次呼叫过程中涉及信令、事件、告警、KPI指标等进行端到端端的关联，并支持钻取细化，以便问题可以被定界定位。针对性能劣化问题，需要主动排查提前解决从而最大程度减少对用户体验的影响。

目前运营商发展VoLTE已经有相当长时间，有相当程度的经验积累，目前阶段VoLTE语音中影响用户体验的问题主要集中在语音质量差和掉话方面。这些问题大多数跟无线弱覆盖、重叠覆盖或干扰有关，建议运营商进一步做好LTE无线网络的优化，做好基础覆盖层（中国移动900 MHz，中国联通900 MHz，中国电信800 MHz）和容量层（三大运营商的1.8 GHz等频段）的优化。弱覆盖、重叠覆盖的原因可能是4G某些地方原本就有的，或者由于区域空间传播特性变化造成的，干扰则可能来自于5G部署。目前阶段再通过路测来找到这些区域代价很高，建议充分利用MDT功能进行识别，将话单、网络KPI指标、事件等信息关联，然后通过小区级/用户级钻取结合地图来找到实际问题所在位置。

2.2 核心网大区部署挑战应对

运营商核心网普遍开始采用大区部署，带来的挑战主要有a.网络容量不足（核心网信令面、承载）等问题的影响范围更大，网络扩容需要的沟通协调更多，需更长的处理时间b.发生故障后集团/大区、省分不同团队需要协同定位问题，定位的复杂度增加了。

针对容量不足的影响面扩大的问题，建议考虑引入AI算法（如PROPHET/SARIMA/LSTM等算法）对网络容量更好地进行预测，提前进行扩容。针对故障定位涉及到的不同团队之间的协同，需要标准化、精细化协作流程，并调整好各自团队的KPI以便发挥不同参与者的能动性。此外，还建议使用AI算法（PrefixScan，FP-Growth，知识图谱等）自动输出故障定位根因规则，由于一个故障可能引发多个告警，利用故障定位规则进行多告警关联，仅将根因告警派发给运维人员进行处理，其他关联告警作为根告警的补充信息，可以减少运维人员需要处理的告警数量，也可以减少不必要的省份与大区间的协同定位工作量。另外，有些告警仅短期内存在，如链路闪断引发的大量告警在链路恢复后告警也随之消除，在告警转换为工单前，可以进一步做好无效工单的抑制，通过算法学习不同类别告警的抑制时长，可以避免将此类无效告警转为工单派发给运维人员进行处理。当然告警关联压缩及无效工单抑制在非大区部署场景也可以应用，但在大区部署场景应用提效会更大。

2.3 核心网云化挑战应对

在核心网云化部署后网元垂直拆分为硬件、虚层和应用层，不同层可能来自不同的供应商，从而进一步增加了系统维护的复杂度。

在“端到端横向关联”的基础上，建议针对云化网元“层与层纵向关联”进行故障的定界定位。在eUTRAN/UTRAN、CS、PS（MME/PGW/SGW）、IMS等涉及到业务流程网元涉及到的信令、事件、告警、KPI指标横向关联的基础上，纵向上要将物理层、虚拟层与应用层信息关联起来，从而保证出现故障时能够快速定位问题。

2.4 共建共享挑战应对

目前国内电信和联通已经实施3.5 GHz共建共享，移动和广电也将针对700 MHz共建共享，共建共享一方面可以降低网络建设的成本，另一方面也给网络的问题定位、小区切换中的语音质量保障带来了挑战。

共享基站的网管需要分别针对共享方、承建方的上级网管系统实现相关数据的上报，此外，还需要配置好小区切换门限，保证锚点5G到共享方4G之间的正常切换，规避由于配置导致的语音异常。另外，在共享方用户语音出现问题时需要共享方的核心网、承载网与承建方的无线网协同定位问题，需要制定好问题处理协同流程并在实践中不断完善。

2.5 5G引入对4G的覆盖影响应对

部署5G后一个共性的影响用户体验的问题来自于引入NSA后带来的语音覆盖收缩。NSA网络下VoLTE和5G数据业务的并发，发射天线数相比传统的4G语音少一半，导致上行损失3 dB，从而在网络边缘造成语音质量下降甚至掉话。

为了解决此问题，需要灵活地配置NSA终端的语音策略，在存在4G语音与5G数据双连接时，如果是基站检测到语音上行SINR低于某个门限时，可以考虑删除5G数据连接来提升语音质量，在VoLTE业务结束后，触发重新添加5G连接。

2.6 多制式共存挑战应对

对于网络中多制式共存带来的语音性能指标不佳和运维复杂的问题，建议要求采用融合的语音核心网以便提升网络效率、节约运营成本。

同时支持3G/4G/5G的融合语音核心网可以简化组网，支持不同网络制式的互操作，从而保证业务连续性、减少切换时延。融合语音核心网还建议要支持固网语音，实现固移融合。融合语音核心网中VoLTE需要支持软件升级，可平滑演进VoNR，允许4G用户不换卡不换号接入5G网络。对于CS方面，一体化语音核心网需要支持ICS模式来接入老终端，以便最小化投资。业务能力方面，建议基于一体化语音核心网提供融合的高清语音/视频和多方通话，提供多号码、来电助手和vPBX等增强的个人和企业业务，保证用户不同接入情况下体验的一致性。

3 语音未来发展

随着5G的发展，未来语音将向VoNR演进；随着运营商拓展行业市场，语音业务作为运营商有竞争力的能力，可以向行业市场进行拓展；语音也将向更丰富的形态演进，用户可以进行更丰富、多元的信息分享和协作互动。

3.1 向VoNR演进

3.1.1 标准演进

从标准角度看，3GPP R15中定义了EPS Fallback、VoNR、5G紧急呼叫、5G语音漫游；R16中针对IMS架构有增强，支持了SBI接口、5G到3G的语音回落，并定义了5G实时交互MTSI Data Channel等；R17将支持IMS专网、IMS与5GC切片互通、流量本地化、AR/VR沉浸式通话等。

3.1.2 VoNR演进时间表建议

目前市面上已出现支持VoNR的芯片，如高通的X60、联发科Dimensity1000、Dimensity800、kirin990系列，但目前支持VoNR的手机型号还很有限，主流商用机型将在2021年支持VoNR，另外运营商5G网络向SA的大规模部署也还需要一段时间。在SA仅有少量热点覆盖的情况下，如果直接引入VoNR可能会导致VoNR与VoLTE之间的乒乓切换，影响用户体验。综合考虑终端的成熟度和网络的覆盖，建议考虑逐步引入VoNR，具体来说，建议2021-2022年使用EPS Fallback，同时增加SA网络覆盖；2021-2022年开展VoNR互联互通测试，选择部分城市试点VoNR；2022年从重点城市开始逐步在商用网络引入VoNR；2023年开始支持VoNR切片化开通。

3.1.3 4G/5G互操作建议

在5G网络建设初期，建议采用的语音方式是EPS Fallback，3GPP中有终端5G单注册有N26接口、终端5G单注册无N26接口以及终端4G/5G双注册这几种情况。对于VoNR来说如果终端移出5G的覆盖范围，会存在5G到4G的切换，无N26接口估算会造成1 600 ms通话瞬断、影响用户体验，所以建议规划5GC和EPC之间互通的N26接口。

3.1.4 VoNR导入初期问题应对

参照VoLTE的建设经验，VoNR导入期各方面的问题点估计都会比较多，终端、无线、核心网的问题都需要花大力气去解决；到网络发展期，问题主要会出现在无线和核心网；到网络发展成熟期，运维的精力主要花在无线问题解决上。

VoNR导入初期，从系统侧来说，配置工作量大，配置错误、配置缺失也会经常出现。对于网络建设初期面临的配置错误/缺失，建议引入自动化和AI的手段来提升效率，比如进行参数自动配置、自动检查以及端到端自动测试。对于自动配置，可通过设定配置模板的方式，仅将必配参数抽取出来让工程师手工配置，完整的配置命令由工具根据配置模板自动生成。对于自动配置检查，建议利用AI手段来提效，利用NLP对搜集到的历史命令进行分词、构建知识图谱，检查配置时通过知识图谱推理来发现配置命令可能的问题（错误配置、多余配置、缺失配置），再由工程师进行解决。

VoNR导入初期还会经常出现的问题是新用户无法正常使用VoNR，有如下一些可能性：（1）手机终端硬件不支持VoNR，需要推动芯片、手机厂商在更多型号中支持VoNR。（2）终端硬件支持、软件不支持，需要推动手机厂家去升级软件。（3）手机硬软件支持但是VoNR开关未打开（如目前华为P40/荣耀HonorX10/Honor30 VoNR开关出现在“开发人员选项中”，缺省关闭），此时需要引导用户打开开关或推动终端厂家在手机系统中默认打开此开关。（4）手机软硬件都支持，VoNR开关也打开，但用户未在营业厅开通VoNR，网络侧建议做自动开通。自动开通也可以分为用户确认后开通的和缺省开通两种情形，对于用户确认开通的情形，在用户登陆5G网络时由UDM/IMS HSS与短消息系统交互，由短消息系统发消息到用户，让用户决定是否开通，如果确认开通，由短消息系统向BOSS系统触发开通请求；对于系统缺省开通的情形，可以由IMS HSS发送请求到BOSS来触发开通。

为对VoNR的用户体验进行保障，需要针对一系列接口进行采集。从接口的角度，优先建议采集的接口包括N1、N2、N11、N12、N8、N10、N3、N6,其他接口的采集逐步跟上。

3.1.5 无线增强

从始至终无线都会是语音优化及问题解决的一个重点，建议无线支持如表1的功能：

表1 无线增强功能

除以上功能以外，还建议综合考虑网络流量、各载波覆盖、邻区干扰等情况，在小区切换门限、VoNR与VoLTE间切换门限，负载均衡容量门限设置上引入AI算法，从而使小区边缘的语音体验更优。

无线弱覆盖（如＜-110 dBm）、重叠覆盖可能导致打不通、掉话、语音质量差等各种问题，需要针对高铁、CBD及VIP出入较多的高价值区域进行针对性测试和优化。可以从无线的语音相关指标出发，集中整改一部分小区，比如找出5G语音驻留比低的TOPN进行分析和整改。

3.1.6 语音MOS值优化

从单个用户角度而言，语音质差很多时候对应不到明确的用户告警，但是对用户的体验会造成较大的影响。对于此问题，可以根据编解码类型、抖动、丢包、时延几个关键因素计算构建等价MOS，对多个接口的等价MOS按照一定的时间粒度进行计算，构建等价MOS热力图，充分利用网络信息进行评估，从而保障VoNR通话感知。具体做法就是将语音进行时间分片，通过搜集通话中不同接口（主叫侧gNB到UPF、主叫侧UPF到SBC、主叫侧SBC到被叫侧SBC、被叫侧SBC到UPF，被叫侧UPF到gNB）不同时段的MOS值，找到MOS值低的时段，从而确定语音质量恶化的时间段和接口。再结合信令钻取、统计信息关联完成最终的定位，如图2所示。

图2 等价MOS热力图

需要注意的是VoNR由于使用EVS作为必选语音编码，与4G阶段主要使用的AMR-WB不同，等价MOS的计算也需要随之做相应的调整。语音时间分片VoLTE常见使用5s，VoNR建议根据实际硬件资源情况选定（如使用3s），分片越小定位问题越精确。在VoNR阶段，主被叫都使用VoNR且主被叫覆盖良好的情况下MOS值可达4.0以上，语音质差认定的MOS值阈值建议比VoLTE定得更高一些，体现出EVS语音的优势。

3.1.7 通话时延优化

通话接通时延大对用户的体验也会产生一定的影响，通话接通高时延问题基本不产生告警。应对的办法主要是针对不同的呼叫场景（域选、网间、省际、漫游）通过接收、转发时间打点建立各网元转发的时延基线，设定网元转发的时延偏差阈值，超过阈值时结合消息的方向，时延偏离的程度和偏离发生的首要网元进行定位。

3.2 行业拓展

行业市场是运营商未来营收增长的重要支撑。近年来运营商在行业市场持续发力，行业市场也是语音收入增长的潜力所在。运营商语音有其自身的优势，运营商语音较之OTT软件的语音使用更方便、语音质量更优、呼叫连续性好，此外，仅有运营商语音支持紧急呼叫，运营商语音还能支持固移融合，可连接各种传统终端进行呼叫。建议可以把语音与专网专线搭配进行打包销售，帮助运营商在于OTT专网、专线的竞争中构建自身的优势。形态上可以是基础的固网、移动语音，可以作为会议、统一通信的基础能力以开放接口方式提供。

3.3 向多种形态演进

运营商语音与OTT相比体验变化不大、无法满足客户复杂的沟通需求，是运营商语音话务量不断走低的重要原因之一。

针对此问题业内也在进行总结和改进，标准组织已经在致力于相关工作，未来运营商语音能力将不断扩展。VoNR未来可用于高清视频通话、高清视频客服,语音能力还将嵌入新型终端（如高清可视门禁、远程监控摄像头）；通过支持IMS Data Channel，VoNR未来还将支持更丰富和差异化的业务体验，支持个人用户在呼叫前、呼叫中和呼叫后进行更丰富、多元的信息分享和协作互动（如发送企业名片、可视菜单交互），支持垂直行业用户进行交互式通话（互动远程教育）及沉浸式通话（远程维修、AR社交），这些能力无疑会给语音业务发展提供强大的动力。

当然这些能力的支持还需要从终端到应用各方面的支撑，发展起来还需要时日，建议运营商组建生态联盟加以推进。从技术上讲，需要将业务与基础通信网络能力解耦，搭建业务能力平台、每个业务按照原子化/服务化原则进行设计，支持服务能力调用和小程序开发。从生态构建上讲需要探索与终端厂商、应用厂商的合作模式；也需要制定合理的分成模式，从而吸引第三方业务开发者做业务创新。