VoNR 语音解决方案应用研究

李贝，刘光海，肖天，胡煜华，郑杭波，成晨，伍一帆，黄秀珍

（1. 中国联合网络通信有限公司研究院，北京 100048；2. 中国联合网络通信有限公司浙江省分公司，浙江 杭州 310051；3. 杭州萧山国际机场有限公司，浙江 杭州 310051；4. 杭州中威电子股份有限公司，浙江 杭州 310051；5. 浙江理工大学科技与艺术学院，浙江 绍兴 312369）

0 引言

数据业务需求是移动通信网络向5G 演进的主要推动力，但语音业务仍然是不可或缺的业务需求。移动通信网络的语音业务经历了2G、3G、4G 到5G 不同的解决方案，3GPP 确定了5G 沿用4G 的语音架构仍基于IP 多媒体子系统（IP multimedia subsystem，IMS）提供语音业务，5G 独立组网（5G SA）主要有演进的分组系统回落（evolved packet system fallback，EPS Fallback）和5G 新通话（voice over new radio，VoNR）两种方案。VoNR 语音呼叫建立时长更短、语音质量更好，且用户在语音通话的同时能享受畅快的5G 网速，用户体验质量大幅提升。此外，随着VoNR 规模部署，更多的语音业务向4G/5G网络迁移，这有利于加速淘汰老旧的2G/3G 电路交换（circuit switching，CS）的语音方案，重耕2G/3G 优质频段。

1 语音通信技术发展历程

移动通信网络的语音业务解决方案，2G 和3G采用CS 语音方案，4G 采用电路域语音回落（CS fallback，CSFB）和长期演进语音承载（voice over long-term evolution，VoLTE）的语音方案[1]，CSFB即终端在4G 网络语音呼叫时从4G 网络回落到2G/3G 网络的电路域进行语音通话结束后返回4G网络，VoLTE 即长期演进（long-term evolution，LTE）网络直接提供基于IP 的语音业务；5G 网络有非独立组网（NSA）和SA 两大选项，对应采用VoLTE、EPS Fallback（即终端在5G 网络语音呼叫时从5G 网络回落到4G 网络进行基于IP 的语音业务通话结束后返回5G 网络）、VoNR 3 种语音方案[2]；从2G、3G、4G 到现在的5G 时代，为了增强实时语音通信的清晰度，语音编码技术从自适应多速率（adaptive multi-rate，AMR）语音、宽带自适应多速率编码（adaptive multi-rate- wideband，AMR-WB）演进到增强型语音服务（enhanced voice service，EVS）[3]。

2 语音通信现状及面临的挑战

语音技术演进方面，5G SA网络初期采用EPS Fallback 到LTE 网，SA 网络成熟后采用VoNR 方案[4]，VoNR 和EPS Fallback 共用一套IMS 架构，4G 核心网分组核心网（evolved packet core，EPC）和5G 核心网（5G core，5GC）分别作为分组语音的承载。EPS Fallback 与VoNR 方案结构比较如图1 所示[5]，EPS Fallback 与VoNR 方案理论性能差异比较见表1[6]，VoNR 较现网EPS Fallback 具有无须系统间操作、呼叫时延短、高清晰高保真语音体验等优势[7]，待现网中验证后应用。

表1 EPS Fallback 与VoNR 方案理论性能差异比较[6]

图1 EPS Fallback 与VoNR 方案结构比较[5]

网络方面，随着4G 网络不再大量建设、5G共建共享后网络规模不断扩大，NR 覆盖不连续的场景需要向VoLTE 切换保障语音业务连续，5G网络全覆盖后可不依赖4G 网络使网络建设更独立、灵活。

终端方面，截至2021 年年底，高通、三星等主要芯片厂商已支持VoNR，华为、小米、三星等主流终端厂商软、硬件均必选支持VoNR 并默认开启VoNR 功能，VoNR 产业链进展可以满足商用需求，须推动端网适配。

用户感知方面，用户净推荐值（net promoter score，NPS）提升对用户语音感知需求提出了更高要求。

3 VoNR 与VoLTE 方案趋同性和差异性

VoNR 信令流程、信令中包含消息内容、语音包状态及周期均与4G VoLTE 相似，VoNR 与VoLTE 方案比较见表2[8]，VoNR 较VoLTE 支持更多编码方式、语音体验更佳，终端功耗增加专用带宽部分（bandwidth part，BWP）节电性能提升。VoNR 所使用的承载包括信令承载（signaling radio bearer，SRB）和业务承载（data radio bearer，DRB）[9]。3GPP 协议定义了5G 服务质量等级标识（5G QoS identifier，5QI）[10]，描述了服务质量（quality of service，QoS）流在用户设备（user equipment，UE）和用户面功能（user plane function，UPF）之间端到端接收分组数据处理特性。确认模式（acknowledged mode，AM）、非确认模式（unacknowledged mode，UM）为无线链路控制（radio link control，RLC）层的传输模式。5QI 对应4G 的服务质量等级标识（QoS class identifier，QCI）。

表2 VoNR 与VoLTE 方案比较[8]

3GPP 定义了终端可配置最多4 个上行/下行BWP，但同一时刻只能激活一个上行/下行BWP，终端在激活的BWP 范围内接收/发送信息[11]。多BWP 有利于根据运营商的可用带宽以及UE 能力支持的带宽综合配置以满足不同需求，支持多专用BWP 的终端可以通过不同带宽的BWP 之间的转换和自适应，将UE 切换到所需带宽运行以降低终端能耗。

连接态下的非连续接收（connected discontinuous reception，C-DRX）可以让UE 周期性地进入睡眠状态而不监听物理下行控制信道，监听时则从睡眠状态中唤醒，以节省UE 电力消耗[12]。C-DRX对应VoLTE 采用DRX（discontinuous reception，DRX）。非连续接收长周期的长度（DRX-Long Cycle）、上行/下行BWP 传输块中接收到的符号数（DRX-HARQ-RTT-timer UL /DL）、DRX 持续定时器的长度（DRX-onDuration Timer）、DRX 非激活定时器的长度（DRX-inactivity Timer）、混合自动重传请求（hybrid automatic repeat request，HARQ）重传时需监听的最大的物理下行控制信道（physical downlink control channel ， PDCCH ） 的 子 帧（DRX-retransmission Timer DL）、DRX 非激活定时器的长度、HARQ 重传时需监听的最大的物理上行链路控制信道（physical uplink control channel，PUCCH）的子帧数（DRX-Retransmission Timer UL）等参数组合共同影响DRX 操作机制。

4 VoNR 方案实施效果

某运营商在某市对VoNR 性能表现、VoNR业务中终端差异性以及VoNR 语音通话终端功耗进行研究。

4.1 VoNR 性能平稳时延改善明显

SA 基站下不同语音能力终端分场景配置语音码率为AMR-WB 23.85 kbit/s 进行VoNR 与VoNR 终端/非VoNR 终端互通各10 次拉网测试，VoNR 互通性能测试统计见表3，其中面场景指市区道路、居民区道路为代表的面上的覆盖。不同语音能力终端用户均能正常起呼实现互联互通，性能稳定，语音接通率达100%，整体看VoNR 互通平均意见得分（mean opinion score，MOS）均值、呼叫建立时延均优于非VoNR 业务。面场景3.5 GHz 网络的VoNR 路测（driving test，DT）数据秒级采集如图2 所示，去除异常采样点RSRP约-110 dBm 时MOS＜3.5，5G 不同频率下RSRP、SINR 与MOS=3.5 关系需要深入研究并进一步定标。另外，异设备厂商边界目前Xn 接口还没有互通，因此均须通过共享基站核心网实现通信，造成时延较长。在切换速度快的高速场景、SA 覆盖区域和4G 覆盖区域边界移动时异系统切换判决门限设置合理性对该些场景的语音业务质量有影响，从而导致时延及MOS 值劣于面场景的整体测试指标。

图2 面场景3.5 GHz 网络的VoNR DT 数据秒级采集

表3 VoNR 互通性能测试统计

4.2 端网适配已逐渐完善

目前高通、海思等主要芯片厂商理论上已支持VoNR，但需要进行端网适配，在实际网络应用中，有6 款终端已完成网络和路测工具适配（例如目前华为P40 适配华虎路测软件、三星S21 适配鼎利路测软件等，适配终端数量在不断增加中），可以通过路测进行现网中VoNR 性能评估，在某运营商承建的SA 3.5 GHz 网络共享站某市区道路场景同一测试区域进行不同芯片5G 终端对比测试，配置语音码率为AMR-WB 23.85 kbit/s时主被叫进行VoNR 连接态互拨的拉网测试，芯片X 的终端型号A 和芯片Y 的终端型号B 两款终端存在SSB 测量的差异性，试点区域不同芯片测试终端路测网络感知对比如图3 所示，本轮测试芯片X 质量优于芯片Y。对编码速率比较发现芯片X 的编码速率可自适应变化、芯片Y 的编码速率保持23.85 kbit/s。由于目前试点城市VoNR开通终端数量有限，建议终端厂商紧跟VoNR 开通步伐，联合芯片厂商采集log 分析终端性能，及时进行差异化分析，适时进行提升性能的版本升级。

图3 试点区域不同芯片测试终端路测网络感知对比

为了对比不同终端的性能差异，在某运营商承建的SA 3.5 GHz 网络共享站办公室场景进行5G 终端型号D（芯片Y）和终端型号E（芯片X）对比的相同场景弱覆盖场景的定点测试，测试方法为D、E 均为主叫在办公楼宇内RSRP=-100 dBm、-105 dBm、-110 dBm、-115 dBm 的点位分别向被叫（固定在同一个5G 好点）拨打 VoNREVS24.4 kbit/s 语音呼叫，呼叫保持45 s 挂断，间隔15 s 后重新发起，每个点位重复50 次。测试结果表明EVS24.4 kbit/s 较AMR23.85 kbit/s 整体MOS 偏高，这与两者算法差异有关，需要进一步进行算法差异分析，4 个点位两款终端呼叫成功率为100%、掉话次数0 次、掉话率0%，两款终端在4 个点位主要路测指标对比见表4，终端D 部分MOS 采样点在语音文件感知清晰的情况下打分明显过低，存在异常，初步定位为路测音频口松动、路测时云MOS 服务器异常、终端异常过热导致，建议后继全国大范围路测时关注该问题。另外，路测RSRP 为-115 dBm 点位两款终端RSRP 采样点对比如图4 所示，在RSRP 为-115 dBm 点位，一定比例终端D 的采样点RSRP下降至-130 dBm 以下、终端E 性能较稳定RSRP在-120 dBm 以上。

表4 两款终端在4 个点位主要路测指标对比

图4 路测RSRP 为-115 dBm 点位两款终端RSRP 采样点对比

4.3 终端功耗改善等配套优化措施成效初显

为降低VoNR 终端功耗进行参数优化，相同终端设置BWP 与数据业务下的配置相同，配置BWP1=100 MHz，BWP2=20 MHz。为了达到最优功耗效果，C-DRX 设置了3 套参数，3 套CDRX验证参数见表5，对比每组参数下的功耗节省效果以及兼容性情况。VoNR 语音通话终端功耗对比分析如图5 所示，开启C-DRX 后功耗有显著降低，平均降低21.3%，配置BWP 后，VoNR 功耗降低22.3%，同时配置BWP 和C-DRX2 的功耗节省效果最优，相比不配置BWP 及C-DRX 终端VoNR功耗节省32.2%，且未发现兼容性问题，推荐配置该参数并进一步开展VoNR 端网兼容测试。其中平均降低功耗计算方法为 1-（C-DRX1+C-DRX2+ C-DRX3）/3/关闭C-DRX。

表5 3 套CDRX 验证参数

图5 VoNR 语音通话终端功耗对比分析

5 挑战及展望

VoNR 语音解决方案的挑战及展望具体如下。

（1）5G 深度覆盖不足

VoNR 不依赖4G 网络进行语音业务，目前5G网络部分重点场景宏基站、室内重点场景（如楼宇）垂直覆盖不足[13]，而随着5G 用户发展和终端VoNR 适配性提高[14]，在5G 覆盖不足区域存在VoLTE、VoNR 互操作问题，当5G 覆盖满足一定标准下可考虑全面进行VoNR 商用，建议一方面加大5G 网络共建、共享力度和进度，一方面采用微基站、天线权值调整等手段提升5G 网络覆盖，同时尽快完成VoNR 商用标准确定。

（2）2.1 GHz 引入及多频多网协同风险

目前部分5G 采用2.1 GHz 覆盖，与3.5 GHz的VoNR 互操作策略部署建议比较，VoLTE、VoNR 互操作存在4G 和5G 不同设备厂商而参数配置匹配不一致风险，建议统一考虑，目前短期看VoLTE 仍是语音承载主要方式，而LTE 2.1 GHz 退频影响4G 覆盖连续性，建议加强多频多网协同，语音频谱策略需要网络共建、共享各方协同推进。

（3）多语音场景并存下运维复杂性增加

2G、3G、4G、5G 联合组网，跨网络、跨厂商，多频段多制式互操作复杂[15]，尤其是异设备厂商、异运营商、5G 与4G 区域边界，须加强移动性策略研究（如语音切换策略确定），提升运维优化能力。

（4）端网协同待完善

终端方面，目前与VoNR 测试工具适配的测试终端种类较少，难以完全评估每款终端在现网中的VoNR 实际性能，须加快终端与网络、路测软件的适配，且在VoNR 实际测试使用中，不同终端敏感度有一定差异，EVS24.4 kbit/s 与AMR23.85 kbit/s 算法存在差异，对不同编码算法、多种类型终端的差异性须尽快展开研究验证，加快推进VoNR 产业链发展；无线网方面，须进一步进行VoNR 的RLC 层分片限制等增强功能的研究和验证用以提升VoNR 业务感知和覆盖能力，同时为了保障VoNR 商用，须进行VoNR 试点城市典型优化问题梳理和指导，总结优化中的问题为全国商用提供借鉴，协同友商、设备厂商制定并全国发布VoNR 无线关键参数配置建议，为VoNR 商用后评估做好保障；网管方面，需要协同友商制定VoNR 无线侧指标规范为VoNR 商用后性能评估打好基础；承载网方面，需要进行容量及传输质量优化解决抖动、丢包等问题；核心网方面，需要制定EVS 开通对增值业务的影响的标准解决方案，并为计费系统增加VoNR 开网核心网包括与VoLTE 区分等的计费参数。

6 结束语

本文基于语音通信技术发展历程、VoNR 技术特点等方面，对VoNR 语音解决方案进行了深入剖析，对VoNR 语音解决方案实施效果进行了分析，并对当前面临的挑战和展望做了进一步探索，为后继VoNR 语音全国实施提供了技术借鉴。VoNR 语音解决方案具有无须系统间操作、呼叫时延短、高清晰高保真语音体验、视频画质不变前提下数据量减少、可与虚拟现实应用结合等优点，具有广阔的应用前景。