VoNR无线优化策略研究

张新超，李荣琳

（中国移动通信集团山东有限公司，山东 济南 250002）

0 引言

数据业务驱动了通信网络向5G网络的演进，但语音业务仍然是通信网络必备的关键基础业务。在5G网络建设初期，5G基站覆盖和终端渗透率均不高，独立组网（stan2alone，SA）模式下的语音业务采用演进分组系统回落（evolution packet system falls back，EPS Fallback）解决方案，从5G网络回落到4G网络，相应数据业务也在4G网络进行。EPS Fallback方案一方面会造成语音呼叫建立时延变高，另一方面基于4G网络的数据业务速率相对于5G网络会降低[1]。

随着5G网络的规模部署，支持采用新空口承载语音（voice over new ra2io，VoNR）解决方案解决上述问题[2]。支持5G用户基于5G网络直接进行语音业务，无须回落到4G网络，从而获得更高质量的语音业务体验和更高速率的数据业务体验。

1 5G网络语音通话的两种方式

1.1 EPS Fallback

5G网络初期不提供语音业务，当5G基站（gNo2eB）在新空口（new ra2io，NR）上建立IP多媒体子系统（IP multime2ia subsystem，IMS）语音通道时会触发EPS Fallback切换。此时gNo2eB向5G核心网（5G core，5GC）发起重定向或者异系统（inter-RAT）切换请求，回落到4G网络，由VoLTE提供语音业务。该方案在核心侧要求5GC与演进的分组核心网（evolve2 packet core，EPC）、IMS开通服务接口[3]，接入侧要求NR与长期演进（long term evolution，LTE）技术重叠覆盖[4-7]。

1.2 VoNR

VoNR支持5G用户基于5G网络直接进行语音业务，即在5G网络内的用户设备（user equipment，UE）和IMS间建立基于IP传输网络的语音专用承载[8]。VoNR方案需要规模化部署5G网络和IMS网络，为语音业务提供质量保证，当5G网络覆盖不足时，终端在移出5G网络覆盖区时触发切换，切换至4G网络提供服务[4-5]。

1.3 VoNR与EPS Fallback对比

VoNR作为5G终极语音解决方案，直接在5G网络进行语音承载[9]，且采用新的语音编码方式增强语音服务（enhance2 voice service，EVS）编码，EVS扩展音频带宽为14 Hz～17 kHz，支持人类听觉的全带宽，语音抗干扰能力强，对覆盖增益显著，可以在弱覆盖的场景下提供更高的语音质量，有效缓解2.6 GHz衰减快的问题；EVS编码可以提升语音平均意见得分（mean opinion score，MOS）到4.6，有望使整体语音质量再上一个台阶，EVS包括增强窄带语音服务（EVS narrowban2，EVS-NB）编码、增强宽带语音服务（EVS wi2eban2，EVS-BB）编码、增强超宽带语音服务（EVS super wi2eban2，EVS-SBB）编码、增强全宽带语音服务（EVS full ban2，EVS-FB）编码和自适应多速率宽带编码（AMR-BB input/output，AMR-BB I/O）5种编码方式，EVS编码速率见表1[10]。

表1 EVS编码速率

对比EPS Fallback方案，VoNR还具有网络结构简单、接通时延低、网络成本低、业务体验好等优势，EPS Fallback和VoNR对比见表2。

表2 EPS Fallback和VoNR对比[11]

2 VoNR特性功能

2.1 网络覆盖提升

（1）5G网络弱覆盖区域起呼转EPS Fallback功能

基于覆盖的VoNR和EPS Fallback自适应机制如图1所示，gNo2eB根据5QI1承载建立前是否上报A2测量来判断该主叫或被叫UE是否处于弱覆盖区域，如果上报A2测量则判断该UE处于弱覆盖区域。针对弱覆盖区域的UE，当gNo2eB收到核心网发送的PDU会话资源修改请求（PDU session resource mo2ify request）消息或PDU会话资源建立请求（PDU session resource setup request）消息要求建立5QI1语音承载时，gNo2eB向核心网回复的PDU会话资源修改响应（PDU sessionresource mo2ify response）消息或PDU会话资源建立响应（PDU session eesource setup response）消息中携带失败原因值，即拒绝建立5QI1语音承载，而是进入EPS Fallback语音呼叫流程；如果UE处于非弱覆盖区域，则进入VoNR语音呼叫流程，保障用户接通体验[12]。

图1 基于覆盖的VoNR和EPS Fallback自适应机制

（2）基于HARQ的上行覆盖优化

重传判定原理如图2所示，当5QI1承载采用未确认模式（unacknowle2ge2 mo2e，UM）时，gNo2eB针对语音用户在媒体接入控制（me2ia access control，MAC）层进行最大4次混合自动重传请求（hybri2 automatic repeat request，HARQ）重传，如果用户处于小区边缘，重传4次可能也无法确保上行数据完全准确传输。基于HARQ的上行覆盖优化支持将最大HARQ重传次数调整为8次，通过增加上行重传机会，在弱覆盖场景下提高上行数据传输的成功率。

图2 重传判定原理

（3）基于空口速率的调速

基于空口速率的调速支持gNo2eB根据媒体接入控制层控制单元（me2ia access control control element，MAC CE）反馈上行空口能力，向UE提供推荐速率信息，以配合UE实现语音速率调整功能[13]，有两种实现方式，一种为gNo2eB主动通知UE推荐上行速率调整，即当gNo2eB检测到UE的空口速率低于门限时，根据检测结果通过MAC CE主动通知UE推荐的空口速率为某一低空口速率，UE根据推荐的空口速率进一步协助其判断是否要降低语音编码速率；当gNo2eB检测到UE的空口速率高于门限时，根据检测结果通过MAC CE主动通知UE推荐的空口速率为某一高空口速率，UE根据推荐的空口速率进一步协助其判断是否要提升语音编码速率。另一种方式为UE主动查询上行速率，通过gNo2eB推荐的速率调速。

（4）ROHC语音包头压缩

VoNR是基于IP网络传输的语音业务，并且语音包采用的都是小包高频传输（语音帧大小为20 ms），因此语音包头部的开销占整个数据包的比例较大。以IPv4语音数据包为例，头部开销为40 byte，净荷大小一般为32～61 byte，头部开销占语音数据包总数据量的39.6%（40/（40+61）～55.6%（40/（40+32）），即带宽资源的有效利用率只有44.4%～60.4%，低资源利用率会直接影响无线网络IP化的发展。稳健性包头压缩（robust hea2er compression，ROHC）语音包头压缩支持IPv4和IPv6包头的压缩，通过减少语音包头部负荷来降低无线链路误码率和时延、减少无线资源消耗，最高可以将包头压缩成1 byte，ROHC语音包头压缩示意图如图3所示[14]。

图3 ROHC语音包头压缩示意图

2.2 语音质量提升

（1）上行RB预留

上行无线承载（ra2io bearer，RB）预留支持为5G语音用户预留特定位置和数量的RB资源，以保障语音业务体验。语音用户可优先使用预留的RB资源，预留的RB资源被占满后可以继续使用非预留的RB资源，非预留的RB资源按照正常的调度流程分配，非语音用户不能使用预留的RB资源。建议在大话务场景或高语音用户比例场景开通上行RB预留，可以更有效地保障语音业务质量。

（2）VoNR基于语音质量的切换

基于语音质量切换指基站实时监控终端语音质量，基于语音质量的切换原理示意图如图4所示，终端在无线环境尚未达到互操作门限时，如果语音质量变差，则下发异频/异系统测量，如果测量结果达到切换门限就切换至目标小区保障语音质量，主要用于弱覆盖、高干扰以及下行质量差等场景，用于改善语音质量。

（3）上行RLC分段优化

当信道质量较低时，UE发射功率受限，上行动态调度分配的传输块大小（transport block size，TBS）会随之调小，使得无线链路控制（ra2io link control，RLC）分段变多，从而增加了同一个VoNR语音包的调度次数。调度次数增加会导致VoNR语音包时延升高、丢包率抬升以及上行开销增多 的语音质量问题。上行RLC分段优化功能通过限制上行动态调度分配的TBS来降低上行RLC分段数，以提高信道质量较低时的语音质量。

图4 基于语音质量的切换原理示意图

（4）PUSCH的功率差异化配置

当VoNR用户的物理上行共享信道（physical uplink share2 channel，PUSCH）功率不足时，可能会导致上行丢包。PUSCH的功率差异化配置功能支持通过参数配置VoNR用户的PUSCH功率相对非VoNR用户的PUSCH功率的偏置，提升VoNR用户的PUSCH功率，从而提升语音业务的上行传输可靠性。

（5）VoNR 5QI1/5QI5上行预调度

VoNR语音包通过5QI=1承载传输，通过开启预调度功能，基站侧可以在终端发送调度请求（sche2uling request，SR）之前分配上行资源，省去终端上报SR的步骤，以便语音包得到及时调度，可以改善远点语音感知。

（6）上行MCS选阶优化

当VoNR用户上行调制和编码方案（mo2ulation an2 co2ing scheme，MCS）阶数偏高时，会导致语音业务的上行丢包率抬升，因此需要确保VoNR用户上行MCS阶数合理，以保障语音包传输的可靠性。上行MCS选阶优化功能支持通过降低语音业务初传上行MCS阶数来降低语音业务的上行丢包率，以提升语音传输质量[15]。

3 VoNR无线网策略

综合应用基于覆盖和质量载波优选技术，对NR覆盖边缘、上行弱场、干扰、多频覆盖等多场景下的功能特性应用策略进行深挖，确保语音业务质量[16]。

3.1 特性功能场景化应用策略

建立“场景-策略-特性”三层和“场景与策略匹配，策略与特性功能匹配”两级优化模型，输出不同场景问题优化方案，构建全面立体的VoNR优化体系，场景、策略、参数“三层两级”模型如图5所示。

图5 场景、策略、参数“三层两级”模型

各类场景及优化策略如下。

（1）上行弱覆盖场景

采用增强上行调度，提升上行覆盖。开启基于HARQ的上行覆盖优化特性功能，通过增加上行重传机会，在弱覆盖场景下提高上行数据传输的成功率；优化上行分组数据汇聚协议（packet 2ata convergence protocol，PDCP）定时器、gNo2eB RLC重组定时器，拉长定时器时长能够有效改善MOS值，上行时延覆盖优化和VoNR用户的PUSCH功率谱偏置量可有效改善实时传输协议（real-time transport protocol，RTP）丢包率。持续开展RLC模式、UM模式RLC参数组标识和gNo2eB RLC重排序定时器等参数优化工作，根据不同场景进行参数调优，PDCP、RLC定时器优化建议见表3。

表3 PDCP、RLC定时器优化建议

（2）大话务场景

采用预留PRB资源，保障用户语音特性。涉及主要特性参数有上行RB预留开关、上行VoNR RB资源预留个数、起始位置、ROHC模式、ROHC头压缩开关和头解压失败恢复开关等，上行PRB预留和ROHC特性优化建议见表4。

表4 上行PRB预留和ROHC特性优化建议

（3）干扰场景

5G网络仍采用同频组网方式，随着基站密度增加，网内干扰无法避免，加之700 MHz地面数字电视信号等影响，700 MHz频段部分子载波受扰严重，网外干扰也较难在短期内解决。针对5G干扰场景，可通过降低MCS阶数和语音编码速率提升抗干扰能力，改善语音质量，干扰影响较重区域可结合语音质量切换保障通话连续性。具体可通过以下方案应对。

· 开启基于干扰特性的语音优化方案，分别从上行调度和下行调度进行干扰规避，VoNR语音优先调度没有干扰的RB资源。

· 频间协同优化，开展上行MCS选阶优化、上行RLC分段增强、分组公共控制信道（packet common control channel，PCCCH）、控制信道元素（control channel element，CCE）聚合等优化工作，提高VoNR上行质量。

· 开启基于语音质量异频切换，保障通话连续性。

· 700 MHz高干扰小区部署小带宽策略，规避干扰频段。

（4）下行弱覆盖场景

下行弱覆盖场景易发生VoNR起呼回落4G导致接入失败或时延高、无合适NR邻区切换导致语音感知急剧恶化等问题。可基于4G/5G 测量报告（measurement report，MR）数据，根据4G/5G MR 时间提前量（timing a2vance，TA）主要分布区间，以及5G网络MR覆盖率识别5G下行覆盖边界。对于VoNR起呼风险，可通过开启VoNR和EPS Fallback自适应，起呼阶段gNo2eB根据覆盖自动判决，在弱覆盖时自动触发EPS Fallback，保障呼叫接续性。对于VoNR呼叫建立后无合适NR邻区切换风险，可以在语音感知急剧恶化前，及时通过基于覆盖判决切换至VoLTE继续通话，也可通过上行/下行质量判决切换，在VoNR出现质差时及时切换至VoLTE继续通话。同时开展下行分组数据汇聚层协议（packet 2ata convergence protocol，PDCP）丢弃定时器、自适应A2（表示服务小区信号质量低于一定门限）、参考信号接收功率（reference signal receive2 power，RSRP）门限、差异化服务质量（quality of service，QoS）异系统门限以及事件时间迟滞优化，改善VoNR丢包率，保障5G语音感知。

（5）高铁高速场景

非连续接收（2iscontinuous reception，DRX）指UE根据一定的时间间隔进行无线发射从而节约终端的电能，开启时可能导致基站与UE对激活期状态判断出现不一致，影响语音包的调度，造成调度时延增高、语音包超时丢包，高速移动的UE判断准确性进一步降低，建议高速移动场景关闭5QI1业务的DRX功能，降低丢包，提升语音MOS，DRX参数设置建议见表5。

表5 DRX参数设置建议

（6）VoNR开通边界

VoNR用户从VoNR开通区域移动到非开通区域时，无法直接平滑切换，概率性导致语音切换失败、掉话等问题，VoNR商用初期，开通边界的语音连续性存在挑战。可以通过以下方案进行应对。

· VoNR切换屏蔽特性部署，限制VoNR用户从A小区到B小区切换。

· 基于覆盖/业务质量的5G/4G网络互操作精细优化，参数持续迭代寻优。

（7）多频组网场景

多频组网场景如果存在重叠覆盖度较高、边缘弱覆盖、上行高干扰的情况下，很容易导致VoNR出现高丢包现象影响用户感知，建议开启质量切换，及时切换到更好的小区，最大限度保障用户感知，基于质量的异频切换优化建议见表6。

3.2 无线互操作策略

（1）空闲态策略

重选参数设置不合理容易导致用户驻留非最优网络，用户优先驻留在小带宽容量受限层，容易导致数据业务速率体验差，过早地重选到4G非连续覆盖网络，容易导致用户接入网络后语音、数据体验较差。分场景设置合理优先级，重选门限与切换联动，避免乒乓切换（乒乓切换：指终端在服务小区和相邻小区来回进行切换的现象），确保用户驻留在最佳网络[16]。

NR分覆盖场景设置优先级，按照室分层＞容量层＞室外＞覆盖层的原则，即NR室分＞NR 2.6 GHz＞NR 4.9 GHz＞NR 700 MHz＞LTE，系统间开启基于覆盖的NR2L（NR to LTE）重选/基于绝对优先级的L2NR（LTE to NR）重选，门限与连接态对齐。NR低优先级小区重选高优先级，高优先级RSRP＞－108 2Bm，高优先级向低优先级重选，当RSPR低于A2门限触发异频测量，高优先级小区服务RSRP低于B21且目标＞－108 2Bm，UE发起重选。

表6 基于质量的异频切换优化建议

（2）业务态策略

当前网络场景主要有4种，农村和乡镇700 MHz覆盖优于2.6 GHz、市区室内700 MHz覆盖优于2.6 GHz、市区室外2.6 GHz覆盖优于700 MHz、700 MHz和2.6 GHz覆盖相当。由于网络场景复杂，不同场景移动性策略设置要求差异较大，如果策略设置不当，则无法保障VoNR业务连续性，需要差异化设置频间质量和覆盖切换策略。

分场景开启VoNR基于质量和覆盖的异频、异系统切换功能，保障通话的连续性，根据网络情况设置合理的门限确保语音业务连续性，NR覆盖边缘，语音由VoNR切换至VoLTE，用户挂断电话后快速返回（fast return，FR）到NR网络；700 MHz连续覆盖后，VoNR承载以700 MHz为主，开启NR语数分层，将话务向700 MHz迁移，弱覆盖区域切换至2.6 GHz，分层驻留门限参考VoNR边缘覆盖电平，互操作设置建议如图6所示。

图6 互操作设置建议

考虑到目前4G网络覆盖优于5G网络，通话过程中4G向5G切换容易造成语音通话质量差和乒乓切换，因此不建议开启VoLTE切换VoNR，建议语音通话结束后再返回5G网络。

4 VoNR商用存在的问题

（1）终端普及率低

现有支持双模5G网络的终端中，大部分硬件都支持VoNR功能，如高通X55、天机700、麒麟990及后续的版本，相应终端有iPhone13系列、华为mate30及以上版本、华为P40及以上版本、OPPO A72/VIVO A52S/红米Note9等。但由于VoNR没有推送商用版本，目前终端没有打开VoNR的开关。

（2）700 MHz干扰影响

中国广播电视网络集团有限公司获取的700 MHz 频分双工（frequency-2ivision 2uplex，FDD）NR频谱带宽为上下行各40 MHz，频率范围为上行703～743 MHz、下行758～798 MHz，当前组网使用30 MHz带宽、上行703～733 MHz、下行758～788 MHz[18-19]，如果电视频道未退频，会对NR造成严重干扰。中远端VoNR用户在干扰值＞－100 2Bm时通话感知较差，甚至影响5G驻留，此区域部署VoNR对用户感知有较大影响，建议优先采用EPS Fallback语音策略。

（3）特性功能待完善

VoNR的主要特性功能有基于MAC CE的调速、基于HARQ的上行覆盖优化、ROHC语音包头压缩、上行RB预留、PUSCH的功率差异化配置、上行RLC分段优化、弱场起呼转EPS Fallback功能、基于语音质量的异频切换等。当前华为、中兴、爱立信等主流设备厂商主设备均已支持VoNR基本功能，但不同厂商主设备语音质量增强的特性功能存在差异，影响VoNR质量提升。

5 结束语

目前VoNR终端普及率低、设备厂商特性功能差异等均影响VoNR部署，借鉴VoLTE经验，端到端开展工作，全面发现并解决无线网、核心网、终端配合的各种问题，促进端到端产业链成熟[20]。本文根据不同场景设置不同的互操作参数，总结出“场景-策略-特性”三层和“场景与策略匹配，策略与特性功能匹配”两级优化模型，深入研究各种场景下的互操作策略，为VoNR正式商用打下坚实的网络基础。未来随着5G网络的发展和VoNR终端的普及，将为越来越多的用户提供高清语音和视频通话业务。