5G语音解决方案，推动5G网络商用进程

作者：王刚、付锋，IMS产品架构师

2018年，随着3GPP 5G第一阶段全功能标准化完成，5G网络商用进程随之开启，国内外主流运营商纷纷投身其中，5G时代正徐徐拉开帷幕。

按照3GPP的定义，5G网络系统（5GS）包括5G接入网和5G核心网两大部分，前者称为NG-RAN（主体是5G NR），后者则称为5GC。

图1：5GC的体系架构

语音业务在5G时代仍然是不可或缺的重要业务之一。5GC核心网架构利用云计算、服务化架构等IT技术进行了全面的创新，那么5G网络中的语音视频业务又将如何实现？

5G网络架构和语音解决方案

3GPP已经明确基于IMS（IP多媒体子系统）提供语音业务。中兴IMS解决方案将 5G作为IMS语音的一种IP接入方式，对软件版本进行升级，引入5G语音不改变IMS网络架构。

针对4G向5G过渡问题，3GPP充分考虑现网情况，提出了8种Option方案，其中Option1为现有LTE网络架构，是4G向5G过渡的“起点”；Option2为全新5G网络架构，是4G向5G过渡的“终点”；Option3-8是基于现有LTE网络，采用不同过渡策略的网络架构。中兴通讯经过深入研究，提供的IMS语音解决方案完美地兼容5G网络架构的8种Option组网方案。

常用5G网络架构

3GPP R15中，5G NR有两类部署选择，分别是SA（Standalone）和NSA(non-Standalone)模式。SA模式下采用端到端的5G网络架构组网，NSA模式是指5G NR与LTE联合组网。核心网也有两种部署选择，沿用EPC架构升级软件（EPC+）支持eMBB业务作为过渡部署方式，或者部署基于服务化架构的全新5GC网络。

上述Option1是传统4G网络架构，LTE连接EPC。Option6是独立5GNR仅连接到EPC，Option8是非独立5GNR仅连接到EPC。为了保证4G能够顺利向5G过渡，必须遵循尽可能保持现网稳定的原则，而Option6和Option8需要EPC和5G NR之间进行信令面直连，会导致EPC做出重大修改，因此Option6和Option8仅是理论存在的部署场景，不具有实际部署价值，通常不予考虑。

Option2/Option3/Option4/Option5/Option7是3GPP标准以及业界重点关注的5G候选组网部署方式。在这些Option中，属于NSA组网方式的是：

1）Option2：核心网采用5GC，无线网采用5G NR。

2）Option5：核心网采用5GC，无线网采用eLTE（LTE增强）。

属于NSA组网方式的是：

1）Option3（含3a、3x）：核心网采用EPC，信令锚定于LTE，数据在LTE（3a在EPC，3x在5G NR）分发。

2）Option4（含4a）：核心网采用5GC，信令锚定于5G NR，数据在5G NR（4a在5GC）分发。

3）Option7（含7a、7x）：核心网采用5GC，信令锚定于eLTE，数据在eLTE（7a在5GC，7x在5G NR）分发。

图2：5G的SA和NSA组网方式

考虑到尽量减少5G网络部署后对现网基站的影响，在5G部署初期阶段，运营商主要关注Option3（核心网采用EPC+）和Option2（核心网采用5GC）两种部署模式。

IMS语音解决方案

中兴IMS语音解决方案对5G网络架构的全部8种组网模式完全兼容。基于运营商已部署LTE，综合考虑到运营商5G初期的部署模式和NR覆盖铺开的速度，5G语音业务的实现可以分为以下五种方式：  

(方案1) 双连接： 终端支持双连接，控制面锚定于LTE，通过LTE注册到IMS提供语音业务。

该方案用于Option3模式，终端通过双连接同时接入LTE和5G NR，控制面锚定在EPC核心网，通过EPC注册到IMS上使用语音业务。因为终端能同时支持5G和4G的数据收发，因而语音业务可选择承载在LTE上，数据业务继续在5G上。

此时语音业务的方案实质上仍然是VoLTE方案。该方案在5G部署初期可作为核心网和无线的过渡方案，满足运营商初期建设5G网络只实现提升个人用户MBB带宽的经营模式。

(方案2) 回落LTE： 面向单待终端，平时驻留5G，发起语音呼叫时切换到LTE，通过LTE承载提供语音业务。

在5G部署初期和中期，5G NR热点覆盖，5GC已经开始部署。当5G尚不能提供语音服务，或者当5G覆盖不足时为了避免频繁切换。终端平时驻留5G上并进行IMS注册，当发起语音呼叫时5G RAN发起回落流程，切换到LTE上继续进行呼叫建立流程。

该方案也称为EPS Fallback。该方案允许5G终端驻留在5G NR使用数据业务，而语音业务仍在LTE上承载。该方案适合在5G部署初期作为NR热点覆盖的语音解决方案，以避免频繁切换引起的语音中断影响用户感受。

(方案3) 切换LTE： 面向单待终端，5G NR接入5GC，LTE接入EPC，都可提供语音，提供5G/LTE语音切换。

该方案用于5GC和EPC并存阶段。在5G部署中后期，5G NR形成连续覆盖，5GC已大规模部署。通过5G和LTE都可以提供语音服务。正常情况下，单待终端驻留在5G上，当5G信号不好时语音和数据都由5G切换到4G。

该方案通常也称为VoNR。VoNR是通过5G NR承载语音的技术方案，在NR的边界语音切换到LTE上。此方案在5G大规模部署后使用，因为呼叫建立时间短、数据业务仍能高速传输而具有用户感受更好的优势，是目标语音方案。

(方案4) 双待终端： 面向双待终端，利用双待能力提供语音数据并发，通过VoLTE提供语音业务。

该方案用于双待终端，双待终端同时附着在LTE和5G上，仅在LTE上使用语音业务。该方案主要依赖于终端的双待能力，对5G网络没有特定的要求。

(方案5) 统一5GC： LTE升级接入5GC，统一核心网提供语音业务。

该方案用于统一的5GC模式，5G终端可接入5G或LTE，并在统一核心网的控制下实现异系统互操作。

统一的5GC核心网是5G网络建设的最终阶段。LTE升级后接入5GC，相当于LTE的利旧。此方案IMS在统一的5GC核心网上部署，提供语音业务，IMS对终端在LTE和NR之间的切换不感知。

以上所述的实现5G语音业务的各种方式，描述了在运营商已部署LTE的情况下进行5G语音业务部署的几种场景，其中综合考虑了运营商的5G业务模式和NR的覆盖程度。

目前，在5G网络建设的初级阶段，方案一、方案二、方案三分别代表了当前语音业务部署的三种典型场景。进一步地，我们可以从架构、语音连续性等维度对前三种语音方案进行对比（表1），可以看出三种方案都是成熟的技术方案。

表1 5G初级阶段语音方案的关键技术点对比

综上，考虑到终端、用户体验、和5G覆盖三个方面的因素，我们建议5G部署初期的语音方案选择EPS Fallback担纲。这样做的好处是：

EPS Fallback方案对5G语音终端没有特殊要求。

EPS Fallback语音方案和VoLTE方案的技术基本相同，呼叫建立时延相比传统VoLTE增加400ms，用户基本无感知，语音连续性可保障。

n5G初期NR热点覆盖，为减少5G和4G之间的话音切换次数，同时也为减少对现网EPC的影响，推荐对IMS作简单的软件升级配合采用5GC+EPS Fallback提供语音服务。随着5G覆盖范围逐步扩大实现连续覆盖，可直接采用VoNR提供5G语音。

中兴通讯5G语音业务进展

中兴通讯基于全球领先的NFV/SDN研发部署成功经验，不断迭代推出5GC版本，相信伴随着5G无线技术和服务化架构、网络切片技术的不断创新和成熟，5G时代的语音视频业务将带给用户意想不到的新体验。

2018年4月，中兴通讯助力中国移动在广州部署端到端的预商用设备，单用户吞吐量达到2.2Gbps, 并打通国内首个5G电话，这是基于3GPP R15第一阶段的标准首次完成的国内5G语音业务外场验证。

2018年9月，中兴通讯携手中国电信在雄安新区实现了首个5G外场端到端业务通讯。测试基于3GPP R15标准，采用3.5GHz频段，SA组网架构。本次演示是全球首个3.5G SA端到端的VoNR，对加快5G语音标准化，迈向5G规模商用具有重要意义。

中兴通讯凭借多年的电信设备研发和部署经验，在深度分析IMS网元的逻辑功能基础上，对IMS进行软件升级，很好地满足各种不同应用场景。未来IMS的演进，将更好地利用5GC的新特性，满足实时通信业务以及垂直行业不断变化的新需求。