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5G语音解决方案,推动5G网络商用进程

http://www.c114.com.cn ( 2018/12/19 13:28 )

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

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。

5G语音解决方案,推动5G网络商用进程

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。

语音方案
VoLTE
EPS Fallback
VoNR
场景
Option3模式
EPC和5GC共存,
NR热点覆盖
EPC和5GC共存,
NR连续覆盖
终端驻留网络
语音连接LTE,
数据连接NR
平时驻留5G,
语音呼叫时回落4G
正常情况驻留5G,
5G信号不好时切换4G
业务能力影响
数据带宽提高,
业务同4G
数据带宽更高,
支持5G业务
数据带宽更高,
支持5G业务
语音连续性
语音业务在4G网络进行,不存在5G和4G间切换
呼叫建立时回落到4G,不受5G和4G间切换影响
语音在5G进行,5G切换到4G时业务不中断
呼叫建立时延
IDLE态:<3.5s
Connect态:<2.5s
单注册支持N26场景下,增加时延大约400ms
<2s
话音切换时长
话音保持连续,
不涉及4-5G切换
话音保持连续,
不受4-5G切换影响
单注册(N26+HO):<300ms
QoS保障
同4G
同4G
优于4G
紧急呼叫
同4G
同4G机制
同4G机制
CS/PS短信、CSFB短信、SMSoIP短信
同5GC
新增SMSF网元-SMSoNAS、SMSoIP
同数据漫游(Local breakout/ Home Routed)
同数据漫游(Local breakout/ Home Routed)
同数据漫游(Local breakout/ Home Routed)

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。

作者:王刚、付锋,IMS产品架构师   来源:C114通信网

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