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5G SA语音解决方案和部署策略 【摘要】自5G商用以来，我国5G用户呈现快速增长趋势，5G SA语音已经成为电信运营商发展业务的重头戏。文章先容了5GSA语音的引入和选择策略，阐述了5GSA商用网络面临的挑战，分析了5GSA语音的连续性保障和切换、终端问题、国际漫游、不换卡不换号等关键技术问题的解决方案，最后结合5G网络发展趋势和运营商的网络特征，提出了5GSA语音方案的分步部署建议。 【关键词】5G；SA；语音方案；部署策略 引言 2018年6月，3GPP宣布基于R15的5G SA组网架构和功能冻结，5G标准化基本完成。2019年10月，国内三大运营商公布5G商用套餐，并于11月1日正式推出5G商用套餐，这标志着中国的5G商用进程正式启动。 5G主要提供三大典型场景的业务：eMBB（移动宽带增强）业务、uRLLC（高可靠及低时延）业务和mMTC（海量连接及低功耗）业务。5G网络不但面向普通个人用户提供服务，同时还面对物网及多样化的垂直行业应用，为行业用户快速提供定制的网络服务。截止到2020年6月，国内三大运营商的5G用户累计已经突破一亿，并已经启动首批5G消息应用，5G业务发展如火如荼。当前5G语音业务的发展非常关键，通信业界也对此高度关注，纷纷开展深入研究。5GSA实际商用部署涉及面广泛，应用场景复杂多变，在部署网络的同时还要兼顾现有网络的状况。本文从实际商用角度出发，针对5G SA语音网络商业部署的方案选择、面临的问题和挑战、诸多关键问题进行了分析，总结了行之有效的解决方案，希翼能够对5GSA语音网络的长远发展提供有益的借鉴。 5G语音引入和方案选择 3GPP在2017年底冻结了R15 NSA（Non-Standalone）标准，协议规定5G NSA Option3依托于LTE/EPC网络部署。3GPP在2018年6月冻结的SA标准中，协议规定5GSA（Standalone）Option2是一种基于服务化架构的独立建设方案。至此，3GPP R15标准已完全满足5G NSA、SA组网的基础语音和短信的商用需求。2020年3月，3GPPR16冻结并继续拓宽服务化架构，针对物联网类应用需求，对IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统）架构及部分相关接口进行增强，重点关注实现行业应用场景下的IMS增强类型需求，对普通用户之间的语音和短信业务流程的改动不大。因此，语音和短信方案的部署，依然基于3GPPR15协议来实现。 3GPP R15标准规定5G语音沿用4G VoLTE的语音架构，5G作为IMS的一种接入方式存在，引入5G制式并不会对IMS网络架构产生变化。5G语音方案的应用场景比4G多，方案也更多样化，而电信运营商采用的语音方案与5G实际部署策略和无线部署情况相关[1]。 如图1所示，3GPP标准及通信业界重点关注的5G语音组网部署方案，主要包括Option2、Option3、Option4、Option5和Option7。在这些Option选择项中，Option5、Option4、Option7方案必须要对现有LTE网络进行大规模升级改造，产业链成熟时间比较晚且对现网的影响范围广泛，因此部署NSA主要考虑Optionn3方案，而部署SA主要考虑Option2方案。当采用Option2方案组网部署时，核心网采用5GC，无线网采用5G NR[2]。 图1 5G SA和NSA的主要组网模式 在5G初期，NR仅作为热点覆盖，建议升级IMS并采用5GC+EPS Fallback组合方案提供语音服务，这可以有效减少5G和4G之间的话音切换次数，也可以减少对运营商现有EPC网络的影响。 表1 几种语音方案的技术对比 | | | VoNR | | | | EPC和5GC共存，NR连续覆盖 | | | | 正常情况驻留5G，5G信号不好时切换4G | | | | 数据带宽更高，支撑5G业务 | | | | 语音在5G进行，5G切换到4G时业务不中断 | | IDLE空闲态：<3.5秒 Connect连接态：<2.5秒 | | <2秒 | | | | 单注册（N26+HO）：<300毫秒 | | | | 优于4G | | | | Emergency Call赋值为True，获取紧急呼叫列表Emergency Table并获得紧急呼叫回落指示消息Emergency Message后在5G处理，用户处于边缘覆盖则切换到4G处理。 | | CS/PS短信、CSFB短信、SMS on IP短信 | 新增SMSF（Short Message Service Function，短消息功能）网元，SMS on NAS 、SMS on lP | 新增SMSF（Short Message Service Function，短消息功能）网元，SMS on NAS 、SMS on lP | | 有S8HR（S8 Home Routed，S8归属地路由）和Ravel两种方案可选，建议S8HR方案 | 有S8HR和Ravel两种方案可选，建议S8HR方案 | 建议继续沿用S8HR方案 |
如表1所示，是几种5G语音方案的对比。EPS Fallback方案实现机制与VoLTE技术基本相同，部署成本低，部署EPSFallback方案，也不需要对网络中的5G相关网元进行特殊的改造和对接。 具有现实意义的是，EPS Fallback呼叫建立时延比VoLTE仅增加约400毫秒，实际检测到的用户感知能够接受，二者在用户体验方面的差别不明显，基本可以保障语音的连续性[3]。 VoNR是通过5G NR运行语音的技术方案，终端驻留在NR上，语音和数据业务都运行在5G NR网络上。当用户移动到5G NR的边缘覆盖区域时，语音业务切换到LTE上。随着5G覆盖范围逐步扩大实现连续覆盖，电信运营商可直接采用VoNR提供5G语音。VoNR方案的呼叫建立时间短仅有1.5秒，数据业务仍能高速传输，且用户感知非常良好，VoNR是5GSA网络语音的终极目标建设方案[4]。 建设5G SA商用网络面临的挑战 在5G SA商用网络的建设进程中，存在诸多问题亟待解决。电信运营商一方面规划和发展5G SA商用网络，吸引用户使用5G网络，另外一方面还保有规模庞大的存量网络，二者既可以互相促进，也可能互相羁绊影响。因此在发展5GSA网络的同时还要兼顾现有网络，首先做到互不干扰，然后才能均衡资源，迈进5G发展步伐。 同时，由于4G和5G电信设备往往由多个电信设备厂家提供，而不同的设备厂家有可能对电信协议理解存在一定差异，在具体实现方式上也可能存在差别，因此尤其需要推动设备厂家在互联互通阶段，对于某个功能的版本时间点进行协同。如果存在较大差异，可以先采用临时的迂回解决方案规避问题，但从长远来看，仍需按照目标网组网的要求来实现。 电信运营商的网络有数量极为可观的存量用户，用户一方面往往希翼继续使用现有网络和业务，另外一方面也有尝鲜5G的希望。在发展5GSA初期，电信运营商可引导用户“不换卡不换号”，只需要更换5G手机就可以使用5G业务。结合5G套餐推出后的各种资费优惠，有助在保有存量用户基础上，快速形成数量庞大的5G用户稳定群体，这是电信运营商5G网络发展和演进的“压舱石”。 5G SA语音方案商用部署的关键问题解决方案 语音连续性和切换 1. 5G部署初期EPS Fallback 在5G部署初期，建议由VoLTE提供语音业务，5G作为热点覆盖，NR只运行数据业务，暂不提供语音业务。在NR建立语音通道时，语音回落到4G网络，这可以减少5G与4G的语音切换。如图2所示，EPSFallback有三种主要实现模式：双注册终端回落模式、无N26接口回落模式、有N26接口的切换模式[5]。 图2 EPS Fallback的三种模式 综合考虑建网投入、对现网的改造、后期维护成本以及用户感知、产业链成熟度等诸多因素，通常采用有N26接口的切换模式部署EPSFallback方案，在5G的接入与移动性管理功能AMF（Access and Mobility Management Function）和 移动管理实体MME（MobileManagement Entity）之间建立N26接口，该接口支撑移动上下文传递及切换信令的交互[6]。基站通知UE回落，会话控制面位于会话管理功能SMF（Session Management Function）和PDN网关控制平面PGW-CP（PDNGateway Controller Plane），媒体面位于PDN网关用户平面PGW-UP（PDN Gateway User Plane）和用户平面功能UPF（UserPlane Function）。此种模式对网络改造要求较低，仅需MME升级支撑N26接口。 在SA网络实际商用部署中，现网5GC和EPC由不同设备厂家提供，此时尤其需要关注5G向4G切换和TAU的流程，确保这两个网络对RATType（Radio Access Technology，无线接入类型）处理机制的一致性。如图3所示，在5GC和现网EPC多厂家组网的情况下，发起5G到4G的Handover流程时，现网EPC SGW设备向 5GC SMF/PGW发送 Modify Bearer Request修改承载请求消息，发现该消息未携带RAT Type这个字段，导致5GC的 SMF/PGW-C回复错误，5G至4G的RAT切换不成功，EPS Fallback话音呼叫无法正常接续。 图3 SGW和SMF对无线接入类型字段的交互处理 考虑到快速部署5G SA语音的要求，短期通过将5GC SMF/PGW-C进行特殊处理，对RAT Type字段不作校验处理。但从长远的目标网要求出发，仍需要现网EPCSGW升级支撑RAT Type字段，否则5GC SMF/PGW-C在处理LTE-M（LTE Machine to Machine，LTE物联网）和WB-E-UTRAN（宽带EUTRAN）这两种无线接入类型时，会返回失败消息。 采用EPS Fallback组网时，5G NR无线侧也需要支撑Handover切换功能，使得5G向4G EPSFallback的Handover切换能够顺利实施。而在实际部署中，如5G NR短期内不支撑Handover切换功能，那么可以采用将现有4G网络 MMEApp升级的临时方案来规避5GNR不支撑EPC Fallback切换问题，后续再升级5G NR支撑Handover功能。 1. 5G部署成熟期VoNR 随着5G商用网络发展，NR逐步连续覆盖，数据和语音业务都在NR承载，这能够极大增强用户体验。如果网络没有N26接口，那么在重新完成TAU跟踪区更新和Attach附着流程，并完成注册流程之后，UE才能接入4/5G网络。这会造成语音中断时长超过1000毫秒，用户明显感知差，无法满足语音连续性要求。而部署N26接口之后，运营商可以事先建立承载间接转发的通道，因此只在无线切换时有低于100毫秒的短暂中断，用户几乎无感知，因此网络部署N26接口是VoNR语音连续性的保障[7][8]。 不支撑SIB24消息的终端 4G eNodeB所发送的SIB（ System Information Block）消息为UE提供了小区驻留、重传、链路建立等所需的若干参数。在实际商用部署时，4G基站开启4G到5G重定向后会广播SIB24消息。其中SIB2消息主要携带公共的无线资源配置相关信息，包括接入BAR信息、PRACH配置信息、上行频点信息等，SIB4消息用于携带同频小区重选的邻区信息。而由于部分终端不支撑SB24消息，导致此部分终端不能使用4G业务，而回退到2G网络。 在实际商用中，短期可以关闭LTE基站SIB24信令来保障这部终端使用4G业务，作为临时应对的解决方法，而此时5G终端在4G网络下，无法通过重定向到5G基站，只能通过Idle空闲态重选完成，5G用户在4G的驻留时间会变长。 从长期的目标网要求出发，需要对SIB24问题进行深入研究，寻求应对策略，推进物联网终端、模组厂家对SIB24问题进行定位和处理。 国际漫游 4G VoLTE的国际漫游通常采取S8HR（S8 Home Routed，S8归属地路由）方案，建议在5G网络VoNR国际漫游继续采用S8HR方案[9]。 釆用Home Routed方案实现VoNR漫游，需要在归属地和漫游地各自设立安全边界保护代理SEPP（SecurityEdge Protect Proxy）和边界网关BG，在归属地部署IMS网络。国际漫游不需要依赖于漫游地的网络能力，在漫游地只要部署了5GC或EPC网络就可以开展语音业务，漫游用户的业务体验也与归属地相同。控制面通过SEPP的N32接口进行互通，归属地和漫游地SMF分别选择各自区域的UPF[10][11]。 在实际商用部署中，对于S8HR方案部署过程中出现的一些问题，需要深入讨论和多方尝试，找到解决思路。部分现网的MME在规避避免漫入用户计费问题中，由于DNS上无法配置SMF/PGW-C的解析数据，在EPSFallback流程中触发IMS PDN连接重建，导致EPS Fallback语音失败。通过在DNS增加SMF/PGW-C的解析数据并将优先级设置低于Pool中其他现网PGW节点，则可以确保EPSFallback语音建立成功。目前一般现网HSS没有签约IWK，该方式可以保证SA用户从4G接入时不会选择SMF/PGW-C融合节点，现网4G/NSA用户由于会优选SGW/PGW合设节点，也不会选择该融合节点。 虽然S8HR方案还存在一些不足，比如媒体面时延较大问题，还存在仅能支撑基本SRVCC并且同时要求漫游地也同样支撑 SRVCC，但该方案能够隔离归属地和漫游地网络，避免了网间互通测试，不需要考虑终端的兼容性，电信运营商不需要和国外运营商进行冗长的技术谈判和磨合，有助于快速部署5GSA语音的国际漫游业务。 不换卡不换号 对于用户不换卡不换号使用5G网络的需求，在实际商业部署中也已经总结出一套行之有效的策略办法并得到广泛推广。为缩短SA初期建设周期和网络风险，避免对全网HSS进行云化割接迁移，SA商用初期可以采用IWF方案免用户割接实现用户不换卡不换号接入5GSA 网络。 IWF作为4G和5G网络互通的设备，在5GC网络中IWF为标准的UDM/AUSF网元，与5G AMF/SMF/NRF等网元交互，提供标准的UDM/AUSF接口和服务；在2/3/4G网络，IWF模拟SGSN和MME网元，通过信令网与HLR/HSS、GMLC、SCPAS等网元交互，获取用户的3G鉴权向量和4G EPC签约数据；在IMS网络，IWF模拟I-CSCF网元，通过信令网与HLR/HSS网元交互，判断用户是否为VoLTE用户。 IWF整体实现方案为模拟EPC/IMS网元与HSS交互实现5G用户鉴权，无法支撑基于单用户直接进行签约管理。考虑到对5G终端用户进行接入控制，为兼容NSA/SA的用户体验，需通过在HSS上签约NSAARD，IWF基于HSS上NSA ARD签约控制用户5G SA接入。如图4所示，实际在现网商用部署过程中，发现在5G SA终端注册时，IWF模拟向 EPCHSS取签约数据，现网EPC HSS未按照协议要求下发ARD参数，导致IWF按照协议翻译为 NR Restrict返回给AMF，AMF拒绝终端接入5G SA网络，目前已推动EPCHSS按照协议要求进行修改，该问题得到解决。 从长远发展角度出发，由于用户原有的4G SIM卡缺少5G标准中定义的新功能和新增的卡文件与服务，在业务使用方面存在诸多限制，且用户的身份数据采用明文传输，无法满足5G网络的安全要求。电信运营商仍需采用一些营销手段，比如在业务开展和资费方面给与一定的优惠，同时提供便捷主动的换卡渠道，引导用户换卡。 5G SA语音方案的部署建议 5G SA语音的部署方案主要有两种策略。第一种是演进型方案，在LTE/EPC网络的基础上构建，只需部署5G NR，核心网升级EPC，由VoLTE提供语音；第二种是新建型方案，基于5GC实现，需同时部署5GNR和5GC，可以采用VoNR直接提供语音方案，或者采用EPS Fallback或者VoLTE回退到4G网络实现。电信运营商可以根据当前网络的发展特征、电信设备的生命周期和维护状况，选择最适宜的策略。总体来说，5GSA网络的语言部署是一个“边测试、边开发、边完善，边建设”的过程，要在实际中发现问题并深入开展研究，才能切实解决问题，进而找到最优发展路径。 2019年至2022年是5G SA语音业务发展初期，5G NR作为热点覆盖，语音回落到VoLTE。对IMS进行升级以支撑VoNR接入，创建媒体流时NR触发回落到VoLTE，短信继承SMSon IMS/IP的实现方式。 从2022年至2025年，5G SA语音业务进入深耕发展阶段，5GN R实现连续覆盖，5G语音采用VoNR组合VoLTE方式。NR支撑音频和视频，在NR覆盖下直接创建媒体流，用户在5GNR边缘覆盖区域则切换到VoLTE，确保语音连续不中断。 到2025年以后，5G SA语音业务进入成熟应用阶段，此时5G NR已经实现广域覆盖，IMS完全支撑 SBA服务化架构，VoNR可以按需切片满足垂直行业的应用场景[12]，用户在5G NR边缘覆盖区域则切换到CS网络，确保语音连续不中断。 总结和展望 和以往通信制式不同的是，5G网络引入了SBA服务化架构、网络切片、SBI服务化接口等一系列新特性。这些特性能够提升网络利用效率，加快5G语音业务创新，简化运维。5GSA语音的部署并不能一蹴而就，还有非3GPP接入、计费融合、语音切片、能力开放等诸多关键技术问题需要逐步分析和解决，并在实际网络部署和问题分析中充分探讨，才能找到最为适合的解决思路。同时还需要结合电信运营商现有网络特点、业务的发展方向、网络未来的演进趋势等多方面因素，切实做好语音业务的开展。随着5G网络逐步商用，这些技术问题将逐步得到解决，5G时代的SA语音业务也将为用户带来更加丰富的体验。 参考文献 [1] 3GPP TS23.228 Technical Specification Group Services andSystem Aspects, IP Multimedia Subsystem (IMS), Stage 2(Release 15):V15.2.0[S].2018 [2] 刘博士,董丽华,桂霖.5G用户语音业务解决方案[J].电信工程技术与标准化,2019(3):55-60 [3] 马金兰,杨征,朱晓洁.5G语音回落4G解决方案探讨[J].移动通信2019(04):37-42 [4] 王耀祖,张洪伟,吴磊.5G NR语音解决方案分析[J].邮电设计技术,2019,(10):66-70 [5] 3GPP TS23.501 5G System Architecture for the 5G System,(16.3.0) [S]. 2019 [6] 3GPP TS23.502 Technical Specification Group Services andSystem 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发表于 2022-8-18 12:01:11
