• [4G/5G/6G专题基础-158]: 5G VoNR(Voice over NR)与VoLTE共同组成5G三大语音方案


    目录

    第1章 语音方案概述

    1.1 VoLTE概述

    1.2 5G VoNR概述

    第2章 5G  VoNR网络架构

    2.1 基本原则

    2.2 NSA VoLTE方案

    2.3 SA  EPS Fallback(SA组网)-- 早期方案

    2.4 SA  VoNR(SA组网)-- 当前方案

    第3章 5G NR Qos Flow

    3.1 5G Qos流

    3.2 VoNR的5QI

    参考:5G Qos


    第1章 语音方案概述

    1.1 VoLTE概述

    VOLTE全称为Voice over Long-Term Evolution(长期演进语音承载),意思是一个面向手机和数据终端的高速无线通信标准。它基于IP多媒体子系统(IMS)网络,在LTE上使用为控制层面(Control plane)和语音服务的媒体层面(Media plane)特制的配置文件(由GSM协会在PRD IR.92中定义)  ,这使语音服务(控制和媒体层面)作为数据流在LTE数据承载网络中传输,而不再需维护和依赖传统的电路交换语音网络。

    2G、3G时代,语音业务采用CS(Circuited Switched,电路交换)技术,即手机在通话前需在网络中建立一条独占资源的线路,直到通话结束才拆除。这种古老的技术存在耗资源、组网复杂、效率低等缺点。

    进入4G全IP时代,由于只有分组域PS不再支持传统CS语音,于是提出了CSFBVoLTE两种方案来支持语音业务。

    CSFB,即CS FallBack,指当手机在4G网络中发起语音呼叫时从LTE网络回落到2/3G网络,借助2/3G网络的CS电路域来完成语音通话,通话结束后再返回4G LTE。

    VoLTE,即Voice over LTE,指通过引入IMS,LTE网络直接提供基于IP的语音业务。VoLTE也被称为由IMS管理的、承载于4G LTE网络上的VoIP。

    VoLTE将语音业务封装成IP数据包像快递打包一样传输,无需“独占资源”,大幅提升了网络效率。更重要的是,VoLTE还史无前例地提升了语音质量以及降低了通话建立时长。

    VoLTE采用AMR-WB(Adaptive Multi-rate-Wideband,自适应多速率宽带编码)语音编码技术,相比2G、3G时代大幅提升了编码速率,并将语音带宽范围从300Hz-3400Hz提升到50Hz-7000Hz,从而能提供更清晰的音质,更广的音域,让移动网络的语音质量首次媲美收听收音机的体验。拨号时,3G网络大概需要6-8秒接通,而VoLTE只需花2-3秒左右即可接通。

    VoLTE的语音和数据容量超过3G UMTS三倍以上,超过2G GSM六倍以上。因为VoLTE数据包信头比未优化的VoIP/LTE更小,它也更有效地利用了带宽

    VoLTE技术带给4G用户最直接的感受就是接通等待时间更短,以及更高质量、更自然的语音视频通话效果。

    VoLTE与2G、3G语音通话有着本质的不同。VoLTE是架构在4G网络上全IP条件下的端到端语音方案。VoLTE相较2G、3G语音通话,语音质量能提高40%左右,因为它采用高分辨率编解码技术(UE侧)。VoLTE为用户带来更低的接入时延(拨号后的等待时间),比3G降50%,大概在2秒左右,而2G时代在6-7秒。此外,2G、3G下,掉线时有发生,但VoLTE的掉线率接近于零

    对运营商而言,部署VoLTE意味着开启了向移动宽带语音演进之路。从长远来看,这将给运营商带来两方面的价值,

    一是提升无线频谱利用率、降低网络成本。因为对于语音业务,LTE的频谱利用效率远远优于传统制式,达到GSM的4倍以上。

    另一个价值就是提升用户体验,VoLTE的体验明显优于传统CS语音。首先,高清语音和视频编解码的引入显著提高了通信质量;其次,VoLTE的呼叫接续时长大幅缩短,测试表明VoLTE比CS呼叫缩短一半以上;第三,与RCS的无缝集成可以带来丰富的业务。

    1.2 5G VoNR概述 

    VoNR就是指由5G NR、5G Core和IMS端到端承载语音业务。

    5G时代的语音再也不会像VoLTE那样发生革命性变化了。事实上,5G系统并没有为语音服务提供单独的技术解决方案,其设计目标主要是为了在5G网络中支持VoLTE持续演进

    严格的讲,NR只是5G网络的无线接入网部分,而5GS(5G System)包含了5G NR和5G Core,因此将VoNR叫做Vo5G(Voice over 5GS)更准确。不过,我们通常讲的VoNR就是指Vo5G

    VoNR(Voice over New Radio,新空口承载语音,5G网络的目标语音解决方案
    5G的无线接入部分叫做NR(New Radio),基于5G的语音业务就叫做VoNR。即NR用户可以基于NR网络直接进行语音业务,无需回落到LTE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。
    在VoNR技术应用之前,进行语音通话会让手机驻网从5G回落到4G,但VoNR技术支持5G数据和语音并发。使用VoNR技术不但可以缩短电话呼叫连接建立时间,在大幅提升连接成功率的同时还能降低通话过程中可能存在的中断。此外,它还可以在通话过程中保持稳定而高速的5G数据连接,使游戏和视频体验不受到影响

    因为是基于 5G 核心网,VoNR 的语音通话时延更低,从拨打电话到接入只需要 1.5s~2s。

    且由于带宽和网速提升,通话质量相比 VoLTE 会进一步提高。

    VoNR 支持 720P 的高质量视频, 相比 VoLTE 的 480P 画质更好,比微信和QQ语音通话的效果更好。

    从用户角度看,如上所述,尽管VoNR延续VoLTE架构,无法再实现革命性的技术突破,但与VoLTE类似,VoNR具有语音通话质量好、接续时延低、可边通话边进行5G高速上网等优势。比如,理论上讲,VoNR的MOS值达4.6,接入时延仅为1.5至2秒;VoLTE的MOS值约4.1,接入时延为2秒;而2/3G CS语音的MOS值为3.7,接入时延高达6秒以上。

    第2章 5G  VoNR网络架构

    2.1 基本原则

    IMS是VoLTE的“大脑”,VoLTE实际上就是由IMS核心网控制和管理的端到端VoIP连接.

    正是因为NR IMS可对语音实现端到端QoS管理,使得VoLTE的语音质量远远强于“尽力而为”的互联网VoIP。

    进入5G时代,3GPP在R15版本定义5G时,就明确了5G依然基于IMS提供语音业务,

    并确定了5G部署应:最小化影响现有IMS的设计原则

    基于以上原则,根据5G NSA和SA两大部署选项,5G语音提供了:

    VoLTE、EPS Fallback、VoNR三种部署方案。

    2.2 NSA VoLTE方案

    在NSA组网下,5G NR作为容量扩展被添加到现有的4G网络中,并沿用4G核心网EPC,4G网络仍然是主要的控制网络,5G NR仅支持尽力而为的数据传输

    在这样的架构下,语音服务依然由现有的4G IMS/VoLTE网络提供,只需非常小的更改或无需更改;

    仍然可以通过SRVCC在VoLTE和2G/3G CS网络之间实现语音呼叫的无缝切换;

    如果运营商未部署IMS,仍然可以通过CS Fallback的方式回落到2G或3G网络提供语音服务。

    如下图所示:

    2.3 SA  EPS Fallback(SA组网)-- 早期方案

    在SA组网下,5G网络有了自己的核心网5GC,不再依赖4G作为控制网络,这意味着可以通过5G NR、5GC和IMS端到端独立承载5G语音业务,即VoNR(Voice over NR)或Vo5G(Voice over 5GS)。VoNR就是指由5G NR、5G Core和IMS端到端承载语音业务。

    但在5G SA部署早期,考虑5G NR网络还未形成连续广覆盖,当手机移动出5G NR覆盖区域时,会频繁将正在进行的VoNR语音切换到覆盖更好的VoLTE网络,从而导致用户体验较差。

    因此,在5G部署初期引入了过渡方案——EPS Fallback。

    与4G时代的CS Fallback相似,在EPS Fallback方案下,5G网络不提供PS语音业务。

    当手机尝试在5G网络中使用语音服务时,会通过重定向或切换的方式回落到4G网络,由4G网络提供VoLTE语音业务,并在通话结束后再返回到5G网络。

    在通话期间,由于手机已经回落到4G网络,数据业务也被迫与语音业务一起经过4G LTE传输,直到通话结束。

    显然,在该方案下,由于在NR上建立语音通话时发起向4G网络回落,必然会增加语音呼叫建立时长;同时,在通话期间数据流量也经过4G LTE传输,还会大幅降低数据速率,从而会影响用户体验。

    尽管向4G网络回落会增加一点呼叫延迟,但相比CS语音回落,VoLTE能提供更快的呼叫建立时长,这点新增的延迟也是可以接受的。事实上,EPS Fallback最大的缺点是,除了会降低数据速率之外,还会因向4G回落导致短暂的语音连接中断,这比呼叫建立时延更容易被用户觉察。

    EPS Fallback语音连续性保障:

    2.4 SA  VoNR(SA组网)-- 当前方案

    VoNR就是指由5G NR、5G Core和IMS端到端承载语音业务。严格的讲,NR只是5G网络的无线接入网部分,而5GS(5G System)包含了5G NR和5G Core,因此将VoNR叫做Vo5G(Voice over 5GS)更准确。不过,我们通常讲的VoNR就是指Vo5G。

    VoNR通过端到端的Voice‘s’ Qos流,确保了语音数据的优先级和延时。

    相比EPS Fallback,VoNR的优点不言而喻,一是不必再回落到VoLTE,呼叫建立时长更短;二是支持5G语音和5G数据业务并发,也就是说我们可以一边打电话一边高速5G上网。

    考虑当手机移动到5G小区覆盖边缘时会导致VoNR语音质差甚至掉话,为了保证语音通话的连续性,需将正在进行的VoNR通话切换到4G VoLTE,因此,类似于4G时代的SRVCC方案,VoNR方案还支持通过Inter-RAT handover机制来实现VoNR与VoLTE之间平滑切换。

    值得注意的是:

    随着5G Core引入,5G R15标准未定义5G Core与3G Core之间的接口,不支持5G和3G CS之间的语音呼叫连续性,这意味着在采用VoNR的R15网络中必须支持IMS/VoLTE,以便在手机通话过程中移动到5G覆盖范围之外时,可以通过4G VoLTE保持通话连续性

    不过,3GPP在R16版本中,基于现有的4G到3G的切换标准,增加了5G SRVCC功能,即可以通过5G SRVCC技术将语音直接切换到3G CS域

    第3章 5G NR Qos Flow

    5G VoNR的业务数据,是承载在5G Qos Flow中进行传输的,相对于普通业务,VoNR具有更高的优先级、更低的传输延时和更好的Qos保障。而微信语音, 是无法获得与VoNR一样的Qos保障的。

    3.1 5G Qos流

     

    3.2 VoNR的5QI

    VoNR采用优先级的5QI进行传输,而普通的eMBB业务,包括微信语音业务,都无法获得比VoNR语音更高的5QI保障。

     


    参考:5G Qos

    [深入研究4G/5G/6G专题-40]: URLLC-11-《3GPP URLLC相关协议、规范、技术原理深度解读》-5-5G Qos原理与架构: 切片、PDU会话、QosFlow、5QI、DRB_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客

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