基于无线技术的VoNR网络感知提升研究

李耀斌，王杉杉，李岩岩（.中国联通河南分公司，河南郑州 450000；.中国联通开封分公司，河南开封 475000）

1 概述

新空口承载语音（Voice over New Radio，VoNR）是5G 网络的目标语音解决方案［1-5］，即用户可以基于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。

数据业务已成为当前网络发展的主要驱动力，但语音业务作为通信网络基础业务仍占有至关重要的地位。传统2G/3G 语音业务承载于CS 域，从4G 网络开始，语音业务迁移至基于IMS Server 的VoLTE 网络，在当前4G 网络为主力承载、5G 网络高速发展的情况下，形成了语音业务VoLTE 与VoNR 并存的局面，并具有向VoNR全面快速过渡的发展趋势。

2 VoNR网络架构

语音业务是无线通信网络服务的基本业务，3GPP在R15 版本定义5G 时，明确了5G 仍以IMS 为基础提供语音业务的设计原则，并要求5G部署要尽量减少对现有IMS的影响［6］。基于上述原则，根据5G NSA和SA两大方式，5G 语音有3 种部署方案：VoLTE、EPS Fallback和VoNR，3种部署方案的MOS与时延指标对比如表1 所示。从表1 可以看出，VoNR 的优势在于通话质量更好，续接时延更低。

表1 不同语音业务类型MOS与时延对比

2.1 NSA VoLTE方案

在NSA 组网下，采用双连接方式，将5G NR 控制面锚定于4G LTE，并利旧4G 核心网EPC［7］，网络架构如图1所示，语音服务依然由VoLTE 提供，并可以通过SRVCC 实现VoLTE 和2G/3G CS 网络之间语音呼叫的无缝切换。

图1 NSA VoLTE方案网络架构

2.2 SA EPS Fallback方案

在5G SA 部署初期，5G 网络未能形成连续覆盖的情况下，需要引入EPS Fallback 方案，以保障语音业务的连续性［8］。EPS Fallback 在语音业务起呼阶段将用户重定向至4G 网络，利用4G VoLTE 网络承载语音业务，业务完成后再通过Fast Return 功能使用户快速返回5G网络，网络架构如图2所示。

图2 SA EPS Fallback方案网络架构

2.3 SA VoNR

在SA 组网下，5G 网络不再依赖4G 核心网EPC，通过5G NR、5GC 和IMS 端到端独立承载5G 语音业务，即VoNR（Voice over NR）［9］。网络架构如图3所示，VoNR 通过端到端的Voice QoS 流，确保了语音数据的优先级和延时。与NSA VoLTE 和EPS Fallback 相比，VoNR呼叫建立时长更短，并支持5G语音和5G数据业务并发，即支持在5G网络下同时打电话和上网。

图3 SA VoNR方案网络架构

3 VoNR网络感知提升

VoNR 基于IMS 网络，涉及网元众多，任何一个网元或者环节存在问题都可能对业务感知产生影响。本文重点从无线侧进行分析，通过对网络特性功能及技术应用的探讨，从覆盖、质量、无线互操作3 个维度,分析如何提升VoNR网络的使用感知。

3.1 网络覆盖提升关键技术

3.1.1 ROHC技术

鲁棒性头压缩技术应用于IP 网络，可以对数据包头压缩，具有降低网络资源消耗、减少误码率、缩短业务时延等优点，应用ROHC相关技术，能够有效提升网络覆盖能力。

a）ROHC 语音包头压缩：VoNR 承载于IP 网络，存在2 种类型数据包，一种为用于SIP 信令的数据包，由于信令传输并不频繁，对此类数据包使用头压缩技术虽然可以节省一定资源，但也会带来额外的处理增益，实际使用效果并不明显；另一种为用于语音的数据包，语音业务占用数据量较小，但传输非常频繁，以24.4 kbit/s 编码速率为例，采用IPv6 时，压缩前语音帧为984 bit，开启ROHC功能后，整个语音帧由984 bit减小至544 bit，压缩比可达55.28%，无线覆盖能力提升2～3dB。

b）ROHC 包头解压失败恢复：采用了ROHC 功能的语音包头解压时，如果有关键压缩包丢失（TS_Scaled 的更新或者TS_Stride 的更新等），ROHC 解压容易出现错误导致解压失败。ROHC 头解压失败恢复功能适用于RTP 协议，主要针对Timestamp 进行恢复，解压恢复成功率为0%～15%，成功率主要取决于终端的ROHC 实现机制。ROHC 包头解压失败恢复功能，使ROHC 解压失败的包恢复正确，减少丢包，降低MOS 值恶化的概率，同时可避免在远点退出ROHC 时引起的语音中断丢包，进一步发挥ROHC 提升覆盖的效果。

3.1.2 增加HARQ重传次数

混合自动重传请求（HARQ）结合了前向纠错编码（FEC）和自动重传请求（ARQ），应用于MAC 层，接收方在解码失败时，会要求发送方重传数据，将重传数据与先前接收的数据进行合并编码，从而提高解码成功的概率［10］。在无线环境较差的条件下，HARQ 相比传统ARQ 可以带来一定的分集增益，补偿多径衰落对信号传输的影响，提高数据传输速率，降低传输时延。

针对VoNR 业务，gNodeB 针对语音用户进行最大4 次HARQ 重传，如果用户处于小区边缘，重传4 次也无法确保数据能在接收端被正确解码。基于增加HARQ 重传次数的上行覆盖增强，可以将最大HARQ重传次数调整为8 次，从而提高弱覆盖场景数据被成功解码的概率，无线覆盖能力提升2～4 dB。

3.1.3 MAC CE语音调速

VoNR 采用EVS 编码，该编码方式下CMR 字段位置不固定，导致基站无法通过CMR 实现编码速率的自适应，因此5G网络需要采用新技术来实现编码速率的自适应功能［11］。在RRC 阶段，对于支持ANBR 能力的UE，UE 通过MAC CE 进行空口能力上报，gNodeB 根据上报的空口能力，向UE 提供推荐的语音速率信息，从而实现语音速率调整的功能。gNodeB 推荐的空口速率消息，既可以是gNodeB 主动发送给UE，也可以是UE主动发送查询请求后再发送给UE。

基于MAC CE 的自适应语音调速功能在小区边缘通过降低语音编码速率使语音业务对无线速率的要求降低。当语音编码速率在9.6～128 kbit/s 自适应调整时，增益最高可达6 dB。

3.1.4 时隙聚合

时隙聚合功能与LTE TTI Bundling 作用机制类似［12］，对于上下行共享信道，在一个语音帧中，基站侧同时在多个时隙上传输同一TB的不同冗余版本，在终端侧对这些不同的冗余版本合并，并使用一个ACK/NACK 做统一回应，从而提升弱场条件下用户的解调性能。采用时隙聚合技术，无线覆盖能力提升4～6 dB。

3.2 网络质量提升关键技术

3.2.1 上行预调度

VoNR 上行预调度属于MAC 层功能，为语音用户预留特定位置和数量的RB 资源，语音用户优先使用预留的RB 资源，预留的RB 资源被占满以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［13］。而对于非语音用户，则不能使用上行预调度所预留的RB 资源。为了防止预调度的空包过多导致上行PRB 利用率过高或者上行干扰升高，可以针对每TTI 设置合理的预调度用户数上限或者预调度用户数占用的PRB利用率上限。

上行预调度可以节省终端侧的SR 流程，减少VoNR 建立时延，在终端侧SR 发送异常、弱场SR 发送失败、SR 周期配置过大等情况下，提升语音业务稳定性，改善语音业务感知。

3.2.2 上行MCS选阶优化

调制与编码策略（MCS）通过不同的索引值对应了不同的调制方式与传输速率，MCS 索引值越高，对应更高阶的调制方式与传输速率，同时对传输质量的要求更高［14］。使用合理的MCS 索引值可以保证调制方式合理，从而保障数据包的可靠传输，在传输质量不足的条件下使用高阶调制，会导致丢包率抬升。

VoNR 上行MCS 选阶优化功能，通过降低语音业务初传上行MCS 阶数，改善上行语音业务丢包率，保障传输可靠性，从而提升语音业务质量。

3.2.3 上行RLC分段优化

当UE 上行发射功率受限时，上行动态调度分配的传输块大小会随之调小，使得RLC 分段增多，分段增多会引起调度次数增加，RLC/MAC 头开销增加，CCE 资源和RB 资源消耗增加，导致VoNR 语音包时延增大、丢包率抬升、上行开销增多等问题。

上行RLC 分段优化功能通过限制上行动态调度分配的TBS 来控制上行RLC 分段数量，从而提高在信道质量较差条件下的语音质量。

3.2.4 上行频选调度

上行频选调度指gNodeB根据UE上行频带不同的信道质量，为每个UE 选择最合适的频带资源。预期增益的计算主要依据滑动窗口期内的上行频谱效率和信号SINR 值，如果上行频选调度功能开启，则同时取决于上行频谱效率和信号SINR值，如果上行频选调度功能关闭，则仅取决于窗口期内的上行频谱效率。在干扰场景中上行频选调度能够带来明显的增益，提升语音业务质量。

3.2.5 PUSCH功率差异化配置

在传输语音小包业务时，由于用户功率不足可能导致丢包。为提高语音小包业务的可靠性，通过PUSCH 功率差异化配置功能，设置不同的PUSCH 功率偏置，可以在用户存在功率余量的条件下，保证发送小包业务时满功率发送，从而提高VoNR 小包业务的可靠性。

3.2.6 下行半静态调度

gNodeB 为UE 调度PDSCH/PUSCH 资源，gNodeB和UE 根据指定的参数在PDSCH/PUSCH 上传输资源，而无需在每次传输中都使用DCI，可以有效降低gNodeB用于调度的负载。

gNodeB 通过RRC 信令（RRC 建立或RRC 重配置）配置PDSCH 调度所需的所有参数。UE 监听PDCCH，在type1 方式下无需DCI 触发，UE 在处理RRC 信息后直接发送PUSCH，在type2 方式下通过DCI 触发，当gNodeB 需要授权调度PUSCH 时，会发送带有CSRNTI 的DCI 指示，UE 用CS-RNTI 处理DCI，然后按照RRC 中的调度信息发送PUSCH。每一个固定周期内，终端在相同的时频域资源内发送和接收数据。在UE侧，无论gNodeB 使用何种方式，都需要始终监控PDCCH，以防止gNodeB发送其他类型的DCI。

3.2.7 DRX长周期

5G 网络中DRX 分为2种模式：空闲模式和连接模式［15］。空闲模式下UE 被周期性唤醒以监听寻呼消息，如果寻呼消息不是针对它的，则UE 返回休眠模式；连接模式下，如果没有引入DRX，UE 需要在每个子帧中监视PDCCH，而引入DRX 后，允许UE 定期进入休眠，进入休眠期间无需监视PDCCH，从而降低UE功耗。可以针对VoNR 特点配置专用的DRX 参数，一方面保障了语音质量，另一方面也降低了终端功耗，提升用户使用感知。

3.2.8 BWP切换策略

UE 进行VoNR 业务时既可以使用大BWP 也可以使用小BWP，可以针对语音业务配置独立的BWP 切换策略，保障语音业务持续阶段的业务感知。如果语音业务建立在小BWP 上，当小BWP 负荷较高时，触发小BWP 到大BWP 的切换，以保障业务质量。如果语音业务建立在大BWP 上，在语音业务释放以前，不允许向小BWP的切换。

3.2.9 VoNR和非VoNR边界优化

当VoNR 功能未能全网连续部署的场景下，在VoNR 和非VoNR 边界，当VoNR 语音用户重定向接入或重建立接入至非VoNR 小区后，基站会将5QI=1 的承载删除，语音业务发生掉话。当VoNR和非VoNR边界优化功能开启后，VoNR 语音用户重定向接入或重建立接入至非VoNR 小区后，该小区会先正常接纳用户的语音承载，然后尝试触发迁移流程将用户迁出本小区。

3.2.10 VoNR用户异频/异系统周期测量独立配置

当需要进行网络覆盖评估或者网络覆盖比较时，通常会打开周期性异频/异系统测量，当UE 处于测量Gap 期间不会发送和接收任何数据。VoNR 业务对实时性和丢包率要求较高，测量Gap 会增大语音包的调度时延和丢包率，影响语音业务质量，VoNR 用户异频/异系统周期测量独立配置功能可以在VoNR 业务期间关闭周期性测量，优先保障语音业务感知。

3.3 无线互操作特性功能

3.3.1 基于覆盖的VoNR和EPS Fallback自适应

当前5G 网络仍处于建设期，5G 网络覆盖水平与4G 网络相比仍存在不足。当网络同时支持VoNR 和EPS Fallback功能时，为充分利用网络资源，提升5G弱覆盖场景下语音业务感知，可以在5G覆盖较差的条件下强制用户使用EPS Fallback 将语音业务切换至4G网络。

该功能仅应用于Idle 态和Inactive 态的UE，在UE发送呼叫建立请求、5QI1 承载尚未建立之前，通过是否上报A2测量来判断UE是否处于覆盖弱场。如果没有上报A2 测量，gNodeB 侧判断5G 当前覆盖良好，使用VoNR 进行语音业务可以满足质量要求；如果上报A2 测量，则gNodeB 侧判断当前5G 覆盖较弱，在收到核心网发送的PDU Session Resource Modify Request 消息要求建立5QI1 语音承载时，gNodeB 向核心网回复PDU Session Resource Modify Response 消息，携带失败原因值IMS Voice EPSfallback or RATfallback Triggered，拒绝建立5QI1 语音承载，进入EPS Fallback 语音呼叫流程。

3.3.2 基于语音质量的异频/异系统切换

普通切换基于网络覆盖，当没有合适的同频小区，且覆盖值达到基于覆盖的异频/异系统切换门限时，会触发基于覆盖的切换，切换到合适的异频/异系统邻区。基于覆盖的切换没有充分考虑信道质量的影响，当覆盖较好，信道质量较差时，用户实际业务体验较差。

5G 网络支持基于语音质量的异频/异系统切换，该功能打开时，可以基于丢包率进行切换判决，当语音业务上行丢包率或者下行丢包率大于基于语音质量的异频/异系统丢包率门限时，认为语音质量较差，触发基于语音质量的异频/异系统切换。当语音业务上行丢包率或者下行丢包率小于或等于语音质量恢复的丢包率门限时，认为语音质量变好，停止基于语音质量的异频/异系统测量。

4 结束语

VoNR 作为5G 时代最新的语音通话技术，具有语音通话质量好、接续时延低、可直接播放视频电话等优势，是5G 语音业务的最终解决方案。在5G 网络高速发展的背景下，充分挖掘网络能力、提升用户感知成为亟需研究的课题。