VoNR来了,它到底是什么技术?

VoNR要来了,今天我们聊聊这个新技术吧。

先来简单回顾一下语音业务演进史

过去是未来的镜子。在了解5G时代的VoNR之前,有必要回顾一下移动网络语音业务演进史。

 

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CSFB和VoLTE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。

因此,不管从技术架构还是用户体验看,VoLTE都是移动网络语音业务发展史上的一次革命性的技术演进。

那5G语音会再次像VoLTE一样的实现巨大飞跃吗?5G时代的VoNR又到底长啥样?

什么叫VoNR?5G语音终极解决方案

先来回答第一个问题,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支持VoLTE持续演进。

众所周知,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IMS可对语音实现端到端的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。

VoLTE(NSA组网)

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。

 

VoLTE(NSA组网)

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。

 

VoLTE语音连续性保障

EPS Fallback(SA组网)

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)。

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。

 

EPS Fallback(SA组网)

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。

EPS Fallback语音连续性保障

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。

VoNR(SA组网)

前面已经讲了,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(SA组网)

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。

 

VoNR语音连续性保障

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技术将语音切换到3G CS域。

VoNR有什么好处?用户体验与网络效率兼优

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。

 

VoNR还能大幅提升语音通话的安全性和视频通话质量,以及面向未来为用户带来语音与视频、触觉、动觉等多感官融合的全沉浸式体验。

从运营商角度看,演进到VoNR的好处主要有如下几个方面。

一是VoNR可以加快传统老旧、低效的2/3G CS语音向4G和5G转移,从而能提升网络效率、降低网络运维成本,以及重耕优质的低频资源。

二是VoNR利于支持新的5G应用。今天我们经常提到的AR/VR、全息等5G应用都离不开实时、高清的音视频通话,而有了VoNR后,可提供增强的媒体面来更好支撑这些新应用。

三是能给运营商带来新的收入来源。尽管运营商传统面向2C端的语音业务已遭遇来自OTT语音的不断侵蚀,但语音业务作为基础通信业务,仍然是运营商收入的一部分,而且当前的5G数据套餐几乎都是和语音绑定在一起的。更重要的是,面向数字化转型和万物智联时代,语音和视频业务正从人与人之间的连接延伸到广阔的人与物之间的连接市场。未来在5G 2B或5G专网市场中,将有大量的场景需要实时、高质量、高稳定的音视频通信,这些场景是尽力而为的OTT音视频无能为力的,需要基于IMS(切片)的VoLTE/VoNR和ViLTE/ViNR的确定性保障能力。

没错,不管是从用户角度看还是从运营商角度看,不管从当前的网络效率提升看还是从未来业务展望看,VoNR都是值得引入的技术。但写到最后,需要重点提及的是,由于VoNR是基于4G IMS演进设计,在保障语音连续性上也依托于VoLTE,因此首先引入VoLTE是基本要求,这对于那些目前还未商用VoLTE的运营商来说会更具挑战和紧迫感。

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