2021-07-21
 
为什么 5G 语音严重依赖 LTE
2021年07月21日   阅读量:326

手机还是手机。当网络支持不可用时,5G 设备需要能够回退到 LTE。这是如何以及为什么中国机械网okmao.com


尽管 5G 以其 eMBB、URLLC 和 mMTC 服务作为增强数据服务的主要驱动因素进行营销,但语音和视频仍然是用户的关键要素。事实上,GSMA 估计,与 2020 年相比,2025 年全球语音订阅数量将增加 12 亿。因此,运营商必须提供越来越多的语音服务。


本文介绍了如何将语音服务纳入 5G 网络的技术细节。这包括对 5G 系统中 IP 多媒体系统 (IMS) 支持的描述、各种部署选项的介绍以及临时解决方案的技术介绍,其中设备驻留在 5G 网络中,但语音服务转移到传统网络技术。当然,魔鬼在细节中。

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使用手机的人旧技术与新技术

电信网络已经从最初专注于电话的电路交换 2G 网络发展为专注于互联网数据通信的完全分组交换 4G 网络。然而,语音和视频服务结合了许多技术特征。引用一句俗语“魔鬼在细节中”。在提供语音服务的 5G 系统中,不会只有一种技术解决方案。


由于5G的扩展灵活性和各种网络部署场景,运营商需要根据底层基础设施场景调整其业务引入方案。简单来说:两大环境影响了语音业务引入5G的方法论。


首先,我们需要考虑 5G 系统内的无线电接入网络 (RAN)——除了 LTE 之外,是否提供 5G 新无线电 (NR) 作为非独立接入(NSA 或选项 3 部署),或者是否有 5G独立(SA 模式或选项 2 部署)网络。更详细地说,NSA 模式包括提供双连接场景的网络部署选项,其中 LTE 是主要无线电接入技术 (EN-DC) 或 5G 是主要无线电接入技术 (NE-DC)。


第二个问题是使用哪种类型的核心网络——演进分组核心 (EPC) 或 5G 核心 (5GC)——以及运营商是否会提供语音服务。在双连接场景中,可能存在由无线电接入技术 (RAT) 指示的语音服务限制。此描述集中于语音或语音服务,尽管 5G 肯定会提供视频或通信服务,例如富通信服务 (RCS)。这些管理方式与语音服务非常相似。一个微小的差异是对紧急服务的支持。从信令的角度来看,网络区分紧急语音呼叫和一般语音呼叫。关于协议和传输,紧急情况和语音以类似的方式处理,除了服务质量 (QoS) 配置文件,


传统网络和提供语音服务的 5G 网络之间存在细微差别,因为后者在注册过程中交换连接参数和服务访问策略。用户设备 (UE) 将向网络指示其能力。在相反方向,网络向 UE 提供订阅服务,即语音或视频呼叫。就细节而言,语音服务的提供可以描述为每UE策略。网络在附加接受消息中的注册过程中提供其服务,而不是作为对所有人的一般系统信息指示。主要原因是要保持高度的灵活性,尤其是在 UE 类型方面。例如,可能存在没有语音功能的面向机器类型的设备。通过系统信息广播网络支持紧急服务的指示。因此,根据法律方面的不同,无需用户模块(称为 SIM 卡)即可支持匿名紧急呼叫。


VoNR 基础设施

NR 语音是 IP 语音,包含了之前在 LTE 中引入的 IP 多媒体子系统 (IMS) 基础设施。它的优势在于能够建立一个管理和编排系统,从端到端的角度保证每个应用程序的 QoS,而不是通过仅流量信道的方法提供的 VoIP。IMS 的目的是建立、控制和维护分组数据单元 (PDU) 会话,包括具有相应 QoS 流的所有相关数据承载,以实现最佳最终用户质量体验。


网络必须至少建立两个数据承载,一个用于内容—— 包含编码音频本身的语音数据包——IMS 信令的第二个承载。与 VoLTE 一样,5G 系统 (5GS) 中的 IMS 语音与外部应用程序提供的语音服务(例如所谓的 OTT 语音服务)相比存在重大差异。这是因为 OTT 语音可能对连接网络透明运行,并且没有 IMS 管理来确保 QoS。这就提出了一个问题:如何将 IMS 连接到代表下一代网络的 5G 核心?


由于上市时间加速、网络逐步部署、网络实体分解以及与传统技术共存等某些原因,没有单一的 5G 部署场景。以下部分将阐明支持语音服务的大量 5G 部署选项(图 1)。

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图 1. 现有移动设备可以使用 VoLTE 或 RAT 回退,因为 3GPP 第 16 版提供了对 5G 语音的原生支持。


演进路径描述了在 NSA 连接中语音是否仅由演进通用陆地无线电接入(E-UTRA)支持,以及同步 NR 数据连接是否可以维持或暂停。此选项在 EN-DC 设置中称为 LTE 语音。演进分组系统(EPS) 回退描述了 5GC 不提供语音服务的场景。如果需要,语音呼叫将转移到 EPS 连接 (VoLTE),还包括从 5G NR 到 LTE 的 RAT 更改。优点是UE驻留在5G NR中,只有在语音通话接通时才执行到传统网络的切换。


另一种回退模式是 RAT 回退。该模式假设核心网支持语音连接,但目前的RAT,大概是NR,不支持。发生的情况是,语音连接从 NR 转移到 E-UTRA,仅代表 RAT 更改。Voice over NR (VoNR) 表示 NR 网络确实支持语音服务并且 5GC 提供与 IMS 连接的场景。VoNR 的主要部署重点是独立操作 (SA),其中 5GC 连接到支持语音服务的 IMS。VoNR 还适用于非独立 (NSA) 操作模式,如 E-UTRA 和 NR 双连接 (EN-DC)。


5G支持IMS多媒体电话服务(MTSI),代表应用层。媒体流包括音频、视频和“文本”(这里对应于图像、文本、网站等一般数据),利用现代协作和通信工具。为珍惜QoS支持,实时协议(RTP)、实时流协议(RTSP)和实时控制协议(RTCP)协调媒体传输并解决延迟、无序或误报包等损伤。传输层和网络层由众所周知的 TCP、UDP 和 IP(IPv4 和 IPv6)协议实现。RAT 功能由 E-UTRA 或 5G NR 提供。会话发起协议 (SIP) 和会话描述协议 (SDP) 承担语音连接的控制平面。

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图 2:MTSI 的协议层包括用户平面、网络和控制平面。

IMS 支持 5G 语音业务

支持 IMS 业务,包括网络接口、协议层和信令场景,是 5G 提供语音业务的前提。为了利用 QoS 方面,在 UE 和网络之间建立了所谓的 QoS 流,并附有延迟、优先级、数据包错误率和保证比特率等参数。为了减少信令开销,5G 为每个 QoS 流分配一个 5G QoS 流标识 (5QI)。所有协议层和网络功能都知道这个 5QI。建议应用这些 5QI 配置文件:5QI = 1 用于对话语音,5QI = 2 用于需要特定 QoS 值的对话视频,5QI = 5 用于 IMS 信令,可选 5QI = 6 到 9 用于具有较低 QoS 要求的并发媒体流。


由于网络将语音视为 5G 系统中的一个应用,因此没有强制配置协议层。然而,它们更多地被视为建议。语音更关注延迟而不是可靠性。诸如无线电资源的有效使用和能量消耗等方面在语音连接中起着关键作用。半持久调度机制允许以低信令开销对有保证的比特率无线电资源进行准恒定调度。此外,时隙聚合机制允许语音数据包的自动重复提高可靠性,重点是减少延迟。通过不连续的接收和传输来减少能量(DRX 和 DTX)。对可靠性前延迟的关注是明确的:将无线电链路控制 (RLC) 层设置为未确认模式,并出于安全原因跳过分组数据融合协议 (PDCP) 层的完整性检查,仅启用加密。


3GPP顺应高品质音频传输趋势,开发增强型语音业务(EVS) 语音编解码器,现在 5G 语音是强制性的。EVS 延续了链路自适应多速率语音编解码器 (AMR) 的传统。利用增强音频质量的需求并允许传输语音以外的音频信号(例如音乐),EVS 使用 5GS 提供的更高数据速率来传输增强的编码音频信号。从技术上讲,EVS 增加了音频带宽,涵盖了 20 Hz 至 20 kHz 的可听频率范围,对应于人耳的典型范围。为了将模拟音频信号转换为数字信号,EVS 应用已知的方法,例如幅度量化和离散采样。作为一项增强功能,与老一代语音编解码器相比,EVS 提供了更精细的量化级别和更高的采样率。


在基础架构方面,语音业务的引入需要一些适配,灵活的架构提供了新的可选接口和功能。首先,运营商需要决定纳入哪个核心网以及是否应该支持语音业务。简而言之,这导致了提供 EPS 回退或 VoNR 的决定。其次,核心网EPS或5GC需要通过多个接口接入IMS,交换用户和信令数据。通过这些接口,各种网络实体相互通信。由于没有默认的 5G 系统,可以选择部署多个实体和多个接口,但它们的存在与否可能会影响 UE 的行为。


N6 接口提供 5GC 和 IMS 之间的数据传输。在 5G 系统中,N6 接口已经用于 5GC 和外部数据网络之间的数据交换。因此,由于语音业务的引入,N6接口需要扩展并提供到另一个数据网络的连接,因此是IMS。

如果同时应用EPS和5GC这两个核心网,N26接口可能会在EPS移动管理实体(MME)和5GC接入和移动功能(AMF)之间共享一些信令信息。如果此接口被告知存在,则 UE 使用单个注册过程,因为两个核心网络实体协调移动性和注册。

S5 接口允许在会话管理 (SMF) 和用户平面功能 (UPF) 与服务网关 (SGW) 之间交换和协调用户数据。

通用家庭用户服务中心 (HSS) 允许协调订阅配置文件和访问策略。

新无线电语音 (VoNR)

VoNR 描述了使用 5G NR 无线电接口和 5GC 核心网络通过 IP 协议对 EVS 编码语音数据包进行路由和连接控制。图 3 描绘了 VoNR 的协议架构。协议架构结合了如前所述的 IMS。一个主要目标是在 5G 的独立操作中提供语音服务,但不仅限于 5G SA。VoNR 的一个优势是能够使用 5G 协议层为“语音和视频”应用程序提供的复杂 QoS 支持。一个小缺点可能是,从第一天开始,5G 可能无法提供与 LTE 相同的覆盖范围。因此,建议仔细规划和部署重叠覆盖区域,以避免掉线。


5G 上音频的 EPS 回退

EPS 和 RAT 回退

您可以考虑将 EPS 回退或 RAT 回退作为临时部署方案,以在早期上市时间提供语音服务。它们不需要完全整合 5G 核心网络。在连接建立期间,呼叫将转移到现有的 LTE 网络。这是通过切换命令或包含重定向指示的信道释放命令的信令过程来完成的。这种转移到传统网络的决定可以由网络在呼叫建立期间做出,也可以由 UE 间接请求。后者将是 UE 在注册过程中用信号通知其支持语音服务时的情况,但将这种支持仅限于 LTE。最后,


EPS 回退代表两个连接的变化。在与核心网的连接方面,语音数据包和协议从 5GC 切换到 EPS。关于无线电接口连接,发生了从 5G NR 到 LTE 的切换。RAT-fallback 保持与 5GC 的连接,但将 5G NR RAT 更改为 LTE。语音服务的第三种可能实现方式结合了对现有 LTE 基站架构的增强。传统 eNB 将扩展到下一代 NodeB (ng-eNB)。ng-eNB 使用 5G 协议层 PDCP 而不是 LTE 协议层 PDCP,但底层无线电协议仍然基于 LTE。与 VoLTE 连接相比,这种方法的优势在于,将存在端到端的语音连接,并保持 QoS 配置文件,


测试语音服务

测试 5G 中的语音服务通常从对正确实施和功能行为的基本验证开始。为简化起见,问题是能否建立呼叫以及是否可以听到语音信号。这些是首先要回答的测试和测量问题,然后是增强的分析,以确定在众所周知和可重现的条件下的音频质量。除了面向设备的语音测试,移动网络测试和现网部署服务的基准测试也保证了用户体验质量。


语音质量测试的设置包括支持信令和功能测试的移动无线电测试能力,以及增强的协议程序。其中包括互操作性、多连接性和移动性场景(图 5)。为了调查适当的音频质量,测试设置还可以使用音频质量测试设备,带有连接到移动无线电测试仪的数字或模拟接口。为了进行压力测试,测试设置可以允许激活无线电接口上的衰落,并可以模拟网络损伤,如 IP 数据包紊乱、延迟或丢弃的数据包。


VoRN 测试设置

除了 RAT 技术 5G 和 LTE 之外,这种设置还可以支持传统 RAT(例如 2G 或 3G)和非蜂窝技术(例如蓝牙或 Wi-Fi),因为这些技术还提供语音服务。此处未讨论的技术方面是非 3GPP 技术上的语音。


5G 语音测试设置的一个明显要求是能够模拟 IMS 网络及其信令协议:SIP、SDP 和数据供应。音频质量通常表示为平均意见得分 (MOS) 值,该值源自诸如ITU 发布的语音感知质量(PoLQA) 算法之类的算法。基于实验室的测试设置的优点是条件可重现、测试可重复并在预定义条件下执行。


为了监控某些应用程序(如语音或视频)的质量并满足 KPI 要求,现场或路测是必要的。在这里,像扫描仪这样的被动设备扩展了一个可以主动建立连接的设备,可以对应用程序质量进行分析。此外,网络运营商可能希望在对标过程中将自己的网络质量与其他网络进行比较,或者通过多个样本和统计分析来监控整个网络以获得汇总视图。


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