[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

Posted 2022-08-16 文火冰糖的硅基工坊

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

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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。

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。

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。

 

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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