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2018年第9期
5G网络语音及短信解决方案
语音及短信作为基本电信业务在5G 网络是必需的，3GPP R15提出了EPS Fallback 和VoNR 两种主要语音解决方案以及基于SMSF 的短信解决方案，通过对业务场景、方案特点、网络条件及部署成本等因素的综合分析，建议5G 语音初期优选VoLTE 和EPS Fallback 、后期向VoNR 方案过渡，按需部署基于SMSF 的短信解决方案。
VoNR ；EPS Fallback ；VoLTE ；SMSF
（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）
马洪源，肖子玉，卜忠贵tforth
收稿日期：2018-05-09
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.09.004 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2018)09-0022-06引用格式：马洪源，肖子玉，卜忠贵. 5G网络语音及短信解决方案[J]. 移动通信, 2018,42(9): 22-27.
【摘 要】【关键词】
Solution to Voice and SMS for 5G Networks
As the basic telecommunication rvices, voice and SMS are esntial for 5G networks. EPS Fallback and V oNR have been propod in 3GPP R15 as two main solutions to voice, while SMSF has been put forward as the solution to SMS. According to the analys on rvice scenario, solution characteristics, network condition and deployment cost, it is recommended that V oLTE and EPS Fallback should be the voice solutions in early stage of 5G, and then the transition to V oNR should be lected in the later stage. Also, the SMSF-bad SMS solution should be deployed on demand.
V oNR; EPS Fallback; V oLTE; SMSF
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)
MA Hongyuan, XIAO Ziyu, BU Zhonggui
[Abstract]
[Key words]1 引言
随着5G 标准的完善和产业链的进一步成熟，5G 商用的步伐越来越快。5G 网络面向eMBB 、uRLLC 、mMTC 三大应用场景，即将冻结的5G pha 1即R15标准主要针对eMBB 场景。语音及短信作为基础电信业务，仍然是5G 时期网络需要解决的重要问题之一。
与4G 网络不同，3GPP 根据接入网络与核心网络的组合关系定义了不同的5G 部署选项架构，如表1所示，其中比较热门的选项有基于NSA 的Option3系列、Option4系列、Option7系列以及基于SA 的Option2。O p t i o n 3系列架构标准已于2017年12月冻结，而Option2架构标准预计将于2018年6月冻结，其余架构标准预计将于2018年底完成。
不同部署架构对网络和终端能力均有不同的要求，本文描述的语音及短信解决方案基于R15，主要针对Option3系列及Option2，IMS 支持服务化接口、语音能力开放、网络切片以及对垂直行业的增强支持等问题需要在R16进行讨论。
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2 5G 语音方案
ole西班牙语3GPP 已经明确基于IMS 提供语音业务，5G 作为IMS 语音的一种IP 接入，语音连续性性能指标与VoLTE 保持一致（均为300 ms ），5G 语音业务需要提供5G 与4G 间的双向语音业务连续性，但R15阶段暂不提供与2G/3G 语音的互操作。
针对5G 网络，3GPP R15提出了两个新的语音解决方案：VoNR 和EPS Fallback 。NSA 模式（Option3）核心网使用EPC+、UE 双连接，控制面锚定LTE ，语音方5G 网络的建成不是一蹴而就的，在相当长一段时间内4G 和5G 网络将会长期共存。5G 终端用户使用语音业务会出现以下场景：
（1）Option3用户位于EPC
提供服务的eNodeB 下，使用VoLTE 提供语音业务。
（2）Option3用户位于EPC 提供服务的NR 下，使用VoLTE 提供语音业务。
（3）Option2用户位于5GC 提供服务的NR 下，使用VoNR 提供语音业务。
表1 5G 网络组网及部署架构选项分析汇总表
架构描述
LTE 作为控制面锚点提供连续覆盖，NR 提供容量补充eLTE 作为控制面锚点提供连续覆盖，NR 提供
容量补充
5G NR 作为控制面锚点提
供基础覆盖，eLTE 提供
容量补充
5G NR 独立组网、提供基础覆盖和容量
网络特性终端
终端双连接终端双连接终端双连接终端单连接无线4G/5G 无线混合组网
4G/5G 无线混合组网
4G/5G 无线混合组网
5G 无线独立组网
核心网
EPC+
5GC
复活节的来历5GC
5GC
架构特性
优点：技术成熟，可快速开通缺点：仅支持eMBB 场景，不支持5G 新业务及新功能优点：具备完整的5G 新功能、覆盖好、移动性较好缺点：标准滞后、现网eNB 大规模升级、核心网技术跨度大
优点：具备完整的5G 新功
能、现网eNB 改造小
缺点：标准滞后、移动性
较差、核心网技术跨度大
优点：具备完整的5G 新
功能、单独建网，对现网
无影响
断背山男主角
缺点：标准滞后、初期
5G 覆盖较差
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本文不再展开说明。2.1 VoNR 方案
VoNR 即Voice over NR ，指语音承载在5G NR 上，Option2场景下VoNR 协议栈如图2所示，在VoNR 下，终端驻留NR ，数据和语音业务都承载在NR 网络。
VoNR 基本流程与VoLTE 类似，5G UE 通过NR 接入5GC 实现基于IMS 的语音控制流程：
（1）UE 首先完成在5G 网络的注册过程，注册接受消息中，AMF 告知UE 网络是否支持“IMS voice over PS ssion ”及N26接口。
（2）若支持，则在IMS PDU 会话建立过程中，5G 核心网通过AMF 将P-CSCF 地址头传给UE 。
exception（3）UE 在后续向IMS 网络注册，为支持UE 回落后的eSRVCC ，AMF 需要将用户数据中心下发的STN-SR 通过N26接口传给MME 。
（4）为支持VoNR 的被叫域选择，用户透明数据的下载及语音计费，需要IMS 网络能够识别新的无线接入类型及5G 小区信息。
（5）VoNR 方案中被叫域选择需要HSS/UDM 分别通过S6a 接口和Namf 接口向MME 和AMF 询问“IMS voice over PS supported ”情况，并根据被叫用户实际登记位置选择域选方案：
1）如果IMS voice PS 为Supported ，TAS 选择在IMS
2）如果3）如果册时接入类型为LTE ，RAT Type 不是5G ，TAS 选择在CS 域呼叫被叫用户；
4）如果IMS voice PS 为UNKNOWN ，TAS 根据全局配置，确定在IMS 域或CS 域呼叫被叫用户。
表2 VoNR 方案网络支持功能汇总表
功能
UE NR 5GC IMS PCF UDM 指示是否支持IMS 语音√-√--√支持传送P-CSCF 的地址
给UE
√-√---QoS 控制-√√-√-主叫域选√-√---被叫域选
--√√-√位置获取和RAT type 获取
--√√√√VoNR 紧急呼叫√-√√√-无线对于IMS 语音的TTI Biuding ，ROHC 特性-√----优选EVS ，H.265√--√--5G 接入配置是否启用CS
retry 流程---√--VoNR 中5G handover to 4G
√√√---Sh ，Rx 接口适配---√√√计费适配Rf 接口---√--Rx ，N7会话绑定---√--SMF 支持P-CSCF 恢复流程
√
√
英语视频教学√
√
-√
建立等功能，确保5G语音能够满足国内紧急业务要求。
2.2 EPS Fallback方案
针对EPS Fallback，终端已经完成IMS注册，但是在发起呼叫过程中发现不支持VoNR，则NR根据终端能力、N26接口可用性、网路配置及无线状况触发回落流程，重定向到EPS系统或切换至连接在5GC的E-UTRA。如果AMF指示EPS Fallback重定向不可行，则无法完成上述回落流程。回落过程NR使用切换流程还是系统内重定向流程取决于终端支持情况。标准处理流程如图3所示。
完成EPS移动性管理流程后，SMF/PGW重新建立IMS语音专载，后续由VoLTE提供服务，但是需要MME支持N26接口。回落完成语音业务流程后如何实现类似于4G网络的Fast return快速返回机制有待标准的进一步明确。
外场测试表明，针对单注册终端EPS Fallback语音2.3 方案比较及部署建议
从场景定位、标准进展、对无线的要求及核心网改造范围、业务体验、业务指标等角度对R15提出的两种5G语音解决方案进行了详细的比较，如表3所示。
从比较结果来看，Vo N R业务体验较好，E P S Fallback部署相对简单；SA组网下直接部署VoNR还是先部署EPS Fallback需要综合考虑以下几点因素：（1）终端产业链是否成熟
终端成熟度晚于网络设备，预计在2019年下半年实现量产。
（2）是否有业务需求驱动：如大规模视频通话业务
目前没有明确的新增业务需求，VoLTE能够满足现有通话场景需求。
（3）无线网络建设成本：为满足语音业务而进行的站址密度规划及调整
基于目前产业链最成熟的3.5 GHz仿真，结果表明，3.5 GHz仅能实现浅层覆盖，无法实现深层连续覆
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（室内两堵墙弱1.7 dB左右），而语音业务大部分场景发生在室内，VoNR语音业务质量难以保证。如实现3.5 GHz NR基站的深度连续覆盖，站间距要达到190 m 左右，站址数量要较LTE D频段增加一倍；同时，还需建设大量的3.5 GHz室内分布系统，工程建设难度及投资均较大。
综上分析，建议5G网络建设初期，语音业务直接由4G VoLTE承载或者通过EPS Fallback回落到LTE，
由VoLTE解决；远期可考虑低频（如：900 MHz）重耕进行5G深度覆盖，再部署VoNR业务。但NSA模式下终端连接态时为双通状态，增加了终端功耗和干扰，同时为保证后期平滑演进，建议EPS Fallback终端同时支持VoNR功能。
3 5G短信方案
根据组网部署方案与终端能力，5G短信业务实现可选方案有三种：
（1）SMS over SGs
该方案与4G SGs短信方案相同，NSA组网模式可采用。基于EPC与传统CS域间的SGs接口提供短信收发能力，但该方案对CS域存在依赖。
（2）SMS over IP
该方案与VoLTE短信方案相同，NSA和SA组网模式均可用。通过部署IP-SM-GW连接短信中心和IMS核心网，实现传统电路域短消息与SIP消息间的转换，为用户提供短信业务。为支持5G用户，IMS域的IP-SM-GW设备需增加对5G接入信息的被叫域选支持。
（3）SMS over NAS
通过引入SMSF为5GC与短信业务系统提供交互，短消息通过U E与A M F间的N A S信令传送。A M F与UDM设备需为终端与SMSF的注册选择、相关用户数据信息管理提供支持。该方案中，每个UE仅关联一个SMSF，由AMF决定。为了支持SMS的被叫域选择，SMSF需要与IP-SM-GW及SGs MSC相连。
对于支持IMS的UE，需要在UE侧配置归属运营商的MO SMS策略：如果网络没有部署SMS over IMS，那UE只能使用SMS over NAS；如果网络部署了SMS over IMS，并且建议优先使用，UE需要在IMS上发送SMS，如果无法发送，再回退使用SMS over NAS。
方案1和方案2可以满足5G初期短信业务需要。如果有完善的IMS网络及IP短信网关，则eMBB场景没有引入SMSF的必要性，针对物联网可以沿用现有短信方案，即基于SMS over SGs，对于5G非IMS用户的消息交互场景建议基于分组数据形式完成。目前基于SGd接口的短信方案产业链支持程度较差，随着短信
表3 VoNR与EPS Fallback方案比较
方案一：VoNR方案二：EPS Fallback 场景定位目标方案过渡方案
标准状态R15支持，预计2018年6月
标准冻结
R15支持，预计2018年6月
标准冻结
对无线要求需要5G覆盖支持，无5G覆
盖时支持从5G切换到4G
LTE已实现连续覆盖
改造范围核心网少量改动：IMS支持
根据新的NR接入类型、5G
小区信息进行被叫域选；教师节动画
Rx/sh/Rf等接口适配5G位置
信息、接入类型
核心网功能基本不变，但
需要无线及核心网配置回
落相关参数
业务一致性体验
数据及语音业务均采用
5G，业务一致性体验较好
5G数据业务回落到4G，
有中断感知，可能影响部
分5G业务，但影响远小于
CSFB
接续时长 1.5 s~2 s 3 s~4 s，回落LTE时异系统测量需要增加时延
语音切换语音接续过程中支持切换至
VoLTE，但不支持直接切换
至2/3G；切换中使用SSC模
式1，UE IP地址保持不变
通话过程中支持SRVCC切
bureaucratic换至CS语音
语音质量天然支持EVS，语音译码
优化等功能，编码更优，
相对4G语音MOS值提升
0.2-0.5；覆盖强度提升
3 dB~5 dB
与VoLTE一致
einstein
视频业务频谱效率与带宽均能
满足要求
目前无法满足，需要扩容深奥
终端要求单待，切换实现互操作单待，切换实现互操作。回落LTE及返回5G需优化。标准方案，产业易
支持
网络优化语音质量的稳定需要端到端
调优过程，初期存在大量切
换场景需要优化
基于现网VoLTE优化成
果，但回落后空口指标需
要长期持续优化
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