2018年6月國際標準組織第三代合作夥伴計畫(3GPP)全會(TSG#80)批准了第五代新無線電(5G NR)行動通訊技術標準獨立式(SA)功能凍結，這意味著5G標準按時完成，5G網路商用進程隨之開啟。
2018年6月國際標準組織第三代合作夥伴計畫(3GPP)全會(TSG#80)批准了第五代新無線電(5G NR)行動通訊技術標準獨立式(SA)功能凍結，這意味著5G標準按時完成，5G網路商用進程隨之開啟。
銜接Vo5G 語音服務不間斷
雖然，資料業務推動了5G的演進，但語音業務仍然是營運商的重要業務。與4G網路一樣，5G商用首先要確定如何提供語音業務。3GPP已明確指出5G將沿用4G的語音架構，仍基於IP多媒體子系統(IMS)提供語音業務。4G的無線接入技術為長程演進計畫(LTE)，其上面承載語音稱之為VoLTE；5G的無線接入技術為NR，其上面承載語音稱為VoNR。VoLTE、VoNR作為IMS語音的不同接入方式存在。
回顧4G語音方案，VoLTE是4G網路的目標語音解決方案，考慮到4G網路覆蓋的擴張及終端生態系統的成熟，全球營運商普遍經歷從電路交換回退(CSFB)到VoLTE演進過程。
營運商部署5G，除了同樣須要考慮5G網路覆蓋的擴張以及終端生態系統的成熟的因素，還必須考慮眾多5G組網部署選項的因素。可以預見的是，5G語音方案將面臨眾多選項和演進過程。
除了VoNR外，EPS FB(EPS Fallback)、RAT FB(RAT Fallback)、VoeLTE的語音方案也須要借助5G核心網路(5G Core Network, 5GC)實現，這些方案在4G時代並沒有定義，所以VoNR並不能表示5G所有的語音方案。業界需要「Vo5G」來概括所有5G語音方案，Vo5G應包含VoNR、VoeLTE、EPS FB以及RAT FB。
在5G標準化之初，就已經充分地考慮到語音業務。截至2018年6月，3GPP在Rel-15已完成Vo5G基本功能定義，可以滿足5G商用部署要求(圖1)。5G組網選項有很多，而無論是透過演進型封包核心(Evolved Packet Core, EPC)NSA的方式引入5G，或者是透過5GC的方式引入5G，都已經完成語音方案的標準化。同時在5GC引入之後，為了簡化網路並加速電路交換(CS)語音退出歷史舞台，5GC將不會再提供CSFB的回退方案。
圖1 Vo5G標準進展圖
語音/視訊編碼標準持續演進
全球行動通訊系統協會(GSMA)和3GPP已經明確表示，在Vo5G中EVS(Enhanced Voice Services)和H.265是語音和視訊的必選編碼，這些編碼與VoLTE的AMR和H.264編碼相比，可用更少的頻寬帶給用戶帶來更好的體驗。
未來，3GPP將在Rel-16完成IVAS (Immersive Voice and Audio Services)的標準化，該語音編碼具有更好的使用者體驗和更好的抗丟包能力，可面向虛擬實境(VR)應用帶來的沉浸體驗，還能在EVS的基礎上進一步提升抗丟包能力。
同時國際電信聯盟(ITU)和國際標準化組織(ISO)也已成立聯合研究小組，正在研究下一代視訊編碼標準H.266，將在2020年發布新一代的視訊標準。目前業界積累的技術已使H.266比H.265性能進一步提升40%以上，將是業界最先進的視訊壓縮技術方案。隨著語音視訊編碼的持續演進，IVAS和H.266可望在Vo5G上率先應用，持續提升用戶體驗。
認識Vo5G語音方案四大類分門介紹
以下介紹幾種的Vo5G語音方案，包括VoNR、EPS FB、VoeLTE、RAT FB等。
VoNR即Voice over NR，係指語音承載在gNB上，根據不同的5G組網，存在兩個不同選項，包括透過5GC和gNB承載VoNR(圖2)以及透過EPC和gNB承載VoNR(圖3)。此外，在VoNR下，終端駐留NR、語音和資料業務都承載在NR網路。當手機移動到NR訊號覆蓋較差的區域時，須發起基於覆蓋的切換來實現與4G的交互操作，切換到LTE，由VoLTE來提供服務。
圖2 透過5GC和gNB承載的VoNR協定堆疊(Protocol Stack)示意圖
圖3 透過EPC和gNB承載的VoNR協定堆疊示意圖
EPS FB即EPS Fallback，5G NR初期不提供語音業務，當gNB在NR上建立IMS語音通道時觸發切換，此時gNB向5GC發起重定向或者inter-RAT切換請求，回退到LTE網路，由VoLTE提供服務(圖4)。
圖4 EPS Fallback協定堆疊示意圖
EPS FB的用戶體驗和4G的CSFB體驗類似，終端駐留5G NR，只要一打電話，語音和資料都回退到4G LTE；由於引入額外的回退過程，接續時間也比VoNR長1~2秒。但與4G的CSFB體驗也有不同，如非結構性補充數據服務(USSD)等業務並不會觸發EPS FB。
除此之外，EPS FB的部署要求是LTE和NR重疊覆蓋。EPS FB的好處在於gNB/用戶設備(UE)只須支援IMS信令通道(SIP over NR，即時性要求不高)，而無須支援IMS語音通道(RTP/RTCP over NR，即時性要求高)；RTP/RTCP over NR往往須要NR持續做網路優化，以達到高語音品質和低UE功耗的要求。選擇這個技術，營運商可在5G NR初期聚焦發展資料業務，待NR網路覆蓋和優化後再演進到VoNR。
VoeLTE即Voice over eLTE，指語音承載在5GC和ng-eNB上(圖5)。在VoeLTE下，終端駐留eLTE，語音業務和資料業務都承載在eLTE網路。
圖5 VoeLTE協定堆疊示意圖
當手機移動到eLTE訊號覆蓋較差的區域時，須發起基於覆蓋的切換來實現和4G或NR的交互操作，切換到LTE或NR，由VoLTE或VoNR來提供服務。
RAT FB即RAT Fallback，與EPS FB類似，5G NR初期不提供語音業務，當gNB在5G上建立IMS語音通道時觸發切換，此時gNB向5GC發起重定向，或者inter-RAT切換請求，回退到eLTE網路，由VoeLTE提供服務(圖6)。RAT FB的用戶體驗和引入原因和EPS FB是一樣的。RAT FB的部署要求則是eLTE和NR重疊覆蓋，主要用於NR和LTE無重疊覆蓋，且gNB不部署IMS語音通道(RTP/RTCP over NR)。
圖6 RAT Fallback協定堆疊示意圖
借助5GC/IMS實現SMS及USSD
在Vo5G下，無論VoNR、EPS FB、VoeLTE或RAT FB，簡訊(SMS)和USSD均借助5GC和IMS來實現。簡訊透過SMS over IMS實現，可參考3GPP TS 23.204；補充業務修改透過XCAP/Ut介面實現，可參考3GPP TS 24.623；USSD則透過USSD over IMS實現，可參考3GPP TS 23.390。
依組網類別選擇合適Vo5G方案
接著，介紹不同5G組網下的Vo5G方案，包括EPC NSA方式引入5G以及5GC方式下引入5G。
對於5G的Option3/3a/3X組網，NR由gNB提供，然後gNB作為eNB的從站，接入到EPC網路(圖7)。可以從語音、簡訊和USSD兩部分來加以說明。
圖7 5G的Option3/3a/3X組網圖
首先是語音的部分，在這個組網下，語音可以繼續使用CSFB、VoLTE等技術，也可以在NR覆蓋下使用VoNR技術。
一般來說，營運商可選擇CSFB演進到VoLTE，然後可選擇再向VoNR演進。在該組網下使用VoLTE技術，存在4G定義的VoLTE(圖8)與VoLTE over NR PDCP(圖9)兩個選項。
圖8 VoLTE over E-UTRA PDCP協定堆疊示意圖
圖9 VoLTE over NR PDCP協定堆疊示意圖
3GPP TS 37.340針對Option3系列的組網，eNB是可選支援NR PDCP或者E-UTRA PDCP，如果選擇只支援NR PDCP，則會帶來VoLTE over NR PDCP的變種。
雖然沒有給VoLTE帶來新功能，但新協定堆疊的引入，會給網路帶來優化、UE功耗調校優化上的工作量負擔。至於簡訊和USSD的部分，簡訊同樣可繼續使用SMS over SGs技術，也可以使用SMS over IMS技術。USSD也可繼續使用CSFB技術，也可使用USSD over IMS技術。
在5GC方式下引入5G，可分成簡訊和USSD、語音兩部分來加以說明。在簡訊和USSD的部分，簡訊只能使用SMS over IMS技術，而USSD也只能使用USSD over IMS技術。至於語音部分，可分成5G Option7/7a/7X組網、5G Option5組網、5G Option2組網以及5G Option4/4a組網四種類型。
5G Option7/7a/7X組網(圖10)主要是從Option3系列的組網演變而來，隨著5GC的部署，原接入EPC的Option3系列組網可接到5GC下。在該組網下，由於5GC不再和MSC有介面，所以無法繼續使用CSFB技術。語音須要使用VoeLTE技術，也可以在NR覆蓋下使用VoNR技術。營運商可選擇再向VoNR演進。
圖10 5G Option7/7a/7X組網圖
而5G Option5組網(圖11)主要是從LTE的組網演變而來，隨著5GC的部署，原接入EPC的eNB升級為ng-eNB後，可接到5GC下。同樣地，由於5GC不再與MSC有介面，所以無法繼續使用CSFB技術。語音須要使用VoeLTE技術。
圖11 5G Option5組網圖
至於5G Option2組網(圖12)是5G的目標群組網，其語音可直接選擇VoNR。另外，在5G部署初期，NR會和4G重疊覆蓋，語音可先選擇EPS FB，然後再演進到VoNR(圖13)。
圖12 5G Option2組網圖
圖13 EPS Fallback到VoNR演進圖
或者在5G部署初期，NR會和4G重疊覆蓋，營運商也可先選擇UE雙註冊的方案，UE可同時接入EPS和5GS，電話業務始終借助EPS採用VoLTE承載，而資料業務則根據覆蓋選擇NR/5GS或者LTE/EPC承載，然後再演進到VoNR(圖14)。此外，在5G部署初期，NR會和eLTE重疊覆蓋，語音可先選擇RAT FB，然後再演進到VoNR(圖15)。
圖14 雙註冊VoLTE到VoNR演進圖
圖15 RAT Fallback到VoNR演進圖
最後一種是5G Option4/4a組網(圖16)，該組網是5G的Option2基礎上的增強，主要增加了eLTE從站。由於主站NR覆蓋範圍比從站eLTE大，從站上可不開通語音。語音方案選項和Option2是一樣的。
圖16 5G Option4/4a組網圖
Vo5G語音開發重中之重
5G發展需要更多的頻譜資源，尤其穿透力好的低頻資源，而優質的低頻資源卻被2G/3G當作語音通話給占據，無法釋放。同時5G的引入，營運商將面臨2G、3G、4G、5G四網共存的挑戰，過多的規格和網路，帶來高資本支出(CAPEX)和維運成本(OPEX)。
Vo5G可以加快語音通話從2G/3G轉移到4G或5G上，從而達到減少網路、降低成本以及重整低頻資源為5G的目的。
Vo5G繼承了VoLTE一樣的用戶體驗：電話接通時間短，從撥號到聽見回鈴聲僅需要1~2秒；打電話可以同時享受4G/5G高速上網，可以邊高速下載邊打電話。同時Vo5G選擇EVS和H.265編碼，可帶來更好的體驗，並擴展音訊頻寬(超寬頻、全頻段)，且改善音訊和視訊的抗干擾性。所以，營運商有動力，用戶也樂意，Vo5G將成為加速5G發展的重要一環。
邁向Vo5G之路 IMS就緒踏出第一步
3GPP已明確規範5G必須基於IMS提供語音業務，也就是無論3GPP Rel-15的VoNR、VoeLTE、EPS FB、RAT FB，還是Rel-16的5G到3G SRVCC都須要部署IMS。
經過多年VoLTE的建設，部署IMS不再是一件複雜的事情，2G/3G業務繼承、CS/IMS業務一致性等難題已經有標準化的解決方案。同時，IMS是最早順應電信網路雲化轉型大勢，實現網路功能虛擬化(NFV)商用的產品。
IMS部署的腳步已經加快，截止GSMA 2018年5月統計，全球已有138個營運商商用了基於IMS的VoLTE網路。
VoLTE商用為Vo5G打基礎
針對Vo5G的發展，以下說明5G商用初期選擇的語音方案，及其如何向VoNR演進，解釋為何加速VoLTE商用是Vo5G的基礎。
在2018 IMS世界論壇上，透過調查研究發現，接近一半的營運商將先選擇EPC NSA方式引入5G(圖17)。75%的營運商將選擇VoLTE作為Vo5G初期方案，沒有營運商選擇CSFB作為Vo5G初期方案(圖18)。
圖17 5G部署選擇意向
圖18 5G語音方案選擇意向
VoNR是5G網路的目標語音解決方案，從5G商用初期選擇的語音方案演進到VoNR，存在多條路徑。截止2018年6月，華為MI(Marketing Intelligence)調查研究了全球將要部署5G的營運商，發現主要有以下三條VoNR演進路徑(圖19)。
圖19 VoNR演進圖
5G初期語音網路和資料網路分離，語音透過EPC+LTE來提供，以VoLTE作為語音解決方案。隨著5GC的引入，語音繼續透過EPC+LTE來提供，以EPS FB作為語音解決方案。最後，在5G網路深入優化後，逐步推出VoNR。主要應用於如下5G組網演進路徑：
4G→5G Option3系列→5G Option2
4G→5G Option2
5G建設以終為始，語音和資料同時在5G上提供。主要應用於如下5G組網演進路徑：
4G→5G Option2
5G初期語音網路和資料網路分離，採用NR+LTE雙連接組網，語音透過EPC+LTE來提供，以VoLTE作為語音解決方案。隨著5GC的引入，繼續採用NR+LTE雙連接組網，語音透過5GC+LTE來提供，以VoeLTE作為語音解決方案。逐步引入獨立式NR，語音仍透過5GC+LTE來提供，以RAT FB作為語音解決方案。
最後，在5G網路深入優化之後，逐步推出VoNR。主要應用於如下5G組網演進路徑：
4G→5G Option3系列→5G Option7系列→5G Option2
從2G/3G CS語音到4G VoLTE，再從VoLTE支援與2G/3G電路域的語音業務連續性，到Vo5G只支援基於IMS提供語音，傳統CS語音正在漸漸退出歷史舞台。這對於營運商來說，隨著5G臨近，VoLTE部署越來越緊迫。
對於5G，組網情況複雜，既要保證業務的連續性，又要能經濟有效地部署網路是成功的關鍵。將語音網路收斂到4G/5G，視情況將2G/3G語音網路關閉，可有效地降低OPEX和CAPEX。
VoLTE將會成為5G時代的基礎語音網路，與Vo5G協同一起保障語音服務的連續性。
Vo5G之後下一步鎖定即時語音視訊
時至今日，5G確定會給營運商的即時語音視訊通訊帶來新變化，另外，3GPP R16已確定將研究發展下一代的即時通訊網路。
目前，全球有70億人與人之間的語音連接。5G即將到來，語音視訊連接將延伸到超過200億人與人和人與物的連接。
在5G應用場景中，例如超高畫質視訊、擴增實境(AR)/VR通訊和物聯網(IoT)這樣的5%~10%場景，必須構築在即時通訊能力上。這意味著語音會從消費者語音業務轉變為增強的即時通訊網路能力，並將在私網和網際網路中運行，而終端也將從手機變成為諸如電視、手表、車，甚至是機器人。這對語音業務是很好的契機，並將增強消費者體驗，為營運商創造商業價值。
3GPP R16著手研究下一代即時通訊網路
FS_NG_RTC專案已經於2018年6月在3GPP R16立案通過。該項目邀請營運商和供應商共同探討和定義下一代即時通訊網路，例如如何提供增強的媒體面來支援AR/VR通訊。
另外，各行業對即時語音視訊的新要求與新應用，是驅動網路架構演進的關鍵。倡議越來越多的垂直產業夥伴以及整個生態圈能參與到項目中，共同規畫未來的即時通訊網路。
Vo5G完成標準化 即時通訊網路開跑
Vo5G已隨著3GPP 5G的標準進程而標準化，Vo5G方案基於IMS來提供。Vo5G可以加快語音通話從2G/3G轉移到4G或5G上，進而達到減少網路、降低成本以及重整低頻資源為5G的目的。
部署IMS與加速VoLTE商用，是邁向Vo5G的必然之路。5G將深刻改變整個社會與生活，整個產業須要提前規畫通往未來的即時通訊網路，持續地向下一代通訊網路演進。
(本文作者任職於華為)