5G VoNR关键技术的应用与研究.pdf

2023 年 8 月关键技术的应用与研究李婷（中通服中睿科技有限公司，广东 广州 510630）【摘要】互联网时代袁传统的语音通话仍然是现代通信的重要组成部分袁但人们对语音通话的质量要求越来越高袁同时袁高速海量的数据业务需求成为促进 5G 网络发展的重要因素遥 以广州市 5G 新空口承载语音渊voice over new radio,VoNR冤的应用为例袁分析 5G VoNR 关键技术在语音质量尧容量能力尧覆盖能力等方面的应用袁最后介绍 5G VoNR+技术的创新与应用袁以供同行业相关人员参考遥【关键词】5G VoNR曰语音关键技术曰应用分析【中图分类号】TN929.5【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2023）08-0055-030 引言5G 新空口承载语音（voice over new radio,VoNR）给语音通话业务带来新的发展机遇。5GVoNR 是基于 5G 网络实现语音通话的一种技术，与4G 长期演进语音承载（voice over LTE,VoLTE）相比，5G VoNR 更加高效、可靠，能够给用户带来全新的使用体验。增强的语音服务（enhanced voice services,EVS）技术的应用进一步提高了 5G VoNR 的性能，为用户提供了秒播秒通、高音质、高画质的数据通话服务，充分发挥了独立组网（standalone architecture,SA）网络在 5G 网络中的应用优势，提升了用户的 5G网络使用体验。1 案例概述VoNR 搭载在与数据传输相同的同一张 5G 网络上，提供无缓冲的高质量语音服务，具有网络覆盖范围广、安全性高等特点。5G 网络已经贯穿人们的生产生活，但 5G VoNR 的商用仍面临着可借鉴经验不足、成熟度低、测试困难等挑战。广州云趣信息科技有限公司（简称“云趣科技”）在 2020 年第十三届金音奖颁奖典礼上荣获了“2020年度中国最佳智能语音解决方案奖”。金音奖最佳实践案例介绍如下：云趣科技研发了 5G+工业互联网时代的高清视频应用。基于 5G+工业互联网时代的高清视频应用，结合了 4K/8K 超高清视频应用，视频源经过压缩后经 5G 网络回传到云平台，行业用户通过有线或无线网络便可以获取视频，从而实现了无时延实时互传声音、影像，以及文件资料的远距离交流互动。2 5G VoNR 关键技术的应用分析在 2G、3G 时代，语音服务主要采用电路交换技术，与现阶段技术相比，存在技术效率低、资源利用率低、网络复杂度高的缺点；而 4G 时代统一使用 IP数据包传输语音，在解决语音服务问题时主要采用语音回落（CS fallback,CSFB）和 VoLTE 两种方案。5G 网络建设分为非独立组网（non谣standalonearchitecture,NSA）和 SA 两种方案。其中 SA 可实现EPS Fallback、5G VoNR 两种语音方案，EPS Fallback是指 5G 新空口（new radio,NR）不支持语音服务的一种语音方案，5G VoNR 是一种基于 IP 多媒体子系统（IP multimedia subsystem,IMS）网络的语音方案，IMS 网络是 5G 核心网的一部分。这两种语音方案使SA 网络得以充分发挥 5G 网络的优势。具体方案如图 1 所示。图 1 具体方案通信设计与应用552023 年 8 月5G VoNR 关键技术在语音质量、鲁棒性分组压缩（robust header compression,ROHC）技术、调速能力、覆盖能力、容量能力等 5 个方面的应用分析如下。2.1 语音质量5G VoNR 采用异系统无线电接入技术间（interradio access technology,IRAT）技术和 EVS 技术，前者可解决 EPS Fallback 切换时的语音中断问题，EVS技术可提升编码灵活性和编码效率。此外，经过对比，EVS 技术可实现对音质的高水平处理，提升语音通话质量，从而实现高清视话业务的承载以及打电话和上网的同时进行。EVS 多宽带语音鉴定结果如图 2 所示。EVS 编码相较于 AMR谣WB 编解码，可实现对纯语音音质的高水平处理，大幅降低语音在处理过程中产生的损伤，从而保证纯语音最本质的音质，使用户能够收到真度最高的语音，同时可间接提升语音传播的精准性。此外在上行主动授权调度功能的帮助下可保障语音通话的及时性，避免语音延迟现象的发生。5G VoNR 关键技术影响下的上行主动授权调度功能基本原理是终端会始终使用第一次激活时上行授权的资源，可避免终端多次向基站发送资源获取的请求，节省资源调度的时间，可在极大程度上降低语音通话的延时，提高 5G VoNR 语音通话质量1。2.2 ROHC 技术5G VoNR 数据具备长度不一的特点。5G VoNR数据在被封装传输时会受数据长度不一的影响，呈现出不同的数据传输效率，若经过封装的 5G VoNR数据长度超过负载长度，数据传输效率会变得极低，从而严重影响语音通话质量。为了在获取基于 EVS技术的 5G VoNR 高质量语音过程中，充分发挥 EVS编码能力，需要在编码结束后引入语音编码压缩技术，通过合适的语音编码压缩技术对用户设备（userequipment,UE）中的语音数据进行压缩处理，以减少语音信号传输过程中存在的冗余数据，节约数据存储空间，减轻纯语音数据的传输压力，提升传输效率，进而提高 5G VoNR 的整体性能。ROHC 技术不仅是当前应用效果较为理想的一种数据长度压缩技术，同时也是一种可用于恶劣压缩条件的技术。ROHC 技术主要通过压缩纯语音数据的包头部分来提升平均意见评分（mean opinionscore,MOS）值，其中 MOS 值的提升代表着基于 EVS技术的 5G VoNR 服务质量提升。因此利用 ROHC 技术对语音数据长度的头部进行压缩能够直接提升语音通话质量2。同时，ROHC 技术也能够对整个 IP/用户数据报协议（user datagram protocol,UDP）/实时传送协议（real谣time transport protocol,RTP）或是 IP/UDP 进行压缩。因此，在 EVS 编码结束后引入 ROHC技术，不仅可以保证封装后数据长度满足负载长度标准，还可以降低数据传输效率对语音服务业务质量的影响。2.3 调速能力媒体接入控制-控制元素（media access control谣control element,MAC谣CE）编码调速的引入可改善 5GVoNR 的信号覆盖，调整上行信号通道的速率，保障编码信息传输的合理性，提升上行信号通道的工作效能。在 5G VoNR 中存在 MAC 层控制信令用于编码调速。MAC谣CE 编码调速在实际应用时需要根据第三代合作伙伴计划（3rd generation partnership project,3GPP）协议约定内容选择合适的编码速率，并根据产品类型，以不同数值的速率完成编码传输。基于MAC谣CE 编码调速，gNodeB 可根据上行空口能力向UE 提供推荐速率，也支持 UE 向 gNodeB 查询 EVS编码速率的变化数据，以调整编码速率，最终实现保障通话质量的目的3。2.4 覆盖能力覆盖区域的边缘性会提升数据丢失率，增加数据传输次数，提高数据信息延时，最终导致用户语音通话服务体验下降。5G VoNR 方案的基本工作原理是终端会接受来自时隙传输的不同分组数据，通过科学化调控组合的方式提升覆盖能力。同时冗余版a.多带宽清晰语音比特率/（bit s-1）5.04.03.02.01.0510152025AMR谣NBAMR谣WBEVS谣NBEVS谣WBEVS谣SWBDSb.多带宽混合内容和音乐信号图 2 EVS 多宽带语音鉴定结果比特率/（bit s-1）5.04.03.02.01.0510152025AMR谣NBAMR谣WBEVS谣NBEVS谣WBEVS谣SWBDS通信设计与应用562023 年 8 月本的增加可最大限度减轻上下行业务通道的数据传输压力，减少数据传输拥挤的问题，进而降低数据丢失的可能性。5G VoNR 关键技术在覆盖能力方面的具体应用分析如下。5G VoNR 方案会以子帧聚合的方式提高信号发射功率，降低丢失无线组合的可能性，以达到降低延时、保障数据传输速率和语音通话质量的目的。5G VoNR 方 案 以 ul谣FullPwrMode（Mode0）、ul谣FullPwrMode1（Mode1）、ul谣FullPwrMode2（Mode2）3种模式为支撑，使 3GPP R16阶段的 VoNR 上行满功率发送，提升覆盖能力，降低覆盖区域的边缘性，提高 5G VoNR 服务的感知能力，避免传输故障的出现。同时基于 3GPP R16 阶段的 VoNR 上行满功率终端发送，主要以上行双发的方式进行编码传输。上行双发相较于通道单发，可在信号数值上提升约 3 dB，进一步提升覆盖能力。2.5 容量能力在 5G VoNR 基站中语音数据的长度、大小等均不同，此外相似类型的语音数据具有相对固定的分组、传输间期等，因此 5G VoNR 服务要以半静态调度的方式进行容量管理。一般情况下使用半静态调度的基站，在经历过一次资源申请后会在一定周期内获得与主题相关的资源，减少终端向基站进行资源申请的次数，避免了延时。当半静态调度的激活操作完成，基站会按照设定的传输周期将数据传输到下行通道中。在数据传输的过程中无须进行多次的资源调度，下行通道只需要进行一次半静态调度的激活操作，便能够满足不同类型数据传输需求。3 5G VoNR+技术的创新应用5G VoNR+是在 5G VoNR 实现多媒体通信基础上承载的新数据业务传输通道，不仅能够为用户提供高清音视频，还能够为用户提供更丰富的实时交互体验，同时能够建立以多媒体实时通信能力平台为中心的通信架构。基于 5G VoNR+技术的网络架构采用统一开放的方式，在兼容现有业务的基础上还可实现新业务的快速挖掘，以及部署超高清多媒体通信能力的增值技术业务，且进一步提升 5GVoNR 的业务体验。5G VoNR+技术主要包括交互能力、人工智能（artificial intelligence,AI）处理能力、VoNR+网络云以及小程序业务生成技术四大核心技术。首先，5G VoNR+与 IMS 数据通道的结合，可实现在已有双通道的基础上增加一条专门的数据传输通道，并且可通过引入 5G 业务质量标识来保障和控制数据传输，保障多类型数据传输，为用户提供更为丰富的交互体验4。其次，基于 IMS 数据传输通道的媒体 AI 处理技术可为 5G VoNR+的创新性发展奠定基础。5GVoNR+与媒体 AI 处理技术的结合，将成为未来 5GVoNR+业务的主要技术之一，融合了 AI 处理技术的5G VoNR+业务将会呈现出智能化的特点，同时用户体验也将进一步提升。再次，5G VoNR+网络云的结合能够打造一种新形态的网络通信生态，使众多细粒度服务组合到一起，以相对独立的服务能力提升业务功能，同时能够在 5G 网络运行的过程中实现按需调配。最后，5G VoNR+全新应用框架的出现能够为网络平台的建设提供支持，同时有助于营造全新的 5G通话生态。其中 Web 技术与 Java 脚本的组合能够实现界面的灵活展现，同时为 IMS 数据传输通道提供入口5。目前，5G VoNR+的创新发展已经投入试点运行，为个人以及行业市场提供了新的业务创新空间。总体来说，5G VoNR+的创新发展为行业的可持续发展提供了可能。4 结语在 5G 时代，5G VoNR 方案的使用给人们的生活带来了极大的便利，因此 5G VoNR 关键技术对于用户、运营商来说都具有重要价值。从发展的角度来看，未来 5G VoNR+能够给 5G 时代的用户以及运营商带来更多的可能，运营商能够借此获得更多的商机，用户则能够借此获得更高质量的服务。参考文献1 薛晓宇，龙杰，方义成，等.5G VoNR 语音关键技术分析J.电信工程技术与标准化，2022，35（9）：81-85.2 王海飞，马传项，洪涛涌，等.5G 语音关键技术和体验提升策略J.江苏通信，2022，38（5）：26-30.3 吴滨，宋月，张剑寅，等.5G VoNR+创新应用研究与实践J.通信世界，2023（4）：38-41.4 方莉.5G 语音感知增强技术研究J.长江信息通信，2022，35（2）：188-190.5 石红晓，刘佳，钱华.5G 核心网 VoNR 语音演进方案研究J.电信快报，2021（11）：27-30.作者简介院李婷（1990），女，汉族，广东广州人，本科，工程师，主要从事通信工程无线网络设计、项目管理工作。通信设计与应用57