天天頭條：VoNR性能提升方案研討

（CWW）語音業(yè)務(wù)是無線通信網(wǎng)絡(luò)的基本業(yè)務(wù)，在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，5G基站覆蓋和終端滲透率均不高，語音業(yè)務(wù)通常由LTE網(wǎng)絡(luò)承載。

在NSA組網(wǎng)下，語音業(yè)務(wù)直接建立在LTE網(wǎng)絡(luò)，采用LTE語音解決方案VoLTE，如圖1所示。在SA組網(wǎng)下，語音業(yè)務(wù)通過EPS（Evolved Packet System） Fallback解決方案從NR網(wǎng)絡(luò)回落到LTE網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

(資料圖片)

圖1NSA組網(wǎng)下的語音解決方案

圖2SA組網(wǎng)下的語音解決方案

其中，在SA組網(wǎng)下的EPS Fallback解決方案中，NR用戶的語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)會同時回落到LTE網(wǎng)絡(luò)，一方面造成語音呼叫建立時延變長，另一方面基于LTE網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率相對于NR網(wǎng)絡(luò)會降低。

因此，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模部署，可支持采用VoNR語音解決方案，如圖3所示。NR用戶可以基于NR網(wǎng)絡(luò)直接進(jìn)行語音通話，無需回落到LTE網(wǎng)絡(luò)，從而獲得更高質(zhì)量的語音業(yè)務(wù)體驗和更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)體驗。

圖3VoNR語音解決方案

VoNR介紹

VoNR支持NR用戶基于NR網(wǎng)絡(luò)直接進(jìn)行語音通話，即在NR網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的UE和IMS間建立基于IP傳輸網(wǎng)絡(luò)的語音專用承載。具體流程如下：（1）主被叫UE與gNodeB之間建立RRC連接；（2）5GC建立主被叫UE用于承載SIP（Session Initiation Protocol，會話發(fā)起協(xié)議）信令的QoS Flow（5QI5），GNodeB建立主被叫UE的DRB承載；（3）UE和IMS進(jìn)行語音業(yè)務(wù)的SIP會話協(xié)商，如編碼方式、IP地址、端口號和主被叫相關(guān)信息等；（4）5GC建立主被叫UE用于承載RTP（Real-Time Transport Protocol，實時傳輸協(xié)議）和RTCP（Real-Time Transport Control Protocol，實時傳輸控制協(xié)議）數(shù)據(jù)流的QoS Flow（5QI1），GNodeB建立主被叫UE的DRB承載；（5）主被叫UE釋放QoS Flow（5QI1），gNodeB釋放主被叫UE的DRB承載。

4種語音報文介紹

流媒體服務(wù)器進(jìn)行音視頻媒體傳輸主要就兩件事：媒體回話協(xié)商、媒體數(shù)據(jù)傳輸。下面這幾種協(xié)議就圍繞這兩個需求而產(chǎn)生。

在一個完整的音視頻媒體傳輸中，SIP用于初始化一個Session，并負(fù)責(zé)傳輸SDP包；而SDP包中描述了一個Session中包含哪些媒體數(shù)據(jù)，如邀請的人等；當(dāng)被邀請的人通過各自的終端設(shè)備收到通知后，就可以使用RTSP（RealTimeStreamingProtocol，實時流協(xié)議）來控制特定媒體的通信，比如RTSP控制信息要求開始Video的播放，那么就開始使用RTP（或者TCP）實時傳輸數(shù)據(jù)，在傳輸過程中，RTCP要負(fù)責(zé)QoS等。

SIP/SDP報文

SIP是由IETF提出的IP電話信令協(xié)議，主要目的是為了解決IP網(wǎng)中的信令控制。SIP會話使用多達(dá)4個主要組件：SIP用戶代理、SIP注冊服務(wù)器、SIP代理服務(wù)器和SIP重定向服務(wù)器。這些系統(tǒng)通過傳輸包括SDP協(xié)議（用于定義消息的內(nèi)容和特點(diǎn)）的消息來完成SIP會話。

SI用戶代理(UA)是終端用戶設(shè)備，用于創(chuàng)建和管理SIP會話的移動電話、多媒體手持設(shè)備、PC、PDA等。用戶代理客戶機(jī)發(fā)出消息，用戶代理服務(wù)器對消息進(jìn)行響應(yīng)。

SIP注冊服務(wù)器是包含域中所有用戶代理的位置的數(shù)據(jù)庫。在SIP通信中，這些服務(wù)器會檢索參與方的IP地址和其他相關(guān)信息，并將其發(fā)送到SIP代理服務(wù)器。

SIP代理服務(wù)器接受SIPUA的會話請求并查詢SIP注冊服務(wù)器，獲取收件方UA的地址信息。然后，它將會話邀請信息直接轉(zhuǎn)發(fā)給收件方UA（位于同一域中）或代理服務(wù)器（位于另一域中）。

SIP重定向服務(wù)器允許SIP代理服務(wù)器將SIP會話邀請信息定向到外部域。SIP重定向服務(wù)器可以與SIP注冊服務(wù)器和SIP代理服務(wù)器同在一個硬件上。

SDP完全是一種會話描述格式，不屬于傳輸協(xié)議，只使用不同的適當(dāng)?shù)膫鬏攨f(xié)議，包括會話通知協(xié)議（SAP）、會話初始協(xié)議（SIP）、實時流協(xié)議（RTSP）、MIME擴(kuò)展協(xié)議的電子郵件以及超文本傳輸協(xié)議（HTTP）。SDP協(xié)議也是基于文本的協(xié)議，能保證協(xié)議的可擴(kuò)展性比較強(qiáng)，這樣就使其具有廣泛的應(yīng)用范圍。

SDP用于描述多媒體通信會話，包括會話建立、會話請求和參數(shù)協(xié)商。SDP不用于傳輸媒體數(shù)據(jù)，只能用于兩個通信終端的參數(shù)協(xié)商，包括媒體類型、格式以及所有其他與會話相關(guān)的屬性。SDP以字符串的形式描述上述初始化參數(shù)。

RTP/RTCP報文

RTP是用于Internet上針對多媒體數(shù)據(jù)流的一種傳輸層協(xié)議。RTP協(xié)議詳細(xì)說明了在互聯(lián)網(wǎng)上傳遞音頻和視頻的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包格式。RTP協(xié)議常用于流媒體系統(tǒng)（配合RTCP協(xié)議），視頻會議和一鍵通系統(tǒng)（配合H.323或SIP）使其成為IP電話產(chǎn)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。

RTP實行有序傳輸，RTP中的序列號允許接收方重組發(fā)送方的包序列，同時序列號也能用于決定適當(dāng)?shù)陌恢茫纾涸谝曨l解碼中，就不需要順序解碼。

實時傳輸控制協(xié)議RTCP是實時傳輸協(xié)議（RTP）的一個姐妹協(xié)議。RTCP為RTP媒體流提供信道外（out-of-band）控制。RTCP本身并不傳輸數(shù)據(jù)，但能與RTP一起協(xié)作將多媒體數(shù)據(jù)打包和發(fā)送。RTCP定期在多媒體會話參加者之間傳輸控制數(shù)據(jù)。RTCP的主要功能是為RTP的服務(wù)質(zhì)量提供反饋。

RTCP收集相關(guān)媒體連接的統(tǒng)計信息，例如：傳輸字節(jié)數(shù)、傳輸分組數(shù)、丟失分組數(shù)、單向和雙向網(wǎng)絡(luò)延遲等。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序可以利用RTCP所提供的信息提高服務(wù)質(zhì)量，比如限制信息流量或改用壓縮比較小的編解碼器。RTCP本身不提供數(shù)據(jù)加密或身份認(rèn)證，但SRTCP可以用于此類用途。

SRTP/SRTCP報文

SRTP（SecureReal-timeTransportProtocol，安全實時傳輸協(xié)議）是在RTP（Real-timeTransportProtocol，實時傳輸協(xié)議）基礎(chǔ)上所定義的一個協(xié)議，旨在為單播和多播應(yīng)用程序中的實時傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)提供加密、消息認(rèn)證、完整性保證和重放保護(hù)。它是由DavidOran和RolfBlom開發(fā)的，并最早由IETF于2004年3月作為RFC3711發(fā)布。

實時傳輸協(xié)議和實時傳輸控制協(xié)議用于控制實時傳輸協(xié)議有著緊密的聯(lián)系，而安全實時傳輸協(xié)議同樣也有一個伴生協(xié)議，被稱為安全實時傳輸控制協(xié)議。安全實時傳輸控制協(xié)議為實時傳輸控制協(xié)議提供類似的與安全有關(guān)的特性。

在使用實時傳輸協(xié)議或?qū)崟r傳輸控制協(xié)議時，是否使用安全實時傳輸協(xié)議或安全實時傳輸控制協(xié)議是可選的。即使使用了安全實時傳輸協(xié)議或安全實時傳輸控制協(xié)議，它們提供的所有特性（如加密和認(rèn)證）也可以被獨(dú)立地使用或禁用。唯一的例外是在使用安全實時傳輸控制協(xié)議時，必須要用到其消息認(rèn)證特性。

RTSP報文

RTSP是用來控制聲音或影像的多媒體串流協(xié)議，允許同時多個串流需求控制。傳輸時所用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)定并不在其定義的范圍內(nèi)，服務(wù)器端可以自行選擇使用TCP或UDP來傳送串流內(nèi)容。它的語法和運(yùn)作與HTTP1.1類似，但并不特別強(qiáng)調(diào)時間同步，因此比較能容忍網(wǎng)絡(luò)延遲。

優(yōu)化方案EVS

編碼速率

編碼速率為主被叫終端之間協(xié)商的結(jié)果，IMS核心網(wǎng)不會主動干預(yù)協(xié)商?；緜?cè)不感知協(xié)商的編碼速率?；緜?cè)支持解析VQI的EVS編碼類型有EVS Primary WB（通常所說的EVS-WB 16kHz采樣）、EVS Primary SWB（通常所說的EVS-SWB 32kHz采樣）、EVS IO（為向下兼容AMR-WB，16kHz采樣）。EVS是一種全新的編解碼業(yè)務(wù)，在質(zhì)量上和覆蓋上都要強(qiáng)于AMR-NB和AMR-WB，采用EVS編碼方式可以獲得更高的MOS分。如兩臺終端中一臺僅支持AMR，另一臺僅支持EVS，則可以按照EVS IO的編碼協(xié)商。具體EVS編碼速率如表1所示。

按照使用頻帶的寬窄，語音信號通常被分為以下4類。

窄帶語音（narrow band，簡寫為NB）信號頻帶為300Hz～3400Hz。用于各類電話通信。數(shù)字化時采樣頻率常用8000Hz，即8kHz。

寬帶語音（wide band，簡寫為WB）信號頻帶為50Hz～7000Hz。用于電話會議、視頻會議等，數(shù)字化時采樣頻率常用16kHz。

超寬帶語音（superwideband，簡寫為SWB）信號頻帶為20Hz～15000Hz。用于數(shù)字音頻廣播等，數(shù)字化時采樣頻率常用32kHz。

全帶語音（fullband，簡寫為FB）信號頻帶為20Hz～20000Hz。用于VCD、DVD、CD唱片、HDTV伴音等，數(shù)字化時采樣頻率常用48kHz。

表1 EVS 編碼速率

魯棒性頭壓縮（robust header compression，ROHC）通過減少語音包頭部負(fù)荷來降低無線鏈路誤碼率和時延、減少無線資源消耗，ROHC支持IPv4和IPv6包頭的壓縮，包頭由IPV4/IPV6（20字節(jié)）, 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP，8字節(jié)）和RTP（12字節(jié)）。ROHC可壓縮成1~5字節(jié)包頭。如圖4所示。

圖4 ROHC編碼方案

ROHC頭解壓失敗恢復(fù)

遠(yuǎn)點(diǎn)處存在空口丟包時，若出現(xiàn)通話期和靜默期轉(zhuǎn)換，有關(guān)鍵壓縮包丟失（TS_Scaled的更新，或者TS_Stride的更新等）， ROHC解壓更容易出錯，從而導(dǎo)致ROHC解壓失敗。ROHC頭解壓失敗恢復(fù)功能主要針對timestamp進(jìn)行恢復(fù)，適用于RTP協(xié)議（RTCP沒有timestamp字段）。

使ROHC解壓失敗的包，能夠減少丟包，同時避免在遠(yuǎn)點(diǎn)時退出ROHC引起語音中斷丟包，進(jìn)一步發(fā)揮ROHC提升覆蓋的價值。

上行RB資源預(yù)留

語音用戶優(yōu)先使用預(yù)留的RB資源，預(yù)留的RB資源被占滿后可以繼續(xù)使用非預(yù)留的RB資源，非預(yù)留的RB資源按照正常的調(diào)度流程分配。非語音用戶不能使用該功能預(yù)留的RB資源。預(yù)留RB中可能有部分RB被PRACH、PUCCH或上行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占用，如圖5所示。

圖5 上行RB資源預(yù)留

VoNR上行RLC分段優(yōu)化

當(dāng)信道質(zhì)量較低時，UE發(fā)射功率受限，上行動態(tài)調(diào)度分配的TBS（transport block size）會隨之調(diào)小，使得RLC分段變多。RLC分段變多會導(dǎo)致VoNR語音包時延增大、丟包率上升以及上行開銷增多的語音質(zhì)量問題。上行RLC分段優(yōu)化功能通過限制上行動態(tài)調(diào)度分配的TBS來控制上行RLC分段數(shù)，以提高信道質(zhì)量較低時的語音質(zhì)量。

VoNR具有語音通話質(zhì)量好、接續(xù)時延低、可邊通話邊進(jìn)行5G高速上網(wǎng)等優(yōu)勢。另外，VoNR可以加快傳統(tǒng)老舊、低效的2G/3G CS語音向4G和5G轉(zhuǎn)移，從而能提升網(wǎng)絡(luò)效率、降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本，以及重耕優(yōu)質(zhì)的低頻資源。VoNR利于支持新的5G應(yīng)用。AR/VR、全息等5G應(yīng)用都離不開實時、高清的音視頻通話，而有了VoNR后，可提供增強(qiáng)的媒體面以更好支撐這些新應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 語音業(yè)務(wù) 無線通信 VoNR 性能提升