基于無線技術(shù)的VoNR網(wǎng)絡(luò)感知提升研究

無線通信RadioCommunication基于無線技術(shù)的VoNR網(wǎng)絡(luò)感知提升研究基于無線技術(shù)的VoNR網(wǎng)絡(luò)感知提升研究ResearchonVoNRNetworkPerceptionImprovementBasedonWirelessTechnology1.中國聯(lián)通河南分公司，河南鄭州450000；2.中國聯(lián)通開封分公司，河南開封475000）LiYaobin1，WangShanshan1，LiYanyan2（1.ChinaUnicomHenanBranch，Zhengzhou450000，China；2.ChinaUnicomKaifengBranch，Kaifeng475000，China）VoNR是基于IMS網(wǎng)絡(luò)的5G語音最終解決方案，可充分利用5G大帶寬、低時(shí)VoNR、EPSFallback、VoLTE等語音技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)，深入研究了提升網(wǎng)絡(luò)覆提升用戶網(wǎng)絡(luò)使用感知，為后續(xù)VoNR網(wǎng)絡(luò)無線優(yōu)化提供技術(shù)指導(dǎo)。Abstract：關(guān)鍵詞：Keywords：1概述5G網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)語音解決方案［1-5即用戶可以基于NR網(wǎng)絡(luò)直接進(jìn)行語音業(yè)務(wù)，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(yàn)和更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)體驗(yàn)。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)已成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力，但語音業(yè)務(wù)作為通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)仍占有至關(guān)重要的地位。傳統(tǒng)2G/3G語音業(yè)務(wù)承載于CS域，從4G網(wǎng)絡(luò)收稿日期：2023-10-11在當(dāng)前4G網(wǎng)絡(luò)為主力承載、5G網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展的情況有向VoNR全面快速過渡的發(fā)展趨勢。2VoNR網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)語音業(yè)務(wù)是無線通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的基本業(yè)務(wù)，3GPP在R15版本定義5G時(shí)，明確了5G仍以IMS為基礎(chǔ)提供語音業(yè)務(wù)的設(shè)計(jì)原則，并要求5G部署要盡量減少對back和VoNR，3種部署方案的MOS與時(shí)延指標(biāo)對比如442023/11/DTPT基于無線技術(shù)的VoNR網(wǎng)絡(luò)感知提升研究無線通信RadioCommunication表1所示。從表1可以看出，VoNR的優(yōu)勢在于通話質(zhì)表1不同語音業(yè)務(wù)類型MOS與時(shí)延對比語音業(yè)務(wù)類型理論值接入時(shí)延/s接入時(shí)延/s4.61.5~24.01EPSFallback4.13~43.883.544.123.932.332.1NSAVoLTE方案在NSA組網(wǎng)下，采用雙連接方式，將5GNR控制面錨定于4GLTE，并利舊4G核心網(wǎng)EPC［7網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)SRVCC實(shí)現(xiàn)VoLTE和2G/3GCS網(wǎng)絡(luò)之間語音呼叫的無縫切換。2.2SAEPSFallback方案在5GSA部署初期，5G網(wǎng)絡(luò)未能形成連續(xù)覆蓋的情況下，需要引入EPSFallback方案，以保障語音業(yè)務(wù)的連續(xù)性［8］。EPSFallback在語音業(yè)務(wù)起呼階段將用戶重定向至4G網(wǎng)絡(luò)，利用4GVoLTE網(wǎng)絡(luò)承載語音業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)完成后再通過FastReturn功能使用戶快速返2.3SAVoNR在SA組網(wǎng)下，5G網(wǎng)絡(luò)不再依賴4G核心網(wǎng)EPC，通過5GNR、5GC和IMS端到端獨(dú)立承載5G語音業(yè)9］。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示，VoNR通過端到端的VoiceQoS流，確保了語音數(shù)據(jù)的優(yōu)先級和延時(shí)。與NSAVoLTE和EPSFallback相比，VoNR呼叫建立時(shí)長更短，并支持5G語音和5G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并發(fā)，即支持在5G網(wǎng)絡(luò)下同時(shí)打電話和上網(wǎng)。3VoNR網(wǎng)絡(luò)感知提升元或者環(huán)節(jié)存在問題都可能對業(yè)務(wù)感知產(chǎn)生影響。本文重點(diǎn)從無線側(cè)進(jìn)行分析，通過對網(wǎng)絡(luò)特性功能及分析如何提升VoNR網(wǎng)絡(luò)的使用感知。3.1網(wǎng)絡(luò)覆蓋提升關(guān)鍵技術(shù)3.1.1ROHC技術(shù)魯棒性頭壓縮技術(shù)應(yīng)用于IP網(wǎng)絡(luò)，可以對數(shù)據(jù)包頭壓縮，具有降低網(wǎng)絡(luò)資源消耗、減少誤碼率、縮短業(yè)絡(luò)覆蓋能力。語音語音EPC數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)4G語音 4G數(shù)據(jù)eNodeB 5G語音5G數(shù)據(jù)圖1NSAVoLTE方案網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)EPSFallback數(shù)據(jù)EPSFallback數(shù)據(jù)語音eNodeB數(shù)據(jù)eNodeB語音EPCEPCN264G語音4G數(shù)據(jù)5G語音5G數(shù)據(jù)圖2SAEPSFallback方案網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)45郵電設(shè)計(jì)技術(shù)/2023/1145無線通信RadioCommunication基于無線技術(shù)的VoNR網(wǎng)絡(luò)感知提升研究語音eNodeB數(shù)據(jù)eNodeB語音數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)EPCEPC 4G語音5G語音 4G數(shù)據(jù)5G數(shù)據(jù)圖3SAVoNR方案網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在2種類型數(shù)據(jù)包，一種為用于SIP信令的數(shù)據(jù)包，由于信令傳輸并不頻繁，對此類數(shù)據(jù)包使用頭壓縮技術(shù)雖然可以節(jié)省一定資源，但也會(huì)帶來額外的處理增益，實(shí)際使用效果并不明顯；另一種為用于語音的數(shù)據(jù)包，語音業(yè)務(wù)占用數(shù)據(jù)量較小，但傳輸非常頻繁，以24.4kbit/s編碼速率為例，采用IPv6時(shí)，壓縮前語音幀小至544bit，壓縮比可達(dá)55.28%，無線覆蓋能力提升2~3dB。b）ROHC包頭解壓失敗恢復(fù)：采用了ROHC功能的語音包頭解壓時(shí)，如果有關(guān)鍵壓縮包丟失（TS_Scaled的更新或者TS_Stride的更新等ROHC解壓容易出現(xiàn)錯(cuò)誤導(dǎo)致解壓失敗。ROHC頭解壓失敗恢復(fù)功能適用于RTP協(xié)議，主要針對Timestamp進(jìn)行恢復(fù)，解壓恢復(fù)成功率為0%~15%，成功率主要取決于終端的ROHC實(shí)現(xiàn)機(jī)制。ROHC包頭解壓失敗恢復(fù)功能，使ROHC解壓失敗的包恢復(fù)正確，減少丟包，降低MOS值惡化的概率，同時(shí)可避免在遠(yuǎn)點(diǎn)退出ROHC時(shí)引起的語音中斷丟包，進(jìn)一步發(fā)揮ROHC提升覆蓋的效果。3.1.2增加HARQ重傳次數(shù)混合自動(dòng)重傳請求（HARQ）結(jié)合了前向糾錯(cuò)編碼方在解碼失敗時(shí)，會(huì)要求發(fā)送方重傳數(shù)據(jù)，將重傳數(shù)據(jù)與先前接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并編碼，從而提高解碼成功的概率［10］。在無線環(huán)境較差的條件下，HARQ相比傳統(tǒng)ARQ可以帶來一定的分集增益，補(bǔ)償多徑衰落對信號傳輸?shù)挠绊?，提高?shù)據(jù)傳輸速率，降低傳輸時(shí)延。針對VoNR業(yè)務(wù)，gNodeB針對語音用戶進(jìn)行最大4次HARQ重傳，如果用戶處于小區(qū)邊緣，重傳4次也無法確保數(shù)據(jù)能在接收端被正確解碼。基于增加HARQ重傳次數(shù)的上行覆蓋增強(qiáng)，可以將最大HARQ重傳次數(shù)調(diào)整為8次，從而提高弱覆蓋場景數(shù)據(jù)被成功解碼的概率，無線覆蓋能力提升2~4dB。3.1.3MACCE語音調(diào)速VoNR采用EVS編碼，該編碼方式下CMR字段位置不固定，導(dǎo)致基站無法通過CMR實(shí)現(xiàn)編碼速率的自適應(yīng)，因此5G網(wǎng)絡(luò)需要采用新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)編碼速率的上報(bào)的空口能力，向UE提供推薦的語音速率信息，從而實(shí)現(xiàn)語音速率調(diào)整的功能。gNodeB推薦的空口速率消息，既可以是gNodeB主動(dòng)發(fā)送給UE，也可以是UE主動(dòng)發(fā)送查詢請求后再發(fā)送給UE?；贛ACCE的自適應(yīng)語音調(diào)速功能在小區(qū)邊緣通過降低語音編碼速率使語音業(yè)務(wù)對無線速率的要求降低。當(dāng)語音編碼速率在9.6~128kbit/s自適應(yīng)調(diào)3.1.4時(shí)隙聚合似［12］對于上下行共享信道，在一個(gè)語音幀中，基站側(cè)同時(shí)在多個(gè)時(shí)隙上傳輸同一TB的不同冗余版本，在終端側(cè)對這些不同的冗余版本合并，并使用一個(gè)ACK/NACK做統(tǒng)一回應(yīng)，從而提升弱場條件下用戶的解調(diào)性能。采用時(shí)隙聚合技術(shù)，無線覆蓋能力提升4~63.2網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提升關(guān)鍵技術(shù)3.2.1上行預(yù)調(diào)度VoNR上行預(yù)調(diào)度屬于MAC層功能，為語音用戶預(yù)留特定位置和數(shù)量的RB資源，語音用戶優(yōu)先使用預(yù)留的RB資源，預(yù)留的RB資源被占滿以后可以繼續(xù)使用非預(yù)留的RB資源，非預(yù)留的RB資源按照正常的462023/11/DTPT基于無線技術(shù)的VoNR網(wǎng)絡(luò)感知提升研究無線通信RadioCommunication調(diào)度流程分配［13］。而對于非語音用戶，則不能使用上行預(yù)調(diào)度所預(yù)留的RB資源。為了防止預(yù)調(diào)度的空包過多導(dǎo)致上行PRB利用率過高或者上行干擾升高，可以針對每TTI設(shè)置合理的預(yù)調(diào)度用戶數(shù)上限或者預(yù)調(diào)度用戶數(shù)占用的PRB利用率上限。VoNR建立時(shí)延，在終端側(cè)SR發(fā)送異常、失敗、SR周期配置過大等情況下，提升語音業(yè)務(wù)穩(wěn)定3.2.2上行MCS選階優(yōu)化不同的調(diào)制方式與傳輸速率，MCS索引值越高，對應(yīng)更高階的調(diào)制方式與傳輸速率，同時(shí)對傳輸質(zhì)量的要求更高［14］。使用合理的MCS索引值可以保證調(diào)制方式合理，從而保障數(shù)據(jù)包的可靠傳輸，在傳輸質(zhì)量不足的條件下使用高階調(diào)制，會(huì)導(dǎo)致丟包率抬升。VoNR上行MCS選階優(yōu)化功能，通過降低語音業(yè)務(wù)初傳上行MCS階數(shù)，改善上行語音業(yè)務(wù)丟包率，保障傳輸可靠性，從而提升語音業(yè)務(wù)質(zhì)量。3.2.3上行RLC分段優(yōu)化當(dāng)UE上行發(fā)射功率受限時(shí)，上行動(dòng)態(tài)調(diào)度分配的傳輸塊大小會(huì)隨之調(diào)小，使得RLC分段增多，分段增多會(huì)引起調(diào)度次數(shù)增加，RLC/MAC頭開銷增加，CCE資源和RB資源消耗增加，導(dǎo)致VoNR語音包時(shí)延上行RLC分段優(yōu)化功能通過限制上行動(dòng)態(tài)調(diào)度分配的TBS來控制上行RLC分段數(shù)量，從而提高在信道質(zhì)量較差條件下的語音質(zhì)量。3.2.4上行頻選調(diào)度上行頻選調(diào)度指gNodeB根據(jù)UE上行頻帶不同的信道質(zhì)量，為每個(gè)UE選擇最合適的頻帶資源。預(yù)期增益的計(jì)算主要依據(jù)滑動(dòng)窗口期內(nèi)的上行頻譜效率和信號SINR值，如果上行頻選調(diào)度功能開啟，則同時(shí)取決于上行頻譜效率和信號SINR值，如果上行頻選調(diào)度功能關(guān)閉，則僅取決于窗口期內(nèi)的上行頻譜效率。在干擾場景中上行頻選調(diào)度能夠帶來明顯的增益，提升語音業(yè)務(wù)質(zhì)量。3.2.5PUSCH功率差異化配置在傳輸語音小包業(yè)務(wù)時(shí)，由于用戶功率不足可能導(dǎo)致丟包。為提高語音小包業(yè)務(wù)的可靠性，通過PUSCH功率差異化配置功能，設(shè)置不同的PUSCH功率偏置，可以在用戶存在功率余量的條件下，保證發(fā)送小包業(yè)務(wù)時(shí)滿功率發(fā)送，從而提高VoNR小包業(yè)務(wù)的可靠性。3.2.6下行半靜態(tài)調(diào)度和UE根據(jù)指定的參數(shù)在PDSCH/PUSCH上傳輸資源，而無需在每次傳輸中都使用DCI，可以有效降低gNo?deB用于調(diào)度的負(fù)載。配置PDSCH調(diào)度所需的所有參數(shù)。UE監(jiān)聽PDCCH，在type1方式下無需DCI觸發(fā)，UE在處理RRC信息后直接發(fā)送PUSCH，在type2方式下通過DCI觸發(fā)，當(dāng)RRC中的調(diào)度信息發(fā)送PUSCH。每一個(gè)固定周期內(nèi)，終端在相同的時(shí)頻域資源內(nèi)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在UE3.2.7DRX長周期5G網(wǎng)絡(luò)中DRX分為2種模式：空閑模式和連接模式［15］。空閑模式下UE被周期性喚醒以監(jiān)聽尋呼消息，如果尋呼消息不是針對它的，則UE返回休眠模式；連接模式下，如果沒有引入DRX，UE需要在每個(gè)子幀中監(jiān)視PDCCH，而引入DRX后，允許UE定期進(jìn)功耗?？梢葬槍oNR特點(diǎn)配置專用的DRX參數(shù)，一方面保障了語音質(zhì)量，另一方面也降低了終端功耗，提升用戶使用感知。3.2.8BWP切換策略UE進(jìn)行VoNR業(yè)務(wù)時(shí)既可以使用大BWP也可以使用小BWP，可以針對語音業(yè)務(wù)配置獨(dú)立的BWP切換策略，保障語音業(yè)務(wù)持續(xù)階段的業(yè)務(wù)感知。如果語小BWP到大BWP的切換，以保障業(yè)務(wù)質(zhì)量。如果語音業(yè)務(wù)建立在大BWP上，在語音業(yè)務(wù)釋放以前，不允許向小BWP的切換。3.2.9VoNR和非VoNR邊界優(yōu)化VoNR和非VoNR邊界，當(dāng)VoNR語音用戶重定向接入或重建立接入至非VoNR小區(qū)后，基站會(huì)將5QI=1的界優(yōu)化功能開啟后，VoNR語音用戶重定向接入或重建立接入至非VoNR小區(qū)后，該小區(qū)會(huì)先正常接納用郵電設(shè)計(jì)技術(shù)/2023/1147無線通信RadioCommunication基于無線技術(shù)的VoNR網(wǎng)絡(luò)感知提升研究戶的語音承載，然后嘗試觸發(fā)遷移流程將用戶遷出本小區(qū)。3.2.10VoNR用戶異頻/異系統(tǒng)周期測量獨(dú)立配置當(dāng)需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋評估或者網(wǎng)絡(luò)覆蓋比較時(shí)，通常會(huì)打開周期性異頻/異系統(tǒng)測量，當(dāng)UE處于測量Gap期間不會(huì)發(fā)送和接收任何數(shù)據(jù)。VoNR業(yè)務(wù)對實(shí)時(shí)性和丟包率要求較高，測量Gap會(huì)增大語音包的調(diào)度時(shí)延和丟包率，影響語音業(yè)務(wù)質(zhì)量，VoNR用戶異頻/異系統(tǒng)周期測量獨(dú)立配置功能可以在VoNR業(yè)務(wù)期間關(guān)閉周期性測量，優(yōu)先保障語音業(yè)務(wù)感知。3.3無線互操作特性功能3.3.1基于覆蓋的VoNR和EPSFallback自適應(yīng)當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)仍處于建設(shè)期，5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋水平與4G網(wǎng)絡(luò)相比仍存在不足。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)支持VoNR和覆蓋場景下語音業(yè)務(wù)感知，可以在5G覆蓋較差的條件下強(qiáng)制用戶使用EPSFallback將語音業(yè)務(wù)切換至4G網(wǎng)絡(luò)。該功能僅應(yīng)用于Idle態(tài)和Inactive態(tài)的UE，在UE發(fā)送呼叫建立請求、5QI1承載尚未建立之前，通過是否上報(bào)A2測量來判斷UE是否處于覆蓋弱場。如果沒有上報(bào)A2測量，gNodeB側(cè)判斷5G當(dāng)前覆蓋良好，使用VoNR進(jìn)行語音業(yè)務(wù)可以滿足質(zhì)量要求；如果上報(bào)A2測量，則gNodeB側(cè)判斷當(dāng)前5G覆蓋較弱，在收到核心網(wǎng)發(fā)送的PDUSessionResourceModifyRequest消息要求建立5QI1語音承載時(shí)，gNodeB向核心網(wǎng)回復(fù)原因值IMSVoiceEPSfallbackorRATfallbackTrgered，拒絕建立5QI1語音承載，進(jìn)入EPSFallback語音呼叫流程。3.3.2基于語音質(zhì)量的異頻/異系統(tǒng)切換普通切換基于網(wǎng)絡(luò)覆蓋，當(dāng)沒有合適的同頻小區(qū)，且覆蓋值達(dá)到基于覆蓋的異頻/異系統(tǒng)切換門限時(shí)，會(huì)觸發(fā)基于覆蓋的切換，切換到合適的異頻/異系統(tǒng)鄰區(qū)?；诟采w的切換沒有充分考慮信道質(zhì)量的影響，當(dāng)覆蓋較好，信道質(zhì)量較差時(shí)，用戶實(shí)際業(yè)務(wù)體驗(yàn)較差。5G網(wǎng)絡(luò)支持基于語音質(zhì)量的異頻/異系統(tǒng)切換，該功能打開時(shí)，可以基于丟包率進(jìn)行