5G EPS Fallback時延分段分析方法

方東旭 周 徐 廖 亞

（中國移動通信集團(tuán)重慶有限公司，重慶 400000）

0 引言

5G SA（Standalone，獨(dú)立組網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面部署，SA初期主要采用EPS Fallback（Evolved Packet System Fallback）方案作為5G語音業(yè)務(wù)過渡方案[1]。在現(xiàn)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用測試中發(fā)現(xiàn)，EPS Fallback流程的平均總時延為4s～5s，與傳統(tǒng)的VoLTE（Voice over LTE）語音業(yè)務(wù)比較，時延多了約2 s～3 s。如果用戶從原來的4G網(wǎng)絡(luò)遷移到5G網(wǎng)絡(luò)后，使用的語音業(yè)務(wù)也會同步從VoLTE語音遷移EPS Fallback，到時會發(fā)現(xiàn)語音業(yè)務(wù)時延明顯增加。這種時延增加的變化會導(dǎo)致用戶心理上產(chǎn)生感知差異，有極大的概率會因此而出現(xiàn)投訴情況，造成客戶滿意度的下降。所以針對EPS Fallback的時延優(yōu)化問題，已成為運(yùn)營商目前最亟待解決的事情[2]。

1 5G語音方案

國際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP（3rd Generation Partnership Project）已明確了第五代移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（5G NR）沿用第四代移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（4G LTE）的話音架構(gòu)，仍基于IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng)）提供話音業(yè)務(wù)。4G的無線接入技術(shù)為LTE（Long Term Evolution），其上面承載話音稱之為VoLTE；5G的無線接入技術(shù)為NR（New Radio，全新無線），其上面承載話音稱之為VoNR（Voice over NR）。VoLTE、VoNR 作為 IMS話音的不同接入方式存在。

回顧4G話音方案，4G LTE實(shí)現(xiàn)了全I(xiàn)P（Internet Protocol）化，摒棄了原來的CS（Circuit Switched Domain，電路交換域）域方式，語音服務(wù)采用VoLTE語音方案。但為保證語音業(yè)務(wù)的連續(xù)性，考慮到4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的擴(kuò)張及終端生態(tài)系統(tǒng)的成熟，全球運(yùn)營商普遍經(jīng)歷了從CSFB到VoLTE演進(jìn)過程。運(yùn)營商部署5G，除了同樣需要考慮5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的擴(kuò)張及終端生態(tài)系統(tǒng)的成熟的因素，還需要考慮眾多5G組網(wǎng)部署選項(xiàng)的因素，在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期主要將EPS Fallback方案作為過渡階段的主要語音解決方案。在前期投資較少的情況下，可借助現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)和 VoLTE語音的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)5G與VoLTE的語音連續(xù)性互操作。

5G語音方案主要有2種技術(shù)路線，一是基于LTE/EPC的演進(jìn)的5G語音，只需部署5G NR，核心網(wǎng)以升級LTE/EPC（Evolved Packet Core，4G核心網(wǎng)）為主，語音由VoLTE提供；二是基于5GC（5G Core，5G核心網(wǎng)）的全新型5G語音，需要同時部署5G NR和5GC，語音可以直接由VoNR提供，可以回落到4G無線網(wǎng)絡(luò)，由VoLTE提供。這樣的情況下，IMS接口需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以便于滿足5G網(wǎng)絡(luò)語音的需求。與傳統(tǒng)的4G網(wǎng)絡(luò)語音方案相比，5G網(wǎng)絡(luò)語音方案的應(yīng)用場景更多，方案的多樣性也更為明顯。考慮5G無線網(wǎng)絡(luò)部署的需求，5G語音方案除VoNR外，還有EPS Fallback等中間階段補(bǔ)充方案。

2 EPS Fallback語音方案

2.1 VoNR語音方案介紹

VoNR是基于IMS網(wǎng)絡(luò)的5G NR語音解決方案，架構(gòu)在5G核心網(wǎng)5GC上基于IMS server的端到端語音方案[3]。VoNR話音承載在gNB（Next Generation NodeB，5G基站）上，根據(jù)不同的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，存在2個不同選項(xiàng)：1）通過5GC和gNB承載VoNR，信令及業(yè)務(wù)基于QoS流（QoS Flow）傳輸。2））通過EPC和gNB承載VoNR，信令及業(yè)務(wù)是基于EPS承載（EPS bearer）傳輸。VoNR通過部署IMS，可以實(shí)現(xiàn)語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并發(fā)，終端駐留NR，語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都承載在NR網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)手機(jī)移動到NR信號覆蓋較差的區(qū)域時，須發(fā)起基于覆蓋的切換來實(shí)現(xiàn)和4G的互操作，切換到LTE，由VoLTE來提供服務(wù)。

2.2 EPS FB語音方案介紹

EPS FB即EPS Fallback，5G NR初期不提供語音業(yè)務(wù)，當(dāng)gNB在NR上建立IMS話音通道時觸發(fā)切換，此時gNB向5GC發(fā)起重定向或者inter-RAT切換請求，回落到LTE網(wǎng)絡(luò)，由VoLTE 提供服務(wù)。

EPS Fallback的用戶體驗(yàn)和4G的CSFB（Circuit Switched Fallback，CS語音回落）體驗(yàn)類似，終端駐留5G NR，一開始語音通話，話音和數(shù)據(jù)都回落4G LTE。但與4G的CSFB體驗(yàn)也有不同，如USSD（Unstructured Supplementary Service Data，非結(jié)構(gòu)化補(bǔ)充數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)）等業(yè)務(wù)并不會觸發(fā)EPS Fallback。EPS Fallback的部署要求是LTE和NR網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋。EPS Fallback的好處在于UE/gNB只須支持IMS信令通道（SIP over NR，實(shí)時性要求不高），而無須支持IMS話音通道（RTP/RTCP over NR，實(shí)時性要求高）；RTP/RTCP over NR往往需要NR持續(xù)做網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，以達(dá)到語音質(zhì)量好和UE功耗低的要求。選擇EPS Fallback語音解決方案，運(yùn)營商可在5G NR初期聚焦發(fā)展數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，待NR網(wǎng)絡(luò)覆蓋和優(yōu)化后再演進(jìn)到VoNR。

EPS Fallback是借助4G網(wǎng)絡(luò)語音業(yè)務(wù)的方案，需要4G網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行復(fù)雜的互操作，由網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起EPS Fallback流程，使終端通過PSHO or Redirection的方式回落到LTE，建立VoLTE語音業(yè)務(wù)，由于涉及雙網(wǎng)多網(wǎng)元之間的互操作，EPS Fallback語音業(yè)務(wù)接續(xù)時延相較VoNR和VoLTE都會更長，如圖1所示。

圖1 語音業(yè)務(wù)流程示意圖

EPS Fallback NAS信令流程詳解[4]：1）UE發(fā)起語音業(yè)務(wù) Service Request；2）UE和gNodeB完成RRC連接建立；3）gNodeB通過INITIAL UE MESSAGE傳輸Service Request給5GC；4）UE和5G完成鑒權(quán)和NAS加密協(xié)商流程；5）gNodeB收到INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST建立UE上下文和IMS信令承載；6）gNodeB完成空口AS安全算法配置；7）gNodeB下發(fā)UE能力查詢，UE上報(bào)能力信息；8）gNodeB發(fā)送INITIAL CONTEXT SETUP RESPONSE指示 PDU Session建立完成；9）UE發(fā)起 SIP INVITE消息給5GC請求建立語音會話；10）gNodeB收到 PDU SESSION RESOURCE MODIFY REQUEST消息，指示gNodeB建立5Q1=1的語音專用承載；11）gNodeB下發(fā)異系統(tǒng)B1事件測量并收到B1事件測量報(bào)告；12）gNodeB向5GC回復(fù)響應(yīng)PDU Session修改，并指示IMS Voice Fallback；13）gNodeB根據(jù)開關(guān)參數(shù)配置和UE能力判斷向5GC發(fā)送切換請求；14）5GC將UE上下文信息轉(zhuǎn)發(fā)給EPC；15）EPC向eNodeB發(fā)起切換請求；16）EPC收到eNodeB的切換請求響應(yīng)；17）EPC向5GC轉(zhuǎn)發(fā)eNodeB的切換請求成功響應(yīng)消息；18）5GC向gNodeB發(fā)起切換命令；19）gNodeB向UE發(fā)送切換命令；20）UE切換到目標(biāo)LTE小區(qū)；21）UE和EPC間發(fā)起TAU流流程；22）EPC觸發(fā)QCI=1的語音專用承載的建立。

3 EPS Fallback時延問題現(xiàn)狀分析

EPS Fallback時延統(tǒng)計(jì)的信令節(jié)點(diǎn)為INVITE→180 Ringing（主叫起呼→被叫振鈴）。目前5G終端撥打4G終端，采用切換的方式回落，時延為3s～5s；5G終端撥打5G終端，采用切換的方式回落，時延為4 s～6 s。

目前EPS Fallback時延分析中存在的主要問題如下。

3.1 回落流程較長問題

EPS Fallback端到端流程長，整個流程跨5個域、60+接口、40+網(wǎng)元，復(fù)雜度高于當(dāng)前VoLTE流程，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，容易導(dǎo)致EPS FB語音感知下降，而且問題定位困難。

3.2 4/5G協(xié)同問題

5G用戶撥打5G用戶時，SA終端主被叫2次回落，時延拉長，起呼流程在5G側(cè)進(jìn)行，EPS Fallback流程為4G和5G協(xié)同進(jìn)行，語音通話在4G側(cè)進(jìn)行，EPS FB時延相比VoLTE時延增加約2 s，須雙網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化。

3.3 SA組網(wǎng)的融合性問題

5G核心網(wǎng)絡(luò)采用大區(qū)制度進(jìn)行組網(wǎng)，以中國移動西南大區(qū)為例，西南大區(qū)的控制面設(shè)備位于西南地區(qū)某核心城市，覆蓋整個西南區(qū)域的地市，而在本地只有UPF融合設(shè)備。該組網(wǎng)方式會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)增加，從而增加EPS Fallback問題的定位難度，且存在影響EPS Fallback回落時延的風(fēng)險。

4 EPS Fallback時延分段分析方法

4.1 EPS Fallback時延分段分析原理

研究EPS Fallback信令流向，可以得出信令從哪個網(wǎng)元發(fā)出，到達(dá)哪些網(wǎng)元，即可快速判斷出現(xiàn)異常高時延信令流程涉及的網(wǎng)元。結(jié)合EPS Fallback分段原理，對無線側(cè)EPS Fallback信令流程INVITE→180Ringing進(jìn)行分段，根據(jù)5G→4G的回落特征劃分將EPS Fallback流程分為3個階段、8個信令片段（T1～T8），簡稱“三階八步”時延分段法，以便快速對異常風(fēng)險問題進(jìn)行定界定位。

在5G側(cè)準(zhǔn)備向4G回落為第一階段，包括T1（叫用戶發(fā)起語音業(yè)務(wù)請求到收到5G基站下發(fā)的4G異頻測量請求）、T2（終端收到5G基站下發(fā)異系統(tǒng)B1事件測量到上報(bào)B1事件測量報(bào)告）、T3（終端上報(bào)B1事件測量報(bào)告到收到4G核心網(wǎng)下發(fā)向4G小區(qū)的切換命令）、T4（終端收到切換命令到終端切換到4G目標(biāo)小區(qū)成功）4個信令段；回落在專載建立為第二階段，包括T5（終端切換到4G目標(biāo)小區(qū)成功到發(fā)起跟蹤區(qū)更新請求）、T6（跟蹤區(qū)更新請求到跟蹤區(qū)更新成功）、T7（跟蹤區(qū)更新請求成功到語音專用承載建立）3個信令段；等待被叫振鈴為第三階段，包括1個信令段T8（語音專用承載建立到收到被叫振鈴信息）。

在規(guī)避無線問題、核心網(wǎng)問題以及其他所有不利因素的場景下，經(jīng)過大量測試數(shù)據(jù)匯聚，得到各個信令分段的參考時延。在后續(xù)分析過程中發(fā)現(xiàn)實(shí)際測試時延超過參考時延，則認(rèn)定該流程分段存在異常，同時能夠獲取異常分段的相關(guān)網(wǎng)元，最終快速定位時延問題。信令分段參考時延及相關(guān)網(wǎng)元見表1。

表1 信令分段參考時延及相關(guān)網(wǎng)元

4.2 EPS Fallback時延分段分析應(yīng)用

“三階八步”時延分段法在5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的5G SA優(yōu)化測試中得到廣泛應(yīng)用，對EPS Fallback時延優(yōu)化起到重要支撐作用。

對測試過程中EPS Fallback時延超過3s的流程進(jìn)行分段分析：分析測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)同一區(qū)域出現(xiàn)多次EPS Fallback回落高時延問題，且均為T5分段高時延，回落方式為盲從定向，其他分段屬于正常時延范圍內(nèi)，見表2。

表2 時延分段統(tǒng)計(jì)

通過分段時延統(tǒng)計(jì)可知該EPS Fallback信令流程是5G→4G Redirection Start至5G→4G Redirection Success之間存在問題，時延高達(dá)1134ms，潛在問題點(diǎn)在UE和eNB之間。核查該時段主叫終端占用小區(qū)，發(fā)現(xiàn)該時段4G覆蓋較差，測量到1350頻點(diǎn)小區(qū)的SINR值均＜-4dB，嚴(yán)重的質(zhì)差問題導(dǎo)致T5分段時延嚴(yán)重超時。

對一輪網(wǎng)格測試進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)該輪網(wǎng)格測試一共有56次EPS Fallback流程超時，并且所有通話均為的T8分段時延超時。通過分段時延統(tǒng)計(jì)可知，T8分段存在超時，即QCI1setup至180Ringing之間存在問題，潛在問題點(diǎn)在UE和基站之間，且涉及被叫側(cè)狀態(tài)。深入分析，發(fā)現(xiàn)EPS Fallback流程階段，無線環(huán)境良好，但主叫承載建立完成至振鈴共耗時2400ms，遠(yuǎn)超于標(biāo)準(zhǔn)時延。繼續(xù)分析發(fā)現(xiàn)被叫側(cè)無線環(huán)境良好，無弱覆蓋、高質(zhì)差問題，但在同時段被叫側(cè)處于空閑態(tài)，收到主叫側(cè)尋呼后才發(fā)起4G側(cè)RRC上下文請求，導(dǎo)致T8分段時延增加。

從上述實(shí)用案例可以看出，EPS Fallback時延分段分析方法能夠快速地定位時延問題片段和相關(guān)網(wǎng)元。將EPS Fallback流程化繁為簡，有效地提升了EPS Fallback時延優(yōu)化效率，使流程長、定位難的問題得到有效解決。

5 結(jié)語

該文根據(jù)現(xiàn)有協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)及基站能力，從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、信令流程等層面對5G網(wǎng)絡(luò)主要的語音方案進(jìn)行了介紹。基于對現(xiàn)有5G語音信令流程的理解和認(rèn)識，對目前存在的EPS Fallback語音時延較大等痛點(diǎn)問題進(jìn)行了分析，提出了基于關(guān)鍵信令節(jié)點(diǎn)分段的EPS Fallback時延分段分析方法。介紹了根據(jù)該方法計(jì)算出來的分段時延，匹配各個分段的參考時延，分析各個分段時延是否超出參考時延，可以快速地計(jì)算出關(guān)鍵流程的時延，快速發(fā)現(xiàn)異常問題、異常信令流程，直接關(guān)聯(lián)EPS FB時延問題相關(guān)網(wǎng)元，加速EPS FB時延問題定界定位，提升問題解決效率，解決了EPS Fallback語音流程長、定位難等難題。