LTE網絡挖掘
——FR踏空的分析與應對

中國聯通天津市分公司 天津 300052

引言

在LTE(Long Term Evolution，長期演進)網絡發展初期，由于LTE只支持分組域業務，通常采用原有網絡的CS域語音方案來提供語音服務。3GPP R8提出了CSFB(Circuit Switched Fallback，電路域回落)：LTE終端駐留在LTE網絡，當需要完成語音業務時再回落到2G/3G網絡的CS域。另一方面，為提供更好的用戶體驗，CSFB回落用戶在3G的語音業務結束后，如果需要實時快速返回LTE，則采用Fast Return(快速返回，FR)功能。理論上若不采用Fast Return功能，UE從3G返回LTE時間需8秒以上；若采用Fast Return則時延下降到500ms，用戶感知提升明顯。

目前，天津聯通3G網絡針對CSFB用戶側已開啟Fast Return功能，CSFB用戶在3G語音業務結束后會通過Fast Return功能快速返回LTE網絡。如果用戶在3G通話結束后進入到沒有LTE覆蓋的區域，受Fast Return功能的影響，用戶還會按照其要求搜索LTE網絡，搜索不到后才會去3G駐留，這段時間屬于“踏空”期，手機是無法進行此業務的。本文主要就特定場景下Fast Return功能開啟后對CSFB用戶的踏空時延影響進行闡述和分析，為后續網絡優化提供支撐[1]。

1 研究背景

1.1 LTE與G/W網絡互操作

顧名思義，互操作即終端可以跨系統重選和切換，使用戶可以占用更好的網絡。1)對于PS業務，需要分別解決LTE與GSM/WCDMA之間的互操作；2)對于CS業務，需要分析LTE提供/不提供語音業務的切換方案。本文著重關注CS域互操作策略。對于語音業務的切換，LTE分兩個階段來實現，當LTE網絡現階段不能提供語音業務時，通過電路域語音回退和雙待機功能實現；當LTE網絡能夠提供語音業務時，通過單射頻語音連續控制(SR-VCC)和通用接入承載語音(VoLGA)功能來實現[1]。

1.2 CSFB

若手機終端在LTE網絡駐留，此時撥打語音電話，需網絡輔助回落到2G/3G網絡的電路域上。LTE和GSM/WCDMA雙模終端采用Single-Radio單射頻模式，接入LTE后，無法再同時收、發GSM/WCDMA電路域信號。為保證終端在LTE下能夠收/發語音等CS業務，所以產生了CSFB技術。該CSFB功能需要在核心網MME(Mobility Managenent Entity，移動性管理實體)和MSC(Mobile Switching Center，移動交換中心)服務器之間引入SGs(SGs應用協議)接口，一個終端附著在LTE網的同時，通過SGs也附著在CS域上，這樣一來，終端就可以優先駐留在LTE網絡享受高速數據業務，當需要語音業務時才回落到2G/3G網絡。

CSFB作為LTE語音解決方案，業務過程共4個步驟。1)LTE/UMTS(通用移動通訊系統)網絡聯合附著；2)通話建立過程回落到UMTS；3)在UMTS發起語音呼叫；4)結束后返回LTE網絡。用戶能感知到的時間長短體現在兩個階段，即語音建立時的回落3G時延和掛機后返回LTE系統的時延。這兩個過程都需要UE在兩網間跨越，是CSFB技術以及3G/4G兩網協同優化的重點。

1.3 FastReturn(FR)

如上文所述，LTE語音業務通過CSFB實現，當終端掛機后如何返回LTE網絡呢？為確保用戶數據業務盡量在LTE網絡提供，用戶呼叫結束后需返回LTE網絡。返回LTE網絡過程中，將引入一段無法被網絡尋呼的時間，即用戶不可及時間，此時用戶無法收到任何尋呼消息也無法建立任何業務。根據其他區域的實測結果：靜止時掛機返回LTE(FDD)約15秒，移動狀態下返回LTE時延平均值增加至20～30秒。由于終端的不同及用戶的使用情況(是否仍有后臺數據業務)存在差異，該時延可能延長至1～3分鐘。在此期間用戶均無法返回LTE網絡。

FR功能即在G/W網掛機時的信道釋放消息中攜帶LTE鄰區信息，終端收到該消息后不再發送廣播消息、LAU、RAU等操作，直接測量選擇信號最好的LTE鄰區并返回LTE網絡。通過FR方案優化，用戶不可及的時間理論上僅為1～2秒，大大提升了用戶感知[2]。

2 踏空現象的發現

通過對新入網LTE基站的單站優化工作以及少量的用戶投訴，發現某些特定場景存在如上所述的踏空現象，因此，決定對此現象進行捕捉、分析和解決。

2.1 時延統計方法

統計FR時延指標的方法：語音業務掛機后Fast Return命令開始，從RRC Connection Release(無線資源控制協議連接釋放)到UE在4G網絡注冊完成位置區更新 (Location Area Update Complete)之間的時間差，即為FR時延。

2.2 實驗條件

測試軟件：HUAWEI GENEX Probe V3R005。

測試設備：HUAWEI P1 U9202L，SAMSUNG GALAXY S4。

測試方法：用戶在LTE網絡通過CSFB回落到3G網絡，在3G通話過程中移動到無LTE覆蓋的區域，語音業務掛機后，受Fast Return功能影響，手機會先按照Fast Return指令對LTE頻點進行搜索，搜索無果后重新發起在3G的注冊過程，在3G注冊完成后才能繼續進行業務。分別采用不同終端進行FR踏空測試，分析不同終端的表現。

2.3 實驗結果

HUAWEI P1 U9202L測試踏空時延統計如表1所示。

表1 西青區華為終端測試結果

SAMSUNG GALAXY S4踏空測試時延統計如表2所示。

表2 西青區三星終端測試結果

測試綜合了多種變量進行統計，分別采用了HUAWEI和SAMAUNG兩款廣泛使用的終端；分別在市區和郊區測試；分別采集了終端僅做CS業務和CS/PS業務并發時的踏空時延。通過比較多次測試得出的平均時延，可以發現這兩款終端的表現相當，在3G側僅有CS業務和CS+PS業務并發的情況下發生踏空的時延均為20秒以上[3]。

2.4 多場景驗證

模擬用戶行為在多種網絡覆蓋場景下進行CSFB測試，表3為不同場景下發生踏空現象的概率統計。其中場景3概率最高，場景1其次。

表3 不同場景下踏空概率統計

現有CSFB踏空問題監測評估方法包括：1)UE側評估。UE側評估是針對單用戶的，需要利用路測工具，通過路測信令分析進行評估。2)客戶化評估。客戶化評估主要從用戶體驗角度考慮，從用戶投訴角度進行分析[4]。

場景1：用戶駐留在LTE網絡下在室外發起CSFB，通話結束時移至室內LTE網絡覆蓋盲區、弱區。見圖1。場景2：用戶駐留在LTE網絡下在室內發起CSFB，通話結束時移至室外無LTE網絡覆蓋盲區、弱區。見圖2。場景3：用戶駐留在LTE網絡下高速移動時發起CSFB，通話結束后移出LTE覆蓋區域。見圖3。

3 踏空問題分析及對策

3.1 FR踏空情況分析

圖1 FR踏空場景1

圖2 FR踏空場景2

圖3 FR踏空場景3

當出現LTE-FR踏空現象時，是什么原因導致手機在數秒的時間內無法進行任何業務呢？以某次踏空事件的信令情況為例進行說明，如圖4所示，當終端完成CSFB釋放后，在3G網絡下重選完成時間約為5.68秒(終端不再接受3G系統消息)，在7.35秒內業務無法進行。

信令1：14:32:10:859終端在CSFB業務完成后，按照常規處理方式，攜帶3G頻點1875進行信令釋放。信令2：14:32:11:039終端在4G網絡下進行同步及網絡搜索。信令3：14:32:16:339終端在3G下進行同步，見圖4。信令4：14:32:16:939終端在3G網絡下發起位置區更新請求。信令5：14:32:18:209終端在3G網絡下位置區更新請求完成，TMSI更新完成。見圖5。

通過實驗發現，該踏空現象極易發生在4G覆蓋邊緣區域，即4G信號較差的地點甚至盲區。在此區域進行4G業務，如終端在4G覆蓋區域下起呼，移動到無4G覆蓋但3G覆蓋良好區域，終端會重新在3G網絡下進行附著。但從CSFB結束后到重新在3G網絡下附著成功，中間間隔時間內無法進行任何業務。另外，若將FR功能關閉，終端使用重選方式回到LTE網絡，時延約為8～15秒不等。

相對密集城區，各郊區、郊縣的LTE基站較稀疏，更易出現踏空現象。此類場景將作為今后2G/3G與4G網絡交界的優化重點。在LTE網絡完成全覆蓋即達到現網2G/3G的覆蓋水平時，踏空現象將會很少出現，很大可能僅在LTE深度覆蓋較差的區域偶發。

圖4 RRC Connection Release捕獲圖

圖5 RRC Connection Request捕獲圖

通過分析上述信令節點，自信令1至信令5這7.35秒內終端都無法進行業務。終端在3G網結束語音通話后，為了能夠快速返回4G網絡，持續搜索4G信號失敗，才出現了數秒至幾十秒的用戶不可及，這就是踏空現象導致返回4G網時延增大的本質原因。

3.2 FR踏空的解決方案

為更好地對比FR功能開啟給感知帶來的影響，在現網進行FR開啟和關閉的定點測試。

開啟FR功能后，終端會在3G掛機RRC(無線資源控制)釋放時攜帶4G頻點，語音會在終端掛機后平均2.12秒后回到LTE網絡完成TAU(跟蹤區更新)更新，見表4。

表4 FR功能開啟后時延統計

關閉FR功能后，終端在3G掛機RRC釋放時不再攜帶4G頻點，則終端會首先在3G完成LAU，然后重選到4G完成TAU。平均時延為8.124秒。見表5、圖6、圖7。

在3G網通話結束返回LTE時，目前有兩種解決方案。1)重選。手機通過讀取系統消息中的重選信息發起UMTS→LTE測量。2)Fast Return。手機根據UMTS網絡的Channel Release消息中攜帶的頻點對LTE網絡進行脫網重搜，如果搜索不到目標LTE頻點，將開始全頻段搜索，可能帶來30秒以上的不可及時間，見圖8[5]。

在LTE建網初期，UL組網是UMTS和LTE網絡共同組網，由UMTS作為連續覆蓋，LTE網絡作為熱點覆蓋或者數據業務話務吸收進行非連續覆蓋或者部分連片覆蓋，主要應用在密集城區和城區。見圖9。

表5 FR功能關閉后時延統計

圖6 FR關閉后RRC Connection Realsease 捕獲圖

圖7 FR關閉后RRC Connection Request捕獲圖

圖8 fast return 增益分析圖

圖9 UL組網示意圖

如上所述，通過平均測試時延可以發現FR功能在現階段的應用有利有弊。在3G與4G覆蓋均良好的區域，FR功能使得用戶可以快速返回4G網絡；但是一旦出現FR踏空現象，其造成的時延要遠遠大于通過重選返回的時延(8秒左右)，也易造成投訴。綜上，暫時關閉4G網絡覆蓋邊緣3G基站的FR功能，避免了FR踏空的發生。

4 結束語

各運營商LTE網絡的初期建設已經基本完成，如何在競爭激烈的市場中占得一席之地是各大運營商爭奪的關鍵。在營銷初期建立良好形象，及時解決LTE凸現的問題，將決定市場的走向。目前，LTE的建設規模尚無法達到連續覆蓋，仍存在部分覆蓋空洞區，那么在3G整體覆蓋良好時，這種特殊場景極易出現LTE-FR踏空的現象。本文通過研究分析、多場景測試驗證，充分挖掘踏空問題對客戶感知的惡劣影響，給出了優化對策，間接解決了這一問題，切實提升了LTE用戶的感知。

隨著網絡建設、網絡技術的飛速發展，下階段將實現VoIP(基于IP的語音傳輸)高清語音通話，將給移動用戶帶來不一般的通話體驗。

參考文獻

[1]曾召華.LTE基礎原理與關鍵技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2010

[2]沈嘉.3GPP LTE核心技術及標準化發展移動通信[M].北京:人民郵電出版,2006

[3]趙訓威.3GPP長期演進(LTE)技術原理與系統設計[M].北京:人民郵電出版社,2010

[4] 王映民.TD-LTE技術原理與系統設計[M].北京:人民郵電出版社,2010

[5]張志林.3GPP LTE物理層和空中接口技術[M].西安:電子工業出版社,2011