基于信令分析的VoLTE接入性能優(yōu)化

紀(jì)元茂　袁野

摘要：為了解決VoLTE接入性能差的問題，通過采用信令分析方法，分析了VoLTE標(biāo)準(zhǔn)信令流程，結(jié)合LTE無線信號(hào)覆蓋特征，研究了影響VoLTE性能的關(guān)鍵因素，并提出了改善無線覆蓋、調(diào)整相應(yīng)參數(shù)的方案。現(xiàn)網(wǎng)中該方案有效可行，最終達(dá)到了改善VoLTE性能的目的。

關(guān)鍵詞：VoLTE IMS 信令流程

1 引言

LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化的本質(zhì)工作是通過發(fā)現(xiàn)并判斷在LTE網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的主要問題，同時(shí)挖掘出部分隱性故障，針對(duì)這些現(xiàn)象或問題進(jìn)行綜合分析并系統(tǒng)優(yōu)化的方法，以此來提高LTE網(wǎng)絡(luò)接入性、保持性、移動(dòng)性等關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，這也是保障VoLTE業(yè)務(wù)能夠正常進(jìn)行的前提，從而全面提升用戶感知。LTE是基于分組數(shù)據(jù)為核心而設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)，和早期GSM或WCDMA網(wǎng)絡(luò)相比，在網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)方面有一些差異，在分析故障問題的方法上有明顯的差異。本文將對(duì)VoLTE語音掉話問題進(jìn)行分析，并把分析過程中與網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)密切聯(lián)系的信令流程分析方法作為重點(diǎn)闡述。

2 VoLTE架構(gòu)概述

2.1 VoLTE重要節(jié)點(diǎn)簡介

為使純分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)LTE具備Voice語音通話的功能，EPS（Evolved Packet System，演進(jìn)分組系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要引入IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)語音會(huì)話控制功能，如圖1所示。

圖1展現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)語音會(huì)話所用到的多個(gè)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的主要功能分別如下：

（1）SBC（Session Border Controller，會(huì)話邊界控制器）：該節(jié)點(diǎn)是IMS網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)重要的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，位于IMS網(wǎng)絡(luò)邊界，實(shí)現(xiàn)將終端設(shè)備接入到IMS核心網(wǎng)的功能。

（2）PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略與計(jì)費(fèi)規(guī)則功能單元）：該節(jié)點(diǎn)具備策略控制決策與計(jì)費(fèi)控制的功能。

（3）P-CSCF（Proxy-Call Session Control Function，代理呼叫會(huì)話控制功能）：該節(jié)點(diǎn)是IMS中用戶信令面的第一個(gè)聯(lián)系點(diǎn)，所有往來UE（User Equipment，用戶設(shè)備）的SIP（Session Initiation Protocol，會(huì)話發(fā)起協(xié)議）信令都必須經(jīng)過P-CSCF。它是一個(gè)SIP代理服務(wù)器，實(shí)施策略和計(jì)費(fèi)功能，部署在歸屬網(wǎng)絡(luò)和拜訪網(wǎng)絡(luò)。

（4）I-CSCF（Interrogating-Call Session Control Function，協(xié)商呼叫會(huì)話控制功能）：該節(jié)點(diǎn)是一個(gè)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，部署在歸屬網(wǎng)絡(luò)中，該運(yùn)營商的所有用戶連接都要經(jīng)過這個(gè)實(shí)體實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可以有多個(gè)I-CSCF，I-CSCF通過HSS（Home Subscriber Server，歸屬簽約用戶服務(wù)器）給UE安排S-CSCF。

（5）S-CSCF（Serving-Call Session Control Function，服務(wù)呼叫會(huì)話控制功能）：該節(jié)點(diǎn)是IMS的核心所在，它位于歸屬網(wǎng)絡(luò)，為UE進(jìn)行會(huì)話控制、注冊請(qǐng)求和路由決策的制定。

2.2 VoLTE承載概述

在承載方面，VoLTE采用雙APN（Access Point Name，接入點(diǎn)）架構(gòu)，用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的Default APN、語音和可視電話的IMS APN，UE在Attach時(shí)可與Default APN建立數(shù)據(jù)默認(rèn)承載QCI9。Attach完成后，UE與IMS APN建立QCI5的默認(rèn)承載，用于傳輸SIP信令，語音業(yè)務(wù)承載組合可表示為SRB1+SRB2+2×AM DRB+1×UM DRB。其中，UM DRB為QCI=1的承載，2個(gè)AM DRB的QCI分別為QCI=5和QCI=9，QCI=1用于語音承載，如有視頻業(yè)務(wù)需求，QCI=2可用于視頻承載，QCI=5是用于SIP傳輸?shù)腎MS信令承載，對(duì)于不支持VoLTE的UE，只有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)默認(rèn)承載，一般承載在QCI9上；支持VoLTE業(yè)務(wù)的UE會(huì)在Attach、從2G/3G返回的TAU（Tracking Area Update，跟蹤區(qū)更新）過程后發(fā)起IMS域注冊，并建立IMS信令默認(rèn)承載QCI5。對(duì)于支持VoLTE的UE，無論是否有VoLTE會(huì)話，如果IMS域注冊成功，則QCI5+QCI9始終存在，當(dāng)有VoLTE會(huì)話時(shí)，會(huì)再建立QCI1，若是視頻會(huì)話，還會(huì)有QCI2。VoLTE語音建立QCI1的專用承載，用于傳輸語音；可視電話（視頻）建立QCI1和QCI2的專用承載，分別傳輸語音和視頻。

3 VoLTE掉話問題分析

3.1 VoLTE信令流程簡介

在了解VoLTE各節(jié)點(diǎn)大致功能以及業(yè)務(wù)承載的基本用途后，可以根據(jù)一個(gè)會(huì)話流程簡單了解一下這些核心網(wǎng)元是如何工作的。以標(biāo)準(zhǔn)的VoLTE語音通話為例，一個(gè)VoLTE呼叫請(qǐng)求經(jīng)過MMTel AS主叫業(yè)務(wù)處理后，主叫側(cè)S-CSCF向HSS請(qǐng)求被叫的入局I-CSCF的地址。被叫側(cè)的SCC AS向HSS請(qǐng)求被叫網(wǎng)絡(luò)信息，HSS向MME（Mobility Management Entity，移動(dòng)性管理實(shí)體）請(qǐng)求本地保存的用戶最新的位置更新信息，SCC AS得到被叫的最近一次駐留的網(wǎng)絡(luò)后，指示S-CSCF通過P-CSCF將呼叫路由到被叫用戶。

主叫側(cè)：主叫P-CSCF收到被叫用戶回復(fù)的響應(yīng)消息后，向PCRF發(fā)起承載建立請(qǐng)求，PCRF向P-GW提供授權(quán)的QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）策略，P-GW根據(jù)授權(quán)的QoS策略建立主叫UE的專用承載。

被叫側(cè)：被叫用戶收到呼叫請(qǐng)求后，向被叫P-CSCF回復(fù)183/180響應(yīng)消息，P-CSCF向PCRF發(fā)起承載建立請(qǐng)求，PCRF向P-GW提供授權(quán)的QoS策略，P-GW根據(jù)授權(quán)的QoS策略建立被叫UE的專用承載。

至此，該VoLTE語音業(yè)務(wù)建立成功。通過路測軟件收集到的無線側(cè)信令，可以看到正常的主被叫標(biāo)準(zhǔn)信令流程如圖2所示。其中，各條消息編號(hào)代表其順序。

該信令流程可大致描述為：首先是主叫方發(fā)起Invite請(qǐng)求，當(dāng)主叫方建立RRC（Radio Resource Control，無線資源控制）連接后，基站會(huì)下發(fā)Invite 100消息，同時(shí)被叫方將會(huì)收到尋呼消息，被叫方在建立RRC連接后會(huì)收到基站下發(fā)的Invite消息，并上發(fā)Invite 100和Invite 183消息給基站，然后是主被叫兩方RRC連接重配置和建立專用承載及PRACK消息下發(fā)的步驟，最終主叫方收到基站下發(fā)的Invite 180消息表示語音會(huì)話建立成功。該流程描述的是一個(gè)成功的案例，而通常VoLTE掉話或未接通的信令流程與該流程相比肯定是有差異的，下面將介紹較為典型的VoLTE掉話和未接通案例的流程。

3.2 VoLTE異常信令分析及優(yōu)化方法

在VoLTE拉網(wǎng)測試過程中，常常由于UE發(fā)生重定向?qū)е挛唇油ɑ虻粼挘囟ㄏ蜥尫臨RC后，專用承載同時(shí)被拆除，從而造成呼叫異常。如圖3所示，在呼叫建立過程中，左側(cè)為信令、右側(cè)為事件，在時(shí)間窗口可以看到主叫收到網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的Invite 100后在12：00：20.691時(shí)刻嘗試Call attempt，由于無線信號(hào)較差，手機(jī)上報(bào)A2測量報(bào)告，隨后網(wǎng)絡(luò)下發(fā)RRC Connection Release消息重定向到EARFCN頻點(diǎn)號(hào)為37900的小區(qū)，與此同時(shí)手機(jī)進(jìn)入空閑態(tài)。在呼叫起呼15 s后，由于呼叫時(shí)長超時(shí)，在12：00：35.885時(shí)刻手機(jī)判定Call blocked并上報(bào)Cancel消息，發(fā)生未接通事件。

從該案例的信令流程中可以發(fā)現(xiàn)判定未接通的消息時(shí)間，并通過系統(tǒng)分析法找出其根本原因是什么，最終將問題鎖定在信號(hào)覆蓋上，隨后可通過調(diào)整無線覆蓋來改善該區(qū)域頻繁出現(xiàn)VoLTE未接通的情況。

該案例除了通過改善無線覆蓋的方法外，還可以從參數(shù)方面來分析，尋找解決辦法。該問題是由于重定向?qū)е翿RC、E-RAB等資源釋放而造成VoLTE沒有接續(xù)性，這是因?yàn)樵谝?guī)范中VoLTE不支持重定向，只支持切換。因此，VoLTE需要添加更多的異頻鄰區(qū)關(guān)系，而不僅僅是添加切換頻點(diǎn)組，這樣就能保證有足夠的鄰區(qū)資源可切換，而不執(zhí)行重定向的行為。如果QCI1承載的配置有允許重定向的參數(shù)，可嘗試關(guān)閉重定向開關(guān)，即QCI1業(yè)務(wù)只切換而不進(jìn)行重定向，這也是解決該問題的一個(gè)思路。

4 結(jié)束語

綜上所述，VoLTE問題優(yōu)化方法是基于LTE優(yōu)化方法的一個(gè)延伸，在信令流程上和LTE大致相同，只有少許差異。可通過信令發(fā)現(xiàn)表象問題，在分析問題時(shí)，可用標(biāo)準(zhǔn)的流程作對(duì)比找出異常的部分，再通過系統(tǒng)分析的方法找出根本原因，如本文中提到的兩個(gè)方面，同一個(gè)異常的案例既可以通過改善無線覆蓋的方法來解決，也可以通過修改鄰區(qū)配置的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

覆蓋優(yōu)化主要是指對(duì)小區(qū)的無線信號(hào)覆蓋進(jìn)行調(diào)整，主要是通過控制覆蓋范圍來解決弱覆蓋或越區(qū)覆蓋的問題。弱覆蓋問題分析和調(diào)整方法是無線環(huán)境優(yōu)化的重點(diǎn)，主要是指對(duì)信號(hào)覆蓋欠佳的區(qū)域和沒有信號(hào)覆蓋的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，以此來保證網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的連續(xù)性。越區(qū)覆蓋是網(wǎng)絡(luò)中常見的問題，雖然本文沒有越區(qū)覆蓋的案例，但是在將來經(jīng)過數(shù)期LTE擴(kuò)容后，由于新站點(diǎn)的增加，在可行的前提下，原基站的天饋高度或傾角都可以做適當(dāng)調(diào)整，否則會(huì)導(dǎo)致無線環(huán)境污染或出現(xiàn)越區(qū)覆蓋的情況，基站之間可能會(huì)產(chǎn)生較大干擾。

鄰區(qū)關(guān)系的優(yōu)化是無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作中非常重要的環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的優(yōu)化效果對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)KPI（Key Performance Indicator，關(guān)鍵績效指標(biāo)）指標(biāo)有直接的影響。如果鄰區(qū)列表中缺少重要鄰區(qū)關(guān)系或者鄰區(qū)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，則會(huì)直接導(dǎo)致LTE網(wǎng)絡(luò)接入性、保持性、移動(dòng)性、完整性等重要的KPI指標(biāo)下滑；如果冗余的鄰區(qū)關(guān)系過多，則會(huì)增加系統(tǒng)的運(yùn)算，浪費(fèi)系統(tǒng)資源。因此，合理地設(shè)置鄰區(qū)也是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Leonhard Korowajczuk. LTE， WiMAX and WLAN Network Design， Optimization and Performance Analysis[M]. Hoboken： John Wiley and Sons Ltd， 2011.

[2] Ericsson. LTE Protocols and Procedures[Z]. 2015.

[3] 宋杰，梁伯瀚，梁建君，等. 贏在4G——移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的產(chǎn)業(yè)變革與歷史機(jī)遇[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2014.

[4] 紀(jì)元茂. WCDMA無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的方案分析[J]. 現(xiàn)代電信科技， 2011（11）： 67-70.

[5] 杜剛，熊尚坤，陳曉冬. VoLTE覆蓋與容量分析[J]. 電信科學(xué)， 2013（Z1）： 193-196.

[6] 朱軍. 基于IMS的VoLTE解決方案研究[J]. 電信技術(shù)， 2014（7）： 28-32.

[7] 紀(jì)元茂，謝建兵，張國勝. CDMA網(wǎng)絡(luò)掉話原因及優(yōu)化案例分析[J]. 數(shù)字通信， 2010（3）： 89-93.

[8] 楊紅梅，趙勇. LTE/SAE網(wǎng)絡(luò)語音業(yè)務(wù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)及標(biāo)準(zhǔn)研究[J]. 電信網(wǎng)技術(shù)， 2010（1）： 53-56.

[9] 3GPP TS 23.228. IP Media Subsystem； 3rd Generation Partnership Project （Release 9）[S]. 2011.

[10] 3GPP TS 36.331. Radio Resource Control； 3rd Genera- tion Partnership Project （Release 9）[S]. 2011.★