5G EPS Fallback時延分段分析方法

方東旭 周 徐 廖 亞

（中國移動通信集團重慶有限公司，重慶 400000）

0 引言

5G SA（Standalone，獨立組網）網絡已經全面部署，SA初期主要采用EPS Fallback（Evolved Packet System Fallback）方案作為5G語音業務過渡方案[1]。在現網的實際應用測試中發現，EPS Fallback流程的平均總時延為4s～5s，與傳統的VoLTE（Voice over LTE）語音業務比較，時延多了約2 s～3 s。如果用戶從原來的4G網絡遷移到5G網絡后，使用的語音業務也會同步從VoLTE語音遷移EPS Fallback，到時會發現語音業務時延明顯增加。這種時延增加的變化會導致用戶心理上產生感知差異，有極大的概率會因此而出現投訴情況，造成客戶滿意度的下降。所以針對EPS Fallback的時延優化問題，已成為運營商目前最亟待解決的事情[2]。

1 5G語音方案

國際標準組織3GPP（3rd Generation Partnership Project）已明確了第五代移動通信技術標準（5G NR）沿用第四代移動通信技術標準（4G LTE）的話音架構，仍基于IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統）提供話音業務。4G的無線接入技術為LTE（Long Term Evolution），其上面承載話音稱之為VoLTE；5G的無線接入技術為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實現了全IP（Internet Protocol）化，摒棄了原來的CS（Circuit Switched Domain，電路交換域）域方式，語音服務采用VoLTE語音方案。但為保證語音業務的連續性，考慮到4G網絡覆蓋的擴張及終端生態系統的成熟，全球運營商普遍經歷了從CSFB到VoLTE演進過程。運營商部署5G，除了同樣需要考慮5G網絡覆蓋的擴張及終端生態系統的成熟的因素，還需要考慮眾多5G組網部署選項的因素，在5G網絡建設初期主要將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，可借助現有的LTE網絡和 VoLTE語音的優勢實現5G與VoLTE的語音連續性互操作。

5G語音方案主要有2種技術路線，一是基于LTE/EPC的演進的5G語音，只需部署5G NR，核心網以升級LTE/EPC（Evolved Packet Core，4G核心網）為主，語音由VoLTE提供；二是基于5GC（5G Core，5G核心網）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無線網絡，由VoLTE提供。這樣的情況下，IMS接口需要進行適當調整，以便于滿足5G網絡語音的需求。與傳統的4G網絡語音方案相比，5G網絡語音方案的應用場景更多，方案的多樣性也更為明顯。考慮5G無線網絡部署的需求，5G語音方案除VoNR外，還有EPS Fallback等中間階段補充方案。

2 EPS Fallback語音方案

2.1 VoNR語音方案介紹

VoNR是基于IMS網絡的5G NR語音解決方案，架構在5G核心網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，根據不同的5G網絡架構，存在2個不同選項：1）通過5GC和gNB承載VoNR，信令及業務基于QoS流（QoS Flow）傳輸。2））通過EPC和gNB承載VoNR，信令及業務是基于EPS承載（EPS bearer）傳輸。VoNR通過部署IMS，可以實現語音業務和數據業務并發，終端駐留NR，語音業務和數據業務都承載在NR網絡。當手機移動到NR信號覆蓋較差的區域時，須發起基于覆蓋的切換來實現和4G的互操作，切換到LTE，由VoLTE來提供服務。

2.2 EPS FB語音方案介紹

EPS FB即EPS Fallback，5G NR初期不提供語音業務，當gNB在NR上建立IMS話音通道時觸發切換，此時gNB向5GC發起重定向或者inter-RAT切換請求，回落到LTE網絡，由VoLTE 提供服務。

EPS Fallback的用戶體驗和4G的CSFB（Circuit Switched Fallback，CS語音回落）體驗類似，終端駐留5G NR，一開始語音通話，話音和數據都回落4G LTE。但與4G的CSFB體驗也有不同，如USSD（Unstructured Supplementary Service Data，非結構化補充數據業務）等業務并不會觸發EPS Fallback。EPS Fallback的部署要求是LTE和NR網絡重疊覆蓋。EPS Fallback的好處在于UE/gNB只須支持IMS信令通道（SIP over NR，實時性要求不高），而無須支持IMS話音通道（RTP/RTCP over NR，實時性要求高）；RTP/RTCP over NR往往需要NR持續做網絡優化，以達到語音質量好和UE功耗低的要求。選擇EPS Fallback語音解決方案，運營商可在5G NR初期聚焦發展數據業務，待NR網絡覆蓋和優化后再演進到VoNR。

EPS Fallback是借助4G網絡語音業務的方案，需要4G網絡和5G網絡間進行復雜的互操作，由網絡側發起EPS Fallback流程，使終端通過PSHO or Redirection的方式回落到LTE，建立VoLTE語音業務，由于涉及雙網多網元之間的互操作，EPS Fallback語音業務接續時延相較VoNR和VoLTE都會更長，如圖1所示。

圖1 語音業務流程示意圖

EPS Fallback NAS信令流程詳解[4]：1）UE發起語音業務 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完成鑒權和NAS加密協商流程；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UE能力查詢，UE上報能力信息；8）gNodeB發送INITIAL CONTEXT SETUP RESPONSE指示 PDU Session建立完成；9）UE發起 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下發異系統B1事件測量并收到B1事件測量報告；12）gNodeB向5GC回復響應PDU Session修改，并指示IMS Voice Fallback；13）gNodeB根據開關參數配置和UE能力判斷向5GC發送切換請求；14）5GC將UE上下文信息轉發給EPC；15）EPC向eNodeB發起切換請求；16）EPC收到eNodeB的切換請求響應；17）EPC向5GC轉發eNodeB的切換請求成功響應消息；18）5GC向gNodeB發起切換命令；19）gNodeB向UE發送切換命令；20）UE切換到目標LTE小區；21）UE和EPC間發起TAU流流程；22）EPC觸發QCI=1的語音專用承載的建立。

3 EPS Fallback時延問題現狀分析

EPS Fallback時延統計的信令節點為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+網元，復雜度高于當前VoLTE流程，網絡結構過于復雜，容易導致EPS FB語音感知下降，而且問題定位困難。

3.2 4/5G協同問題

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側進行，EPS Fallback流程為4G和5G協同進行，語音通話在4G側進行，EPS FB時延相比VoLTE時延增加約2 s，須雙網協同優化。

3.3 SA組網的融合性問題

5G核心網絡采用大區制度進行組網，以中國移動西南大區為例，西南大區的控制面設備位于西南地區某核心城市，覆蓋整個西南區域的地市，而在本地只有UPF融合設備。該組網方式會導致數據傳輸節點增加，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元發出，到達哪些網元，即可快速判斷出現異常高時延信令流程涉及的網元。結合EPS Fallback分段原理，對無線側EPS Fallback信令流程INVITE→180Ringing進行分段，根據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，以便快速對異常風險問題進行定界定位。

在5G側準備向4G回落為第一階段，包括T1（叫用戶發起語音業務請求到收到5G基站下發的4G異頻測量請求）、T2（終端收到5G基站下發異系統B1事件測量到上報B1事件測量報告）、T3（終端上報B1事件測量報告到收到4G核心網下發向4G小區的切換命令）、T4（終端收到切換命令到終端切換到4G目標小區成功）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目標小區成功到發起跟蹤區更新請求）、T6（跟蹤區更新請求到跟蹤區更新成功）、T7（跟蹤區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）。

在規避無線問題、核心網問題以及其他所有不利因素的場景下，經過大量測試數據匯聚，得到各個信令分段的參考時延。在后續分析過程中發現實際測試時延超過參考時延，則認定該流程分段存在異常，同時能夠獲取異常分段的相關網元，最終快速定位時延問題。信令分段參考時延及相關網元見表1。

表1 信令分段參考時延及相關網元

4.2 EPS Fallback時延分段分析應用

“三階八步”時延分段法在5G網絡優化的5G SA優化測試中得到廣泛應用，對EPS Fallback時延優化起到重要支撐作用。

對測試過程中EPS Fallback時延超過3s的流程進行分段分析：分析測試數據發現同一區域出現多次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，見表2。

表2 時延分段統計

通過分段時延統計可知該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1134ms，潛在問題點在UE和eNB之間。核查該時段主叫終端占用小區，發現該時段4G覆蓋較差，測量到1350頻點小區的SINR值均＜-4dB，嚴重的質差問題導致T5分段時延嚴重超時。

對一輪網格測試進行統計分析，發現該輪網格測試一共有56次EPS Fallback流程超時，并且所有通話均為的T8分段時延超時。通過分段時延統計可知，T8分段存在超時，即QCI1setup至180Ringing之間存在問題，潛在問題點在UE和基站之間，且涉及被叫側狀態。深入分析，發現EPS Fallback流程階段，無線環境良好，但主叫承載建立完成至振鈴共耗時2400ms，遠超于標準時延。繼續分析發現被叫側無線環境良好，無弱覆蓋、高質差問題，但在同時段被叫側處于空閑態，收到主叫側尋呼后才發起4G側RRC上下文請求，導致T8分段時延增加。

從上述實用案例可以看出，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網元。將EPS Fallback流程化繁為簡，有效地提升了EPS Fallback時延優化效率，使流程長、定位難的問題得到有效解決。

5 結語

該文根據現有協議標準及基站能力，從網絡架構、信令流程等層面對5G網絡主要的語音方案進行了介紹。基于對現有5G語音信令流程的理解和認識，對目前存在的EPS Fallback語音時延較大等痛點問題進行了分析，提出了基于關鍵信令節點分段的EPS Fallback時延分段分析方法。介紹了根據該方法計算出來的分段時延，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，可以快速地計算出關鍵流程的時延，快速發現異常問題、異常信令流程，直接關聯EPS FB時延問題相關網元，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。