EPS Fallback的5G SA語音呼叫建立時(shí)延分析

劉贏 李佳 康鐵 胡翔

【摘要】在5G VoNR尚未成熟之前，5G SA語音呼叫主要解決方案仍為EPS Fallback，其建立過程需要4/5G網(wǎng)絡(luò)以及IMS網(wǎng)絡(luò)橫向協(xié)作，涉及UE、eNB、gNB、EPC、5GC、IMS、承載網(wǎng)等多個(gè)網(wǎng)元?？v向包含控制面與用戶面交互，形成一個(gè)立體多維模型。橫向和縱向交織，造成呼叫建立時(shí)延因素增加。本文從多角度多維度分析影響5G SA呼叫建立時(shí)延因素，其中包括傳輸距離、組網(wǎng)架構(gòu)、信令流程等。為呼叫建立過程中縮短時(shí)延、提升用戶呼叫體驗(yàn)提供解決思路。

【關(guān)鍵詞】5G SA;呼叫時(shí)延;組網(wǎng)架構(gòu);信令流程

中圖分類號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.15.009

從國家戰(zhàn)略部署以及業(yè)務(wù)應(yīng)用發(fā)展來看，中國5G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)并存必將是一個(gè)長期的過程。5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全覆蓋之前，在很長時(shí)間內(nèi)，4G網(wǎng)絡(luò)都是5G網(wǎng)絡(luò)的良好補(bǔ)充。這就意味著5G用戶將會(huì)在4/5G網(wǎng)絡(luò)間頻繁切換。移動(dòng)過程中的業(yè)務(wù)連續(xù)性直接影響用戶體驗(yàn)，尤其是語音類業(yè)務(wù)。

隨著5G SA商用，5G用戶數(shù)量逐漸增加，受限于終端成熟度和無線優(yōu)化工作量巨大，在VoNR沒有部署情況下，現(xiàn)階段5G語音解決方案仍然是EPS Fallback，即用戶打電話的時(shí)候，從5G網(wǎng)絡(luò)回落到4G網(wǎng)絡(luò)，通過4G網(wǎng)絡(luò)接入vIMS實(shí)現(xiàn)話音業(yè)務(wù)的呼叫。在流程上相當(dāng)于用戶從4G無線網(wǎng)接入，再由融合核心網(wǎng)網(wǎng)元UPF/GW-U接入IMS網(wǎng)絡(luò)的SBC/P-CSCF，后續(xù)流程同現(xiàn)有的VoLTE流程。EPS Fallback流程從設(shè)計(jì)上就較為復(fù)雜，因此，在呼叫建立時(shí)延和呼通率指標(biāo)提升方面具有較高的難度。本文聚焦于呼叫建立時(shí)延的分析指導(dǎo)，并希望在使用中不斷完善豐富。

1. EPS Fallback流程

5G用戶語音業(yè)務(wù)從5G基站接入后，如果發(fā)起或收到語音呼叫，5G網(wǎng)絡(luò)指示用戶回落4G完成語音承載建立的過程，我們稱之為EPS Fallback?；贜26接口的EPS Fallback包括兩種方式實(shí)現(xiàn)：1有N26接口時(shí)基于切換的EPS回落;2有N26接口時(shí)基于重選的EPS回落。

1.1 5GC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G核心網(wǎng)根據(jù)網(wǎng)元的性質(zhì)按照三層架構(gòu)部署，其中骨干/國際層設(shè)備部署在區(qū)域DC，省層5G核心網(wǎng)部署在省DC，地市層面只按需要部署UPF/GW-U或UPF，設(shè)置在地市層的DC。

1.1.1. 骨干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)組織

骨干層的網(wǎng)元主要包括骨干NRF（H-NRF）以及5G國際局。H-NRF連接各省L-NRF，主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)接跨省的網(wǎng)元發(fā)現(xiàn)查詢與應(yīng)答消息。5G國際局負(fù)責(zé)5G國際漫出和國際漫入業(yè)務(wù)的處理。

省網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)組織。省層面核心網(wǎng)網(wǎng)元主要包括AMF、SMF、AUSF、UDM、NSSF、PCF、UPF、BSF、L-NRF。為了實(shí)現(xiàn)4G網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)的互操作，需要將部分4G與5G網(wǎng)元融合設(shè)置，即新建的SMF支持GW-C功能，PCF支持PCRF功能，UDM支持HSS功能，UPF支持GW-U功能;地市層網(wǎng)絡(luò)組織。5G核心網(wǎng)在地市層的網(wǎng)絡(luò)主要包括UPF/SAEGW-U;5G核心網(wǎng)與IMS網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系5G商用初期，語音業(yè)務(wù)采用EPS Fallback方式，即用戶打電話的時(shí)候，從5G網(wǎng)絡(luò)回落到4G網(wǎng)絡(luò)，通過4G網(wǎng)絡(luò)接入vIMS實(shí)現(xiàn)話音業(yè)務(wù)的呼叫，在流程上相當(dāng)于用戶從4G無線網(wǎng)接入，再由融合核心網(wǎng)網(wǎng)元UPF/SAEGW-U接入IMS網(wǎng)絡(luò)的SBC/P-CSCF，后續(xù)流程同現(xiàn)有的VoLTE流程。

2. 呼叫建立時(shí)延分析

2.1 組網(wǎng)架構(gòu)對(duì)呼叫時(shí)延的影響

組網(wǎng)架構(gòu)對(duì)呼叫建立時(shí)延的影響主要體現(xiàn)在傳輸距離以及網(wǎng)絡(luò)部署不同導(dǎo)致的流程不同等方面。

2.1.1 傳輸距離對(duì)時(shí)延的影響

基站的位置是相對(duì)固定的，而核心網(wǎng)的選擇各有不同。選擇不同的核心網(wǎng)接入，對(duì)應(yīng)的距離不同，會(huì)引入不同的時(shí)延。例如國內(nèi)主流運(yùn)營商有的是EPC/5GC/IMS網(wǎng)元都存在大區(qū)制，各省也有自己的傳統(tǒng)EPC和IMS。另外還有的運(yùn)營商SGW采用新部署的融合5G GW-C/SMF。這種不同選擇所帶來的物理距離時(shí)延無法避免，也是最常見的引入時(shí)延環(huán)節(jié)。

以在5G大區(qū)制部署遇到的典型場(chǎng)景為例：

如果5GC控制面雙DC部署，非大區(qū)省份選擇到距離較遠(yuǎn)的DC，會(huì)引入距離產(chǎn)生的時(shí)延;另外選擇的用戶面是在大區(qū)UPF或省中心UPF還是下沉在地市UPF，都會(huì)帶來不同的用戶時(shí)延;

不同網(wǎng)絡(luò)的選擇，傳輸距離不同，會(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)的時(shí)延結(jié)果也不一樣。一般情況下實(shí)測(cè)結(jié)果是多種因素的疊加，有的增加時(shí)延有的減少時(shí)延，要識(shí)別正面還是負(fù)面影響。

以某運(yùn)營商實(shí)測(cè)為例，僅將IMS網(wǎng)元SBC從A市資源池調(diào)整為B市本地設(shè)備，呼叫建立時(shí)延縮短160ms。而采用本地AMF+SMF，和采用跨省AMF+SMF，其余條件不變，時(shí)延相差約500ms。因此，做時(shí)延優(yōu)化之前，首先確定最優(yōu)的組網(wǎng)架構(gòu)，原則建議如下：用戶面網(wǎng)元盡量下沉，靠近基站側(cè)，包括5G UPF和4G SBC網(wǎng)元;控制面網(wǎng)元盡量能就近選擇，避免跨大區(qū)、跨省調(diào)用。以上幾個(gè)原則一般能夠使傳輸距離帶來的時(shí)延趨向于最小。

2.1.2? 網(wǎng)絡(luò)部署對(duì)于時(shí)延的影響

相比與分離部署，5G核心網(wǎng)網(wǎng)元中例如SMF可以選擇4/5G融合部署，即將SGW/PGW&SMF合一部署，將外部傳輸時(shí)延轉(zhuǎn)為內(nèi)部處理時(shí)延，能夠大大提升傳輸效率。

2.2 5G核心網(wǎng)與4G核心網(wǎng)控制面流程對(duì)呼叫時(shí)延的影響

控制面的流程交互越少，特別是在端到端處理關(guān)鍵路徑上的流程優(yōu)化，對(duì)縮短時(shí)延有很大幫助。關(guān)鍵流程如下。

2.2.1 關(guān)閉鑒權(quán)

一次鑒權(quán)過程對(duì)端到端時(shí)延的影響，外場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果在300～500ms之間。4G側(cè)MME和5G側(cè)AMF在配置上支持關(guān)閉鑒權(quán)。目前重定向回落方式，MME一般默認(rèn)配置為強(qiáng)制鑒權(quán)。切換回落方式，MME一般配置為關(guān)閉鑒權(quán)。一次鑒權(quán)方案需要滿足業(yè)界或企業(yè)規(guī)范要求，需視實(shí)際情況而定。

2.2.2 語音尋呼策略

為了達(dá)到盡快尋呼到用戶的目的，對(duì)語音業(yè)務(wù)觸發(fā)的尋呼可以采用一次尋呼，尋呼范圍直接精準(zhǔn)到TAList。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可采用三次尋呼策略。尋呼策略的不同對(duì)時(shí)延影響也是不同的，具體采用哪種尋呼策略要視無線覆蓋、地形地貌等多方面因素綜合考量。

2.2.3 IMS APN 4/5G網(wǎng)絡(luò)簽約參數(shù)保持一致

終端在4/5G互操作時(shí)，每到一個(gè)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)都會(huì)檢查QoS參數(shù)，并根據(jù)變化主動(dòng)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)側(cè)的QoS修改流程。這個(gè)流程的引入會(huì)增加與EPS Fallback流程沖突機(jī)率，沖突處理導(dǎo)致的緩存等操作也會(huì)惡化呼叫建立時(shí)延。

因此建議對(duì)于IMS會(huì)話，保持4/5G簽約參數(shù)相同，APN AMBR和ARP要保證4/5G簽約相同，速率按kbps的整數(shù)倍簽約。如果采用IWF轉(zhuǎn)接方案，5G簽約是由IWF從4G簽約參數(shù)做轉(zhuǎn)換的，從機(jī)制上保證了簽約參數(shù)相同。如果采用4/5G融合UDM方案，需要檢查簽約模板是否滿足上述要求。

2.2.4 關(guān)閉從5G到4G SMF網(wǎng)元向UDM的去注冊(cè)去訂閱

通過抓取語音信令觀察發(fā)現(xiàn)，用戶回落4G時(shí)，SMF在5G側(cè)與UDM有去注冊(cè)和去訂閱的交互，并且SMF的處理邏輯為先完成去注冊(cè)和去訂閱過程，再啟動(dòng)Create Bearer創(chuàng)建語音專載處理。實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)如果采用IWF方案，AMF/SMF網(wǎng)元通過IWF與現(xiàn)網(wǎng)HSS進(jìn)行交互，并且經(jīng)過DRA轉(zhuǎn)發(fā)，N8/N10的接口時(shí)延較長。實(shí)測(cè)N8口一對(duì)消息交互有大約30-60ms，如關(guān)閉SMF向UDM的注冊(cè)去訂閱不僅可簡(jiǎn)化EPS Fallback流程處理，也可縮短呼叫建立時(shí)延和快速返回5G的時(shí)延。

2.2.5 TAList（5G稱為注冊(cè)區(qū)）內(nèi)語音能力配置相同

一般來說，To C語音業(yè)務(wù)全網(wǎng)能力應(yīng)一致。保持TAList內(nèi)語音能力相同，可避免被叫側(cè)出現(xiàn)可選的TAD-S域選功能，拉大時(shí)延。目前該規(guī)則一般為默認(rèn)配置，不推薦手工修改。

2.2.6 主叫側(cè)SMF獲取到位置信息后立即通知PCF

語音呼叫建立時(shí)，IMS系統(tǒng)會(huì)訂閱用戶位置信息，當(dāng)收到包含位置信息的RAR時(shí)，才會(huì)開始轉(zhuǎn)發(fā)主叫用戶的INVITE消息到被叫，在此之前IMS系統(tǒng)處于等待狀態(tài)。而SMF/PGW-C一般會(huì)在專載建立完成后，向PCF發(fā)起策略更新消息上報(bào)位置信息。

正常情況下，用戶在回落到4G時(shí)，MME向SGW發(fā)送Create Session Request時(shí)，就已經(jīng)包含了當(dāng)前用戶在4G的ULI信息，SGW在向PGW發(fā)送Modify Bearer Request消息時(shí)，可將用戶當(dāng)前ULI信息發(fā)給SMF/PGW-C。如果SMF/PGW-C此時(shí)向PCF發(fā)送策略更新上報(bào)位置，那么IMS可以提前觸發(fā)被叫側(cè)建立流程，呼叫時(shí)延可進(jìn)一步縮減。

2.2.7 S5/S8的隧道信息在5G會(huì)話建立時(shí)提前分配

用戶從5G回落4G時(shí)，AMF向SMF獲取會(huì)話上下文，SMF向UPF發(fā)送N4 Modification流程，UPF分配4G使用的S5/S8-U隧道信息。對(duì)于具備4/5G互操作能力的會(huì)話，S5/S8-U隧道信息可以在該會(huì)話初始建立時(shí)提前分配，用戶后續(xù)回落4G時(shí)，這對(duì)消息就可省略。目前To C終端缺省建立兩個(gè)會(huì)話，那么實(shí)際就可省略兩對(duì)N4口消息交互。從而在一定程度上進(jìn)一步壓縮呼叫時(shí)延。

2.2.8 其他可能影響語音呼叫時(shí)延的場(chǎng)景

做時(shí)延攻關(guān)時(shí)發(fā)現(xiàn)，彩鈴業(yè)務(wù)由于是協(xié)商和播放完成后再次協(xié)商語音QoS，終端才能收到180Ring，對(duì)時(shí)延影響較大。但由于彩鈴業(yè)務(wù)的時(shí)延是VoLTE階段就引入的，與5G并沒有直接關(guān)系，因此時(shí)延攻關(guān)需要端到端聯(lián)合分析，逐段排查。

3. 結(jié)論

如何在EPS Fallback流程中縮短用戶時(shí)延是各大運(yùn)營商都非常關(guān)注的問題。本文從幾個(gè)方面探討分析了影響用戶呼叫時(shí)延的因素以及常用解決思路，總結(jié)如下：

傳輸距離引入的時(shí)延無法避免，可以通過下沉UPF、選擇合適區(qū)域的物理網(wǎng)元來使傳輸距離盡量小從而降低時(shí)延;能夠合一部署的網(wǎng)元盡量合一部署，將外部傳輸時(shí)延轉(zhuǎn)換為內(nèi)部處理時(shí)延;控制面的流程交互越少，呼叫時(shí)延越小，特別是在端到端處理關(guān)鍵路徑上的流程優(yōu)化能夠大幅度降低呼叫建立時(shí)延;可以通過優(yōu)化IMS呼叫建立流程來降低呼叫建立時(shí)延。

壓降5G SA用戶語音呼叫業(yè)務(wù)時(shí)延能夠直接提升用戶體驗(yàn)，而受限于終端成熟度和無線優(yōu)化工作量巨大，在沒有部署VoNR前5G語音解決方案仍然是EPS Fallback。希望本文能對(duì)解決當(dāng)前基于EPSFallbace 5G SA語音呼叫建立時(shí)延問題提供一些借鑒。

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