基于时延的CSFB端到端质量优化

郭宝+张阳

【摘要】目前中国移动CSFB策略为在TD-LTE系统发起的语音呼叫回落到2G网络，通话结束后终端通过自主FR或重选返回4G网络，CSFB过程的时延主要体现在语音建立时的回落时延，挂机后重选回TD-LTE系统的时延，这也是需要网络协同优化的关键。主要针对CSFB终端在发生通话业务过程中与用户感知密切相关的时延，从通话建立过程和返回4G过程来开展CSFB端到端的质量优化分析。

【关键词】CSFB 通话建立 FR 端到端

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2014）-16-

[Abstract]At present， the CSFB strategy of China Mobile is responsible for the fallback of speech calls initiated in TD-LTE system to 2G network. When a call terminates， terminal returns to 4G network through independent FR or reselection. Since the delay of CSFB process mainly lies in the fallback delay in the stage of call establishment， as well as the delay after call ending and returning to TD-LTE system， they are the key factors which should be co-optimized. In this paper， the optimization analysis of CSFB end-to-end quality in the processes from call establishment to returning to 4G network are conducted according to the delay of CSFB terminal related to the users perception during call process.

[Key words]CSFB call establishment FR end to end

1 引言

当前TD-LTE系统有3种语音解决方案，包括：CSFB（Circuit Switch Fall Back，语音回落）、单卡双待、单次无线话音呼叫连续IMS/SRVCC。目前使用较多的是CSFB（苹果、Sony终端）与单卡双待（三星、华为、中兴等终端）。

CSFB方案为：LTE终端空闲态下驻留在LTE网络上，用户发起呼叫或收到呼叫时，回落到2G/3G网络，呼叫结束后，再返回到LTE网络。目前中国移动CSFB策略为在TD-LTE系统发起的语音呼叫回落到2G网络，在超出4G覆盖区域优先驻留到3G网络。2G核心网的VMSC需采用Pool组网，Pool内所有VMSC均按照标准CSFB方式提供服务。

单卡双待方案为：单卡双待终端空闲态下同时驻留在2G/3G和LTE网络上，用户通过2G/3G的CS网络发起语音呼叫，用户通过LTE网络发起数据业务呼叫。

IMS/SRVCC方案为：LTE终端在同一时刻只能驻留在一个网络上（LTE或者2G/3G），在LTE覆盖区，数据和语音业务都承载在LTE网络中，离开LTE覆盖区，由2G/3G网络为其服务，支持LTE到2G/3G切换等互操作。

2 用户感知的CSFB时延

CSFB作为TD-LTE语音解决方案，业务过程共4个步骤：LTE/GSM网络联合附着；通话建立过程回落到GSM；在GSM发起语音呼叫；结束后返回LTE网络。用户能感知到的时延体现在两方面：语音建立时的回落时延；挂机后重选回TD-LTE系统的时延。这两个过程都属于UE在两网间跨越过程，是CSFB关注的重点，也是2G/4G两网协同优化的重点。

2.1 语音建立时延

当UE驻留在TD-LTE网络，需要发起语音主叫或者被叫过程时，网络会通过RRC重定向过程，将CS语音业务回落到GSM网络中来完成，而正在进行的PS域数据业务需要暂时挂起。CSFB语音回落过程包括3个步骤：通过重定向回落至GSM；在GSM中读取系统消息；在GSM中进行语音呼叫。其中，最后一步与2G流程一致，新增额外呼叫时延产生于前两个步骤，时延具体可以划分为以下3个部分：

（1）LTE侧时延

UE语音拨打时，会发一条Extend Service Request，消息里会包括CSFB信息，之后在网络协助下回落GSM。回落时，网络会下发RRC Connection Release，告知UE需要测量的GSM频点，至此完成LTE侧流程。根据实际测试，此部分时延波动范围为150～300ms。

（2）同步GSM时延

UE根据RRC Connection Release消息中的GSM频点搜索FCCH信道，使得UE的频率与之同步，之后读取SCH信道完成帧同步，然后开始读取BCCH信道上的系统消息。根据实际测试，此部分时延波动范围为500～1 000ms。

（3）读取GSM广播时延

UE在随机接入GSM网络之前，需要在BCCH信道上读取系统消息。SI1，2每8个51个复帧周期中（8*51*4.615ms）发1次。SI3，4每8个51复帧周期中（8*51*4.615ms）发2次。现网设置中关于GPRS的SI13是在BCCH Norm中TC=4下发。根据51复帧结构计算，完成读取完成系统消息的时延波动范围为1 176～1 882ms。最理想情况是在TC 0～4连续读取完SI1～4，SI13，耗时1 176ms；在无线环境较差的环境下，需等待8个复帧才读取完成，耗时1 882ms。根据51复帧结构计算，完成读取完成系统消息的时延波动范围为940～1 882ms。endprint

综上所述，CSFB新增的额外时延（单端TD-LTE至GSM）范围为1 630～3 180ms，但如果UE在读取完系统消息后发生小区重选或位置区更新，则时延将会叠加，此部分不确定因素也是影响时延波动的主要因素。若呼叫为双端（TD-LTE至TD-LTE），则主叫的呼叫延时感知将翻倍。现场测试的CSFB标准方案（R8重定向）呼叫时延以及与2G网络发起呼叫的时延对比如图1所示：

2.2 通话结束自主FR返回LTE时延

目前TD-LTE网络支持的返回方案比较如下：

（1）重选：手机通过读取SI2quater消息（与SI13轮流发送，目前在华为设备下分4段，无SI2bis情况下每段之间间隔为3.766s）中的重选信息发起GSM→LTE测量；

（2）Fast Return：手机根据GSM网络的Channel Release消息中携带的频点对LTE网络进行脱网重搜，如果搜索不到目标LTE频点，将开始全频段搜索，可能带来30s以上的不可及时间；

（3）终端自主的Fast Return：目前部分芯片厂家已经实现终端级别的FR，手机挂机之后优先返回之前驻留的频点，如果超过一定时间（比如2s）未接入LTE网络，手机将驻留在GSM网络上，避免不可及时间过长。

终端在2G侧挂机后，根据之前芯片记忆的LTE频点，在2s之内直接返回LTE网络。如果2s超时，则驻留2G网络，之后可通过标准的2G→3G→4G桥接重选方式返回4G网络。3G侧需开通空闲态下重选以及连接态下重定向功能。在TD-LTE现网测试2G→3G→4G桥接重选方式返回4G网络的时间较长，其中2G→3G需41.6s，3G→4G需35.3s。终端自主FR方案无需现网2G设备升级，iPhone 5s在2G/3G网络起呼不会触发终端自主FR。

3 CSFB通话建立过程的时延优化

3.1 CSFB回落不成功导致的时延长或接不通

如果CSFB回落不成功，用户的终端在4G网络脱网，发起重新驻留流程，将会选择优先级较高的3G网络，再发起语音呼叫。也就是说，如果CSFB回落到3G网络，就表示本次CSFB回落不成功。实地测试显示，当CSFB终端发起语音呼叫时，回落不成功将导致本次主叫听到回铃音需22s。按照目前的呼叫设置，若CSFB终端做被叫时回落不成功，本次电话将无法接通。

在CSFB优化前期，如果MME或eNB没有打开CSFB功能，那么CSFB必然回落不成功，这个问题可以通过参数核查来规避。若MME配置的参数TAC与LAC未一一对应，也将导致CSFB回落不成功。实地测试分析如下：

用户反映在绛县部分LTE站点iPhone 5s无法拨打电话。经过实地测试发现，以三星为主的单卡双待终端可以正常拨打电话，也可以正常上网；iPhone 5s可以正常上网，但是拨打电话经常打不通，能拨通的情况也需要等很长时间（约30s），做被叫时也经常提示“被叫无法接通”。经过多个点测试，发现该问题只在部分点出现，其他区域iPhone 5s拨打、接听电话一切正常。

使用CDS仪表进行CSFB业务测试，无法正常进行，而离开问题区域，在其他站点下CSFB业务恢复正常，因此基本把问题锁定在个别站点。同时，还对全网其他同一TAC号下的站点进行了测试，发现所有TAC为13 727的站点都无法做CSFB业务，而TAC为13 717的则一切正常，所以估计为MME配置问题导致。

进一步分析CSFB回落不成功的信令流程，发现都是在进行联合附着时出现问题，Attach Request携带了联合附着的IE，但是Attach Accept仅完成LTE侧的附着，附着成功的消息中显示只有在EPS系统附着成功。也就是说，CSFB终端并未完成联合附着。

联系核心网MME侧进行核查，发现MME侧未添加GSM侧LAC 13717、LAC 13727的CSFB功能，上述两个2G LAC与TD-LTE侧的TAC号也未一一对应。将MME添加上述两个LAC后，并把LAC与TAC添加一一对应关系，问题得到解决。

3.2 LTE小区添加2G BCCH频点数量的测试

CSFB终端语音回落过程是4G终端在发起语音呼叫时，会发起一个由4G向2G网络的盲重定向过程，此时会选择一个合适的2G频点进行回落，回落成功后在2G小区发起呼叫。由此看来，CSFB的关键是在4G小区上对GSM邻区（即2G的BCCH频点）的规划。

从CSFB流程上看，Extended Service Request到RRC Connection Release属于CSFB流程中LTE侧流程，其他信令属于GSM流程。选取LTE某小区添加GSM外部邻区频点，分别添加1个和28个进行CSFB时延测试。

LTE小区添加不同个数GSM外部频点的CSFB回落时延统计如表1所示：

从表1可知，两种配置下，从Extended Service Request到RRC Connection Release的CSFB时延差50ms，所以LTE添加多少个GSM频点对时延影响不大，可以全网进行统一的30频点配置。

完成LTE小区添加不同GSM邻区频点个数的语音回落时延测试，为4G小区如何添加2G邻区做出了明确的指导。如GSM网络BCCH频点已实现分层管理，假设室分BCCH频点为21—24，宏站BCCH频点为25—50，共30个频点，按照上述CSFB时延测试，可以为每个LTE小区添加30个GSM900M BCCH频点，大大简化LTE添加GSM频点的优化工作量。需要关注的是：在GSM MSC Pool边界，由于存在跨Pool边界CSFB终端收不到寻呼消息的问题，相应LTE小区的GSM频点需精细做个性化设置。endprint

3.3 无线侧2G/4G小区TAC与LAC未对齐的时延

LTE和GSM小区的TAC、LAC要求对齐，CSFB终端回落到GSM后，UE首先完成在GSM小区的广播消息的读取和驻留，而后才发起语音呼叫。如果回落到GSM测量到GSM小区和LTE的侧联合登记的LAC不一致，UE首先完成位置更新，而后继续进行语音业务（不跨Pool的情况下）。从CSFB正常回落的信令流程中看到，如果回落后未发生位置更新，从扩展服务请求到Setup的时间仅为3.7s。但是，如果无线侧2G/4G小区的TAC与LAC未对齐，CSFB回落后发生位置更新导致CSFB接通时延增加1s左右，如图2所示：

TA和LA的部署不当，导致CSFB性能会大幅下降，主叫流程中增加位置更新流程，被叫流程中增加Roaming Retry流程，从而增加寻呼的时延。为避免UE回落到GSM发生位置更新，减少呼叫时延，需要保障相同覆盖范围的LTE和GSM小区的TAC、LAC配置一致。

4 CSFB通话结束后返回LTE的时延

如CSFB终端支持自主FR功能，通话结束后挂机由2G重选回4G仅0.5～1s；如终端不支持FR功能，从2G重选回LTE的试验将遵循空闲态GSM网络重选至TD-LTE的参数设置。若现网2G小区已添加4G邻区，则不支持自主FR功能的终端将遵循从2G重选入4G的重选参数；若2G小区未添加4G邻区，则将通过3G小区桥接重选回到4G网络。在没有3G基站共址的情况下，2G小区必须添加4G邻区。

在现网优化中，发现支持自主FR的CSFB终端在室内通话结束后，先返回室外比较弱的LTE小区，然后再由室外小区重选回室内LTE小区，相当于返回一个合理的LTE小区的时延增大。在某办公楼，终端呼叫结束后自主FR功能由2G返回4G时，都是先自主FR选回频点38 350（F频段，室外小区），PCI 141小区，再由PCI 141小区重选到频点38 950（E频段，室分小区），PCI 486小区。此时两小区RSRP相差49.6dB，重选的过程中发起的业务请求可能得不到质量保证。

通过对问题小区进行测试分析，发现在CSFB通话结束后，下发的Channel Release信息里携带了LTE频点（F频段），但未带GSM同覆盖下的最强RSCP小区频点（E频段），核查周边其他小区，发现部分LTE，其Channel Release未携带LTE频点信息。对GSM配置LTE重选参数及LTE频段进行修改，选择未配置频点。修改完成后，实测发现终端在CSFB通话结束后自主FR返回LTE网络时，可以选择为最强信号的LTE频点。

通过分析可以得出，终端在自主FR返回LTE时，受GSM参数配置影响来确定回落后的小区。如果配置2G至4G重选参数及频段，需要准确配置同覆盖小区频点；如果2G不配置4G频点，也可以正常回落到LTE最强覆盖小区。

5 总结

CSFB是LTE语音解决方案的一种方式，由于起呼过程中涉及到4G网络的RRC Release以及2G的语音接入流程，接续时延会比2G通话接续略长，所以CSFB终端的语音通话接入时延是需要重点关注的优化内容。影响CSFB接续及返回4G时延的原因有很多，需关注CSFB终端联合附着LTE/GSM网络、MME/eNB关键CSFB参数核查以及LTE小区添加GSM BCCH频点的合理性。除此之外，CSFB过程对GSM的语音通话建立过程也提出了明确的要求。总体来说，CSFB过程涉及LTE与GSM两网，对2G/4G网络互操作、两网协同优化提出了更高的要求。

参考文献：

[1] 徐德平，耿鲁静. 浅析LTE系统CSFB话音解决方案[J]. 电信工程技术与标准化， 2013（1）： 55-59.

[2] 刘宇，李赟，聂永霞，等. LTE网络部署CSFB话音时MSC改造范围分析[J]. 广东通信技术， 2012（12）： 36-39.

[3] 许鹏飞，蔡玉坤，曹云娣，等. 浅谈CSFB方案在LTE中的应用[J]. 科技创新与应用， 2014（12）： 43-44.

[4] 周彦，武欣. TD-LTE CSFB话音解决方案研究[J]. 移动通信， 2011（19）.

[5] 胡英，强宇红，汤凯. LTE话音业务解决方案分析与探讨[A]. 中国通信学会信息通信网络技术委员会2009年年会论文集（下册）[C]. 2009.

作者简介

郭宝：工程师，工程硕士，现任职于中国移动通信集团山西有限公司，主要研究方向为TD-SCDMA、TD-LTE无线网络优化，出版专著1本，发表论文60余篇。

张阳：工程师，博士，现任职于中国移动通信集团公司网络部，主要研究方向为TD-SCDMA无线网络优化、TD-LTE无线网络新技术，拥有多项国家发明专利，发表论文数十篇。endprint

3.3 无线侧2G/4G小区TAC与LAC未对齐的时延

LTE和GSM小区的TAC、LAC要求对齐，CSFB终端回落到GSM后，UE首先完成在GSM小区的广播消息的读取和驻留，而后才发起语音呼叫。如果回落到GSM测量到GSM小区和LTE的侧联合登记的LAC不一致，UE首先完成位置更新，而后继续进行语音业务（不跨Pool的情况下）。从CSFB正常回落的信令流程中看到，如果回落后未发生位置更新，从扩展服务请求到Setup的时间仅为3.7s。但是，如果无线侧2G/4G小区的TAC与LAC未对齐，CSFB回落后发生位置更新导致CSFB接通时延增加1s左右，如图2所示：

TA和LA的部署不当，导致CSFB性能会大幅下降，主叫流程中增加位置更新流程，被叫流程中增加Roaming Retry流程，从而增加寻呼的时延。为避免UE回落到GSM发生位置更新，减少呼叫时延，需要保障相同覆盖范围的LTE和GSM小区的TAC、LAC配置一致。

4 CSFB通话结束后返回LTE的时延

如CSFB终端支持自主FR功能，通话结束后挂机由2G重选回4G仅0.5～1s；如终端不支持FR功能，从2G重选回LTE的试验将遵循空闲态GSM网络重选至TD-LTE的参数设置。若现网2G小区已添加4G邻区，则不支持自主FR功能的终端将遵循从2G重选入4G的重选参数；若2G小区未添加4G邻区，则将通过3G小区桥接重选回到4G网络。在没有3G基站共址的情况下，2G小区必须添加4G邻区。

在现网优化中，发现支持自主FR的CSFB终端在室内通话结束后，先返回室外比较弱的LTE小区，然后再由室外小区重选回室内LTE小区，相当于返回一个合理的LTE小区的时延增大。在某办公楼，终端呼叫结束后自主FR功能由2G返回4G时，都是先自主FR选回频点38 350（F频段，室外小区），PCI 141小区，再由PCI 141小区重选到频点38 950（E频段，室分小区），PCI 486小区。此时两小区RSRP相差49.6dB，重选的过程中发起的业务请求可能得不到质量保证。

通过对问题小区进行测试分析，发现在CSFB通话结束后，下发的Channel Release信息里携带了LTE频点（F频段），但未带GSM同覆盖下的最强RSCP小区频点（E频段），核查周边其他小区，发现部分LTE，其Channel Release未携带LTE频点信息。对GSM配置LTE重选参数及LTE频段进行修改，选择未配置频点。修改完成后，实测发现终端在CSFB通话结束后自主FR返回LTE网络时，可以选择为最强信号的LTE频点。

通过分析可以得出，终端在自主FR返回LTE时，受GSM参数配置影响来确定回落后的小区。如果配置2G至4G重选参数及频段，需要准确配置同覆盖小区频点；如果2G不配置4G频点，也可以正常回落到LTE最强覆盖小区。

5 总结

CSFB是LTE语音解决方案的一种方式，由于起呼过程中涉及到4G网络的RRC Release以及2G的语音接入流程，接续时延会比2G通话接续略长，所以CSFB终端的语音通话接入时延是需要重点关注的优化内容。影响CSFB接续及返回4G时延的原因有很多，需关注CSFB终端联合附着LTE/GSM网络、MME/eNB关键CSFB参数核查以及LTE小区添加GSM BCCH频点的合理性。除此之外，CSFB过程对GSM的语音通话建立过程也提出了明确的要求。总体来说，CSFB过程涉及LTE与GSM两网，对2G/4G网络互操作、两网协同优化提出了更高的要求。

参考文献：

[1] 徐德平，耿鲁静. 浅析LTE系统CSFB话音解决方案[J]. 电信工程技术与标准化， 2013（1）： 55-59.

[2] 刘宇，李赟，聂永霞，等. LTE网络部署CSFB话音时MSC改造范围分析[J]. 广东通信技术， 2012（12）： 36-39.

[3] 许鹏飞，蔡玉坤，曹云娣，等. 浅谈CSFB方案在LTE中的应用[J]. 科技创新与应用， 2014（12）： 43-44.

[4] 周彦，武欣. TD-LTE CSFB话音解决方案研究[J]. 移动通信， 2011（19）.

[5] 胡英，强宇红，汤凯. LTE话音业务解决方案分析与探讨[A]. 中国通信学会信息通信网络技术委员会2009年年会论文集（下册）[C]. 2009.

作者简介

郭宝：工程师，工程硕士，现任职于中国移动通信集团山西有限公司，主要研究方向为TD-SCDMA、TD-LTE无线网络优化，出版专著1本，发表论文60余篇。

张阳：工程师，博士，现任职于中国移动通信集团公司网络部，主要研究方向为TD-SCDMA无线网络优化、TD-LTE无线网络新技术，拥有多项国家发明专利，发表论文数十篇。endprint

3.3 无线侧2G/4G小区TAC与LAC未对齐的时延

LTE和GSM小区的TAC、LAC要求对齐，CSFB终端回落到GSM后，UE首先完成在GSM小区的广播消息的读取和驻留，而后才发起语音呼叫。如果回落到GSM测量到GSM小区和LTE的侧联合登记的LAC不一致，UE首先完成位置更新，而后继续进行语音业务（不跨Pool的情况下）。从CSFB正常回落的信令流程中看到，如果回落后未发生位置更新，从扩展服务请求到Setup的时间仅为3.7s。但是，如果无线侧2G/4G小区的TAC与LAC未对齐，CSFB回落后发生位置更新导致CSFB接通时延增加1s左右，如图2所示：

TA和LA的部署不当，导致CSFB性能会大幅下降，主叫流程中增加位置更新流程，被叫流程中增加Roaming Retry流程，从而增加寻呼的时延。为避免UE回落到GSM发生位置更新，减少呼叫时延，需要保障相同覆盖范围的LTE和GSM小区的TAC、LAC配置一致。

4 CSFB通话结束后返回LTE的时延

如CSFB终端支持自主FR功能，通话结束后挂机由2G重选回4G仅0.5～1s；如终端不支持FR功能，从2G重选回LTE的试验将遵循空闲态GSM网络重选至TD-LTE的参数设置。若现网2G小区已添加4G邻区，则不支持自主FR功能的终端将遵循从2G重选入4G的重选参数；若2G小区未添加4G邻区，则将通过3G小区桥接重选回到4G网络。在没有3G基站共址的情况下，2G小区必须添加4G邻区。

在现网优化中，发现支持自主FR的CSFB终端在室内通话结束后，先返回室外比较弱的LTE小区，然后再由室外小区重选回室内LTE小区，相当于返回一个合理的LTE小区的时延增大。在某办公楼，终端呼叫结束后自主FR功能由2G返回4G时，都是先自主FR选回频点38 350（F频段，室外小区），PCI 141小区，再由PCI 141小区重选到频点38 950（E频段，室分小区），PCI 486小区。此时两小区RSRP相差49.6dB，重选的过程中发起的业务请求可能得不到质量保证。

通过对问题小区进行测试分析，发现在CSFB通话结束后，下发的Channel Release信息里携带了LTE频点（F频段），但未带GSM同覆盖下的最强RSCP小区频点（E频段），核查周边其他小区，发现部分LTE，其Channel Release未携带LTE频点信息。对GSM配置LTE重选参数及LTE频段进行修改，选择未配置频点。修改完成后，实测发现终端在CSFB通话结束后自主FR返回LTE网络时，可以选择为最强信号的LTE频点。

通过分析可以得出，终端在自主FR返回LTE时，受GSM参数配置影响来确定回落后的小区。如果配置2G至4G重选参数及频段，需要准确配置同覆盖小区频点；如果2G不配置4G频点，也可以正常回落到LTE最强覆盖小区。

5 总结

CSFB是LTE语音解决方案的一种方式，由于起呼过程中涉及到4G网络的RRC Release以及2G的语音接入流程，接续时延会比2G通话接续略长，所以CSFB终端的语音通话接入时延是需要重点关注的优化内容。影响CSFB接续及返回4G时延的原因有很多，需关注CSFB终端联合附着LTE/GSM网络、MME/eNB关键CSFB参数核查以及LTE小区添加GSM BCCH频点的合理性。除此之外，CSFB过程对GSM的语音通话建立过程也提出了明确的要求。总体来说，CSFB过程涉及LTE与GSM两网，对2G/4G网络互操作、两网协同优化提出了更高的要求。

参考文献：

[1] 徐德平，耿鲁静. 浅析LTE系统CSFB话音解决方案[J]. 电信工程技术与标准化， 2013（1）： 55-59.

[2] 刘宇，李赟，聂永霞，等. LTE网络部署CSFB话音时MSC改造范围分析[J]. 广东通信技术， 2012（12）： 36-39.

[3] 许鹏飞，蔡玉坤，曹云娣，等. 浅谈CSFB方案在LTE中的应用[J]. 科技创新与应用， 2014（12）： 43-44.

[4] 周彦，武欣. TD-LTE CSFB话音解决方案研究[J]. 移动通信， 2011（19）.

[5] 胡英，强宇红，汤凯. LTE话音业务解决方案分析与探讨[A]. 中国通信学会信息通信网络技术委员会2009年年会论文集（下册）[C]. 2009.

作者简介

郭宝：工程师，工程硕士，现任职于中国移动通信集团山西有限公司，主要研究方向为TD-SCDMA、TD-LTE无线网络优化，出版专著1本，发表论文60余篇。

张阳：工程师，博士，现任职于中国移动通信集团公司网络部，主要研究方向为TD-SCDMA无线网络优化、TD-LTE无线网络新技术，拥有多项国家发明专利，发表论文数十篇。endprint