LTE网络挖掘——FR踏空的分析与应对

中国联通天津市分公司 天津 300052

引言

在LTE(Long Term Evolution，长期演进)网络发展初期，由于LTE只支持分组域业务，通常采用原有网络的CS域语音方案来提供语音服务。3GPP R8提出了CSFB(Circuit Switched Fallback，电路域回落)：LTE终端驻留在LTE网络，当需要完成语音业务时再回落到2G/3G网络的CS域。另一方面，为提供更好的用户体验，CSFB回落用户在3G的语音业务结束后，如果需要实时快速返回LTE，则采用Fast Return(快速返回，FR)功能。理论上若不采用Fast Return功能，UE从3G返回LTE时间需8秒以上；若采用Fast Return则时延下降到500ms，用户感知提升明显。

目前，天津联通3G网络针对CSFB用户侧已开启Fast Return功能，CSFB用户在3G语音业务结束后会通过Fast Return功能快速返回LTE网络。如果用户在3G通话结束后进入到没有LTE覆盖的区域，受Fast Return功能的影响，用户还会按照其要求搜索LTE网络，搜索不到后才会去3G驻留，这段时间属于“踏空”期，手机是无法进行此业务的。本文主要就特定场景下Fast Return功能开启后对CSFB用户的踏空时延影响进行阐述和分析，为后续网络优化提供支撑[1]。

1 研究背景

1.1 LTE与G/W网络互操作

顾名思义，互操作即终端可以跨系统重选和切换，使用户可以占用更好的网络。1)对于PS业务，需要分别解决LTE与GSM/WCDMA之间的互操作；2)对于CS业务，需要分析LTE提供/不提供语音业务的切换方案。本文着重关注CS域互操作策略。对于语音业务的切换，LTE分两个阶段来实现，当LTE网络现阶段不能提供语音业务时，通过电路域语音回退和双待机功能实现；当LTE网络能够提供语音业务时，通过单射频语音连续控制(SR-VCC)和通用接入承载语音(VoLGA)功能来实现[1]。

1.2 CSFB

若手机终端在LTE网络驻留，此时拨打语音电话，需网络辅助回落到2G/3G网络的电路域上。LTE和GSM/WCDMA双模终端采用Single-Radio单射频模式，接入LTE后，无法再同时收、发GSM/WCDMA电路域信号。为保证终端在LTE下能够收/发语音等CS业务，所以产生了CSFB技术。该CSFB功能需要在核心网MME(Mobility Managenent Entity，移动性管理实体)和MSC(Mobile Switching Center，移动交换中心)服务器之间引入SGs(SGs应用协议)接口，一个终端附着在LTE网的同时，通过SGs也附着在CS域上，这样一来，终端就可以优先驻留在LTE网络享受高速数据业务，当需要语音业务时才回落到2G/3G网络。

CSFB作为LTE语音解决方案，业务过程共4个步骤。1)LTE/UMTS(通用移动通讯系统)网络联合附着；2)通话建立过程回落到UMTS；3)在UMTS发起语音呼叫；4)结束后返回LTE网络。用户能感知到的时间长短体现在两个阶段，即语音建立时的回落3G时延和挂机后返回LTE系统的时延。这两个过程都需要UE在两网间跨越，是CSFB技术以及3G/4G两网协同优化的重点。

1.3 FastReturn(FR)

如上文所述，LTE语音业务通过CSFB实现，当终端挂机后如何返回LTE网络呢？为确保用户数据业务尽量在LTE网络提供，用户呼叫结束后需返回LTE网络。返回LTE网络过程中，将引入一段无法被网络寻呼的时间，即用户不可及时间，此时用户无法收到任何寻呼消息也无法建立任何业务。根据其他区域的实测结果：静止时挂机返回LTE(FDD)约15秒，移动状态下返回LTE时延平均值增加至20～30秒。由于终端的不同及用户的使用情况(是否仍有后台数据业务)存在差异，该时延可能延长至1～3分钟。在此期间用户均无法返回LTE网络。

FR功能即在G/W网挂机时的信道释放消息中携带LTE邻区信息，终端收到该消息后不再发送广播消息、LAU、RAU等操作，直接测量选择信号最好的LTE邻区并返回LTE网络。通过FR方案优化，用户不可及的时间理论上仅为1～2秒，大大提升了用户感知[2]。

2 踏空现象的发现

通过对新入网LTE基站的单站优化工作以及少量的用户投诉，发现某些特定场景存在如上所述的踏空现象，因此，决定对此现象进行捕捉、分析和解决。

2.1 时延统计方法

统计FR时延指标的方法：语音业务挂机后Fast Return命令开始，从RRC Connection Release(无线资源控制协议连接释放)到UE在4G网络注册完成位置区更新 (Location Area Update Complete)之间的时间差，即为FR时延。

2.2 实验条件

测试软件：HUAWEI GENEX Probe V3R005。

测试设备：HUAWEI P1 U9202L，SAMSUNG GALAXY S4。

测试方法：用户在LTE网络通过CSFB回落到3G网络，在3G通话过程中移动到无LTE覆盖的区域，语音业务挂机后，受Fast Return功能影响，手机会先按照Fast Return指令对LTE频点进行搜索，搜索无果后重新发起在3G的注册过程，在3G注册完成后才能继续进行业务。分别采用不同终端进行FR踏空测试，分析不同终端的表现。

2.3 实验结果

HUAWEI P1 U9202L测试踏空时延统计如表1所示。

表1 西青区华为终端测试结果

SAMSUNG GALAXY S4踏空测试时延统计如表2所示。

表2 西青区三星终端测试结果

测试综合了多种变量进行统计，分别采用了HUAWEI和SAMAUNG两款广泛使用的终端；分别在市区和郊区测试；分别采集了终端仅做CS业务和CS/PS业务并发时的踏空时延。通过比较多次测试得出的平均时延，可以发现这两款终端的表现相当，在3G侧仅有CS业务和CS+PS业务并发的情况下发生踏空的时延均为20秒以上[3]。

2.4 多场景验证

模拟用户行为在多种网络覆盖场景下进行CSFB测试，表3为不同场景下发生踏空现象的概率统计。其中场景3概率最高，场景1其次。

表3 不同场景下踏空概率统计

现有CSFB踏空问题监测评估方法包括：1)UE侧评估。UE侧评估是针对单用户的，需要利用路测工具，通过路测信令分析进行评估。2)客户化评估。客户化评估主要从用户体验角度考虑，从用户投诉角度进行分析[4]。

场景1：用户驻留在LTE网络下在室外发起CSFB，通话结束时移至室内LTE网络覆盖盲区、弱区。见图1。场景2：用户驻留在LTE网络下在室内发起CSFB，通话结束时移至室外无LTE网络覆盖盲区、弱区。见图2。场景3：用户驻留在LTE网络下高速移动时发起CSFB，通话结束后移出LTE覆盖区域。见图3。

3 踏空问题分析及对策

3.1 FR踏空情况分析

图1 FR踏空场景1

图2 FR踏空场景2

图3 FR踏空场景3

当出现LTE-FR踏空现象时，是什么原因导致手机在数秒的时间内无法进行任何业务呢？以某次踏空事件的信令情况为例进行说明，如图4所示，当终端完成CSFB释放后，在3G网络下重选完成时间约为5.68秒(终端不再接受3G系统消息)，在7.35秒内业务无法进行。

信令1：14:32:10:859终端在CSFB业务完成后，按照常规处理方式，携带3G频点1875进行信令释放。信令2：14:32:11:039终端在4G网络下进行同步及网络搜索。信令3：14:32:16:339终端在3G下进行同步，见图4。信令4：14:32:16:939终端在3G网络下发起位置区更新请求。信令5：14:32:18:209终端在3G网络下位置区更新请求完成，TMSI更新完成。见图5。

通过实验发现，该踏空现象极易发生在4G覆盖边缘区域，即4G信号较差的地点甚至盲区。在此区域进行4G业务，如终端在4G覆盖区域下起呼，移动到无4G覆盖但3G覆盖良好区域，终端会重新在3G网络下进行附着。但从CSFB结束后到重新在3G网络下附着成功，中间间隔时间内无法进行任何业务。另外，若将FR功能关闭，终端使用重选方式回到LTE网络，时延约为8～15秒不等。

相对密集城区，各郊区、郊县的LTE基站较稀疏，更易出现踏空现象。此类场景将作为今后2G/3G与4G网络交界的优化重点。在LTE网络完成全覆盖即达到现网2G/3G的覆盖水平时，踏空现象将会很少出现，很大可能仅在LTE深度覆盖较差的区域偶发。

图4 RRC Connection Release捕获图

图5 RRC Connection Request捕获图

通过分析上述信令节点，自信令1至信令5这7.35秒内终端都无法进行业务。终端在3G网结束语音通话后，为了能够快速返回4G网络，持续搜索4G信号失败，才出现了数秒至几十秒的用户不可及，这就是踏空现象导致返回4G网时延增大的本质原因。

3.2 FR踏空的解决方案

为更好地对比FR功能开启给感知带来的影响，在现网进行FR开启和关闭的定点测试。

开启FR功能后，终端会在3G挂机RRC(无线资源控制)释放时携带4G频点，语音会在终端挂机后平均2.12秒后回到LTE网络完成TAU(跟踪区更新)更新，见表4。

表4 FR功能开启后时延统计

关闭FR功能后，终端在3G挂机RRC释放时不再携带4G频点，则终端会首先在3G完成LAU，然后重选到4G完成TAU。平均时延为8.124秒。见表5、图6、图7。

在3G网通话结束返回LTE时，目前有两种解决方案。1)重选。手机通过读取系统消息中的重选信息发起UMTS→LTE测量。2)Fast Return。手机根据UMTS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30秒以上的不可及时间，见图8[5]。

在LTE建网初期，UL组网是UMTS和LTE网络共同组网，由UMTS作为连续覆盖，LTE网络作为热点覆盖或者数据业务话务吸收进行非连续覆盖或者部分连片覆盖，主要应用在密集城区和城区。见图9。

表5 FR功能关闭后时延统计

图6 FR关闭后RRC Connection Realsease 捕获图

图7 FR关闭后RRC Connection Request捕获图

图8 fast return 增益分析图

图9 UL组网示意图

如上所述，通过平均测试时延可以发现FR功能在现阶段的应用有利有弊。在3G与4G覆盖均良好的区域，FR功能使得用户可以快速返回4G网络；但是一旦出现FR踏空现象，其造成的时延要远远大于通过重选返回的时延(8秒左右)，也易造成投诉。综上，暂时关闭4G网络覆盖边缘3G基站的FR功能，避免了FR踏空的发生。

4 结束语

各运营商LTE网络的初期建设已经基本完成，如何在竞争激烈的市场中占得一席之地是各大运营商争夺的关键。在营销初期建立良好形象，及时解决LTE凸现的问题，将决定市场的走向。目前，LTE的建设规模尚无法达到连续覆盖，仍存在部分覆盖空洞区，那么在3G整体覆盖良好时，这种特殊场景极易出现LTE-FR踏空的现象。本文通过研究分析、多场景测试验证，充分挖掘踏空问题对客户感知的恶劣影响，给出了优化对策，间接解决了这一问题，切实提升了LTE用户的感知。

随着网络建设、网络技术的飞速发展，下阶段将实现VoIP(基于IP的语音传输)高清语音通话，将给移动用户带来不一般的通话体验。

参考文献

[1]曾召华.LTE基础原理与关键技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2010

[2]沈嘉.3GPP LTE核心技术及标准化发展移动通信[M].北京:人民邮电出版,2006

[3]赵训威.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2010

[4] 王映民.TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2010

[5]张志林.3GPP LTE物理层和空中接口技术[M].西安:电子工业出版社,2011