LTE-CSFB技术解析及相关案例分析

李海振

（中国移动通信集团浙江有限公司丽水分公司，浙江 丽水 323000）

1 引言

LTE技术将无线网络数据传输带入了高速发展的时代，终端能快速地从互联网中获取信息，给用户一种全新体验。但在LTE建设初期，VoLTE技术还不能很好地投入到商用中，为了更好地解决用户的语音业务问题，利用已有的2G/3G网络，采用了CSFB技术，语音业务在2G/3G网络中完成。

CSFB的意义在于能更好地利用已有网络，减轻LTE网络的负担，将语音业务分流到2G/3G网络中，在VoLTE技术成熟之前让LTE网络实现更好的过渡。

2 CSFB核心设备与接口技术

MME是LTE中的核心设备，MME和MSCe通过SGs（S1）接口互相连通，通过系列规程实现CSFB语言业务过程。

CSFB实现业务的核心接口是SGs（S1），UE在附着网络时，MSC Server和MME需要对该用户的SGs连接进行监测和维护。由MME通过SGs接口完成UE在UTRAN/GERAN核心网的位置更新流程，使得UTRAN/GERAN核心网探测到UE的位置。

3 CSFB业务的主要流程

（1）识别主叫或被叫业务请求。

（2）从LTE网络侧断开连接（LTE网络属于硬切换，即完全断开后重新连接，要求切换成功率很高）。

（3）回落到2G/3G网络，建立语音呼叫（整个语音通话都在2G/3G网络中完成，回落的速度和成功率直接影响用户感知）。

（4）语音结束后，由2G/3G网络返回到LTE网络（若返回失败终端将一直停留在2G/3G网络侧）。

UE在E-UTRAN驻留时开机后发起联合的IMSI/EPS（EPS演进分组系统）附着流程。

分离流程可以分为3种，即UE发起的分离、HSS发起的分离和MME发起的分离。在MSC侧对各项发起的分离流程的处理是相同的。

UE分为隐式和显式分离：

（1）显式分离：UE或网络侧主动提出分离请求，发起一方会同时主动通知另一方。

（2）隐式分离：网络侧分离UE且不通知UE，如网络侧认为UE不可到达。

（3）MME需要通过SGs接口向MSC Server发送IMSI Detach Indication消息，指示VLR删除该用户的SGs关联。EPS上附着的用户在IMSI分离后不再能用CS域业务。

（4）当mobile reachable timer超时或者MME维护操作时，需要对UE发起分离指示。

（5）如果mobile reachable timer超时，MME发送EPS/IMSI Detach Indication消息给MSC/VLR。

（6）如果MME因为操作维护需要发起分离，MME发送EPS Detach Indication消息给MSC/VLR。

3.1 UE发起的分离流程

（1）UE在网络侧向MME发送Attach Request附着请求消息。其中参数Attach Type指示UE具备CS Fallback能力发起的一个联合IMSI/EPS附着流程。

（2）MME发送SGsAP-LOCATION-UPDATEREQUEST消息给VLR，消息中包括new LAI、IMSI、MME name和Location Update Type等参数，其中MME name是MME的域名。

（3）VLR存储MME信息，并创建在MME下此用户的SGs关联。

（4）VLR根据用户信息和位置区信息，发起到HLR的位置更新流程。

（5）VLR返回SGsAP-LOCATION-UPDATEACCEPT给MME，如果VLR支持TMSI重分配，消息中包括参数LAI和TMSI，否则消息中包括参数LAI和IMSI。

（6）完成联合的EPS/IMSI附着。MME发送Attach Accept给UE，消息中包括参数LAI和VLR TMSI。UE接收到信元VLR TMSI和LAI则表示附着LTE网络和CS域成功。其中VLR TMSI信元会触发UE执行TMSI重分配流程。当MME收到UE的Attach Complete消息后，MME发送SGsAP-TMSIREALLOCATION-COMPLETE消息给VLR，指示TMSI重分配完成。

（7）附着成功后，MME通过S1AP-INITIALCONTEXT-SETUP-REQ消息发起上下文建立请求，用于MME向eNodeB请求在无线侧建立资源，同时请求UE返回相关能力集。UE则通过S1AP-SPU-UECAPABILITY-INFO-INDICATION消息返回UE相关的能力。

3.2 MME发起的分离流程

（1）MME发起分离流程，去激活所有与UE相关的承载。

（2）当MME执行网络侧发起的分离流程且SGs的管理状态是非SGs-NULL，MME发送SGsAP-EPSDETACH-INDICATION消息给MSC/VLR表明网络侧发起基于EPS业务的IMSI分离。如果是mobile reachable timer超时，MME发起基于non EPS业务的隐式IMSI分离。MME发送SGsAP-IMSI-DETACHINDICATION消息给MSC/VLR。如果MME因为操作维护需要发起隐式分离，MME发送SGsAP-EPSDETACH-INDICATION消息给MSC/VLR。如果MSC收到该消息后，发现没有该UE的SGs关联信息，将丢弃该消息。

3.3 HSS发起的分离流程

（1）当HSS触发分离流程时删除UE在MME中的MM与EPS上下承接。

（2）MME发送SGsAP-EPS-DETACH-INDICATION消息给MSC/VLR。

（3）MSC/VLR删除与该UE相关的MME的SGs关联。如果MSC收到该消息后，发现没有该UE的SGs关联信息，将丢弃该消息。

3.4 CSFB相关要求

（1）支持CSFB业务流程。

（2）支持SMS over SGs。

（3）支持ISR空闲态信令精简功能。

（4）能够执行联合TAU/LAU过程和EPS/IMSI附着，以及2G/3G分组域和LTE域同时附着等移动性管理。

日常监测LTE网络接口数据，对CSFB进行性能分析，给优化人员提供数据支持。 CSFB相关网元和接口如表1所示：

表1 CSFB相关网元和接口

4 LTE-CSFB呼叫时延解析

时延的大小直接影响了用户的感知度，也是每个运营商努力优化的指标之一。要了解每一步流程从而优化整个CSFB过程，达到减少时延的目标。

（1）TD-LTE回落至2G

UE在语音拨打时，向基站侧发的extended service request信息里会携带CSFB请求信息。在基站侧的辅助下回落至2G/3G网络，由LTE回落至2G网络时长约250ms。

（2）UE处于2G网络中时需要读取必要的系统消息，读取系统消息时长约为300ms。

（3）当UE在2G网络中起呼，接通时延约为6s。

（4）在没有位置更新的情况下呼叫总时延约为6.5s。

（5）若CSFB回落至2G网络，LTE TA LIST与GSM LAC区不一致，回落至2G网络后还要进行LAU（位置更新），然后在2G网络中进行语音业务，所以额外加上LAU的时延，一般为2s。

（6）CSFB的总时延为6.5s至8.5s。

草粉粉碎机（9FQ-50型饲料粉碎机，粉碎机筛板4 mm）；混合机（1000型立式粉碎混合机，粉碎机筛板4 mm）；KL-150型颗粒机（①5 mm模板，压缩比4.7∶1；②5 mm模板，压缩比6∶1），电子称。

（7）在语音结束后返回至4G网络时，若UE支持自主FR，可以迅速回。由2G下发的channel release至UE读取LTE的MIB及SIB1不到1s。

（8）若UE不支持自主FR，就不能由2G网络直接重选至4G网络，这样要有3G的桥接UE才能回到4G网络，时间长达几十秒。

（9）假若没有3G做桥接，UE则不能回到4G网络中。

（10）当UE成为被叫时，LTE基站侧会下发一条CS ServiceNofication信息，用来指示UE有CS域的主叫。然后UE通过在基站侧的系列规则下回落至2G网络来回应此次寻呼。

5 CSFB案例分析

5.1 用户无法被叫寻呼现象

（1）故障现象

UE被叫CSFB测试中，出现了在某特定路段路测被叫接通率不到40%的情况，技术优化人员立刻对该问题进行了定位和跟踪排查。

（2）问题分析

在问题路段做定点测试时发现多款不同品牌的手机未接通率都在60%以上。首先可以排除手机终端的原因，手机终端和网络设备之间也不存在问题，在终端测试中不能做被叫，但CSFB主叫是正常的，上网也未出现问题。由此可以排除ENB数据配置问题。

组织技术人员在问题区域再次深入测试同时跟踪信令分析。若发现TAU（Tracking Area Update，跟踪区更新）正常时，被叫能正常接通并CSFB至GSM网络，TAU失败被叫就无法正常接通。

观察信令流程，发现UE主动上报到RRC的请求成功，包括扩展服务的请求也显示成功，但在TAU失败时，MME上没有收到任何信令。

处理故障时在ENB侧也发现了UE释放请求，S1 Application Protocol（S1ap）显示接口建立步骤失败。

经过以上数据可以推断MME或是ENB与MME之间存在对接问题。

共有3个MME设备组成1个MME POOL，每个MME上有主被2个IP地址。ENB与MME对接SCTP偶联共3条，POOL IP地址分配表如表2所示：

表2 POOL IP地址分配表

经过对信令跟踪和配置数据的排查未发现问题，决定采用单接MME来验证是否是核心网的问题。

CSFB在单独挂接MME01和MME02时被叫无法接通，挂接MME03时被叫CSFB一切正常运行。以上初步判断为MME01、MME02数据制作过程中或者是MSC与MME对接中出现的问题。在MSC Server上，信令跟踪分析中发现发送给主叫的寻呼消息发送错误，从而导致被叫没有收到寻呼消息无法进行CSFB流程。

（3）故障解决情况

在重新配置MSC Server与MME的对接数据后问题得到解决。在问题区域进行的CSFB被叫测试中没有再出现连续未接通问题。

（4）案例总结

网络开通前需要认真核实在建网的各个网元之间的数据配置，避免未配临区和参数设置等问题出现。

5.2 切换对时延的影响

（1）故障现象

测试人员在问题点SF做时延拨打测试，主叫时延统计10.364s，比当地全网平均时延9.344s还差。通过前台测试信令分析查找问题点SF时延差问题。

（2）问题分析

测试拨打50次，主叫接通率100%，主叫呼叫时延10.364s，比全网平均9.344s长1.02s。拨测结果1如表3所示：

表3 拨测结果1

为查找原因对这50个MOC信令进行分析，发现有40个MOC CSFB回落后发起了切换请求业务，这些切换请求信令发生在ALERTING信令之前，切换过程产生的时延被统计在整个主叫时延内。

由于测试地点为问题点后勤楼4楼425办公室，后勤楼SF（CI：19198）的室内信号测量明显优于室外移动枢纽大楼（CI：29761）的宏站信号，回落不合理。检查移动后勤楼SF（406333）CSFB邻区配置情况，发现移动后勤楼SF（406333）漏做移动后勤楼SF（CI：19198）室分邻区。

（3）问题处理

移动后勤楼SF（406333）添加1020频点。

（4）问题复测

在后勤楼进行50次拨打测试，接通率为100%，主叫时延9.493s，无切换业务请求，整体时延明显改善。拨测结果2如表4所示。

（5）案例总结

CSFB邻区规划不合理容易造成CSFB回落后，在2G侧发生切换业务，切换业务发生在ALERTING信令之前，会增加整个呼叫流程的时延。

表4 拨测结果2

6 CSFB技术上存在的问题以及未来的发展前景

从目前的网络状况上看，CSFB虽然暂时承载了4G网络中的语音业务，减少了对LTE网络的负担，解决了LTE的语音质量问题，虽然利用了现网中已有的2G/3G网络，却大大增加了后期维护和升级改造的费用，并存在着诸多问题。

（1）首先是CSFB语音技术无法与UE数据业务同时进行，当用户主叫或者被叫发起时，数据业务侧就要发生中断或者挂起。这就造成了有些正在传输的数据中断需要重新连接，严重影响了用户的感知度。

（2）CSFB整个流程比2G/3G复杂繁琐的多，系统间频繁的切换很容易造成业务失败或者无法返回到4G网络中，失去了LTE网络的意义。

（3）CSFB是由LTE网络向下回落，这就对网络重叠覆盖性要求很大，考验了偏远郊区和乡村的基础建设，特别是现在LTE建网初期给语音业务带来了约束。

初期的基站建设重要，后期的网络优化与维护也同等重要。在后期优化的过程中通过熟悉CSFB呼叫与被叫整个技术系统及其信令流程，解决语音回落后出现的一系列问题，降低时延、提高回落成功率及其返回LTE网络的成功率。当问题出现时，需要迅速准确地判断和解决问题，CSFB只是作为LTE网络语音的过渡技术。随着VoLTE语音技术的成熟，2G/3G网络将退服，不仅可以节约大量的无线资源，同时可以大大提高服务质量，改善用户的感知。

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