EPS Fallback的5G SA语音呼叫建立时延分析

刘赢 李佳 康铁 胡翔

【摘要】在5G VoNR尚未成熟之前，5G SA语音呼叫主要解决方案仍为EPS Fallback，其建立过程需要4/5G网络以及IMS网络横向协作，涉及UE、eNB、gNB、EPC、5GC、IMS、承载网等多个网元。纵向包含控制面与用户面交互，形成一个立体多维模型。横向和纵向交织，造成呼叫建立时延因素增加。本文从多角度多维度分析影响5G SA呼叫建立时延因素，其中包括传输距离、组网架构、信令流程等。为呼叫建立过程中缩短时延、提升用户呼叫体验提供解决思路。

【关键词】5G SA;呼叫时延;组网架构;信令流程

中图分类号：TN929                    文献标识码：A                    DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.15.009

从国家战略部署以及业务应用发展来看，中国5G网络与4G网络并存必将是一个长期的过程。5G网络实现全覆盖之前，在很长时间内，4G网络都是5G网络的良好补充。这就意味着5G用户将会在4/5G网络间频繁切换。移动过程中的业务连续性直接影响用户体验，尤其是语音类业务。

随着5G SA商用，5G用户数量逐渐增加，受限于终端成熟度和无线优化工作量巨大，在VoNR没有部署情况下，现阶段5G语音解决方案仍然是EPS Fallback，即用户打电话的时候，从5G网络回落到4G网络，通过4G网络接入vIMS实现话音业务的呼叫。在流程上相当于用户从4G无线网接入，再由融合核心网网元UPF/GW-U接入IMS网络的SBC/P-CSCF，后续流程同现有的VoLTE流程。EPS Fallback流程从设计上就较为复杂，因此，在呼叫建立时延和呼通率指标提升方面具有较高的难度。本文聚焦于呼叫建立时延的分析指导，并希望在使用中不断完善丰富。

1. EPS Fallback流程

5G用户语音业务从5G基站接入后，如果发起或收到语音呼叫，5G网络指示用户回落4G完成语音承载建立的过程，我们称之为EPS Fallback。基于N26接口的EPS Fallback包括两种方式实现：1有N26接口时基于切换的EPS回落;2有N26接口时基于重选的EPS回落。

1.1 5GC网络架构

5G核心网根据网元的性质按照三层架构部署，其中骨干/国际层设备部署在区域DC，省层5G核心网部署在省DC，地市层面只按需要部署UPF/GW-U或UPF，设置在地市层的DC。

1.1.1. 骨干网的网络组织

骨干层的网元主要包括骨干NRF（H-NRF）以及5G国际局。H-NRF连接各省L-NRF，主要负责转接跨省的网元发现查询与应答消息。5G国际局负责5G国际漫出和国际漫入业务的处理。

省网的网络组织。省层面核心网网元主要包括AMF、SMF、AUSF、UDM、NSSF、PCF、UPF、BSF、L-NRF。为了实现4G网络与5G网络的互操作，需要将部分4G与5G网元融合设置，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;地市层网络组织。5G核心网在地市层的网络主要包括UPF/SAEGW-U;5G核心网与IMS网络的关系5G商用初期，语音业务采用EPS Fallback方式，即用户打电话的时候，从5G网络回落到4G网络，通过4G网络接入vIMS实现话音业务的呼叫，在流程上相当于用户从4G无线网接入，再由融合核心网网元UPF/SAEGW-U接入IMS网络的SBC/P-CSCF，后续流程同现有的VoLTE流程。

2. 呼叫建立时延分析

2.1 组网架构对呼叫时延的影响

组网架构对呼叫建立时延的影响主要体现在传输距离以及网络部署不同导致的流程不同等方面。

2.1.1 传输距离对时延的影响

基站的位置是相对固定的，而核心网的选择各有不同。选择不同的核心网接入，对应的距离不同，会引入不同的时延。例如国内主流运营商有的是EPC/5GC/IMS网元都存在大区制，各省也有自己的传统EPC和IMS。另外还有的运营商SGW采用新部署的融合5G GW-C/SMF。这种不同选择所带来的物理距离时延无法避免，也是最常见的引入时延环节。

以在5G大区制部署遇到的典型场景为例：

如果5GC控制面双DC部署，非大区省份选择到距离较远的DC，会引入距离产生的时延;另外选择的用户面是在大区UPF或省中心UPF还是下沉在地市UPF，都会带来不同的用户时延;

不同网络的选择，传输距离不同，会导致实测的时延结果也不一样。一般情况下实测结果是多种因素的叠加，有的增加时延有的减少时延，要识别正面还是负面影响。

以某运营商实测为例，仅将IMS网元SBC从A市资源池调整为B市本地设备，呼叫建立时延缩短160ms。而采用本地AMF+SMF，和采用跨省AMF+SMF，其余条件不变，时延相差约500ms。因此，做时延优化之前，首先确定最优的组网架构，原则建议如下：用户面网元尽量下沉，靠近基站侧，包括5G UPF和4G SBC网元;控制面网元尽量能就近选择，避免跨大区、跨省调用。以上几个原则一般能够使传输距离带来的时延趋向于最小。

2.1.2  網络部署对于时延的影响

相比与分离部署，5G核心网网元中例如SMF可以选择4/5G融合部署，即将SGW/PGW&SMF合一部署，将外部传输时延转为内部处理时延，能够大大提升传输效率。

2.2 5G核心网与4G核心网控制面流程对呼叫时延的影响

控制面的流程交互越少，特别是在端到端处理关键路径上的流程优化，对缩短时延有很大帮助。关键流程如下。

2.2.1 关闭鉴权

一次鉴权过程对端到端时延的影响，外场实测结果在300～500ms之间。4G侧MME和5G侧AMF在配置上支持关闭鉴权。目前重定向回落方式，MME一般默认配置为强制鉴权。切换回落方式，MME一般配置为关闭鉴权。一次鉴权方案需要满足业界或企业规范要求，需视实际情况而定。

2.2.2 语音寻呼策略

为了达到尽快寻呼到用戶的目的，对语音业务触发的寻呼可以采用一次寻呼，寻呼范围直接精准到TAList。数据业务可采用三次寻呼策略。寻呼策略的不同对时延影响也是不同的，具体采用哪种寻呼策略要视无线覆盖、地形地貌等多方面因素综合考量。

2.2.3 IMS APN 4/5G网络签约参数保持一致

终端在4/5G互操作时，每到一个目标网络，网络都会检查QoS参数，并根据变化主动发起网络侧的QoS修改流程。这个流程的引入会增加与EPS Fallback流程冲突机率，冲突处理导致的缓存等操作也会恶化呼叫建立时延。

因此建议对于IMS会话，保持4/5G签约参数相同，APN AMBR和ARP要保证4/5G签约相同，速率按kbps的整数倍签约。如果采用IWF转接方案，5G签约是由IWF从4G签约参数做转换的，从机制上保证了签约参数相同。如果采用4/5G融合UDM方案，需要检查签约模板是否满足上述要求。

2.2.4 关闭从5G到4G SMF网元向UDM的去注册去订阅

通过抓取语音信令观察发现，用户回落4G时，SMF在5G侧与UDM有去注册和去订阅的交互，并且SMF的处理逻辑为先完成去注册和去订阅过程，再启动Create Bearer创建语音专载处理。实测发现如果采用IWF方案，AMF/SMF网元通过IWF与现网HSS进行交互，并且经过DRA转发，N8/N10的接口时延较长。实测N8口一对消息交互有大约30-60ms，如关闭SMF向UDM的注册去订阅不仅可简化EPS Fallback流程处理，也可缩短呼叫建立时延和快速返回5G的时延。

2.2.5 TAList（5G称为注册区）内语音能力配置相同

一般来说，To C语音业务全网能力应一致。保持TAList内语音能力相同，可避免被叫侧出现可选的TAD-S域选功能，拉大时延。目前该规则一般为默认配置，不推荐手工修改。

2.2.6 主叫侧SMF获取到位置信息后立即通知PCF

语音呼叫建立时，IMS系统会订阅用户位置信息，当收到包含位置信息的RAR时，才会开始转发主叫用户的INVITE消息到被叫，在此之前IMS系统处于等待状态。而SMF/PGW-C一般会在专载建立完成后，向PCF发起策略更新消息上报位置信息。

正常情况下，用户在回落到4G时，MME向SGW发送Create Session Request时，就已经包含了当前用户在4G的ULI信息，SGW在向PGW发送Modify Bearer Request消息时，可将用户当前ULI信息发给SMF/PGW-C。如果SMF/PGW-C此时向PCF发送策略更新上报位置，那么IMS可以提前触发被叫侧建立流程，呼叫时延可进一步缩减。

2.2.7 S5/S8的隧道信息在5G会话建立时提前分配

用户从5G回落4G时，AMF向SMF获取会话上下文，SMF向UPF发送N4 Modification流程，UPF分配4G使用的S5/S8-U隧道信息。对于具备4/5G互操作能力的会话，S5/S8-U隧道信息可以在该会话初始建立时提前分配，用户后续回落4G时，这对消息就可省略。目前To C终端缺省建立两个会话，那么实际就可省略两对N4口消息交互。从而在一定程度上进一步压缩呼叫时延。

2.2.8 其他可能影响语音呼叫时延的场景

做时延攻关时发现，彩铃业务由于是协商和播放完成后再次协商语音QoS，终端才能收到180Ring，对时延影响较大。但由于彩铃业务的时延是VoLTE阶段就引入的，与5G并没有直接关系，因此时延攻关需要端到端联合分析，逐段排查。

3. 结论

如何在EPS Fallback流程中缩短用户时延是各大运营商都非常关注的问题。本文从几个方面探讨分析了影响用户呼叫时延的因素以及常用解决思路，总结如下：

传输距离引入的时延无法避免，可以通过下沉UPF、选择合适区域的物理网元来使传输距离尽量小从而降低时延;能够合一部署的网元尽量合一部署，将外部传输时延转换为内部处理时延;控制面的流程交互越少，呼叫时延越小，特别是在端到端处理关键路径上的流程优化能够大幅度降低呼叫建立时延;可以通过优化IMS呼叫建立流程来降低呼叫建立时延。

压降5G SA用户语音呼叫业务时延能够直接提升用户体验，而受限于终端成熟度和无线优化工作量巨大，在没有部署VoNR前5G语音解决方案仍然是EPS Fallback。希望本文能对解决当前基于EPSFallbace 5G SA语音呼叫建立时延问题提供一些借鉴。

参考文献：

[1]黄智瀛，白锡添，杜安静.5GSA语音端到端信令面分析与优化方法[J].通信技术，2021，54（04）：878-884.

[2]李皛，谢伟良，赵勇，赵晓垠.5GSA接入网共享语音技术[J].移动通信，2021，45（02）：67-72.