5G EPS Fallback时延分段分析方法

方东旭 周 徐 廖 亚

（中国移动通信集团重庆有限公司，重庆 400000）

0 引言

5G SA（Standalone，独立组网）网络已经全面部署，SA初期主要采用EPS Fallback（Evolved Packet System Fallback）方案作为5G语音业务过渡方案[1]。在现网的实际应用测试中发现，EPS Fallback流程的平均总时延为4s～5s，与传统的VoLTE（Voice over LTE）语音业务比较，时延多了约2 s～3 s。如果用户从原来的4G网络迁移到5G网络后，使用的语音业务也会同步从VoLTE语音迁移EPS Fallback，到时会发现语音业务时延明显增加。这种时延增加的变化会导致用户心理上产生感知差异，有极大的概率会因此而出现投诉情况，造成客户满意度的下降。所以针对EPS Fallback的时延优化问题，已成为运营商目前最亟待解决的事情[2]。

1 5G语音方案

国际标准组织3GPP（3rd Generation Partnership Project）已明确了第五代移动通信技术标准（5G NR）沿用第四代移动通信技术标准（4G LTE）的话音架构，仍基于IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统）提供话音业务。4G的无线接入技术为LTE（Long Term Evolution），其上面承载话音称之为VoLTE；5G的无线接入技术为NR（New Radio，全新无线），其上面承载话音称之为VoNR（Voice over NR）。VoLTE、VoNR 作为 IMS话音的不同接入方式存在。

回顾4G话音方案，4G LTE实现了全IP（Internet Protocol）化，摒弃了原来的CS（Circuit Switched Domain，电路交换域）域方式，语音服务采用VoLTE语音方案。但为保证语音业务的连续性，考虑到4G网络覆盖的扩张及终端生态系统的成熟，全球运营商普遍经历了从CSFB到VoLTE演进过程。运营商部署5G，除了同样需要考虑5G网络覆盖的扩张及终端生态系统的成熟的因素，还需要考虑众多5G组网部署选项的因素，在5G网络建设初期主要将EPS Fallback方案作为过渡阶段的主要语音解决方案。在前期投资较少的情况下，可借助现有的LTE网络和 VoLTE语音的优势实现5G与VoLTE的语音连续性互操作。

5G语音方案主要有2种技术路线，一是基于LTE/EPC的演进的5G语音，只需部署5G NR，核心网以升级LTE/EPC（Evolved Packet Core，4G核心网）为主，语音由VoLTE提供；二是基于5GC（5G Core，5G核心网）的全新型5G语音，需要同时部署5G NR和5GC，语音可以直接由VoNR提供，可以回落到4G无线网络，由VoLTE提供。这样的情况下，IMS接口需要进行适当调整，以便于满足5G网络语音的需求。与传统的4G网络语音方案相比，5G网络语音方案的应用场景更多，方案的多样性也更为明显。考虑5G无线网络部署的需求，5G语音方案除VoNR外，还有EPS Fallback等中间阶段补充方案。

2 EPS Fallback语音方案

2.1 VoNR语音方案介绍

VoNR是基于IMS网络的5G NR语音解决方案，架构在5G核心网5GC上基于IMS server的端到端语音方案[3]。VoNR话音承载在gNB（Next Generation NodeB，5G基站）上，根据不同的5G网络架构，存在2个不同选项：1）通过5GC和gNB承载VoNR，信令及业务基于QoS流（QoS Flow）传输。2））通过EPC和gNB承载VoNR，信令及业务是基于EPS承载（EPS bearer）传输。VoNR通过部署IMS，可以实现语音业务和数据业务并发，终端驻留NR，语音业务和数据业务都承载在NR网络。当手机移动到NR信号覆盖较差的区域时，须发起基于覆盖的切换来实现和4G的互操作，切换到LTE，由VoLTE来提供服务。

2.2 EPS FB语音方案介绍

EPS FB即EPS Fallback，5G NR初期不提供语音业务，当gNB在NR上建立IMS话音通道时触发切换，此时gNB向5GC发起重定向或者inter-RAT切换请求，回落到LTE网络，由VoLTE 提供服务。

EPS Fallback的用户体验和4G的CSFB（Circuit Switched Fallback，CS语音回落）体验类似，终端驻留5G NR，一开始语音通话，话音和数据都回落4G LTE。但与4G的CSFB体验也有不同，如USSD（Unstructured Supplementary Service Data，非结构化补充数据业务）等业务并不会触发EPS Fallback。EPS Fallback的部署要求是LTE和NR网络重叠覆盖。EPS Fallback的好处在于UE/gNB只须支持IMS信令通道（SIP over NR，实时性要求不高），而无须支持IMS话音通道（RTP/RTCP over NR，实时性要求高）；RTP/RTCP over NR往往需要NR持续做网络优化，以达到语音质量好和UE功耗低的要求。选择EPS Fallback语音解决方案，运营商可在5G NR初期聚焦发展数据业务，待NR网络覆盖和优化后再演进到VoNR。

EPS Fallback是借助4G网络语音业务的方案，需要4G网络和5G网络间进行复杂的互操作，由网络侧发起EPS Fallback流程，使终端通过PSHO or Redirection的方式回落到LTE，建立VoLTE语音业务，由于涉及双网多网元之间的互操作，EPS Fallback语音业务接续时延相较VoNR和VoLTE都会更长，如图1所示。

图1 语音业务流程示意图

EPS Fallback NAS信令流程详解[4]：1）UE发起语音业务 Service Request；2）UE和gNodeB完成RRC连接建立；3）gNodeB通过INITIAL UE MESSAGE传输Service Request给5GC；4）UE和5G完成鉴权和NAS加密协商流程；5）gNodeB收到INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST建立UE上下文和IMS信令承载；6）gNodeB完成空口AS安全算法配置；7）gNodeB下发UE能力查询，UE上报能力信息；8）gNodeB发送INITIAL CONTEXT SETUP RESPONSE指示 PDU Session建立完成；9）UE发起 SIP INVITE消息给5GC请求建立语音会话；10）gNodeB收到 PDU SESSION RESOURCE MODIFY REQUEST消息，指示gNodeB建立5Q1=1的语音专用承载；11）gNodeB下发异系统B1事件测量并收到B1事件测量报告；12）gNodeB向5GC回复响应PDU Session修改，并指示IMS Voice Fallback；13）gNodeB根据开关参数配置和UE能力判断向5GC发送切换请求；14）5GC将UE上下文信息转发给EPC；15）EPC向eNodeB发起切换请求；16）EPC收到eNodeB的切换请求响应；17）EPC向5GC转发eNodeB的切换请求成功响应消息；18）5GC向gNodeB发起切换命令；19）gNodeB向UE发送切换命令；20）UE切换到目标LTE小区；21）UE和EPC间发起TAU流流程；22）EPC触发QCI=1的语音专用承载的建立。

3 EPS Fallback时延问题现状分析

EPS Fallback时延统计的信令节点为INVITE→180 Ringing（主叫起呼→被叫振铃）。目前5G终端拨打4G终端，采用切换的方式回落，时延为3s～5s；5G终端拨打5G终端，采用切换的方式回落，时延为4 s～6 s。

目前EPS Fallback时延分析中存在的主要问题如下。

3.1 回落流程较长问题

EPS Fallback端到端流程长，整个流程跨5个域、60+接口、40+网元，复杂度高于当前VoLTE流程，网络结构过于复杂，容易导致EPS FB语音感知下降，而且问题定位困难。

3.2 4/5G协同问题

5G用户拨打5G用户时，SA终端主被叫2次回落，时延拉长，起呼流程在5G侧进行，EPS Fallback流程为4G和5G协同进行，语音通话在4G侧进行，EPS FB时延相比VoLTE时延增加约2 s，须双网协同优化。

3.3 SA组网的融合性问题

5G核心网络采用大区制度进行组网，以中国移动西南大区为例，西南大区的控制面设备位于西南地区某核心城市，覆盖整个西南区域的地市，而在本地只有UPF融合设备。该组网方式会导致数据传输节点增加，从而增加EPS Fallback问题的定位难度，且存在影响EPS Fallback回落时延的风险。

4 EPS Fallback时延分段分析方法

4.1 EPS Fallback时延分段分析原理

研究EPS Fallback信令流向，可以得出信令从哪个网元发出，到达哪些网元，即可快速判断出现异常高时延信令流程涉及的网元。结合EPS Fallback分段原理，对无线侧EPS Fallback信令流程INVITE→180Ringing进行分段，根据5G→4G的回落特征划分将EPS Fallback流程分为3个阶段、8个信令片段（T1～T8），简称“三阶八步”时延分段法，以便快速对异常风险问题进行定界定位。

在5G侧准备向4G回落为第一阶段，包括T1（叫用户发起语音业务请求到收到5G基站下发的4G异频测量请求）、T2（终端收到5G基站下发异系统B1事件测量到上报B1事件测量报告）、T3（终端上报B1事件测量报告到收到4G核心网下发向4G小区的切换命令）、T4（终端收到切换命令到终端切换到4G目标小区成功）4个信令段；回落在专载建立为第二阶段，包括T5（终端切换到4G目标小区成功到发起跟踪区更新请求）、T6（跟踪区更新请求到跟踪区更新成功）、T7（跟踪区更新请求成功到语音专用承载建立）3个信令段；等待被叫振铃为第三阶段，包括1个信令段T8（语音专用承载建立到收到被叫振铃信息）。

在规避无线问题、核心网问题以及其他所有不利因素的场景下，经过大量测试数据汇聚，得到各个信令分段的参考时延。在后续分析过程中发现实际测试时延超过参考时延，则认定该流程分段存在异常，同时能够获取异常分段的相关网元，最终快速定位时延问题。信令分段参考时延及相关网元见表1。

表1 信令分段参考时延及相关网元

4.2 EPS Fallback时延分段分析应用

“三阶八步”时延分段法在5G网络优化的5G SA优化测试中得到广泛应用，对EPS Fallback时延优化起到重要支撑作用。

对测试过程中EPS Fallback时延超过3s的流程进行分段分析：分析测试数据发现同一区域出现多次EPS Fallback回落高时延问题，且均为T5分段高时延，回落方式为盲从定向，其他分段属于正常时延范围内，见表2。

表2 时延分段统计

通过分段时延统计可知该EPS Fallback信令流程是5G→4G Redirection Start至5G→4G Redirection Success之间存在问题，时延高达1134ms，潜在问题点在UE和eNB之间。核查该时段主叫终端占用小区，发现该时段4G覆盖较差，测量到1350频点小区的SINR值均＜-4dB，严重的质差问题导致T5分段时延严重超时。

对一轮网格测试进行统计分析，发现该轮网格测试一共有56次EPS Fallback流程超时，并且所有通话均为的T8分段时延超时。通过分段时延统计可知，T8分段存在超时，即QCI1setup至180Ringing之间存在问题，潜在问题点在UE和基站之间，且涉及被叫侧状态。深入分析，发现EPS Fallback流程阶段，无线环境良好，但主叫承载建立完成至振铃共耗时2400ms，远超于标准时延。继续分析发现被叫侧无线环境良好，无弱覆盖、高质差问题，但在同时段被叫侧处于空闲态，收到主叫侧寻呼后才发起4G侧RRC上下文请求，导致T8分段时延增加。

从上述实用案例可以看出，EPS Fallback时延分段分析方法能够快速地定位时延问题片段和相关网元。将EPS Fallback流程化繁为简，有效地提升了EPS Fallback时延优化效率，使流程长、定位难的问题得到有效解决。

5 结语

该文根据现有协议标准及基站能力，从网络架构、信令流程等层面对5G网络主要的语音方案进行了介绍。基于对现有5G语音信令流程的理解和认识，对目前存在的EPS Fallback语音时延较大等痛点问题进行了分析，提出了基于关键信令节点分段的EPS Fallback时延分段分析方法。介绍了根据该方法计算出来的分段时延，匹配各个分段的参考时延，分析各个分段时延是否超出参考时延，可以快速地计算出关键流程的时延，快速发现异常问题、异常信令流程，直接关联EPS FB时延问题相关网元，加速EPS FB时延问题定界定位，提升问题解决效率，解决了EPS Fallback语音流程长、定位难等难题。