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5G EPS Fallback時(shí)延分段分析方法

2021-09-17 09:08方東旭
中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2021年13期
關(guān)鍵詞:網(wǎng)元信令時(shí)延

方東旭 周 徐 廖 亞

(中國移動(dòng)通信集團(tuán)重慶有限公司,重慶 400000)

0 引言

5G SA(Standalone,獨(dú)立組網(wǎng))網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面部署,SA初期主要采用EPS Fallback(Evolved Packet System Fallback)方案作為5G語音業(yè)務(wù)過渡方案[1]。在現(xiàn)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用測試中發(fā)現(xiàn),EPS Fallback流程的平均總時(shí)延為4s~5s,與傳統(tǒng)的VoLTE(Voice over LTE)語音業(yè)務(wù)比較,時(shí)延多了約2 s~3 s。如果用戶從原來的4G網(wǎng)絡(luò)遷移到5G網(wǎng)絡(luò)后,使用的語音業(yè)務(wù)也會(huì)同步從VoLTE語音遷移EPS Fallback,到時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)語音業(yè)務(wù)時(shí)延明顯增加。這種時(shí)延增加的變化會(huì)導(dǎo)致用戶心理上產(chǎn)生感知差異,有極大的概率會(huì)因此而出現(xiàn)投訴情況,造成客戶滿意度的下降。所以針對EPS Fallback的時(shí)延優(yōu)化問題,已成為運(yùn)營商目前最亟待解決的事情[2]。

1 5G語音方案

國際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP(3rd Generation Partnership Project)已明確了第五代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(5G NR)沿用第四代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(4G LTE)的話音架構(gòu),仍基于IMS(IP Multimedia Subsystem,IP多媒體子系統(tǒng))提供話音業(yè)務(wù)。4G的無線接入技術(shù)為LTE(Long Term Evolution),其上面承載話音稱之為VoLTE;5G的無線接入技術(shù)為NR(New Radio,全新無線),其上面承載話音稱之為VoNR(Voice over NR)。VoLTE、VoNR 作為 IMS話音的不同接入方式存在。

回顧4G話音方案,4G LTE實(shí)現(xiàn)了全I(xiàn)P(Internet Protocol)化,摒棄了原來的CS(Circuit Switched Domain,電路交換域)域方式,語音服務(wù)采用VoLTE語音方案。但為保證語音業(yè)務(wù)的連續(xù)性,考慮到4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的擴(kuò)張及終端生態(tài)系統(tǒng)的成熟,全球運(yùn)營商普遍經(jīng)歷了從CSFB到VoLTE演進(jìn)過程。運(yùn)營商部署5G,除了同樣需要考慮5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的擴(kuò)張及終端生態(tài)系統(tǒng)的成熟的因素,還需要考慮眾多5G組網(wǎng)部署選項(xiàng)的因素,在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期主要將EPS Fallback方案作為過渡階段的主要語音解決方案。在前期投資較少的情況下,可借助現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)和 VoLTE語音的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)5G與VoLTE的語音連續(xù)性互操作。

5G語音方案主要有2種技術(shù)路線,一是基于LTE/EPC的演進(jìn)的5G語音,只需部署5G NR,核心網(wǎng)以升級LTE/EPC(Evolved Packet Core,4G核心網(wǎng))為主,語音由VoLTE提供;二是基于5GC(5G Core,5G核心網(wǎng))的全新型5G語音,需要同時(shí)部署5G NR和5GC,語音可以直接由VoNR提供,可以回落到4G無線網(wǎng)絡(luò),由VoLTE提供。這樣的情況下,IMS接口需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,以便于滿足5G網(wǎng)絡(luò)語音的需求。與傳統(tǒng)的4G網(wǎng)絡(luò)語音方案相比,5G網(wǎng)絡(luò)語音方案的應(yīng)用場景更多,方案的多樣性也更為明顯。考慮5G無線網(wǎng)絡(luò)部署的需求,5G語音方案除VoNR外,還有EPS Fallback等中間階段補(bǔ)充方案。

2 EPS Fallback語音方案

2.1 VoNR語音方案介紹

VoNR是基于IMS網(wǎng)絡(luò)的5G NR語音解決方案,架構(gòu)在5G核心網(wǎng)5GC上基于IMS server的端到端語音方案[3]。VoNR話音承載在gNB(Next Generation NodeB,5G基站)上,根據(jù)不同的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),存在2個(gè)不同選項(xiàng):1)通過5GC和gNB承載VoNR,信令及業(yè)務(wù)基于QoS流(QoS Flow)傳輸。2))通過EPC和gNB承載VoNR,信令及業(yè)務(wù)是基于EPS承載(EPS bearer)傳輸。VoNR通過部署IMS,可以實(shí)現(xiàn)語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并發(fā),終端駐留NR,語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都承載在NR網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)手機(jī)移動(dòng)到NR信號(hào)覆蓋較差的區(qū)域時(shí),須發(fā)起基于覆蓋的切換來實(shí)現(xiàn)和4G的互操作,切換到LTE,由VoLTE來提供服務(wù)。

2.2 EPS FB語音方案介紹

EPS FB即EPS Fallback,5G NR初期不提供語音業(yè)務(wù),當(dāng)gNB在NR上建立IMS話音通道時(shí)觸發(fā)切換,此時(shí)gNB向5GC發(fā)起重定向或者inter-RAT切換請求,回落到LTE網(wǎng)絡(luò),由VoLTE 提供服務(wù)。

EPS Fallback的用戶體驗(yàn)和4G的CSFB(Circuit Switched Fallback,CS語音回落)體驗(yàn)類似,終端駐留5G NR,一開始語音通話,話音和數(shù)據(jù)都回落4G LTE。但與4G的CSFB體驗(yàn)也有不同,如USSD(Unstructured Supplementary Service Data,非結(jié)構(gòu)化補(bǔ)充數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))等業(yè)務(wù)并不會(huì)觸發(fā)EPS Fallback。EPS Fallback的部署要求是LTE和NR網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋。EPS Fallback的好處在于UE/gNB只須支持IMS信令通道(SIP over NR,實(shí)時(shí)性要求不高),而無須支持IMS話音通道(RTP/RTCP over NR,實(shí)時(shí)性要求高);RTP/RTCP over NR往往需要NR持續(xù)做網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,以達(dá)到語音質(zhì)量好和UE功耗低的要求。選擇EPS Fallback語音解決方案,運(yùn)營商可在5G NR初期聚焦發(fā)展數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),待NR網(wǎng)絡(luò)覆蓋和優(yōu)化后再演進(jìn)到VoNR。

EPS Fallback是借助4G網(wǎng)絡(luò)語音業(yè)務(wù)的方案,需要4G網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行復(fù)雜的互操作,由網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起EPS Fallback流程,使終端通過PSHO or Redirection的方式回落到LTE,建立VoLTE語音業(yè)務(wù),由于涉及雙網(wǎng)多網(wǎng)元之間的互操作,EPS Fallback語音業(yè)務(wù)接續(xù)時(shí)延相較VoNR和VoLTE都會(huì)更長,如圖1所示。

圖1 語音業(yè)務(wù)流程示意圖

EPS Fallback NAS信令流程詳解[4]:1)UE發(fā)起語音業(yè)務(wù) Service Request;2)UE和gNodeB完成RRC連接建立;3)gNodeB通過INITIAL UE MESSAGE傳輸Service Request給5GC;4)UE和5G完成鑒權(quán)和NAS加密協(xié)商流程;5)gNodeB收到INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST建立UE上下文和IMS信令承載;6)gNodeB完成空口AS安全算法配置;7)gNodeB下發(fā)UE能力查詢,UE上報(bào)能力信息;8)gNodeB發(fā)送INITIAL CONTEXT SETUP RESPONSE指示 PDU Session建立完成;9)UE發(fā)起 SIP INVITE消息給5GC請求建立語音會(huì)話;10)gNodeB收到 PDU SESSION RESOURCE MODIFY REQUEST消息,指示gNodeB建立5Q1=1的語音專用承載;11)gNodeB下發(fā)異系統(tǒng)B1事件測量并收到B1事件測量報(bào)告;12)gNodeB向5GC回復(fù)響應(yīng)PDU Session修改,并指示IMS Voice Fallback;13)gNodeB根據(jù)開關(guān)參數(shù)配置和UE能力判斷向5GC發(fā)送切換請求;14)5GC將UE上下文信息轉(zhuǎn)發(fā)給EPC;15)EPC向eNodeB發(fā)起切換請求;16)EPC收到eNodeB的切換請求響應(yīng);17)EPC向5GC轉(zhuǎn)發(fā)eNodeB的切換請求成功響應(yīng)消息;18)5GC向gNodeB發(fā)起切換命令;19)gNodeB向UE發(fā)送切換命令;20)UE切換到目標(biāo)LTE小區(qū);21)UE和EPC間發(fā)起TAU流流程;22)EPC觸發(fā)QCI=1的語音專用承載的建立。

3 EPS Fallback時(shí)延問題現(xiàn)狀分析

EPS Fallback時(shí)延統(tǒng)計(jì)的信令節(jié)點(diǎn)為INVITE→180 Ringing(主叫起呼→被叫振鈴)。目前5G終端撥打4G終端,采用切換的方式回落,時(shí)延為3s~5s;5G終端撥打5G終端,采用切換的方式回落,時(shí)延為4 s~6 s。

目前EPS Fallback時(shí)延分析中存在的主要問題如下。

3.1 回落流程較長問題

EPS Fallback端到端流程長,整個(gè)流程跨5個(gè)域、60+接口、40+網(wǎng)元,復(fù)雜度高于當(dāng)前VoLTE流程,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,容易導(dǎo)致EPS FB語音感知下降,而且問題定位困難。

3.2 4/5G協(xié)同問題

5G用戶撥打5G用戶時(shí),SA終端主被叫2次回落,時(shí)延拉長,起呼流程在5G側(cè)進(jìn)行,EPS Fallback流程為4G和5G協(xié)同進(jìn)行,語音通話在4G側(cè)進(jìn)行,EPS FB時(shí)延相比VoLTE時(shí)延增加約2 s,須雙網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化。

3.3 SA組網(wǎng)的融合性問題

5G核心網(wǎng)絡(luò)采用大區(qū)制度進(jìn)行組網(wǎng),以中國移動(dòng)西南大區(qū)為例,西南大區(qū)的控制面設(shè)備位于西南地區(qū)某核心城市,覆蓋整個(gè)西南區(qū)域的地市,而在本地只有UPF融合設(shè)備。該組網(wǎng)方式會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)增加,從而增加EPS Fallback問題的定位難度,且存在影響EPS Fallback回落時(shí)延的風(fēng)險(xiǎn)。

4 EPS Fallback時(shí)延分段分析方法

4.1 EPS Fallback時(shí)延分段分析原理

研究EPS Fallback信令流向,可以得出信令從哪個(gè)網(wǎng)元發(fā)出,到達(dá)哪些網(wǎng)元,即可快速判斷出現(xiàn)異常高時(shí)延信令流程涉及的網(wǎng)元。結(jié)合EPS Fallback分段原理,對無線側(cè)EPS Fallback信令流程INVITE→180Ringing進(jìn)行分段,根據(jù)5G→4G的回落特征劃分將EPS Fallback流程分為3個(gè)階段、8個(gè)信令片段(T1~T8),簡稱“三階八步”時(shí)延分段法,以便快速對異常風(fēng)險(xiǎn)問題進(jìn)行定界定位。

在5G側(cè)準(zhǔn)備向4G回落為第一階段,包括T1(叫用戶發(fā)起語音業(yè)務(wù)請求到收到5G基站下發(fā)的4G異頻測量請求)、T2(終端收到5G基站下發(fā)異系統(tǒng)B1事件測量到上報(bào)B1事件測量報(bào)告)、T3(終端上報(bào)B1事件測量報(bào)告到收到4G核心網(wǎng)下發(fā)向4G小區(qū)的切換命令)、T4(終端收到切換命令到終端切換到4G目標(biāo)小區(qū)成功)4個(gè)信令段;回落在專載建立為第二階段,包括T5(終端切換到4G目標(biāo)小區(qū)成功到發(fā)起跟蹤區(qū)更新請求)、T6(跟蹤區(qū)更新請求到跟蹤區(qū)更新成功)、T7(跟蹤區(qū)更新請求成功到語音專用承載建立)3個(gè)信令段;等待被叫振鈴為第三階段,包括1個(gè)信令段T8(語音專用承載建立到收到被叫振鈴信息)。

在規(guī)避無線問題、核心網(wǎng)問題以及其他所有不利因素的場景下,經(jīng)過大量測試數(shù)據(jù)匯聚,得到各個(gè)信令分段的參考時(shí)延。在后續(xù)分析過程中發(fā)現(xiàn)實(shí)際測試時(shí)延超過參考時(shí)延,則認(rèn)定該流程分段存在異常,同時(shí)能夠獲取異常分段的相關(guān)網(wǎng)元,最終快速定位時(shí)延問題。信令分段參考時(shí)延及相關(guān)網(wǎng)元見表1。

表1 信令分段參考時(shí)延及相關(guān)網(wǎng)元

4.2 EPS Fallback時(shí)延分段分析應(yīng)用

“三階八步”時(shí)延分段法在5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的5G SA優(yōu)化測試中得到廣泛應(yīng)用,對EPS Fallback時(shí)延優(yōu)化起到重要支撐作用。

對測試過程中EPS Fallback時(shí)延超過3s的流程進(jìn)行分段分析:分析測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)同一區(qū)域出現(xiàn)多次EPS Fallback回落高時(shí)延問題,且均為T5分段高時(shí)延,回落方式為盲從定向,其他分段屬于正常時(shí)延范圍內(nèi),見表2。

表2 時(shí)延分段統(tǒng)計(jì)

通過分段時(shí)延統(tǒng)計(jì)可知該EPS Fallback信令流程是5G→4G Redirection Start至5G→4G Redirection Success之間存在問題,時(shí)延高達(dá)1134ms,潛在問題點(diǎn)在UE和eNB之間。核查該時(shí)段主叫終端占用小區(qū),發(fā)現(xiàn)該時(shí)段4G覆蓋較差,測量到1350頻點(diǎn)小區(qū)的SINR值均<-4dB,嚴(yán)重的質(zhì)差問題導(dǎo)致T5分段時(shí)延嚴(yán)重超時(shí)。

對一輪網(wǎng)格測試進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)該輪網(wǎng)格測試一共有56次EPS Fallback流程超時(shí),并且所有通話均為的T8分段時(shí)延超時(shí)。通過分段時(shí)延統(tǒng)計(jì)可知,T8分段存在超時(shí),即QCI1setup至180Ringing之間存在問題,潛在問題點(diǎn)在UE和基站之間,且涉及被叫側(cè)狀態(tài)。深入分析,發(fā)現(xiàn)EPS Fallback流程階段,無線環(huán)境良好,但主叫承載建立完成至振鈴共耗時(shí)2400ms,遠(yuǎn)超于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)延。繼續(xù)分析發(fā)現(xiàn)被叫側(cè)無線環(huán)境良好,無弱覆蓋、高質(zhì)差問題,但在同時(shí)段被叫側(cè)處于空閑態(tài),收到主叫側(cè)尋呼后才發(fā)起4G側(cè)RRC上下文請求,導(dǎo)致T8分段時(shí)延增加。

從上述實(shí)用案例可以看出,EPS Fallback時(shí)延分段分析方法能夠快速地定位時(shí)延問題片段和相關(guān)網(wǎng)元。將EPS Fallback流程化繁為簡,有效地提升了EPS Fallback時(shí)延優(yōu)化效率,使流程長、定位難的問題得到有效解決。

5 結(jié)語

該文根據(jù)現(xiàn)有協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)及基站能力,從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、信令流程等層面對5G網(wǎng)絡(luò)主要的語音方案進(jìn)行了介紹?;趯ΜF(xiàn)有5G語音信令流程的理解和認(rèn)識(shí),對目前存在的EPS Fallback語音時(shí)延較大等痛點(diǎn)問題進(jìn)行了分析,提出了基于關(guān)鍵信令節(jié)點(diǎn)分段的EPS Fallback時(shí)延分段分析方法。介紹了根據(jù)該方法計(jì)算出來的分段時(shí)延,匹配各個(gè)分段的參考時(shí)延,分析各個(gè)分段時(shí)延是否超出參考時(shí)延,可以快速地計(jì)算出關(guān)鍵流程的時(shí)延,快速發(fā)現(xiàn)異常問題、異常信令流程,直接關(guān)聯(lián)EPS FB時(shí)延問題相關(guān)網(wǎng)元,加速EPS FB時(shí)延問題定界定位,提升問題解決效率,解決了EPS Fallback語音流程長、定位難等難題。

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