劉贏 李佳 康鐵 胡翔

【摘要】在5G VoNR尚未成熟之前，5G SA語音呼叫主要解決方案仍為EPS Fallback，其建立過程需要4/5G網(wǎng)絡(luò)以及IMS網(wǎng)絡(luò)橫向協(xié)作，涉及UE、eNB、gNB、EPC、5GC、IMS、承載網(wǎng)等多個網(wǎng)元?？v向包含控制面與用戶面交互，形成一個立體多維模型。橫向和縱向交織，造成呼叫建立時延因素增加。本文從多角度多維度分析影響5G SA呼叫建立時延因素，其中包括傳輸距離、組網(wǎng)架構(gòu)、信令流程等。為呼叫建立過程中縮短時延、提升用戶呼叫體驗提供解決思路。

【關(guān)鍵詞】5G SA;呼叫時延;組網(wǎng)架構(gòu);信令流程

中圖分類號：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.15.009

從國家戰(zhàn)略部署以及業(yè)務(wù)應(yīng)用發(fā)展來看，中國5G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)并存必將是一個長期的過程。5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全覆蓋之前，在很長時間內(nèi)，4G網(wǎng)絡(luò)都是5G網(wǎng)絡(luò)的良好補充。這就意味著5G用戶將會在4/5G網(wǎng)絡(luò)間頻繁切換。移動過程中的業(yè)務(wù)連續(xù)性直接影響用戶體驗，尤其是語音類業(yè)務(wù)。

隨著5G SA商用，5G用戶數(shù)量逐漸增加，受限于終端成熟度和無線優(yōu)化工作量巨大，在VoNR沒有部署情況下，現(xiàn)階段5G語音解決方案仍然是EPS Fallback，即用戶打電話的時候，從5G網(wǎng)絡(luò)回落到4G網(wǎng)絡(luò)，通過4G網(wǎng)絡(luò)接入vIMS實現(xiàn)話音業(yè)務(wù)的呼叫。在流程上相當于用戶從4G無線網(wǎng)接入，再由融合核心網(wǎng)網(wǎng)元UPF/GW-U接入IMS網(wǎng)絡(luò)的SBC/P-CSCF，后續(xù)流程同現(xiàn)有的VoLTE流程。EPS Fallback流程從設(shè)計上就較為復(fù)雜，因此，在呼叫建立時延和呼通率指標提升方面具有較高的難度。本文聚焦于呼叫建立時延的分析指導(dǎo)，并希望在使用中不斷完善豐富。

1. EPS Fallback流程

5G用戶語音業(yè)務(wù)從5G基站接入后，如果發(fā)起或收到語音呼叫，5G網(wǎng)絡(luò)指示用戶回落4G完成語音承載建立的過程，我們稱之為EPS Fallback?；贜26接口的EPS Fallback包括兩種方式實現(xiàn)：1有N26接口時基于切換的EPS回落;2有N26接口時基于重選的EPS回落。

1.1 5GC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G核心網(wǎng)根據(jù)網(wǎng)元的性質(zhì)按照三層架構(gòu)部署，其中骨干/國際層設(shè)備部署在區(qū)域DC，省層5G核心網(wǎng)部署在省DC，地市層面只按需要部署UPF/GW-U或UPF，設(shè)置在地市層的DC。

1.1.1. 骨干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)組織

骨干層的網(wǎng)元主要包括骨干NRF（H-NRF）以及5G國際局。H-NRF連接各省L-NRF，主要負責轉(zhuǎn)接跨省的網(wǎng)元發(fā)現(xiàn)查詢與應(yīng)答消息。5G國際局負責5G國際漫出和國際漫入業(yè)務(wù)的處理。

省網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)組織。省層面核心網(wǎng)網(wǎng)元主要包括AMF、SMF、AUSF、UDM、NSSF、PCF、UPF、BSF、L-NRF。為了實現(xiàn)4G網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)的互操作，需要將部分4G與5G網(wǎng)元融合設(shè)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;地市層網(wǎng)絡(luò)組織。5G核心網(wǎng)在地市層的網(wǎng)絡(luò)主要包括UPF/SAEGW-U;5G核心網(wǎng)與IMS網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系5G商用初期，語音業(yè)務(wù)采用EPS Fallback方式，即用戶打電話的時候，從5G網(wǎng)絡(luò)回落到4G網(wǎng)絡(luò)，通過4G網(wǎng)絡(luò)接入vIMS實現(xiàn)話音業(yè)務(wù)的呼叫，在流程上相當于用戶從4G無線網(wǎng)接入，再由融合核心網(wǎng)網(wǎng)元UPF/SAEGW-U接入IMS網(wǎng)絡(luò)的SBC/P-CSCF，后續(xù)流程同現(xiàn)有的VoLTE流程。

2. 呼叫建立時延分析

2.1 組網(wǎng)架構(gòu)對呼叫時延的影響

組網(wǎng)架構(gòu)對呼叫建立時延的影響主要體現(xiàn)在傳輸距離以及網(wǎng)絡(luò)部署不同導(dǎo)致的流程不同等方面。

2.1.1 傳輸距離對時延的影響

基站的位置是相對固定的，而核心網(wǎng)的選擇各有不同。選擇不同的核心網(wǎng)接入，對應(yīng)的距離不同，會引入不同的時延。例如國內(nèi)主流運營商有的是EPC/5GC/IMS網(wǎng)元都存在大區(qū)制，各省也有自己的傳統(tǒng)EPC和IMS。另外還有的運營商SGW采用新部署的融合5G GW-C/SMF。這種不同選擇所帶來的物理距離時延無法避免，也是最常見的引入時延環(huán)節(jié)。

以在5G大區(qū)制部署遇到的典型場景為例：

如果5GC控制面雙DC部署，非大區(qū)省份選擇到距離較遠的DC，會引入距離產(chǎn)生的時延;另外選擇的用戶面是在大區(qū)UPF或省中心UPF還是下沉在地市UPF，都會帶來不同的用戶時延;

不同網(wǎng)絡(luò)的選擇，傳輸距離不同，會導(dǎo)致實測的時延結(jié)果也不一樣。一般情況下實測結(jié)果是多種因素的疊加，有的增加時延有的減少時延，要識別正面還是負面影響。

以某運營商實測為例，僅將IMS網(wǎng)元SBC從A市資源池調(diào)整為B市本地設(shè)備，呼叫建立時延縮短160ms。而采用本地AMF+SMF，和采用跨省AMF+SMF，其余條件不變，時延相差約500ms。因此，做時延優(yōu)化之前，首先確定最優(yōu)的組網(wǎng)架構(gòu)，原則建議如下：用戶面網(wǎng)元盡量下沉，靠近基站側(cè)，包括5G UPF和4G SBC網(wǎng)元;控制面網(wǎng)元盡量能就近選擇，避免跨大區(qū)、跨省調(diào)用。以上幾個原則一般能夠使傳輸距離帶來的時延趨向于最小。

2.1.2? 網(wǎng)絡(luò)部署對于時延的影響

相比與分離部署，5G核心網(wǎng)網(wǎng)元中例如SMF可以選擇4/5G融合部署，即將SGW/PGW&SMF合一部署，將外部傳輸時延轉(zhuǎn)為內(nèi)部處理時延，能夠大大提升傳輸效率。

2.2 5G核心網(wǎng)與4G核心網(wǎng)控制面流程對呼叫時延的影響

控制面的流程交互越少，特別是在端到端處理關(guān)鍵路徑上的流程優(yōu)化，對縮短時延有很大幫助。關(guān)鍵流程如下。

2.2.1 關(guān)閉鑒權(quán)

一次鑒權(quán)過程對端到端時延的影響，外場實測結(jié)果在300～500ms之間。4G側(cè)MME和5G側(cè)AMF在配置上支持關(guān)閉鑒權(quán)。目前重定向回落方式，MME一般默認配置為強制鑒權(quán)。切換回落方式，MME一般配置為關(guān)閉鑒權(quán)。一次鑒權(quán)方案需要滿足業(yè)界或企業(yè)規(guī)范要求，需視實際情況而定。

2.2.2 語音尋呼策略

為了達到盡快尋呼到用戶的目的，對語音業(yè)務(wù)觸發(fā)的尋呼可以采用一次尋呼，尋呼范圍直接精準到TAList。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可采用三次尋呼策略。尋呼策略的不同對時延影響也是不同的，具體采用哪種尋呼策略要視無線覆蓋、地形地貌等多方面因素綜合考量。

2.2.3 IMS APN 4/5G網(wǎng)絡(luò)簽約參數(shù)保持一致

終端在4/5G互操作時，每到一個目標網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)都會檢查QoS參數(shù)，并根據(jù)變化主動發(fā)起網(wǎng)絡(luò)側(cè)的QoS修改流程。這個流程的引入會增加與EPS Fallback流程沖突機率，沖突處理導(dǎo)致的緩存等操作也會惡化呼叫建立時延。

因此建議對于IMS會話，保持4/5G簽約參數(shù)相同，APN AMBR和ARP要保證4/5G簽約相同，速率按kbps的整數(shù)倍簽約。如果采用IWF轉(zhuǎn)接方案，5G簽約是由IWF從4G簽約參數(shù)做轉(zhuǎn)換的，從機制上保證了簽約參數(shù)相同。如果采用4/5G融合UDM方案，需要檢查簽約模板是否滿足上述要求。

2.2.4 關(guān)閉從5G到4G SMF網(wǎng)元向UDM的去注冊去訂閱

通過抓取語音信令觀察發(fā)現(xiàn)，用戶回落4G時，SMF在5G側(cè)與UDM有去注冊和去訂閱的交互，并且SMF的處理邏輯為先完成去注冊和去訂閱過程，再啟動Create Bearer創(chuàng)建語音專載處理。實測發(fā)現(xiàn)如果采用IWF方案，AMF/SMF網(wǎng)元通過IWF與現(xiàn)網(wǎng)HSS進行交互，并且經(jīng)過DRA轉(zhuǎn)發(fā)，N8/N10的接口時延較長。實測N8口一對消息交互有大約30-60ms，如關(guān)閉SMF向UDM的注冊去訂閱不僅可簡化EPS Fallback流程處理，也可縮短呼叫建立時延和快速返回5G的時延。

2.2.5 TAList（5G稱為注冊區(qū)）內(nèi)語音能力配置相同

一般來說，To C語音業(yè)務(wù)全網(wǎng)能力應(yīng)一致。保持TAList內(nèi)語音能力相同，可避免被叫側(cè)出現(xiàn)可選的TAD-S域選功能，拉大時延。目前該規(guī)則一般為默認配置，不推薦手工修改。

2.2.6 主叫側(cè)SMF獲取到位置信息后立即通知PCF

語音呼叫建立時，IMS系統(tǒng)會訂閱用戶位置信息，當收到包含位置信息的RAR時，才會開始轉(zhuǎn)發(fā)主叫用戶的INVITE消息到被叫，在此之前IMS系統(tǒng)處于等待狀態(tài)。而SMF/PGW-C一般會在專載建立完成后，向PCF發(fā)起策略更新消息上報位置信息。

正常情況下，用戶在回落到4G時，MME向SGW發(fā)送Create Session Request時，就已經(jīng)包含了當前用戶在4G的ULI信息，SGW在向PGW發(fā)送Modify Bearer Request消息時，可將用戶當前ULI信息發(fā)給SMF/PGW-C。如果SMF/PGW-C此時向PCF發(fā)送策略更新上報位置，那么IMS可以提前觸發(fā)被叫側(cè)建立流程，呼叫時延可進一步縮減。

2.2.7 S5/S8的隧道信息在5G會話建立時提前分配

用戶從5G回落4G時，AMF向SMF獲取會話上下文，SMF向UPF發(fā)送N4 Modification流程，UPF分配4G使用的S5/S8-U隧道信息。對于具備4/5G互操作能力的會話，S5/S8-U隧道信息可以在該會話初始建立時提前分配，用戶后續(xù)回落4G時，這對消息就可省略。目前To C終端缺省建立兩個會話，那么實際就可省略兩對N4口消息交互。從而在一定程度上進一步壓縮呼叫時延。

2.2.8 其他可能影響語音呼叫時延的場景

做時延攻關(guān)時發(fā)現(xiàn)，彩鈴業(yè)務(wù)由于是協(xié)商和播放完成后再次協(xié)商語音QoS，終端才能收到180Ring，對時延影響較大。但由于彩鈴業(yè)務(wù)的時延是VoLTE階段就引入的，與5G并沒有直接關(guān)系，因此時延攻關(guān)需要端到端聯(lián)合分析，逐段排查。

3. 結(jié)論

如何在EPS Fallback流程中縮短用戶時延是各大運營商都非常關(guān)注的問題。本文從幾個方面探討分析了影響用戶呼叫時延的因素以及常用解決思路，總結(jié)如下：

傳輸距離引入的時延無法避免，可以通過下沉UPF、選擇合適區(qū)域的物理網(wǎng)元來使傳輸距離盡量小從而降低時延;能夠合一部署的網(wǎng)元盡量合一部署，將外部傳輸時延轉(zhuǎn)換為內(nèi)部處理時延;控制面的流程交互越少，呼叫時延越小，特別是在端到端處理關(guān)鍵路徑上的流程優(yōu)化能夠大幅度降低呼叫建立時延;可以通過優(yōu)化IMS呼叫建立流程來降低呼叫建立時延。

壓降5G SA用戶語音呼叫業(yè)務(wù)時延能夠直接提升用戶體驗，而受限于終端成熟度和無線優(yōu)化工作量巨大，在沒有部署VoNR前5G語音解決方案仍然是EPS Fallback。希望本文能對解決當前基于EPSFallbace 5G SA語音呼叫建立時延問題提供一些借鑒。

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