5G 語音時延優(yōu)化研究

薛曉宇，龍 杰，方東旭，方義成，劉明健（.中國移動通信集團設(shè)計院有限公司重慶分公司，重慶 40；.中國鐵塔股份有限公司永川分公司，重慶 4060；.中國移動通信集團重慶有限公司，重慶 40）

0 引言

5G 沿用4G 的語音架構(gòu)，基于IMS 提供語音業(yè)務(wù)。語音解決方案主要有通過5G NR 和IMS（IP Multimedia Subsystem）系統(tǒng)承載語音的VoNR（Voice over NR）方案和回落到4G 網(wǎng)絡(luò)提供語音服務(wù)的EPS Fallback（Evolved Packet System Fallback）方案。鑒于目前4G網(wǎng)絡(luò)較5G NR 網(wǎng)絡(luò)更為成熟，覆蓋更好，運營商普遍選擇EPS Fallback方案作為5G初期的語音解決方案。

由于5G 終端采用EPS Fallback 方式進行語音業(yè)務(wù)時需要從5G 回落到4G 網(wǎng)絡(luò)，涉及IMS、5GC（5G Core Network）、EPS（Evolved Packet）等領(lǐng)域不同網(wǎng)元之間大量的信令交互判決，導致語音業(yè)務(wù)呼叫建立時延（下文簡稱E2E 時延）過長，影響客戶實際業(yè)務(wù)感受和滿意度。優(yōu)化前某市移動的EPS Fallback 的時延約為6.3 s，因此需要進行流程研究與參數(shù)優(yōu)化以縮短語音業(yè)務(wù)建立時延，提升網(wǎng)絡(luò)性能和用戶的語音感知。

1 EPS FB原理和流程分析

1.1 基本架構(gòu)

EPS Fallback 需要5G 網(wǎng)絡(luò)和4G 網(wǎng)絡(luò)間的互操作完成語音業(yè)務(wù)，下面將介紹EPS Fallback 方式回落到4G 通過VoLTE 完成語音業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。如圖1 所示，為了支持5G 與4G 間互操作，需要5GC（5G Core Network）和EPC（Evolved Packet Core）部分網(wǎng)元進行融合改造，SMF+PGW-C、UPF+PGW-U、PCF+PCRF、UDM+HSS；SMF+PGW-C 和UPF+PGW-U 作為錨 定點，保證互操作時的IP 地址連續(xù)性；AMF 與MME 間需要支持N26接口。

圖1 EPS FB的典型組網(wǎng)架構(gòu)

1.2 基本流程

5G 用戶呼叫5G 用戶，接入時延的優(yōu)化主要是通過主被叫的無線側(cè)和核心網(wǎng)側(cè)聯(lián)合端到端優(yōu)化來提升。EPS Fallback 有基于重定向和切換多種無線側(cè)信令流程，以下以基于切換的EPS Fallback 為例介紹EPS Fallback 業(yè)務(wù)的基本信令流程。首先終端相關(guān)UE Radio 能力上報和協(xié)商，完成相關(guān)UE 與網(wǎng)絡(luò)NAS能力上報與協(xié)商（注冊和NG 接口）；然后網(wǎng)絡(luò)端到端建立2 個PDU Session 中的數(shù)據(jù)flow 和IMS flow，嘗試在承載多媒體的PDU session 中建立語音flow 5QI=1，觸發(fā)gNB 發(fā)送針對4G 的測控消息給UE，UE 上報MR后啟動4G 小區(qū)的切換流程。切換流程將2 個PDU Session 中已經(jīng)建立的flow 中繼到4G 網(wǎng)絡(luò)，最后在4G建立QCI=1 的語音bearer 打通呼叫流程，詳細協(xié)議如圖2所示。

圖2 EPS Fallback協(xié)議棧圖

2 無線側(cè)流程優(yōu)化

無線側(cè)聚焦與空口強相關(guān)的尋呼、EPS FB 測量等階段，通過尋呼周期優(yōu)化、EPS FB 提前測量及TTI 優(yōu)化、信令緩存優(yōu)化等3個方面降低E2E 接續(xù)時延，全網(wǎng)改善350 ms左右。

2.1 回落策略優(yōu)化

EPS FB 語音業(yè)務(wù)根據(jù)測量階段不同和切換階段不同，回落策略主要有基于切換、測量重定向、盲重定向3種方式。

基于數(shù)據(jù)切換方式的EPS Fallback 回落，終端的語音業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（如果存在）一起切換至LTE 側(cè)，語音建立時延與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中斷時延相對較短?；谥囟ㄏ蚍绞降腅PS Fallback 回落，終端回落到LTE 之后需要讀取4G 側(cè)系統(tǒng)消息，然后再建立VoLTE 業(yè)務(wù)；并且如果在EPS Fallback 之前有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，也需要在LTE 側(cè)重新建立承載以恢復數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。表1 給出了EPS FB 不同回落策略的測試時延，從表1 可以看出，基于盲重定向的EPS Fallback 呼叫時延最低，基于測量重定向的EPS Fallback呼叫時延最高。

表1 EPS FB不同回落策略測試時延

由于基于切換EPS Fallback 回落需準確配置LTE頻點鄰區(qū)，建議在5G NR 連續(xù)覆蓋區(qū)域部署切換策略，在5G 不連續(xù)覆蓋區(qū)域部署盲重定向策略，以縮短EPS Fallback時延。

2.2 尋呼周期優(yōu)化

在無線通信系統(tǒng)中，終端無法預測何時會收到被叫業(yè)務(wù)，只能持續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)側(cè)下發(fā)的尋呼。而監(jiān)聽尋呼需要消耗終端電量，因此引入了尋呼周期機制。尋呼機制在一個無線幀周期中設(shè)定一部分無線幀作為尋呼幀，并在尋呼幀中配置尋呼時刻，只有在尋呼時刻，網(wǎng)絡(luò)才會下發(fā)尋呼。

對于EPS Fallback 業(yè)務(wù)，當主叫發(fā)起呼叫后，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)被叫所在的TAC，在被叫終端的尋呼時刻下發(fā)尋呼消息，當尋呼周期變化時，等待尋呼時刻的時間也會同步變化。因此，當尋呼周期配置的較小時，網(wǎng)絡(luò)對被叫終端下發(fā)尋呼消息的等待時間越短，平均呼叫建立時延越低。

目前某市移動全網(wǎng)尋呼周期設(shè)置為RF128，終端在空口下發(fā)尋呼消息的等待時間相對較長，建議將尋呼周期修改為RF32，減少終端等待時間，從而降低EPS Fallback 時延。根據(jù)現(xiàn)場驗證測試結(jié)果，優(yōu)化后E2E時延可減少350 ms左右，效果及參數(shù)見表2。

表2 尋呼周期優(yōu)化參數(shù)及效果

2.3 測量時間優(yōu)化

EPS Fallback 回落過程中測量階段消耗時延較長，分析測量階段信令流程共找到可優(yōu)化的參數(shù)有4類。分別是EPS Fallback 提前下發(fā)B1 測量功能和縮短EPS Fallback B1時間遲滯（Time To Trigger）、預調(diào)度功能和延遲查詢UE能力信息功能。

針對主叫Idle 態(tài)和Inactive 態(tài)語音用戶提前下發(fā)測量異系統(tǒng)B1 事件測量，如圖3（a）所示。gNodeB 根據(jù)RRC Setup Request 原因值MO-VoiceCall 和網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置及UE 能力識別出EPS Fallback 語音回落用戶，gNodeB 給核心網(wǎng)回復初始上下文建立響應消息后提前下發(fā)4G B1 測量，從而縮短E2E 語音呼叫時延。在終端測量環(huán)節(jié)，周邊4G 小區(qū)信號持續(xù)時間遲滯（Time To Trigger）達到B1 門限才會上報測量報告，如圖3（b）所示，縮短B1 測量時間遲滯可以減少EPS Fallback 回落時延。EPS Fallback 呼叫流程中，SIP 信令的收發(fā)及時性對時延影響很大，綜合考慮資源效率和預調(diào)度效果，可以在下行SIP 消息后直接觸發(fā)上行預調(diào)度。在初始上下文建立過程中不對NAS 消息進行緩存，直接下發(fā)也可以縮短E2E 時延。延遲查詢UE 能力信息，識別語音用戶后上下文建立先查EUTRAN 能力，其他能力（NR/LTE-NR/G/U）推遲到180Ringing后查詢。

圖3 測量時間優(yōu)化效果對比

現(xiàn)網(wǎng)試點的結(jié)果如表3所示，小區(qū)EPS Fallback測量對應的B1 事件Time To Trigger 由320 ms 調(diào)整為256 ms 后，E2E 時延改善了330 ms 左右；EPS Fallback提前下發(fā)B1 測量功能開啟后，E2E 時延改善了120 ms左右；小區(qū)5QCI5 預調(diào)度開關(guān)開啟后，E2E 時延改善了180 ms 左右；延遲查詢UE 能力信息功能開啟后，E2E時延改善了40 ms左右。

表3 測量參數(shù)優(yōu)化效果對比

2.4 鄰區(qū)優(yōu)化

定期實施5G-4G鄰區(qū)優(yōu)化，避免因PCI混淆、外部定義錯誤、鄰區(qū)定義錯誤導致的切換失敗轉(zhuǎn)重定向回落，增加E2E呼叫時延。檢查基站配置的EPS Fallback切換策略，均開啟“EPS Fallback 最強鄰區(qū)重定向開關(guān)”，當基站檢測到UE 測報的最強小區(qū)未被配置鄰區(qū)，會直接發(fā)起重定向回落流程。針對此特性，可通過點對點補充、完善5G-4G 鄰區(qū)關(guān)系來縮短E2E 時延。

3 核心網(wǎng)側(cè)流程優(yōu)化

5G 采用云化組網(wǎng)架構(gòu)，呼叫接續(xù)流程涉及省內(nèi)網(wǎng)元、大區(qū)網(wǎng)元。經(jīng)分析核心網(wǎng)側(cè)主要可以通過路由尋優(yōu)和信令交互流程優(yōu)化2 個方面縮短E2E 接續(xù)時延。具體措施包括SCPAS 兩次UDR 轉(zhuǎn)一次UDR、SCP 本大區(qū)優(yōu)選、EPS Fallback TAU 過程不鑒權(quán)、EPS Fallback鑒權(quán)設(shè)置為系統(tǒng)判斷、183 并行方案和CSCF 緩存SIP消息機制優(yōu)化等措施進行優(yōu)化。

4 總結(jié)

EPS FB 語音建立時延是影響5G 語音用戶業(yè)務(wù)感知的重要指標，信令流程中影響時延的所有流程和節(jié)點都是優(yōu)化重點。通過對EPS Fallback 端到端信令流程分析，精準判定超時分段以及涉及網(wǎng)元，為EPS Fallback 時延優(yōu)化提供了指導。流程和參數(shù)優(yōu)化策略實施后，某市EPS FB 時延已經(jīng)穩(wěn)定縮短到4 s 以內(nèi)，5G客戶語音感知有了明顯提升。