5G语音EPS Fallback主叫流程优化思路.pdf

邮电设计技术/2024/011 EPS Fallback简介及现状当前，语音通话仍然是移动通信的基本业务。SA独立组网不支持 VoNR的 5G终端语音，可通过从 5G网络回落到4G网络的EPS Fallback方式实现该功能，此时用户的数据业务也同步回落到4G网络。这种回落方式一方面会造成语音呼叫的建立时延增加，另一方面4G的数据速率相对5G网络也会降低。同时，由于4G无线覆盖问题，网络切换可能会失败，最终影响用户业务感知。随着 5G SA 的规模部署，5G 语音可采用目标VoNR非回落的方式实现，用户终端开机驻留在5G网络，在IMS网络注册后发起语音呼叫，可直接通过5GC核心网建立语音PDU会话，无需回落到4G网络，用户体验更好。统计某省P-CSCF上忙时1 h语音呼叫情况可知，当前 5G 终端语音主叫 EPS Fallback 约占 52%（见图1），统计原理为若主叫侧P-CSCF收到5G用户发起的呼叫，但在查询用户位置信息时，返回当前已经不是5G 接入，则计为 EPS Fallback 呼叫。通过优化 EPSFallback主叫流程，降低EPS Fallback主叫接续时延，5G语音EPS Fallback主叫流程优化思路Optimization Ideas for 5G Voice EPS Fallback Calling Process关键词：5G语音；EPS Fallback；Rx接口；会话初始协议；流程优化doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2024.01.011文章编号：1007-3043（2024）01-0049-05中图分类号：TN915文献标识码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：摘要：5G网络实现语音呼叫的方式有2种，一种是EPS Fallback回落方式，另一种是目标VoNR非回落方式。由于EPS Fallback方式需要先回落至4G网络，主叫接通时延相比VoNR方式要慢1 s左右。提出针对EPS Fallback主叫流程的优化思路，通过网络侧升级改造，最终达到EPS Fallback主叫时延与VoNR主叫时延一致的效果。Abstract：There are two ways to implement voice calls in 5G networks，one is the EPS Fallback method，and the other is the target VoNRnon fallback method.Due to the fact that the EPS Fallback mode needs to be dropped back to the 4G network first，the callconnection delay is about 1 second slower than the VoNR mode.It proposes an idea for optimizing the EPS Fallback callingprocess.Through network side upgrades and modifications，the EPS Fallback calling delay is ultimately consistent with theVoNR calling delay.Keywords：5G voice；EPS Fallback；Rx interface；SIP；Process optimization王建华，蔡小峰（中国联通江苏分公司，江苏 南京 210019）Wang Jianhua，Cai Xiaofeng（China Unicom Jiangsu Branch，Nanjing 210019，China）基金项目：国家重点研发计划（2020YFB1805104）收稿日期：2023-11-07王建华，蔡小峰5G语音EPS Fallback主叫流程优化思路网络优化Network Optimization引用格式：王建华，蔡小峰.5G语音EPS Fallback主叫流程优化思路 J.邮电设计技术，2024（1）：49-53.492024/01/DTPT对提升EPS Fallback用户感知很有必要。2 现网EPS Fallback主叫流程EPS Fallback主叫流程如图2所示，具体如下。a）用户在5G网络发起语音呼叫时，如果终端处于IDLE态，则需启动Service Request过程，建立UE到UPF端到端的用户面承载，业务请求接入成功后，终端即可发起语音呼叫。b）用户发起初始INVITE请求。SIP消息中PANI头域携带用户接入信息，包括用户接入网络和小区信息，如 P-Access-Network-Info：3GPP-NR-TDD；utran-cell-id-3gpp=46001DE0400DE0575000。c）P-CSCF收到INVITE消息后，根据Rx profile模板，发起AAR专载建立请求消息给PCF。AAR消息中包括各种订阅请求，如INDICATION_OF_LOSS_OF_BEARER（2）、INDICATION_OF_RECOVERY_OF_BEARER（3）、INDICATION_OF_RELEASE_OF_BEARER（4）、IP-CAN_CHANGE（6）、ACCESS_NETWORK_INFO_REPORT（12）等，其中ACCESS_NETWORK_INFO_REPORT（12）表示需要PCF提供用户当前位置信息。PCF收到AAR请求 后，发 起 Npcf_SMPolicyControlAPI_SmPolicyControlUpdateNotifyRequest 消 息 给 SMF，SMF 返 回Npcf_SMPolicyControlAPI_SmPolicyControlUpdateNotifyResponse 响 应 给 PCF，包 含“accessType”：“3GPP_ACCESS”，“ratType”：“NR”。d）PCF 向主叫侧 P-CSCF 返回 AAA 响应消息。消息包含 IP-CAN-Type：3GPP-5GS（8）和 RAT-Type：NR（1006），其中RAT-Type用于标识用户终端使用的无线接入技术，当RAT-Type取值为E-UTRAN时，表示终端使用4G接入技术；当RAT-Type取值为NR时，表示终端使用5G接入技术。IP-CAN-Type用于表示用户接入的核心网类型，当 IP-CAN-Type 取值为3GPP-EPS 时，表示用户从 EPC 核心网接入；当 IP-CAN Type取值为3GPP-5GS时，表示用户从5GC核心网接入。e）PCF发起建立语音专用QoS Flow流程。当5G基站收到承载建立请求流程时，根据当前5G基站的配置决定是否进行 EPS Fallback。如果 5G 基站未打开VoNR 功能或打开 VoNR 功能但收到的 InitialContextSetupRequest 消息中无 voiceOverNR：support，则 5G 基站将指示用户回落到 4G 网络。在进行 EPS Fallback之前，5G基站会通知用户测量4G无线信号，然后再通图15G语音EPS Fallback占比情况图2EPS Fallback主叫流程52.4百分比/%52.252.051.851.651.451.251.050.82023-02-132023-02-172023-02-142023-02-152023-02-1652.2751.9051.6051.6751.35500 000450 000400 000350 000300 000250 000200 000150 000100 00050 00005G主叫试呼次数5G主叫侧EPS Fallback次数5G主叫侧EPS Fallback占比次数AAA（RAT-Type和IP-CAN-Type）SBC/P-CSCFService Request过程位置信息上报INVITE（PANI）AARRARRAAINVITE（PANI）INVITE（PANI）专用QoS Flow建立过程及EPS FB过程NG RANMMEE-UTRANUE-AAMFUDMSMFUPFI/S-CSCFATSPCF王建华，蔡小峰5G语音EPS Fallback主叫流程优化思路网络优化Network Optimization50邮电设计技术/2024/01过切换或者重定向的方式向4G网络回落，整个回落过程没有信令通知IMS网络，故IMS不感知EPS Fallback流程的触发。在EPS Fallback后，主叫用户回落到4G网络，由VoLTE提供服务。f）PCF 将回落到 4G 网络的用户位置信息，通过RAR请求消息发送给主叫侧 P-CSCF，包括 IP-CAN-Type：3GPP-5GS（8）、RAT-Type：EUTRAN（1004）、3GPP-User-Location-Info：46001d80a599a41f和Specific-Action：IP-CAN_CHANGE（6）。可根据RAT-Type获知用户当前是否通过4G网络接入。g）P-CSCF收到RAR消息后，向PCF返回RAA响应。h）P-CSCF 根据 RAR 消息中的位置信息，更新SIP消息中的PANI头域，增加Network-Provided参数，表明该位置信息是网络侧获取而非用户上报的位置信息，并随着invite消息转发给主叫侧S-CSCF。主叫侧 S-CSCF 收 到 更 新 后 的 PANI 头 域 如 P-Access-Network-Info：3GPP-E-UTRAN；utran-cell-id-3gpp=46001d80a599a41f；network-provided；sbc-domain=；ue-ip=2408：853e：b80：1b55：c4a8：aaff：fee4：d2ea；ue-port=44726。从上述流程可以看出，EPS Fallback相比VoNR流程多了用户回落4G网络的过程。在主叫侧4G、5G无线环境较好的情况下，主叫侧P-CSCF收到RAR请求消息比VoNR流程延迟近1 s（见图3和图4）。EPS Fallback 被叫用户不存在时延增加的问题，被叫P-CSCF收到被叫终端的183响应后，可以直接转发183至被叫侧S-CSCF，无需等待PCF发送RAR位置信息上报请求消息，被叫用户的位置信息仅作为话单产生使用。EPS Fallback被叫时的RAR请求消息，只需要在200 ok（invite）被叫应答消息前收到即可，正常情况下是被叫侧P-CSCF转发183响应后，就立即收到PCF发送的RAR被叫位置信息请求消息，并随后续的200 ok（prack）消息发送至被叫侧MMTEL。主叫侧MMTEL通过INVITE消息中的PANI头域获取主叫用户位置信息。除了用于话单计费外，PANI头域中的 sbc-domain，如 psbc15.025.250，还用于主叫侧MMTEL处理用户拨打的分区接入号码如110、119等的被叫号码规整，该sbc-domain中的区号和区域码是P-CSCF根据RAR请求中携带的小区信息进行匹配得到的。3 EPS Fallback主叫流程优化思路在 5G基站未打开 VoNR 功能时，所有的 5G用户语音全部需要EPS Fallback，PCF发给P-CSCF的RAR请求中携带的全部是4G小区信息，因而P-CSCF中无需配置5G TAC或5G小区相关数据。当5G基站打开VoNR功能后，对于支持VoNR的终端，主、被叫时无需再 EPS Fallback，此时 PCF 发给P-CSCF的RAR请求中携带的将是5G小区信息，因而P-CSCF需要增加对5G TAC或5G小区的数据配置，并对应到相应的区号、区域码。图3EPS Fallback主叫跟踪示例图4VoNR主叫跟踪示例394041424344454647PSBC13PSBC13PSBC13PSBC13PSBC13PSBC13PSBC13PSBC13PSBC13SBCSBCSBCSBCSBCSBCSBCSBCSBC2022-06-13 13：57：29.6802022-06-13 13：57：29.6812022-06-13 13：57：29.6842022-06-13 13：57：29.7612022-06-13 13：57：30.6502022-06-13 13：57：30.6542022-06-13 13：57：30.6532022-06-13 13：57：30.8632022-06-13 13：57：30.813SIPSIPDIAMETERDIAMETERDIAMETERDIAMETERINVITESIPSIPINVITE100（INVITE）AARAAARARRAAINVITE100（INVITE）183（INVITE）接收发送发送接收接收发送发送接收接收123456PSBC11PSBC11PSBC11PSBC11PSBC11PSBC11SBCSBCSBCSBCSBCSBC2022-06-13 14：02：30.8142022-06-13 14：02：30.8152022-06-13 14：02：30.8172022-06-13 14：02：30.8762022-06-13 14：02：30.9342022-06-13 14：02：30.937SIPSIPDIAMETERDIAMETERDIAMETERSIPINVITE100（INVITE）AARAAARARINVITE接收发送发送接收接收发送王建华，蔡小峰5G语音EPS Fallback主叫流程优化思路网络优化Network Optimization512024/01/DTPTSBC/P-CSCFI/S-CSCFSMFUPFPCFNG RANAMFMMEE-UTRANUE-AINVITE专用QoS Flow建立过程及EPS Fallback过程原有流程不变Namf-Communication-N1N2MessageTransfer RequestAARRAA虚线部分为新增流程Npcf-SMPolicyControlAPI-SmPolicyControlUpdateNotify ResponseNpcf-SMPolicyControlAPI-SmPolicyControlUpdateNotify RequestAAANamf-Communication-N1N2MessageTransfer ResponseNpcf-SMPolicyControlAPI-SmPolicyControlupdate RequesRARinviteNpcf-SMPolicyControlAPI-SmPolicyControlupdate ResponseNpcf-SMPolicyControlAPI-SmPolicyControlUpdate RequestNpcf-SMPolicyControlAPI-SmPolicyControlUpdate ResponseRARRAAPRACK（携带4G用户位置）在 5G 基站打开 VoNR 功能的情况下，对于 EPSFallback用户，根据3GPP TS 29.214协议规范，可以通过PCF发送2次RAR请求来解决主叫EPS Fallback比VoNR接续时延慢的问题。第1次RAR请求中携带的位置信息为5G小区，主叫侧 P-CSCF根据 5G小区匹配相应的区号和区域码后，立即转发初始 invite 给主叫侧 S-CSCF，主叫侧MMTEL根据PANI头域中携带的sbc-domain信息对被叫号码进行格式规整。第 2次 RAR 请求中携带的位置信息为 4G 小区。主叫侧P-CSCF收到RAR请求后匹配对应的区号和区域码，通过后续消息如PRACK（PANI头域中携带sbc-domain）更新至下级网元。主叫用户话单中的位置信息与 EPS Fallback保持一致，还是 4G小区，不影响主叫用户的计费。优化后的EPS Fallback主叫流程如图5所示，说明如下。a）5G 用户注册时，终端会发送 UERadioAccessCapabilityInformation 消息，携带终端的无线能力给AMF。如果终端支持 VoNR，则会在 UE_NR_Capability5G 能 力 部 分 nonCriticalExtension 中 携 带voiceOverNR：support（0）；如果终端不支持VoNR，则无此部分内容。AMF同步保存终端的无线支持能力。b）主叫终端发起初始 invite 请求给主叫侧 P-CSCF，终端携带5G位置信息。c）主叫侧 P-CSCF 收到初始 invite 请求后，检查Rx profile配置策略并发起AAR请求。当P-CSCF打开EPS Fallback功能后，AAR消息中会增加EPS Fallback（17）的订阅，另外增加 Support-Features feature-list：256。新增的订阅和 Support-Features 只针对 5G 接入的会话，即用户IMS注册时必须是NR接入方式，其他接入方式的AAR请求中不携带EPS Fallback指示。d）PCF 收到带有 EPS Fallback 订阅的 AAR 请求后，会向SMF发送Npcf_SMPolicyControlAPI_SmPolicyControlUpdateNotify Request，请 求 消 息 中 需 要 增 加EPS Fallback指示。SMF收到请求后，首先按照原先流程 返 回 Npcf_SMPolicyControlAPI_SmPolicyControlUpdateNotify Response 给 PCF，包 括“accessType”：“3GPP_ACCESS”，“ratType”：“NR”。e）PCF返回AAA响应给主叫侧P-CSCF，包括IP-CAN-Type：3GPP-5GS（8）、RAT-Type：NR（1006）。f）SMF发送Namf_Communication_N1N2MessageTransfer Request 请求消息给 AMF，其中也携带有 EPSFallback指示。当AMF收到该请求后，首先对用户进图5EPS Fallback主叫优化流程王建华，蔡小峰5G语音EPS Fallback主叫流程优化思路网络优化Network Optimization52邮电设计技术/2024/01行判断，如果终端的无线能力支持VoNR，则按照之前VoNR的流程继续执行；如果终端不支持VoNR，根据EPS Fallback 的指示，AMF 将通过 Namf_Communication_N1N2MessageTransfer Response 返回用户当前 5G接入信息给SMF。g）SMF 收 到 Namf_Communication_N1N2MessageTransfer Response 响应后，发起 Npcf_SMPolicyControlAPI_SmPolicyControlUpdate Request 请求给PCF，携带用户当前5G接入信息。h）PCF 收 到 SMF 的 Npcf_SMPolicyControlAPI_SmPolicyControlUpdate Request请求后，发起RAR请求给主叫侧P-CSCF，携带用户当前5G接入信息。i）主叫侧 P-CSCF 根据收到的网络侧提供的 5G位置信息，在匹配相应的区号和区域码后立即转发初始invite至主叫侧S-CSCF，而无需等待主叫用户回落4G后，再根据收到的RAR携带的4G位置信息匹配区号和区域码，发送初始invite至主叫侧S-CSCF。AMF 完成图 5 中的虚线流程后，会继续原先的EPS Fallback流程。主叫侧P-CSCF再次收到RAR请求（携带EPS Fallback后的4G接入类型和4G小区）后，将在后续消息，如PRACK中，更新PANI为4G接入类型和 4G 小区，同时 PANI 增加 EPS Fallback=1 字段。下级网元看到EPS Fallback=1标志后，将用户呼叫类型修改为EPS Fallback，如果被叫接通，则主叫话单中的用户位置也同步修改为4G小区信息。4 网络侧相关改造4.1 IMS侧网元改造对P-CSCF网元的Rx模板数据配置进行修改，增加EPS Fallback指示功能和EPS FallbackReport的特性列表2功能。EPS Fallback 指示功能表示 P-CSCF 向 PCF 订阅EPS Fallback事件，若配置了该功能，则AAR请求消息中specific-action AVP的值为EPS_FALLBACK（17）。EPS FallbackReport的特性列表2功能配置为EPSFallback，表示当呼叫承载订阅事件参数中配置了EPSFallback时，需要配置此值。此时P-CSCF发送的AAR中携带 Support-Features2 AVP，且包含的子 Feature-List2 AVP的bit8设置为1。4.2 5GC核心侧网元改造根据 EPS Fallback 主叫流程的优化思路，需要5GC核心侧PCF、SMF、AMF网元同步升级，以支持消息中携带的EPS Fallback指示参数。优化后的EPS Fallback主叫流程虽然增加了部分信令消息的开销，但与整个呼叫流程相比，增加的信令消息完全可以忽略，系统负荷也无明显增加。5 预期优化效果在 4G、5G 无线覆盖均较好的地方，分别使用 5G终端的EPS Fallback和VoNR这2种语音方式，拨打相同号码并各测试50遍，计算平均接通时延。计算方法是主叫侧P-CSCF收到180振铃响应时间减去收到主叫终端发起的初始invite消息时间。经现网测试，EPS Fallback 主叫平均接通时延为2 927 ms，VoNR主叫平均接通时延为1 967 ms。相较于VoNR，EPS Fallback主叫接通时延多960 ms。通过对 EPS Fallback 主叫流程的优化，降低 EPSFallback主叫接续时延，平均可以降低960 ms，实现与VoNR接续时延一致的目标。6 结束语5G语音业务流程涉及到IMS域、5GC域、EPC域等众多网元，信令流程异常复杂，给日常运维工作带来了巨大的挑战，但另一方面也给运维人员提供了更广阔的网络优化空间。针对当前网络中存在的痛点，充分利用3GPP规范定义的一些可选功能，挖掘网络能力，进一步优化业务流程，最终达到提升用户感知的目标。参考文献：1 3GPP.Policy and charging control over Rx reference point：3GPP TS29.214 S/OL.2023-10-14.ftp：/ftp.3gpp.org/Specs/.23GPP.NG application protocol（NGAP）：3GPP TS 38.413S/OL.2023-10-14.ftp：/ftp.3gpp.org/Specs/.33GPP.Non-access-stratum（NAS）protocol for 5G system（5GS）：3GPP TS 24.501 S/OL.2023-10-14.ftp：/ftp.3gpp.org/Specs/.丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆丆作者简介：王建华，毕业于北京邮电大学，高级工程师，硕士，主要从事移动网VIMS的技术支持和网络优化工作；蔡小峰，毕业于南京大学，工程师，硕士，主要从事移动核心网的管理和支撑工作。王建华，蔡小峰5G语音EPS Fallback主叫流程优化思路网络优化Network Optimization53