VoLTE语音呼叫接续时延优化浅析

伍竹歆

VoLTE语音呼叫接续时延优化浅析

伍竹歆

端到端语音接续时延是影响客户感知的重要因素之一，本文研究VoLTE端到端语音呼叫接续时延产生的原因，从信令分析角度入手详细剖析影响接续时延的各个因素。创新性提出在DRA上采用最小时延的SCTP工作模式及扩大DNS缓存周期的时延优化策略，并通过现网实践充分验证了优化策略的有效性，呼叫接续时延有效缩短一半，为VoLTE商用后客户满意度的持续提升提供了有力保障。

VoLTE即Voice over LTE，是通过LTE网络作为业务接入IP多媒体子系统（IMS）网络实现业务控制的语音解决方案，VoLTE能提供高清语音、低延迟视频通话，是中国移动发展融合通信业务的核心。

本文从VoLTE呼叫流程信令分析角度入手，对主被叫均附着在LTE下的VoLTE拨打VoLTE正常呼叫接续各个信令过程进行了梳理和分析，归纳总结了影响VoLTE端到端语音呼叫各个阶段呼叫时延的关键因素，详细研究了IMS核心网时延优化策略，提出在DRA上采用最小时延的SCTP工作模式及扩大DNS缓存周期的时延优化策略，并将理论研究成果应用于实践，通过现网验证方案取得了缩短呼叫建立时延的显著成效。

影响呼叫建立时延关键因素分析

呼叫建立时长的定义

VoLTE语音呼叫建立时长，在人为感知上是指从用户拨号到听到被叫的彩铃音或回铃音的时间，从信令角度是指从主叫手机发起业务请求（INVITE）到主叫手机收到振铃消息（180）之间的时长。VoLTE语音呼叫的接续时长过长，会影响用户对网络服务质量的感知。

影响呼叫建立时长的主要因素

主被叫均附着在LTE下的VoLTE TO VoLTE呼叫接续时延，由终端、无线、EPC及IMS网络时延组成。从主叫终端发送第一个会话消息（INVITE）到接收到网络侧发送的振铃消息（180），影响呼叫建立时长的主要因素主要有三个。

IMS消息处理部分耗时：IMS消息处理主要包括消息在网元间的传输时延以及业务处理流程耗时，包括主叫业务/被叫业务/锚定/域选等关键流程。

呼叫过程中空口+EPC来回耗时：消息在网络侧和终端之间耗时。

PCRF承载建立耗时。

从主叫终端发送第一个会话消息（INVITE）到接收到网络侧发送的振铃消息（180），信令流程可以分为14段时延。其中，IMS网络时延有（3）、（5）、（7）、（9）、（11）、（13）；终端、无线及EPC时延有（1）、（4）、（6）、（8）、（10）、（12）、（14）；由终端、无线、EPC及IMS网络的NETLOC和PRECONDITION共同产生的时延有（2）、（10）。除此之外，在主被叫接收到INVITE/183/UPDATE消息时，都会触发到PCRF进行用户面的承载建立，因此，主被叫用户面的承载建立也需要一定的耗时。

VoLTE呼叫时延情况分析

对福建测试现网的主被叫均在LTE下的VoLTE语音互通时延进行重点分析，主被叫编码为16.65KBPS的AMR-WB，进行了20组VoLTE音频呼叫测试，得到总时延统计数据如表1（单位：s）。

现网语音呼叫时延主要分布在5.5～5.9s的区间，20次采样的平均时延为5.6778s，下面对最接近平均时延的第14次测试时延（5.674s）进行详细分析，并结合信令流程对影响端到端语音呼叫接续时延的关键因素进行深入分析。

耗时原因技术分析和处理策略

通过分析，呼叫建立时长为2542+854+1437=4833ms，加上INVITE消息的一次重传耗时500ms，以及SBC的少量处理延时，总时长达到了5674ms，从各段时延分布情况看，主要耗时集中在承载建立和IMS消息处理及传送耗时，因此我们着重从IMS核心网的角度出发研究时延优化策略，对于终端及无线原因可能产生的延时，我们提出问题给终端及无线，由终端或无线采取优化措施。IMS核心网耗时原因主要有以下几个方面。

Diameter交互耗时过长

福建VoLTE测试网络采用准直连连接，Diameter信令接口（包括Rx、Gx、Cx、Sh等）均通过LDRA进行转接，从信令流程看，网元间需要进行多次信息交互，因此，LDRA的路由能力与呼叫建立时延密切相关。测试发现，SBC通过DRA和PCRF/PGW交互进行了5次承载建立的过程平均耗时达1400ms，以及CSCF/ TAS接口的3次交互过程平均耗时达950ms。

在当前的配置和测试环境下，Diameter交互总耗时达2350多ms，耗时过长，原因如下。

表1　

表2　

Diameter协议应用在SCTP协议之上，SCTP具有如下两种工作模式。

1.省带宽模式，SCTP层收到一个上层来的请求不会立刻转发出去，而要等到设定的缓冲区满了之后才会转发；此模式在正式商用时使用，因为正式商用后话务量一般都会维持在一个数量，缓冲区基本上都是满载，一般可以认为上层下来的消息立刻就会被SCTP层转发出去。当前的系统配置就是使用的此模式，但当前测试的时候系统话务量又不够，所以需要等待一段时间（这段时间会达到百ms）才会实际把消息发送出去。

2.最小时延模式，SCTP层每收到一个上层来的请求会立马转发出去 ；此模式在演示调试时使用，因为话务量达不到一定规模，缓冲区不是满载，在这种模式下，能让SCTP层立刻转发消息，降低接续时延，让使用者有接近商用后有较大话务量时的时延体验。

对于DRA，在一次承载建立过程中涉及到多次DRA转发，交互序列为SBC——DRA——PCRF——DRA——PGW——DRA——PCRF——DRA——SBC，如果修改DRA为模式2，将显著降低在低话务量下的Diameter消息转发时延；另一方面，因为DRA非消息始发网元，当话务量变大的时候，等待多消息充满缓存区的任务由始发网元SBC/CSCF/TAS完成，DRA运行在模式2下也不会有太大的性能影响。模式2对应到DRA上的链路捆绑开关，当开关打开时，DRA转发消息需要满足两个条件之一：

每条链路收到的消息包的长度超过1500字节；

消息等待超过50ms。

在业务量小的情况下，如果每条链路在50ms内收到的消息只有一条，并且消息包长度小于1500字节时，将导致每条消息的时延超过50ms。在开关关闭的情况下，DRA不会判定以上两个条件，而是将收到的消息进行处理后直接转发。

外部DNS查询耗时过长

测试中显示IMS的4次外部DNS查询平均耗时达260ms；

在当前的配置和测试环境下，总耗时达260ms的外部DNS查询是正常的，但正常商用用户量上来后，耗时将大幅减少，原因如下。

DNS查询是有缓存的，当话务量上来后，IMS的DNS查询主要是通过网元内部缓存完成，只有当缓存超期后才会进行外部DNS查询，平均到每次呼叫中外部DNS查询的概率非常小，而当前测试阶段，话务量非常小，加上当前的缓存周期只有1min（因为当前商用的DNS配置的TTL是1min），所以体现出来基本上每次呼叫都要进行完整的外部DNS查询，这就造成了外部DNS查询耗时较长。

我们创新性提出在DRA上关闭链路捆绑开关来优化时延，通过调整DRA的运行模式来优化Diameter的交互时延，并将贝尔DRA的SCTP等待时长由100ms调整为10ms，同时优化外部DNS查询耗时，调整DNS缓存周期为5min，调整后对主被叫编码为16.65KBPS的AMR-WB再进行20组VoLTE音频呼叫测试，总时延数据如表2（单位：s）。

由表2可以看出，调整DRA模式及优化DNS缓存周期后，VoLTE语音呼叫时延可以减少到2.5～4s区间，平均时延为3.1099s，较调整前的平均时延5.6778s缩短了近一半，显著改善了VoLTE呼叫接续时延，有利于提升终端用户体验。

无线及终端问题导致时延

1. 无线侧对被叫的第一个INVITE消息耗时差异非常大，分析结论如下：MME下发寻呼给eNB后，基站会在0～1280ms内任一时间及某个寻呼子帧上将该寻呼消息下发，因此从MME过来的寻呼直到终端收到该寻呼（不包含响应），时延已经可能会在0～1280ms；该问题主要受参数-缺省寻呼周期（目前设置为1280ms）影响，该参数也属集团规范。目前无线侧暂无有效方式优化该段时延。

2. 发现存在INVITE消息重发的现象：SBC在发送第一个INVITE后，如果没有及时收到终端的100trying响应，将重发INVITE，重发周期为500ms，1s，……。目前发现由于VoLTE测试终端版本问题导致手机经常出现寻呼无响应等现象，通过VoLTE终端升级版本解决。

3.寻呼参数优化。TD-LTE数据业务时代，MME采取首先在用户最后驻留的eNodeB寻呼，寻呼失败后再在TA List寻呼方式，由于寻呼并不针对TA List进行，如果eNodeB寻呼失败，则MME需要再启用正规的TA List进行第二轮寻呼，增加了接续时延。VoLTE业务时，为了达到最快速的响应，修改MME在第一次寻呼就在TA List范围内进行。

结束语

本文研究VoLTE端到端语音呼叫接续时延产生的原因，从信令分析角度入手详细剖析影响接续时延的各个因素。创新性提出在DRA上采用最小时延的SCTP工作模式及扩大DNS缓存周期的时延优化策略，并通过现网实践充分验证了优化策略的有效性，呼叫接续时延有效缩短一半，从而达到让终端用户获得更快、更好的端到端语音接续体验，提升客户满意度的目标，为VoLTE商用后客户满意度的持续提升提供了有力保障。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.021