基于信令分析的VoLTE接入性能优化

纪元茂　袁野

摘要：为了解决VoLTE接入性能差的问题，通过采用信令分析方法，分析了VoLTE标准信令流程，结合LTE无线信号覆盖特征，研究了影响VoLTE性能的关键因素，并提出了改善无线覆盖、调整相应参数的方案。现网中该方案有效可行，最终达到了改善VoLTE性能的目的。

关键词：VoLTE IMS 信令流程

1 引言

LTE网络系统优化的本质工作是通过发现并判断在LTE网络运行过程中出现的主要问题，同时挖掘出部分隐性故障，针对这些现象或问题进行综合分析并系统优化的方法，以此来提高LTE网络接入性、保持性、移动性等关键网络性能指标，这也是保障VoLTE业务能够正常进行的前提，从而全面提升用户感知。LTE是基于分组数据为核心而设计的网络，和早期GSM或WCDMA网络相比，在网络性能指标方面有一些差异，在分析故障问题的方法上有明显的差异。本文将对VoLTE语音掉话问题进行分析，并把分析过程中与网络性能指标密切联系的信令流程分析方法作为重点阐述。

2 VoLTE架构概述

2.1 VoLTE重要节点简介

为使纯分组数据网络LTE具备Voice语音通话的功能，EPS（Evolved Packet System，演进分组系统）网络结构需要引入IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统）实现语音会话控制功能，如图1所示。

图1展现了实现语音会话所用到的多个节点，这些节点的主要功能分别如下：

（1）SBC（Session Border Controller，會话边界控制器）：该节点是IMS网络中一个重要的网络节点，位于IMS网络边界，实现将终端设备接入到IMS核心网的功能。

（2）PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略与计费规则功能单元）：该节点具备策略控制决策与计费控制的功能。

（3）P-CSCF（Proxy-Call Session Control Function，代理呼叫会话控制功能）：该节点是IMS中用户信令面的第一个联系点，所有往来UE（User Equipment，用户设备）的SIP（Session Initiation Protocol，会话发起协议）信令都必须经过P-CSCF。它是一个SIP代理服务器，实施策略和计费功能，部署在归属网络和拜访网络。

（4）I-CSCF（Interrogating-Call Session Control Function，协商呼叫会话控制功能）：该节点是一个运营商网络内部节点，部署在归属网络中，该运营商的所有用户连接都要经过这个实体实现业务。在一个网络中可以有多个I-CSCF，I-CSCF通过HSS（Home Subscriber Server，归属签约用户服务器）给UE安排S-CSCF。

（5）S-CSCF（Serving-Call Session Control Function，服务呼叫会话控制功能）：该节点是IMS的核心所在，它位于归属网络，为UE进行会话控制、注册请求和路由决策的制定。

2.2 VoLTE承载概述

在承载方面，VoLTE采用双APN（Access Point Name，接入点）架构，用于数据业务的Default APN、语音和可视电话的IMS APN，UE在Attach时可与Default APN建立数据默认承载QCI9。Attach完成后，UE与IMS APN建立QCI5的默认承载，用于传输SIP信令，语音业务承载组合可表示为SRB1+SRB2+2×AM DRB+1×UM DRB。其中，UM DRB为QCI=1的承载，2个AM DRB的QCI分别为QCI=5和QCI=9，QCI=1用于语音承载，如有视频业务需求，QCI=2可用于视频承载，QCI=5是用于SIP传输的IMS信令承载，对于不支持VoLTE的UE，只有数据业务默认承载，一般承载在QCI9上；支持VoLTE业务的UE会在Attach、从2G/3G返回的TAU（Tracking Area Update，跟踪区更新）过程后发起IMS域注册，并建立IMS信令默认承载QCI5。对于支持VoLTE的UE，无论是否有VoLTE会话，如果IMS域注册成功，则QCI5+QCI9始终存在，当有VoLTE会话时，会再建立QCI1，若是视频会话，还会有QCI2。VoLTE语音建立QCI1的专用承载，用于传输语音；可视电话（视频）建立QCI1和QCI2的专用承载，分别传输语音和视频。

3 VoLTE掉话问题分析

3.1 VoLTE信令流程简介

在了解VoLTE各节点大致功能以及业务承载的基本用途后，可以根据一个会话流程简单了解一下这些核心网元是如何工作的。以标准的VoLTE语音通话为例，一个VoLTE呼叫请求经过MMTel AS主叫业务处理后，主叫侧S-CSCF向HSS请求被叫的入局I-CSCF的地址。被叫侧的SCC AS向HSS请求被叫网络信息，HSS向MME（Mobility Management Entity，移动性管理实体）请求本地保存的用户最新的位置更新信息，SCC AS得到被叫的最近一次驻留的网络后，指示S-CSCF通过P-CSCF将呼叫路由到被叫用户。

主叫侧：主叫P-CSCF收到被叫用户回复的响应消息后，向PCRF发起承载建立请求，PCRF向P-GW提供授权的QoS（Quality of Service，服务质量）策略，P-GW根据授权的QoS策略建立主叫UE的专用承载。

被叫侧：被叫用户收到呼叫请求后，向被叫P-CSCF回复183/180响应消息，P-CSCF向PCRF发起承载建立请求，PCRF向P-GW提供授权的QoS策略，P-GW根据授权的QoS策略建立被叫UE的专用承载。

至此，该VoLTE语音业务建立成功。通过路测软件收集到的无线侧信令，可以看到正常的主被叫标准信令流程如图2所示。其中，各条消息编号代表其顺序。

该信令流程可大致描述为：首先是主叫方发起Invite请求，当主叫方建立RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）连接后，基站会下发Invite 100消息，同时被叫方将会收到寻呼消息，被叫方在建立RRC连接后会收到基站下发的Invite消息，并上发Invite 100和Invite 183消息给基站，然后是主被叫两方RRC连接重配置和建立专用承载及PRACK消息下发的步骤，最终主叫方收到基站下发的Invite 180消息表示语音会话建立成功。该流程描述的是一个成功的案例，而通常VoLTE掉话或未接通的信令流程与该流程相比肯定是有差异的，下面将介绍较为典型的VoLTE掉话和未接通案例的流程。

3.2 VoLTE异常信令分析及优化方法

在VoLTE拉网测试过程中，常常由于UE发生重定向导致未接通或掉话，重定向释放RRC后，专用承载同时被拆除，从而造成呼叫异常。如图3所示，在呼叫建立过程中，左侧为信令、右侧为事件，在时间窗口可以看到主叫收到网络下发的Invite 100后在12：00：20.691时刻尝试Call attempt，由于无线信号较差，手机上报A2测量报告，随后网络下发RRC Connection Release消息重定向到EARFCN频点号为37900的小区，与此同时手机进入空闲态。在呼叫起呼15 s后，由于呼叫时长超时，在12：00：35.885时刻手机判定Call blocked并上報Cancel消息，发生未接通事件。

从该案例的信令流程中可以发现判定未接通的消息时间，并通过系统分析法找出其根本原因是什么，最终将问题锁定在信号覆盖上，随后可通过调整无线覆盖来改善该区域频繁出现VoLTE未接通的情况。

该案例除了通过改善无线覆盖的方法外，还可以从参数方面来分析，寻找解决办法。该问题是由于重定向导致RRC、E-RAB等资源释放而造成VoLTE没有接续性，这是因为在规范中VoLTE不支持重定向，只支持切换。因此，VoLTE需要添加更多的异频邻区关系，而不仅仅是添加切换频点组，这样就能保证有足够的邻区资源可切换，而不执行重定向的行为。如果QCI1承载的配置有允许重定向的参数，可尝试关闭重定向开关，即QCI1业务只切换而不进行重定向，这也是解决该问题的一个思路。

4 结束语

综上所述，VoLTE问题优化方法是基于LTE优化方法的一个延伸，在信令流程上和LTE大致相同，只有少许差异。可通过信令发现表象问题，在分析问题时，可用标准的流程作对比找出异常的部分，再通过系统分析的方法找出根本原因，如本文中提到的两个方面，同一个异常的案例既可以通过改善无线覆盖的方法来解决，也可以通过修改邻区配置的参数来实现。

覆盖优化主要是指对小区的无线信号覆盖进行调整，主要是通过控制覆盖范围来解决弱覆盖或越区覆盖的问题。弱覆盖问题分析和调整方法是无线环境优化的重点，主要是指对信号覆盖欠佳的区域和没有信号覆盖的区域进行优化，以此来保证网络信号覆盖的连续性。越区覆盖是网络中常见的问题，虽然本文没有越区覆盖的案例，但是在将来经过数期LTE扩容后，由于新站点的增加，在可行的前提下，原基站的天馈高度或倾角都可以做适当调整，否则会导致无线环境污染或出现越区覆盖的情况，基站之间可能会产生较大干扰。

邻区关系的优化是无线网络优化工作中非常重要的环节，该环节的优化效果对无线网络KPI（Key Performance Indicator，关键绩效指标）指标有直接的影响。如果邻区列表中缺少重要邻区关系或者邻区参数设置不当，则会直接导致LTE网络接入性、保持性、移动性、完整性等重要的KPI指标下滑；如果冗余的邻区关系过多，则会增加系统的运算，浪费系统资源。因此，合理地设置邻区也是网络优化的重点。

参考文献：

[1] Leonhard Korowajczuk. LTE， WiMAX and WLAN Network Design， Optimization and Performance Analysis[M]. Hoboken： John Wiley and Sons Ltd， 2011.

[2] Ericsson. LTE Protocols and Procedures[Z]. 2015.

[3] 宋杰，梁伯瀚，梁建君，等. 赢在4G——移动互联网时代的产业变革与历史机遇[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2014.

[4] 纪元茂. WCDMA无线网络优化的方案分析[J]. 现代电信科技， 2011（11）： 67-70.

[5] 杜刚，熊尚坤，陈晓冬. VoLTE覆盖与容量分析[J]. 电信科学， 2013（Z1）： 193-196.

[6] 朱军. 基于IMS的VoLTE解决方案研究[J]. 电信技术， 2014（7）： 28-32.

[7] 纪元茂，谢建兵，张国胜. CDMA网络掉话原因及优化案例分析[J]. 数字通信， 2010（3）： 89-93.

[8] 杨红梅，赵勇. LTE/SAE网络语音业务技术实现及标准研究[J]. 电信网技术， 2010（1）： 53-56.

[9] 3GPP TS 23.228. IP Media Subsystem； 3rd Generation Partnership Project （Release 9）[S]. 2011.

[10] 3GPP TS 36.331. Radio Resource Control； 3rd Genera- tion Partnership Project （Release 9）[S]. 2011.★