5G 语音时延优化研究

薛晓宇，龙 杰，方东旭，方义成，刘明健（.中国移动通信集团设计院有限公司重庆分公司，重庆 40；.中国铁塔股份有限公司永川分公司，重庆 4060；.中国移动通信集团重庆有限公司，重庆 40）

0 引言

5G 沿用4G 的语音架构，基于IMS 提供语音业务。语音解决方案主要有通过5G NR 和IMS（IP Multimedia Subsystem）系统承载语音的VoNR（Voice over NR）方案和回落到4G 网络提供语音服务的EPS Fallback（Evolved Packet System Fallback）方案。鉴于目前4G网络较5G NR 网络更为成熟，覆盖更好，运营商普遍选择EPS Fallback方案作为5G初期的语音解决方案。

由于5G 终端采用EPS Fallback 方式进行语音业务时需要从5G 回落到4G 网络，涉及IMS、5GC（5G Core Network）、EPS（Evolved Packet）等领域不同网元之间大量的信令交互判决，导致语音业务呼叫建立时延（下文简称E2E 时延）过长，影响客户实际业务感受和满意度。优化前某市移动的EPS Fallback 的时延约为6.3 s，因此需要进行流程研究与参数优化以缩短语音业务建立时延，提升网络性能和用户的语音感知。

1 EPS FB原理和流程分析

1.1 基本架构

EPS Fallback 需要5G 网络和4G 网络间的互操作完成语音业务，下面将介绍EPS Fallback 方式回落到4G 通过VoLTE 完成语音业务的网络架构。如图1 所示，为了支持5G 与4G 间互操作，需要5GC（5G Core Network）和EPC（Evolved Packet Core）部分网元进行融合改造，SMF+PGW-C、UPF+PGW-U、PCF+PCRF、UDM+HSS；SMF+PGW-C 和UPF+PGW-U 作为锚 定点，保证互操作时的IP 地址连续性；AMF 与MME 间需要支持N26接口。

图1 EPS FB的典型组网架构

1.2 基本流程

5G 用户呼叫5G 用户，接入时延的优化主要是通过主被叫的无线侧和核心网侧联合端到端优化来提升。EPS Fallback 有基于重定向和切换多种无线侧信令流程，以下以基于切换的EPS Fallback 为例介绍EPS Fallback 业务的基本信令流程。首先终端相关UE Radio 能力上报和协商，完成相关UE 与网络NAS能力上报与协商（注册和NG 接口）；然后网络端到端建立2 个PDU Session 中的数据flow 和IMS flow，尝试在承载多媒体的PDU session 中建立语音flow 5QI=1，触发gNB 发送针对4G 的测控消息给UE，UE 上报MR后启动4G 小区的切换流程。切换流程将2 个PDU Session 中已经建立的flow 中继到4G 网络，最后在4G建立QCI=1 的语音bearer 打通呼叫流程，详细协议如图2所示。

图2 EPS Fallback协议栈图

2 无线侧流程优化

无线侧聚焦与空口强相关的寻呼、EPS FB 测量等阶段，通过寻呼周期优化、EPS FB 提前测量及TTI 优化、信令缓存优化等3个方面降低E2E 接续时延，全网改善350 ms左右。

2.1 回落策略优化

EPS FB 语音业务根据测量阶段不同和切换阶段不同，回落策略主要有基于切换、测量重定向、盲重定向3种方式。

基于数据切换方式的EPS Fallback 回落，终端的语音业务与数据业务（如果存在）一起切换至LTE 侧，语音建立时延与数据业务中断时延相对较短。基于重定向方式的EPS Fallback 回落，终端回落到LTE 之后需要读取4G 侧系统消息，然后再建立VoLTE 业务；并且如果在EPS Fallback 之前有数据业务，也需要在LTE 侧重新建立承载以恢复数据业务。表1 给出了EPS FB 不同回落策略的测试时延，从表1 可以看出，基于盲重定向的EPS Fallback 呼叫时延最低，基于测量重定向的EPS Fallback呼叫时延最高。

表1 EPS FB不同回落策略测试时延

由于基于切换EPS Fallback 回落需准确配置LTE频点邻区，建议在5G NR 连续覆盖区域部署切换策略，在5G 不连续覆盖区域部署盲重定向策略，以缩短EPS Fallback时延。

2.2 寻呼周期优化

在无线通信系统中，终端无法预测何时会收到被叫业务，只能持续监听网络侧下发的寻呼。而监听寻呼需要消耗终端电量，因此引入了寻呼周期机制。寻呼机制在一个无线帧周期中设定一部分无线帧作为寻呼帧，并在寻呼帧中配置寻呼时刻，只有在寻呼时刻，网络才会下发寻呼。

对于EPS Fallback 业务，当主叫发起呼叫后，网络根据被叫所在的TAC，在被叫终端的寻呼时刻下发寻呼消息，当寻呼周期变化时，等待寻呼时刻的时间也会同步变化。因此，当寻呼周期配置的较小时，网络对被叫终端下发寻呼消息的等待时间越短，平均呼叫建立时延越低。

目前某市移动全网寻呼周期设置为RF128，终端在空口下发寻呼消息的等待时间相对较长，建议将寻呼周期修改为RF32，减少终端等待时间，从而降低EPS Fallback 时延。根据现场验证测试结果，优化后E2E时延可减少350 ms左右，效果及参数见表2。

表2 寻呼周期优化参数及效果

2.3 测量时间优化

EPS Fallback 回落过程中测量阶段消耗时延较长，分析测量阶段信令流程共找到可优化的参数有4类。分别是EPS Fallback 提前下发B1 测量功能和缩短EPS Fallback B1时间迟滞（Time To Trigger）、预调度功能和延迟查询UE能力信息功能。

针对主叫Idle 态和Inactive 态语音用户提前下发测量异系统B1 事件测量，如图3（a）所示。gNodeB 根据RRC Setup Request 原因值MO-VoiceCall 和网络侧配置及UE 能力识别出EPS Fallback 语音回落用户，gNodeB 给核心网回复初始上下文建立响应消息后提前下发4G B1 测量，从而缩短E2E 语音呼叫时延。在终端测量环节，周边4G 小区信号持续时间迟滞（Time To Trigger）达到B1 门限才会上报测量报告，如图3（b）所示，缩短B1 测量时间迟滞可以减少EPS Fallback 回落时延。EPS Fallback 呼叫流程中，SIP 信令的收发及时性对时延影响很大，综合考虑资源效率和预调度效果，可以在下行SIP 消息后直接触发上行预调度。在初始上下文建立过程中不对NAS 消息进行缓存，直接下发也可以缩短E2E 时延。延迟查询UE 能力信息，识别语音用户后上下文建立先查EUTRAN 能力，其他能力（NR/LTE-NR/G/U）推迟到180Ringing后查询。

图3 测量时间优化效果对比

现网试点的结果如表3所示，小区EPS Fallback测量对应的B1 事件Time To Trigger 由320 ms 调整为256 ms 后，E2E 时延改善了330 ms 左右；EPS Fallback提前下发B1 测量功能开启后，E2E 时延改善了120 ms左右；小区5QCI5 预调度开关开启后，E2E 时延改善了180 ms 左右；延迟查询UE 能力信息功能开启后，E2E时延改善了40 ms左右。

表3 测量参数优化效果对比

2.4 邻区优化

定期实施5G-4G邻区优化，避免因PCI混淆、外部定义错误、邻区定义错误导致的切换失败转重定向回落，增加E2E呼叫时延。检查基站配置的EPS Fallback切换策略，均开启“EPS Fallback 最强邻区重定向开关”，当基站检测到UE 测报的最强小区未被配置邻区，会直接发起重定向回落流程。针对此特性，可通过点对点补充、完善5G-4G 邻区关系来缩短E2E 时延。

3 核心网侧流程优化

5G 采用云化组网架构，呼叫接续流程涉及省内网元、大区网元。经分析核心网侧主要可以通过路由寻优和信令交互流程优化2 个方面缩短E2E 接续时延。具体措施包括SCPAS 两次UDR 转一次UDR、SCP 本大区优选、EPS Fallback TAU 过程不鉴权、EPS Fallback鉴权设置为系统判断、183 并行方案和CSCF 缓存SIP消息机制优化等措施进行优化。

4 总结

EPS FB 语音建立时延是影响5G 语音用户业务感知的重要指标，信令流程中影响时延的所有流程和节点都是优化重点。通过对EPS Fallback 端到端信令流程分析，精准判定超时分段以及涉及网元，为EPS Fallback 时延优化提供了指导。流程和参数优化策略实施后，某市EPS FB 时延已经稳定缩短到4 s 以内，5G客户语音感知有了明显提升。