5G语音EPS Fallback主叫流程优化思路

王建华，蔡小峰（中国联通江苏分公司，江苏南京 210019）

1 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EPS Fallback 主叫流程，降低EPS Fallback 主叫接续时延，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。

图2 EPS Fallback主叫流程

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；utrancell-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）、IPCAN_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_SmPolicyControlUpdateNotify Request 消息给SMF，SMF 返回Npcf_SMPolicyControlAPI_SmPolicyControlUpdateNotify Response 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IPCAN 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InitialContext-SetupRequest 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-CANType：3GPP-5GS（8）、RAT-Type：EUTRAN（1004）、3GPP-User-Location-Info：46001d80a599a41f 和Specific-Action：IP-CAN_CHANGE（6）。可根据RATType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=psbc15.025.250.js.ims.chinaunicom.cn；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）。

图3 EPS Fallback主叫跟踪示例

图4 VoNR主叫跟踪示例

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。

在5G 基站打开VoNR 功能的情况下，对于EPS Fallback 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sbcdomain）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。

图5 EPS Fallback主叫优化流程

a）5G 用户注册时，终端会发送UERadioAccess-CapabilityInformation 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_Capability 5G 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PCSCF，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_SmPolicy-ControlUpdateNotify 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IPCAN-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EPS Fallback 指示。当AMF 收到该请求后，首先对用户进行判断，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EPS Fallback，表示当呼叫承载订阅事件参数中配置了EPS Fallback 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EPS Fallback 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。