LTE通信VOLTE 史志强LTE CSFB优化.docx
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LTE通信VOLTE史志强LTECSFB优化
LTECSFB优化方案
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专业:
NPO-LTE
一、概述
在建设4G网络的大潮中,当电信运营商确定了发展战略后,其现有的传统网络和新建设的LTE网络总会有一段时间是并存的。
为了提供更好的用户体验,运营商需要一些解决方案来“桥接”这些不同的网络,利用不同的网络资源针对性的为用户提供服务,CSFB(3GPPTS23.272)就是其中之一。
CSFB(CircuitSwitchedFallBack)是在传统电路域核心网和LTE核心网并存的网络架构中,由电路域核心网为终端用户提供话音业务的一种解决方案,于3GPPR8中提出。
该方案适用于LTE部署早期,网络仅做热点覆盖,LTE网络为用户提供高速的数据业务;当终端用户需要使用话音业务时,网络侧会引导用户回落到传统电路域核心网,由电路域核心网帮助用户完成话音的接续。
此方案既可以让电信运营商进行快速的LTE网络部署,同时也能有效保护运营商对传统网络的投资,所以成为众多电信运营商初期建设LTE网络时话音业务提供的首选方案。
二、CSFB技术原理介绍
2.1CSFB简介
CSFB(电路域回落)是3GPPR8中CSoverPS研究课题的成果之一。
该研究课题提出的背景是LTE和CS双模终端的无线模块是单一无线模式,即具有LTE和UTRAN/GERAN接入能力的双模或者多模终端,在使用LTE接入时,无法收/发电路域业务信号。
为了使得终端在LTE接入下能够发起话音业务等CS业务,以及接收到话音等CS业务的寻呼,并且能够对终端在LTE网络中正在进行的PS业务进行正确地处理,产生了CSFB技术。
在建设LTE网络初期,如果运营商已经有成熟的UTRAN/GERAN网络,出于对CS投资的保护,结合LTE网络的部署策略,运营商可以采用原有的CS域语音方案来提供语音服务,而LTE网络仅处理数据业务(包括IMS数据业务)。
这种情况下,采用CSFB技术,即LTE覆盖下的UE在处理语音业务时,终端先回退到CS(电路域)网络,在CS网络处理语音业务;这样就达到了重用现有的CS域设备来为TD-LTE网络中的用户提供传统的语音业务的目的。
CSFB的使用是有前提条件的,那就是只有在E-UTRAN与UTRAN/GERAN的重叠覆盖区域,并且用户具有CSFB功能的时候,才能使用电路域回落。
2.2关键技术介绍
CSFB网络实现起来相对简单,只是需要在MME与MSC/VLR之间建立SGs接口,用来处理EPS和CS域之间的移动性管理和寻呼流程,即手机终端通过SGs接口进行4GEPC与MSC/VLR之间的联合附着。
SGs接口也可以用于传送MO和MT的SMS消息,不需要切换至3/2G就可以实现短消息业务。
3.2.1CSFallBack_R8redirection简介
采用R8重定向CSFB信令流程
对LTE终端主被叫业务来说,当终端有语音业务建立请求时(如主叫语音业务,UE则主动发起ExtendedServiceRequest消息;被叫语音业务,UE则收到CSServicenotification消息,之后即发起ExtendedServiceRequest消息),即MME收到相应请求消息后,由MME来指示eNodeB需采用的CSFB方案。
当eNB收到相应的指示信息(如cs-fallback-required)后,eNB即判断采用哪种方式进行CSFB流程。
若能支持基于PSHO方式的CSFB流程则优先采用,若不支持则采用重定向的CSFB方式。
若采用此重定向的流程,则eNB即给UE发出RRCConnectionRelease消息(即终端进入idle状态),此消息中携带了相应RAT的相应小区的频点信息。
对每个小区运营商可配置多个不同优先级的目标频段,即eNB通过可调整的优先级来决定CSFB的目标频段,通常eNB选择UE可支持的最高优先级的层进行分配。
而对终端来讲,当收到此消息后,UE即开始搜索相应小区且登录相应网络,且后续即可在此网络下继续建立相应的语音业务,则基于重定向方式的CSFB流程成功完成。
对在建立语音业务之前在LTE网络下已经存在的数据业务,由于终端在LTE网络时是处于连接态,若通过重定向流程到W网络则UE首先是idle态,即重定向过程中PS业务会中断,之后UE在W网络下可以重新建立PS业务而再次进入连接态,则业务会再次恢复。
R8DMCR(DefferedMeasurementControl)重定向功能可以在UE重定向至UTRAN后,减少读取SIB11消息过程,达到减少LTE终端语音起呼时延的目的。
诺基亚开启此功能需要3G侧开通FASTHSPAmobility功能。
另外新演进的RRC_R9重定向的CSFB是依靠RIM流程来实现,LTE向UMTS网络发起RIM流程,以获取UMTS小区的系统信息。
当LTE侧收到UE请求的业务类型为语音业务时,LTE网络通过RIM流程向UTRAN网络请求目标小区的系统信息,其中在RIMInformationReques消息中附带目标小区的小区ID,并通过RRCRelease消息通过终端UTRAN目标小区的系统消息。
通过在RRC重定向过程中携带具体的小区系统消息,加快重定向流程,减少LTE终端起呼时延。
基于重定向的CSFB架构优点在于实现方法简单,但是此过程中PS业务会中断,对数据业务造成一定影响。
3.2.2CSFallBack_PShandover简介
采用PSHandoverCSFB信令流程
理论上讲,若eNB不支持QCI=1PSConversationalbearer即VoIP业务或UE不支持VoIP业务或LTE小区拥塞,则在LTE网络下对语音业务均会采用CSFB流程。
对CSFB流程共有两种实现方式,即PSHO方式和重定向方式。
当PSHO功能激活后,通常eNB的工作原理是若满足PSHO的条件,则语音业务优先执行PSHO流程,若不满足则执行重定向的流程。
从eNB来看,CSfallback的触发是从MME接收到的。
依据相应feature是否激活及UE能力,eNB决定哪种类型的CSFB将要执行。
同样CSFBindicator中的优先级也会被考虑:
若优先级高则被视为Emergencycall,否则即被作为normalcall进行处理。
与CSFBPSHO功能相关的测量事件是B1事件。
对LTE网络,EventB2是用于PSHO的测量的,但对CSFB到WCDMA网络的情形则LTE无线网络环境就没有任何意义了,因为无论信号强度如何终端必须离开LTE网络,由于此原因则EventB1即被使用,即只考虑其他RAT无线环境。
依据此功能,eNB检查UE的B1事件测量是否支持,若UE支持此B1事件测量,则eNB开始要求终端进行测量且对B1事件的监控timer开始启动,若监控时间内UE测量到了合适的小区则基于PSHO方式的CSFB启动。
否则若UE不支持B1事件、或B1事件监控时间超时了(即监控时间内UE没有测量到合适的小区)、或者TargetCallList中是空的、或者UE不支持PSHO方式、或者网络侧禁止PSHO方式,则eNB即触发到G或W网络的基于重定向方式的CSFB流程。
如果在B1事件监控时间之前终端提供了B1事件的测量结果,则eNB即从TCL(TargetCellList)中选择合适的目标小区从而执行PSHO。
另若PSHO流程失败,则也会触发基于重定向方式的CSFB流程。
CSFB功能使得LTE网络即被部署为只有数据业务的网络。
另外,对RNC,只有收到正确的从SGSN发来的原因值消息(即relocationrequest消息中原因值是“cs-fallback-trigger”),则RNC才会以CSFB流程进行后续处理(即降低接入时延,如分配SRB13.6K的速率及DCH0/0的分配,且RNC会对CSFB的信令采用最高优先级的处理方式)。
使用SRB13.6K的速率的好处是语音业务的建立时延大大降低了(否则SRB即为3.4K的速率)。
PSRAB使用DCH0/0有两个好处:
第一是不会因为PS准入失败导致CSFB失败,第二是DCH0/0建立速度快。
基于PS切换的CSFB优势:
Ø快速,仅需0.4秒额外时延,PS业务不中断;
Ø准确,基于UE测量选取当前位置最佳邻小区;
Ø成功率高,LTE通知3G邻小区预先为切换分配无线资源,分配成功后才通知终端切换;
Ø可靠,终端始终处于连接状态,无需断开网络。
三、CSFB优化方案
3.1CSFB前期测试中的典型问题
4案例1:
4G配置3G重选参数不合理,导致终端不能在FDD-LTE网络稳定驻留
【现象描述】
CSFB手机在LTE网络完成联合注册后,驻留约1分钟后重选到WCDMA网络。
然后终端频繁进行L-W小区重选。
【问题分析】
在机场LTE站点覆盖区域中,4G网络部署CSFB时,同时配置了WCDMA邻区及重选参数,但因重选参数配置不合理,导致终端不能在LTE网络稳定驻留,从而重选到GSM网络。
LTE与2G/3G网络间小区重选准则是基于优先级准则,可针对LTE及WCDMA频点、GSM频点组配置优先级,一般情况下,将LTE频点配置为高优先级,3G频点、2G频点组配置为低优先级,因此,UE由LTE重选至2G/3G需遵循低优先级重选准则,如下:
1.测量启动准则
如果LTE系统服务小区S值满足如下条件,则终端启动低优先级异系统测量:
•SServingCell<=Snonintrasearch
2.重选判决准则
如果终端测量LTE系统服务小区及低优先级异系统邻区满足如下条件,则启动重选判决:
•没有合适的高优先级和同优先级邻区满足重选判决条件
•LTE系统服务小区Sservingcell
•终端在Treselection内均满足以上条件
•终端在当前LTE系统服务小区驻留超过1s
其中,S值=Qrxlevmeas-(Qrxlevmin+Qrxlevminoffset)-Pcompensation,Pcompensation=MAX(PEMax-PPowerClass,0),Qrxlevmeas为终端接收信号电平值,Qrxlevmin为小区中接收信号电平值的最小值,Qrxlevminoffset为最小电平偏移值,仅当终端驻留在VPLMN搜索高优先级PLMN时进行配置,一般配置为0,PEMax为终端在小区中允许的最大上行发射功率,该参数为可选配置,一般不进行配置,PPowerClass为由终端能力决定的最大上行发射功率。
【解决方案】
若LTE需要配置WCDMA邻区重选参数,则应根据上述重选准则及参数配置原则合理配置参数,并通过查看系统广播消息SIB1、SIB3、SIB6验证参数是否配置正确。
由于机场LTE站点三个小区cellReSelPrio设置为1,而UFFIM中uCelResPrio设置为2,即3G小区优先级高,导致UE易触发重选3G。
5案例2:
MME配置TA映射LA有误,导致UE联合注册失败
【现象描述】
CSFB手机开机后,尝试在4G/3G网络进行联合附着,但联合附着失败,此后,UE在LTE网络发起五次联合位置区更新,但仍失败,之后UE从LTE网络Detach,并接入WCDMA网络。
【问题分析】
CSFB手机开机时,需要在4G/3G网络进行联合附着,联合附着正常流程示意图如下:
1UE附着LTE网络:
在附着请求(AttachRequest)中携带“联合附着”(combinedEPS/IMSIattach)指示;
2触发联合位置更新:
MME通过配置的TA-LA、LA-MSC(若连接同一个POOL内的多个MSC,需支持多个MSC间的负荷分担方式)映射关系,确定进行登记的MSC,并向MSC发起联合位置更新请求,即触发MSC向HLR注册和登记;
3附着成功:
附着接受(AttachAccept)消息中携带的重要信息包括“联合附着”(combEPS/IMSIattach)指示、3G位置区信息Locationareaidentification、MSC分配的TMSI、EMMCause和Additionalupdateresult等。
一般情况下,LTE网络配置支持CSFB时,EMMCause和Additionalupdateresult都配置为空即可。
对于本案例,检查终端侧AttachAccept消息,发现EMMCause为MSCTEMPORARILYNOTREACHABLE,Locationareaidentification(LAI)为48387,检查MSC设备为正常工作状态,因此,初步判断问题出现在MME向MSC登记流程。
经过进一步检查,发现LA并非SGsMSC下真实的LA(实际应该为48385),MSC中没有该LA的配置数据,从而导致MME不能向MSC登记,因此,MME下发的AttachAccept消息中EMMCause为MSCTEMPORARILYNOTREACHABLE。
协议规定,若UE收到EPSonly的附着,且EMMCause为MSCTEMPORARILYNOTREACHABLE的AttachAccept,UE将进行最多5次TAU尝试,5次TAU失败后将关掉LTE能力,工作在2/3G双模状态,并转而搜索WCDMA网络接入。
案例中网络及终端表现均符合协议要求,问题得以定位。
【解决方案】
将MME中配置的与TA映射的LA为SGsMSC下正确、真实存在的LA(48385),从而使得UE发起联合附着后,MME能够向MSC完成登记,并完成联合附着过程。
【效果评估】
将终端开关机,终端可以在LTE网络正常驻留,检查终端LoG,发现AttachAccept消息中的EMMCause已经为空,Locationareaidentification为MSC下正确的LA(48385)。
6案例3:
核心网配置原因导致被叫未寻呼到,而主叫已听到回铃音
【现象描述】
LTE终端在无线环境较差区域,未收到寻呼消息,但是主叫仍听可以到回铃音。
【问题分析】
被叫终端信令
通话流程信令
通过模拟测试发现,部分无线环境较差,频繁切换区域,存在RACH接入失败的问题,此过程中,核心网给被叫下发寻呼消息,被叫终端无法收到寻呼消息。
但是核心网仍给主叫终端下发了alerting消息。
普通3G终端会采用先被叫RAB指配,后主叫RAB指配方式,在被叫RAB指配完成,即业务信道建立完成后,被叫上报alerting消息后,核心网才会给主叫下发alerting消息。
兰州MSC采用中兴设备。
通过咨询中兴核心网工程师得知,MSC打开CSFB功能后,MSC为了减少主叫呼叫建立时延,当发现被叫处于LTE网络,为联合附着状态,不需要等待被叫上报alerting消息,就会直接给主叫UE发alerting消息。
若被叫UE处于LTE网络无线环境较差区域,无法收到paging消息,如上图所示,就会发生被叫寻呼无响应,而主叫收到alerting消息。
此功能为CSFB功能自带的子功能,无法关闭。
【解决方案】
打开中兴MSCMISCALL功能。
3.2CSFB关键问题总结
3.2.1CSFB手机未搜索TD-LTE网络驻留
ØCSFB手机插入SIM卡
根据终端技术规范,CSFB手机插入了SIM卡后,不会搜索TD-LTE网络,直接驻留到2G/3G网络,因此,CSFB手机需插入USIM卡后,才能正常搜索TD-LTE网络并驻留。
ØCSFB手机选网模式设置错误
通常,CSFB手机可手动设置选网模式,如是否选择搜索4G网络,如果用户选择不搜索4G网络,则CSFB手机不能搜索TD-LTE网络驻留,反之,CSFB手机能够搜索TD-LTE网络驻留。
ØCSFB手机在TD-LTE网络完成联合注册失败
Ø网络侧SGs口未完成互联互通(如MME与MSCname协议理解不一致等)
ØMME配置的与TA匹配的LA非SGsMSC所属的LA
ØCSFB手机不能在TD-LTE网络稳定驻留
ØeNodeB配置的小区重选参数不合理
若eNodeB配置了2G/3G邻区及小区重选参数,则应合理配置4G与2G/3G间小区重选参数,否则,终端容易发生误重选导致不能在LTE网络稳定驻留。
ØTD-LTE核心网MME未开启CSFB功能
在部署CSFB过程中,若核心网MME暂未开启CSFB功能,CSFB终端在4G网络开机后将主动关闭4G能力,并在2G/3G网络驻留。
ØeNodeB未开启完整性保护和鉴权
部分终端芯片对开机流程要求较高,需严格按照协议定义顺序完成各步骤处理,其中包括完整性保护和鉴权流程,因此当eNodeB未开启上述功能时,将导致部分终端因开机流程不完整而无法接入LTE网络驻留。
3.2.2CSFB手机呼叫建立过程异常
ØUE在LTE网络起呼/接收寻呼
本阶段出现的问题主要表现为网络寻呼UE失败和UE不能发起CSFB呼叫。
出现这部分问题主要与网络SGs寻呼方式、网络与终端DRX寻呼周期不一致、LTE网络隐式DetachUE及无线环境因素有关。
Ø网络SGs寻呼方式
通常,MSCA/Iu接口一次寻呼采用TMSI,二次寻呼采用IMSI,部分厂家设备实现SGs接口寻呼方式与A/Iu接口相同,而用IMSI寻呼UE将导致UE寻呼响应失败。
Ø网络与终端DRX寻呼周期不一致
UE、eNodeB、MME均有与DRX相关的参数,但不同厂家设备对参数的协议理解存在差异,导致参数配置后网络与终端DRX寻呼周期不一致,从而使被叫失败。
Ø网络通过SGs寻呼时,终端在返回LTE过程中
CSFBUE在通话结束返回LTE网络,若TAU尚未完成,MME接收到SGs接口寻呼后,若寻呼该UE,部分MME厂家目前的实现也将会导致被叫失败。
ØLTE网络隐式DetachUE
LTE网络隐式DetachUE时,UE再次发起呼叫将导致失败。
LTE网络隐式DetachUE存在多种可能,如因设备功能缺陷导致Qos修改失败,就会导致LTE网络隐式DetachUE。
Ø无线环境因素
若由于无线信号较弱或干扰较大,UE无法收到网络寻呼或者无法解析寻呼消息,导致寻呼失败。
3.2.3CSFB手机挂机返回LTE异常
Ø若终端通过自主快速返回方式返回4G,可在LTE发起TAU并恢复数据业务
Ø若终端自主返回失败,将驻留2G网络并尝试恢复数据业务,连接态时:
⏹可通过NC0方式返回3G(需终端支持),
⏹若3G网络支持到4G连接态重定向,可返回4G继续数据业务
⏹若否,终端需待数据业务完成进入空闲态后,通过小区重选2G->3G->4G桥接方式或2G->4G方式返回4G(需2G配置4G邻区)
Ø特殊场景,若终端回落3G网络,通话过程中能够并行进行数据业务,挂机后终端将驻留在3G,返回4G行为与上面相同
3.2.4CSFB呼叫建立时延异常
CSFB呼叫建立时延主要包括三个部分:
UE在LTE侧起呼/接收寻呼到收到重定向命令、UE收到重定向命令后搜索接入WCDMA小区并读取系统广播、建立通话等,下面将详细介绍每个部分时延的影响因素。
1、UE在LTE侧起呼/接收寻呼到收到重定向命令
本阶段对时延的影响主要因素包括MSC开启EarlyAlerting/ACM功能、eNodeB开启基于测量的重定向功能、LTE侧二次寻呼等。
(1)MSC开启EarlyAlerting/ACM功能
MSC开启EarlyAlerting/ACM功能是指MSC在收到MME的寻呼响应后即给主叫用户放回铃音,将导致主叫呼叫建立时延过短,但会对网管指标统计及主叫用户体验产生影响。
(2)eNodeB开启基于测量的重定向功能
eNodeB开启基于测量重定向功能后,eNodeB需给UE下发测量控制消息,并根据UE测量报告中GSM频点情况下发重定向命令,UE连接态测量异系统频点时延较长,会额外增加CSFB呼叫建立时延。
通常情况下,为保证CSFB时延,eNodeB开启盲重定向即可。
(3)LTE侧二次寻呼
因LTE侧无线信号弱等因素,存在二次寻呼概率,将增加CSFB呼叫建立时延。
2、UE收到重定向命令后搜索接入WCDMA小区并读取系统广播
可采用R8重定向+DMCR(3G)缩减系统消息读取时长
3、建立通话
RNC针对CSFB分配13.6KSRB,PSRAB抑制来减少通话建立时延
3.3CSFB方案建议
3.3.1PSHO
Ø建立呼叫前,通过PS到PS的切换,使UE重选回2/3G
Ø通过interRAT测量,可以直接选定目标RAT的小区
Ø重选回2/3G同时,注册CS域和PS域
3.3.2R8/R9重定向
Ø建立呼叫前,由网络发起RRCrelease,使UE重选回2/3G
ØUE在LTE不进行interRAT测量
ØUE重选回2/3G小区后需要读取系统广播参数(SIs/SIBs)
四、时延优化对比
4.1RNC针对CSFB分配13.6KSRB
13.6KSRB的传输信道采用10ms的TTI,而3.4K为40msTTI,处理效率更高。
其他条件完全相同情况下,3.4KSRB的R8重定向用时比13.6KSRB的R8重定向多出来2.8s,达7.066s。
3.4KSRB时RRC建立到Alerting时延
13.6KSRB时RRC建立到Alerting时延
4.2PSRAB抑制
通常情况下,RNC为CSFB切换过来的UE配置的13.6KSRB+PS0/0RB。
由于有PS数
据业务,RNC先为PS业务分配HSPA信道。
在CS的RAB建立过程中,由于没有开启AMRwithHSPA功能,RNC需要先把PS业务从HSPA重配到R99DCH,然后CSRAB才建立完成,这就导致了呼叫信息被滞后处理。
配置AMRwithHSPA功能,在PSHO之后能看到先建立了PSRAB,然后RNC马上处理CS语音呼叫配置AMRwithHSPA,避免PSRAB从HSPA到R99DCH的转换产生的过多的RadioBearerReconfiguration及相应的时延增加。
此外,3GRNC侧将PSRABreconfiguration功能打开,NodeBRABReconfigsupport改为supported,避免SGSN尝试修改RAB的时候,RNC的拒绝,避免了不必要的信令。
在开启PSRAB抑制功能后,系统会优先建立CSRAB,所以该重配方案对CSFB时延不再产生影响。
CS语音业务晚于PS业务请求
R8DMCR重定向CS语音业务早于PS业务请求
五、总结
采用基于CSFB的LTE语音业务解决方案的时延相对于普通语音业务时延仅高出1s左右,对普通语音用户的基本无影响。
LTE建网初期采用此方案对网络建设需求最低,并且同时保护了3/2G的投资。
但是对多网之间协同优化要求较高。
需要后期对4/3/2G多网协同优化提出了较高的要求。
诺基亚CSFB方案同时采用R8重定向以及PSHandover两种方式。
优先选择PSHandoverCSFB方案,不影响用户数据业务使用,对用户感知影响最小。
只有当PSHandover条件不具备时,采用基于R8重定向的CSFB方案。
多重方案保证语音业务的成功建立以及较低的起呼时延水平。
后期LTE网络规模增加,覆盖完善,同时核心网新增IMS系统后,将会逐渐转向VOLTE方案,
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