CSFB端到端时延优化专题研究报告.docx
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CSFB端到端时延优化专题研究报告
CSFB端到端时延优化专题研究报告
一、CSFB缩短时延方法研究
2.1鉴权组差异对CSFB呼叫时延影响和优化
2.1.1CSFB呼叫时延增长点发掘
为有效缩短CSFB呼叫时延，上海公司以GSM普通呼叫时延为参照，开展了CSFB呼叫全流程信令节点时延与GSM普通呼叫的比对，通过量化统计，分析、定位时延增长点。
通过呼叫全流程信令节点时延比对，发现CSFB呼叫的主被叫鉴权阶段时延较GSM普通呼叫的主被叫鉴权阶段时延都有200多毫秒的增长，如下表2-1。
表2-1CSFB呼叫和GSM普通呼叫主被叫鉴权过程时延对比
具体分析CSFB呼叫和GSM普通呼叫的鉴权消息，GSM普通呼叫使用鉴权三元组，而CSFB呼叫使用鉴权四元组，即鉴权请求消息携带AUTN参数，导致CSFB呼叫鉴权请求消息较GSM普通呼叫鉴权请求消息多一个51复帧，从而造成CSFB呼叫鉴权阶段时延增长。
通过信令分析可以看到，GSM普通呼叫的鉴权请求消息字节数位19个Byte，而CSFB呼叫达到35Byte，如下图2-1。
NormalCall
CSFBCall
图2-1GSM普通呼叫和CSFB呼叫鉴权请求消息比对
从图2-2帧结构可以看出，1个51复帧只能包含156.25bit=19.53Byte，刚好可以容纳GSM普通呼叫的鉴权请求消息，而对于CSFB呼叫则需要2个51复帧才能传输完鉴权请求消息。
51复帧是以235ms的周期进行发送，所以CSFB呼叫要比GSM普通呼叫多235ms的时间才能正确接受鉴权请求消息，这也就是CSFB呼叫的鉴权消息时延要比GSM普通呼叫长200多毫秒的原因。
图2-2无线帧结构
2.1.2CSFB呼叫鉴权组优化
由于GSM网络仅需要鉴权三元组，为有效减少CSFB呼叫时延，对现网GSM厂商的呼叫时延和BSC参数进行分析研究，力求对CSFB鉴权组数量进行优化。
通过iPhone测试统计发现，上海现网2G阿尔卡特区域的CSFB呼叫时延要短于其他2G厂商区域，具体如下表2-2。
表2-2现网各厂商区域CSFB呼叫时延情况
2/4G网络结构
CSFB回落GSM时延（s）
平均呼叫建立时延（s）
LTE:
华为GSM:
阿尔卡特
2
9.44
LTE:
华为GSM:
爱立信
2
9.85
LTE:
贝尔GSM:
爱立信
1.98
9.91
LTE:
华为GSM:
诺基亚
1.97
10.05
通过进一步分析，发现时延差异主要在主被叫的AuthenticationRequst→AuthenticationResponse，即主被叫的鉴权阶段。
通过测试LOG分析，终端在CMServiceRequest中上发的内容存在差异：
✓2G阿尔卡特区域：
ClassMark/Revisionlevel：
UsedbyGSMphase2mobilestations
✓2G爱立信、诺基亚区域：
ClassMark/Revisionlevel：
UsedbymobilestationssupportingR99orlaterversionsoftheprotocol
具体信令如图2-3。
2G爱立信、诺基亚区域
2G阿尔卡特区域
图2-32G阿尔卡特和爱立信、诺基亚区域CSFB呼叫CMServiceRequest消息内容对比
同样的测试终端在2G阿尔卡特区域上报的终端能力是GSMphase2，而在2G爱立信、诺基亚区域上报的是R99+。
根据3GPP规范，在UMTS系统中，若手机上报的终端能力是R98及之前的终端，系统将下发鉴权三元组，若手机上报的终端能力是R99及之后的终端，系统将下发鉴权四元组。
对2G阿尔卡特系统参数进行深入研究，发现阿尔卡特BSC级参数MSCR可以控制手机上报的终端能力，从而影响网络下发的鉴权组数量，进而缩短CSFB呼叫鉴权阶段的时延。
MSCR参数定义了MSC（网络）支持的终端能力，其取值范围为0和1，0表示MSC支持R98及之前的终端，1表示MSC支持R99及之后的终端。
该参数在系统消息3中下发给手机，手机根据MSC支持的终端能力和自身终端能力取交集进行使用终端能力的上报。
因此，若将MSCR参数设置为0，则可以使R99及之后的终端上报使用R98及之前终端能力，如此就可以使网络下发鉴权三元组，从而缩短CSFB鉴权时长，进而缩短CSFB呼叫时延。
经核查，2G爱立信和诺基亚系统都有类似MSCR参数，上海现网各厂商系统设置情况如表2-3。
表2-3上海各机型BSC系统MSCR参数设置情况
厂商系统
参数名
参数级别
参数取值
默认设置
阿尔卡特
MSCR
BSC级
0：
MSC支持R98及之前的终端
1：
MSC支持R99及之后的终端
0
爱立信
MSCREL
BSC级
1
诺基亚
MSCRELEASE
BSC级
1
从表2-3可以看到，现网阿尔卡特系统MSCR参数的设置为0，而爱立信和诺基亚系统的设置为1，这与2G阿尔卡特区域CSFB呼叫时延相对较短的测试情况相符。
选取BSC对爱立信、诺基亚系统的MSCR（MSCRelease）参数修改进行试点，并开展优化效果验证与评估，同时评估GSM网络运行情况。
2.1.3鉴权组流程优化效果验证
2015年1月底上海公司对现网所有爱立信、诺基亚BSC的MSCR参数进行了修改，修改后通过ATU月度网格测试评估，2月份上海CSFB呼叫时延缩短至9.04秒，MSCR参数修改效果显著。
1）修改后信令消息差异
对比参数修改前后的鉴权请求消息和ClassmarkChange消息内容，参数修改后，手机上报的使用终端能力由R99+变为GSMphase2，鉴权要素由四元组变为三元组，即不带AUTN参数，见图2-4和2-5。
图2-4MSCR参数修改前后鉴权请求消息内容
参数修改后
参数修改前
图2-5MSCR参数修改前后ClassmarkChange消息内容
2）定点测试CSFB呼叫时延比对
选取BSC下定点，占用稳定小区，参数修改前后分别拨打40次CSFB呼叫，统计主叫CMServiceRequest至AuthenticationResponse的时延和呼叫建立时延，具体见2-4。
表2-4定点测试CSFB呼叫时延比对
时延统计对比
调整前
调整后
差值
CMServiceRequest
--
--
--
AuthenticationResponse
00:
01.069
00:
00.775
00:
00.295
呼叫建立时延
00:
09.485
00:
08.939
00:
00.546
从表2-4看出，MSCR参数修改后CSFB主叫鉴权阶段时延缩短了295毫秒，与预期缩短1个51复帧时长相吻合，整个CSFB呼叫建立时延缩短了546毫秒，即主被叫鉴权阶段共缩短了近550毫秒。
3）网格测试CSFB呼叫时延比对
通过ATU月度网格测试，对试点区域涉及网格进行CSFB呼叫时延比对，见表2-5。
表2-5网格测试时延比对
网格
修改前CSFB呼叫时延
修改后CSFB呼叫时延
差值
9
9.60
9.24
-0.36
15
9.97
9.34
-0.63
16
10.18
9.47
-0.71
17
9.91
9.23
-0.68
平均
9.92
9.32
-0.60
从上表可以看出，MSCR参数修改后试点区域涉及网格的CSFB呼叫时延平均缩短了600毫秒，与预期和定点测试结果相吻合。
4）GSM网络运行情况评估
MSCR参数修改后GSM网络运行正常，BSC及其下小区各项关键性能指标保持平稳，各项基本业务功能均使用正常，无异常波动和异常问题出现。
表2-6MSCR参数修改前后GSM关键性能指标对比
无线掉话率
无线接入性
切换成功率
上行TBF建立成功率
下行TBF建立成功率
修改前
0.14%
99.86%
99.22%
99.22%
99.10%
修改后
0.13%
99.88%
99.27%
99.43%
99.47%
变化幅度
-0.01%
0.02%
0.05%
0.21%
0.37%
通过验证与评估，修改BSC参数MSCR可以改变手机上报的使用终端能力，从而优化网络下发的鉴权组数量，进而缩短CSFB呼叫鉴权阶段的时延。
从上海现网修改试点看，MSCR参数修改达到预期效果，CSFB呼叫时延明显缩短。
4）其他问题说明
（1）诺基亚系统参数修改后系统消息更新问题
在上海现网修改时发现，诺基亚系统在修改MSCR参数后需要重启小区或者对小区进行CellBar操作来更新系统消息，MSCR参数才能起作用。
（2）异频切换需求CLASSMARK3问题
由于目前GSM网络的异频切换（900M与1800M之间切换）会要求CLASSMARK3，而CLASSMARK3只有R99及之后终端才会上发，R98及之前手机只会上发CLASSMARK1或CLASSMARK2，所以在将MSCR参数修改为0时曾担心可能会导致手机的异频切换失败。
但是从上海现网修改试点看，无论是在MSCR参数修改前还是修改后，ClassmarkChange消息中都带有CLASSMARK3上报支持频段信息，如上图5所示。
这主要是由于MSCR参数的修改只是改变了手机上报的使用终端能力，而并不会改变手机本身的终端能力，所以无论MSCR参数设置为什么值，对于R99+手机ClassmarkChange消息中都会携带CLASSMARK3，所以异频切换不会受到影响。
但是MSCR参数由1修改为0可以算是一种技术倒退，可能会对某些水货手机的业务产生影响，所以参数修改后需要加强对网络业务性能指标的监控，对于可能的用户投诉及时做出应对处理。
2.2基于爱立信端局的双域鉴权功能研究
CSFB呼叫接续是在原有CS域呼叫接续基础上叠加了额外的回落时延，涉及到了LTE和GSM网络的双域流程。
通过初步分析，发现核心网、无线网鉴权和相关策略仍存在较大的优化空间，针对如何在确保网络业务安全前提下进一步优化信令流程提出了新的方向和要求。
2.2.1规范研究
在《中国移动核心网子系统设备规范软交换部分-v2.3.0》中的6.35.2.5章节“CSFB性能优化部分”中提出了相关要求并已规范形式明确。
内容摘要如下：
1.鉴权流程
LTE网络终端发起联合附着/位置更新时，通过SGs接口MSCServer/VLR不对用户进行鉴权，直接完成位置更新流程。
位置更新流程结束后，MSC可根据系统级对用户最小剩余鉴权参数组数量的配置，如最少2组，立即发起到HLR/HSS的鉴权参数请求流程。
当用户回落2/3G网络，需要对CSFB呼叫鉴权时，直接使用之前下载的鉴权参数组，减少CSFB呼叫时延。
同时，MSCServer可支持对CSFB回落时UE鉴权流程的优化功能，即当CSFB终端回落后接入2/3G网络时，MSC可根据用户SGsassociation状态或呼叫信令中上报的CSMO/CSMT标签，通过参数配置的方式，决定是否执行2/3G普通语音业务位置更新（LAU）、主/被叫（MO/MT）等流程中的鉴权过程，即允许为回落本局的CSFB呼叫单独关闭鉴权流程，但针对从他局来的、跨MSC回落的CSFB呼叫，根据需求，可遵循现网2/3GLAU的鉴权要求，或关闭鉴权流程。
2.TMSI重分配流程
MSCServer可支持对CSFB回落时TMSI重分配流程的优化功能，即当CSFB终端回落后接入2/3G网络时，MSC可根据用户SGsassociation状态或呼叫信令中上报的CSMO/CSMT标签，通过参数配置的方式，决定是否执行2/3G普通语音业务位置更新（LAU）、主/被叫（MO/MT）等流程中的TMSI重分配过程，即允许为回落本局的CSFB呼叫单独关闭TMSI重分配流程，但针对从他局来的、跨MSC回落的CSFB呼叫须遵循现网2/3GLAU时的TMSI重分配要求，开启分配。
2.2.2爱立信端局双域鉴权功能研究
由于上海公司38套端局均为爱立信机型，故相关研究基于爱立信端局设备展开。
1.实现原理分析
当CSFB手机进行联合附着、联合TAU时，在LTE网络中必须进行鉴权、IMEI获取等流程；当CSFB手机进行主被叫通话时，在回落到2G网络之前，LTE网络也必须对手机发起的extendedservicerequest请求进行鉴权。
从以上两点考虑，手机在回落到2G网络时必然已经在4G网络中完成了鉴权和获取IMEI的流程，因而无需在2G网络中重复一遍，从而节省呼叫接续时延。
当CSFB手机回落时，只要是回落到同一个MSC-S下，而不管是否改变了LAC，其原来分配的TMSI始终有效，因而无需进行TMSI重分配流程。
最后，在现有的2G网络中，Cipher流程虽然开启，但选择的加密算法一般都是“无”，也就是实质上不进行加密，因而同样可以考虑关闭2G网络的加密流程。
综合以上三点，爱立信端局双域鉴权功能补丁提供了在CSFB的呼叫场景下，主被叫接续时取消CS域这一侧鉴权、加密、IMEI获取、TMSI重分配的功能，从而优化了呼叫接续流程，降低了呼叫时延。
2.双域鉴权时延优化空间分析
双域鉴权功能通过取消CSFB流程中CS域鉴权、加密、IMEI获取、TMSI重分配信令的方式，简化了CS域呼叫接续流程，可减少CSFB呼叫接续时延0.7-1.8s左右，约占总体端到端呼叫接续时延的15-20%左右，如下图2-6。
图2-6双域鉴权时延优化空间分析
流程的简化，可带来CS域空口信令交互数量的减少、占用时间的缩短、以及接续成功率的提升，间接提升了网络容量与用户的感知。
3.网络安全风险控制分析
双域鉴权补丁取消CS域鉴权流程之后，所带来的最大问题与网络安全风险就是克隆卡的问题。
首先，该补丁只针对于CSFB呼叫场景中的CS域流程进行优化，对于PS域的流程没有任何影响。
当终端需要使用到CSFB主被叫业务之前，必须在LTE网络中进行正常附着、位置更新、业务请求、寻呼响应等业务流程，这些流程仍会按照MME参数配置进行鉴权，因此可以通过LTE网络控制安全风险。
其次，相比于CSFB呼叫的鉴权时延，LTE网络的鉴权时延要短一些。
根据信令平台的统计结果，抽样时间内CSFB主叫平均鉴权时延为1.157s、被叫平均鉴权时延为1.165s，而常规的LTE网络平均鉴权时延为0.338s。
因此，根据定量分析结果，取消CS网络鉴权流程并同时开启PS域网络每次鉴权流程，对于整体呼叫时延指标仍然是能够有所改善的。
最后，用户对于话音业务端到端时延较为敏感，时延长了用户等待接续听静默音的时间就长，但对于注册、位置更新以及上网请求而言，时延并不如此敏感。
因此，取消CS网络鉴权流程并同时开启PS域网络每次鉴权流程，可以提升用户的业务使用感知。
4.功能配置
爱立信双域鉴权功能基于MSC-SR14/14B版本，由MCA100补丁包来实现，经过沟通预计于2015年2季度发布。
补丁加载完成后，引入新的鉴权参数selectiveauthentication：
Sel.auth=0时，所有CSFB主被叫都必须鉴权；
Sel.auth=1~254时，定义交换机允许的连续不鉴权的CSFB主被叫次数；
Sel.auth=255时，所有CSFB主被叫都无需鉴权。
【注】：
连续不鉴权counter根据每一个用户单独设置，并仅仅针对于CSFB主被叫的场景，如果期间该用户发生了2GLAU、2G正常主被叫等事件，则该事件仍然需要鉴权，同时不鉴权counter复位。
除此之外，针对取消加密、IMEI获取、TMSI重分配等信令流程，补丁直接实现，没有引入人机参数进行控制。
5.现网部署应用建议
通过对双域鉴权功能的深入研究与指标对比，明确该功能可以有效简化CSFB呼叫流程、缩短CSFB呼叫时延，建议已升级到R14/14B版本的爱立信CSFB端局可以选择加载该功能。
由于该补丁将在2015年2季度发布，后续工作计划如下：
1）上海公司将在爱立信端局具备条件后进行功能试点和现网验证。
2）经与湖南公司沟通中兴端局设备可提供相似功能，建议后续与湖南公司等兄弟公司一起开展相关测试验证工作。
3）在功能部署的初期阶段，从网络安全以及网络平稳过渡出发考虑，建议CS域CSFB呼叫开启选择性鉴权功能，同时PS域网络开启每次鉴权功能。
二、总结
上海公司对“CSFB回落合理性、邻区频点配置策略与优化方法研究”和“CSFB缩短时延方法研究”课题研究总结如表3-1。
表3-1CSFB重要工作开展总结
重要工作
优化方案
优化内容
优化方式
涉及网段
涉及指标
CSFB回落合理性、邻区频点配置策略与优化方法研究
CSFB邻区频点配置优化
制定CSFB邻区频点配置策略，进行LTE小区配置GSM邻区频点优化
一次性优化+定期核查
无线网
CSFB呼叫成功率、CSFB呼叫时延
CSFB回落GSM频点下发方式优化
优化CSFB回落GSM频点下发方式，使用穷举方式下发，确保CSFB回落至信号最优GSM小区，减少不必要的位置更新
一次性优化
无线网
CSFB呼叫成功率、CSFB呼叫时延
基于扫频数据的CSFB邻区精细优化
在前期CSFB邻区频点配置规范化优化的基础上，基于2、4G同步扫频数据进行CSFB邻区精细优化，以进一步提高回落小区的准确性
一次性优化+定期核查
无线网
CSFB呼叫成功率、CSFB呼叫时延
CSFB缩短时延方法研究
CSFB呼叫全流程时延比对分析
开展CSFB呼叫全流程信令与GSM普通呼叫信令比对，挖掘、定位时延增长节点，进行分析研究
一次性优化
无线网、核心网
CSFB呼叫时延
CSFB呼叫鉴权组数量优化
挖掘BSC级参数MSCR对CSFB呼叫鉴权组数量进行优化，通过减少鉴权组数量，缩短CSFB鉴权阶段时延
一次性优化
无线网
CSFB呼叫时延
CS和LTE双域鉴权策略优化
双域鉴权功能综合考虑CSFB呼叫流程中CS域和LTE的鉴权流程，通过取消CSFB流程中CS域鉴权、加密、IMEI获取、TMSI重分配信令的方式，简化了CS域呼叫接续流程，可减少全程CSFB流程时延
一次性优化
核心网
CSFB呼叫时延
中国移动通信集团上海有限公司
2015年3月
升级会员 