CSFB信令详解

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CSFB详解
2014-08-11 网优雇佣军
一 CSFB主叫流程详解

1.1 总体流程
CSFB主叫信令流程如下：

1.UE发起CS Fallback语音业务请求。
2.MME发送S1-AP UE CONTEXT MODIFICATION REQUEST消息给eNodeB，包含CS Fallback Indicator。该消息指示eNodeB，UE因CS Fallback业务需要回落到UTRAN/GERAN。
3.eNodeB要求UE开始异系统的小区测量，并获得UE上报的测量报告，确定重定向的目标系统小区。然后向UE发送目标系统具体的无线配置信息，并释放连接。
4.UE接入目标系统小区，发起CS域的业务请求CM SERVICE REQUEST。
5.如果目标系统小区归属的MSC与UE附着EPS网络时登记的MSC不同，则该MSC收到UE的业务请求时，由于没有该UE的信息，可以采取隐式位置更新流程，接受用户请求。如果MSC不支撑隐式位置更新，且MSC没有用户数据（即服务MSC与EPS/IMSI登记的MSC不同），则拒绝该用户的业务请求。如果MSC拒绝用户的业务请求会导致UE发起一个CS域位置更新流程。
6.CS域语音呼叫建立流程。

1.2 解码主要信令点
主要的信令点描述如下：
1. LTE网络：ExtendedServiceRequest，携带service-type：mobile-originating-CS-fallback，对应Event List中CSFBServiceRequest；


2. LTE网络：RRCConnectionRelease，携带配置的GERAN相邻频点组起始频点和GERAN BCCH相邻频点信息，对应Event List中InterRATRedirectionReq；


3. GSM网络：CM Service Request，携带业务类别及TMSI信息，对应Event List中InterRATRedirectionSuc；


4. GSM网络：Alerting，表示核心网给主叫回振铃音，被叫已接通，对应Event List中CSFBServiceSuc；（另通过Setup消息可以查看被叫号码）


5. GSM网络：Channel Release，对应Event List中目前版本显示有误（GSMCallDropped）；（另用户主动挂机对应Disconnect消息，方向为UL，Channel Release消息为网络侧下发，DL）


6. LTE网络：TrackingAreaUpdateAccept，携带TAU类别（combined-TA）、TAL对应的GSM侧LAC信息，对应Event List中TAUpdateSuc。



二 CSFB被叫流程详解

2.1 总体流程
CSFB被叫信令流程如下：


1. MSC收到IAM入局消息后，根据存在的SGs关联和MME信息，发送SGsAP-PAGING-REQUEST(IMSI, TMSI, Service indicator ，主叫号码，位置区信息)消息给MME。
2. MME发送Paging消息给eNodeB。eNodeB发起空口的Paging流程。
3. UE建立连接并发送Extended Service Request消息给MME。
4. MME发送SGsAP-SERVICE-REQUEST消息给MSC。MSC收到此消息，不再向MME重发寻呼请求消息。为避免呼叫接续过程中，主叫等待时间过长，MSC收到包含空闲态指示的SGs Service Request消息，先通知主叫，呼叫正在接续过程中。
5. MME发送Initial UE Context Setup消息给eNodeB，包含CS Fallback Indicator。该消息指示eNodeB，UE因CSFB业务需要回落到UTRAN/GERAN。
6. UE从E-UTRAN切换到UTRAN/GERAN。
7. 伴随着空口，A/Iu-CS接口连接的建立，UE回paging response消息给MSC。即使RNC没有向该UE发起过寻呼请求，这里的RNC需要能处理UE的寻呼响应。如果寻呼响应消息中的位置区信息和VLR中保存的不一致，则VLR在鉴权成功后将SGs关联置为NULL。
8. MSC收到UE的寻呼响应后，停掉寻呼响应定时器并建立CS连接。

2.2 解码主要信令点
主要信令点描述如下：
1. LTE网络：Paging，无对应Event；

2. LTE网络：ExtendedServiceRequest，携带service-type：mobile-terminating-CS-fallback，对应Event List中CSFBServiceRequest；


3. LTE网络：RRCConnectionRelease，对应Event List中InterRATRedirectionReq；


4. GSM网络：Paging Response，对应Event List中GSMCallAttempt（MTC）；


5. GSM网络：Alerting，对应Event List中CSFBServiceSuc；


6. GSM网络：Channel Release，无对应Event；

7. LTE网络：TrackingAreaUpdateAccept，对应Event List中TAUpdateSuc。



三、CSFB 手机开机异常原因分析

正常情况下，CSFB 手机开机能够搜索TD-LTE 网络，完成4G/2G 网络联合注册，并能够进行语音主叫及被叫。CSFB 开机后异常情况主要包括终端未搜索TD-LTE 网络驻留、联合注册失败、不能在TD-LTE 网络稳定驻留等，各开机异常情况的主要原因分析如下：

1、CSFB 手机未搜索TD-LTE 网络驻留

(1) CSFB 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。

(2) CSFB 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。

2、CSFB 手机在TD-LTE 网络完成联合注册失败

(1) 网络侧SGs 口未完成互联互通（如MME 与MSC name 协议理解不一致等）

(2) MME 配置的与TA 匹配的LA 非SGs MSC 所属的LA

3、CSFB 手机不能在TD-LTE 网络稳定驻留

(1) eNodeB 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。

(2) TD-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。

(3) eNodeB 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。

案例：4G 配置2G 重选参数不合理，导致终端不能在TD-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GSM。

问题分析：测试区域中，4G 网络部署CSFB 时，同时配置了GSM 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。

四、CSFB 手机呼叫建立过程异常原因分析

目前，CSFB 回落方案采用3GPP R8 重定向回落方案，同时要求终端支撑缓读System Information 13 系统消息功能以缩短呼叫建立时延，优化方案性能。总体来说，CSFB 呼叫建立过程包括三个阶段：UE 在LTE 网络发起呼叫/被叫接收寻呼、UE 在LTE 网络指引下回

落并搜索合适的GSM 小区接入、UE 读取GSM 小区系统广播消息并建立语音通话。在CSFB 部署过程中，因参数配置或者设备功能缺陷，将导致CSFB 呼叫建立过程出现异常情况。

CSFB 主叫及被叫通话的建立流程大致相同，只是被叫通话多了一步寻呼UE 的过程，具体详细流程如下图所示，其中流程（1）到流程（5）即为CSFB 额外引入的流程，流程（6）同GSM 现网：

（1）UE 接收LTE 寻呼： CSFB UE 被叫时，首先在GSM 侧分配MSRN 和接收IAM（MSRN）的过程同现网，但之后的寻呼流程同现网略有不同，MSC 将通过SGs 口把寻呼下发给MME，MME 收到后，在LTE 侧寻呼UE，待UE 回落至GSM 后，发送寻呼响应至MSC；

（2）UE 起呼：CSFB UE 在LTE 侧发起呼叫，发送Extended Service Request 消息给网络侧MME，消息中携带Type 指示呼叫为MO CSFB 或MT CSFB；

（3）LTE 指引UE 回落：MME 在用户连接态时给eNB 下发UE CONTEXT MODIFICATION REQUEST，在用户空闲态时给eNB 下发INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST，均携带CSFB 标识，根据此标识eNodeB 下发R8 重定向命令（RRC Connection Release）给UE，其中携带GSM邻区频点信息，指引UE 回落至GSM 网络；

（4）终端模式转换、搜索指定2G 频点、与2G 小区同步：UE 接收到重定向命令后，将进行模式转换（由4G 模式转换为2G 模式），并根据重定向命令中指定的2G 频点搜索并与回落目标2G 小区完成同步；

（5）UE 读取2G 广播消息：UE 若支撑缓读GSM 系统消息System Information 13 功能，则读全System Information 1 和System Information 3 后即可建立GSM 通话；

（6）建立GSM 通话：该过程可同现网流程，包括寻呼响应、终端多模能力上报、网络要求终端上报IMEI/IMSI、鉴权、信道指派并建立通话等。

下面将详细分析CSFB 呼叫建立三个阶段中可能出现异常的问题分析和解决方法。

1、UE 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Detach UE及无线环境因素有关。

（1）网络SGs 寻呼方式
通常，MSC A/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。

（2）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。

（3）网络通过SGs 寻呼时，终端在返回LTE 过程中
CSFB UE 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。

（4）LTE 网络隐式Detach UE
LTE 网络隐式Detach UE 时，UE 再次发起呼叫将导致失败。LTE 网络隐式Detach UE 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Detach UE。

（5）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。

2、UE 在LTE 网络指引下回落并搜索接入GSM 小区

本阶段出现问题主要表现为UE 回落GSM 小区时延较长或失败、UE 回落至3G 网络和UE回落至GSM 后数据业务挂起失败，具体原因分析如下：

（1）UE 回落GSM 小区时延较长或失败
出现此异常的影响因素主要有UE 未收到重定向命令、UE 收到的重定向命令中GSM 频点配置不合理、UE 回落跨MSC Pool 或跨LA、当4G 与2G 采用不同PLMN ID 时4G 网络未将2G PLMN 配置EPLMN 并下发UE 等。

其中，UE 未收到重定向命令可能由于LTE 无线信号覆盖较差导致；也可能由于UE 在重定向之前恰好发生了切换，切换后的小区未下发重定向命令导致；重定向命令中的GSM 频点配置不合理也是原因之一，如：未配置LTE 小区覆盖范围内信号较好的GSM 邻区频点、配置的GSM 邻区频点干扰较为严重等，都会导致UE 接入GSM 小区时延较长甚至不能接入。

若2G 和4G 使用和广播的PLMN ID 不同，但4G 未将2G PLMN ID 配置EPLMN，UE 重定向至2G 后发现PLMN 改变而无法接入2G，此后终端将实行GSM 全频段搜索，直至找到合适的GSM 小区后发起接入，此过程将消耗大量时间，可能导致呼叫失败。

（2）UE 回落至3G 网络
出现此异常的影响因素主要有：重定向命令中GSM 频点配置不合理导致不能接入GSM网络，或eNodeB 未开启CSFB 功能等。

当LTE重定向命令中GSM 频点配置不合理时，可能在2G 网络搜索接入2G 网络其他频点，也可能接入3G 网络，与终端内部实现机制相关。

当eNodeB 未开启CSFB 功能时，eNodeB 厂家实现不同。部分厂家eNodeB 设备不下发重定向命令，导致UE 基于自身实现机制，在等待一段时间后主动搜索3G 接入；部分厂家eNodeB将下发不携带任何邻区频点的重定向命令，UE 基于自身实现，主动搜索3G 接入。

（3）UE 回落至GSM 后数据业务挂起失败
UE 回落至GSM 网络，如果网络不支撑DTM（数据和语音业务并发），或虽然网络支撑DTM 但终端不支撑，或网络支撑DTM、终端也支撑DTM 但因终端在CSFB 回落过程中缓读SI13只能暂时关闭DTM 支撑能力，需要终端接入2G 网络后发送悬挂消息给网络，让网络帮助将用户数据业务暂时挂起。目前3GPP 标准定义的SGSN 至MME Gn 接口的CSFB 挂起流程本身存在问题，无法基于终端的触发通过Gn 接口通知MME 将数据业务悬挂，因此需优化数据业务挂起流程，让MME 在终端回落时，基于eNodeB 的原因值帮助UE 在LTE 网络挂起当前正在实行的数据业务。

3、UE 读取2G 系统广播并建立GSM 通话等

本阶段流程与现网相同，主要异常问题表现为终端回落至GSM 网络，建立呼叫过程中鉴权失败，或因为回落不同的MSC 导致被叫失败。

五、CSFB 手机挂机返回LTE 异常原因分析

目前，CSFB 返回方案采用两种并行的方案：终端自主返回和2G->3G->4G 桥接返回方案。部分城市区域还采用第三种方案：2G->4G 返回方案。

终端自主返回功能需要芯片支撑，具体实现与厂家芯片实现相关，自主返回失败因素与LTE 无线信号覆盖、挂机区域频点是否已被终端记忆有关。当终端自主返回失败后，终端将在2G 驻留。若2G 配置4G 邻区，则由2G 通过小区重选返回4G；若2G 未配置4G 邻区，则通过3G 桥接返回4G。2G->3G->4G 桥接返回和2G->4G 过程与数据业务互操作流程相同，相关影响因素与数据业务互操作类似；除此之外，因CSFB 流程造成的重选返回失败因素主要为LTE 网络侧定时器超时导致隐式detach，导致TAU 失败。

部分特殊终端及国漫入终端不支撑终端自主返回功能，CSFB 通话挂机后将在2G 驻留。若该终端也不支撑TD-S 模式，且2G 又未配置4G 邻区，则该终端将不能返回4G 驻留；若终端支撑TD-S 模式，将根据2G 是否配置了4G 邻区，选择2G->3G->4G 桥接方式或2G->4G 方式返回方式。

通常情况，回落2G 网络，通话过程中不能进行数据业务，挂机后

● 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

● 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（需终端支撑），
◇若3G 网络支撑到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）。

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。

案例：4G 覆盖不连续导致CSFB 手机通话挂机后不能自主返回4G 网络
现象描述：LTE 弱覆盖区，CSFB 手机通话后挂机，不能通过终端自主返回功能返回4G网络。
问题分析：终端自主返回时，需LTE 信号RSRP 满足开机驻留门限（一般设置为-120dBm～-124dBm）才能接入4G 网络，在LTE 弱覆盖区，4G 信号低于开机驻留门限，终端自主返回将失败，此后终端将返回2G 网络驻留，在信号强度满足条件情况下，可通过3G 桥接返回4G 网络。
解决方案：通过网络建设及网络优化，提升4G 网络覆盖质量，避免覆盖空洞，提高终端自主返回成功率。

六 CSFB相关时延的统计点

CSFB相关时延统计信令点：

主叫回落：ExtendedServiceRequest（LTE）--> Alerting（GSM）；
主叫返回：Channel Release（GSM）--> TrackingAreaUpdateAccept（LTE）；
被叫回落：Paging（LTE）--> Alerting（GSM）；
被叫返回：Channel Release（GSM）--> TrackingAreaUpdateAccept（LTE）。

1、主叫回落时延：

2、主叫返回时延：

3、被叫回落时延：

4、被叫返回时延：


七 CSFB 呼叫建立时延异常原因分析

CSFB 呼叫建立时延是CSFB 用户体验的重要部分，因CSFB 额外引入流程将在GSM 现网呼叫建立时延基础上增加时延。在网络部署成熟时，CSFB 呼叫建立时延应趋于稳定，但在部署过程中，CSFB 呼叫建立时延可能存在过短或者过长等异常情况。

在网络部署CSFB R8 重定向回落方案（终端支撑缓读SI13 功能）时，通过多城市联合测试摸索到CSFB 呼叫建立时延范围如下：

● CSFB 单端呼叫（CSFB UE 拨打GSM UE 或者GSM UE 拨打CSFB UE）：

◇额外时延：相比GSM 现网基准时延，额外时延约1.7~2.9s，且80%的呼叫增加时延在2.5 秒以内。
◇总时延：单端总时延为6.9~12.3s，其中85%在7s 和10s 之间。

● CSFB 双端呼叫（CSFB UE 拨打CSFB UE）：

◇额外时延：相比GSM 现网基准时延，额外时延约3.5~4.9s，且80%的呼叫增加时延在4.5 秒以内。
◇总时延：单端总时延为8.3~13.7s，其中90%在9s 和12s 之间。

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GSM 小区并读取GSM 系统广播、建立GSM 通话等，下面将详细先容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Early Alerting/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Early Alerting/ACM 功能
MSC 开启Early Alerting/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GSM 小区并读取GSM 系统广播

本阶段对时延的影响因素包括重定向命令中配置的GSM 频点不合理导致UE 搜索GSM 小区时延过长。

3、建立GSM 通话
本阶段对时延的影响因素包括GSM 网络索要IMEI、BSC 开启UTRAN ECSC 功能等。针对CSFB UE 的通话建立过程，网络可以有优化方案以减小呼叫建立时延。