2024年1月7日发(作者：)

LTE CSFB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（3GPP TS

23.272）就是其中之一。

CSFB（Circuit Switched Fall Back）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

2.1 CSFB简介

CSFB(电路域回落)是3GPP R8中CS over PS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4G EPC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。

3.2.1 CS FallBack_R8 redirection简介

UE/

MS

eNodeB

BSS

/RNS

MME

MSC

SGW/PGW

SGSN

1a. Extended Service Request

1b. S1

-

AP Request message with CS Fallback indicator

1c. S1

-

AP Response message

2. Optional Measurement Report Solicitation

3

a

. NACC

,

.

3b, 3c

RRC connection release

4. S1

-

AP: S1 UE Context Release

Request

5. S1 UE Context Release

6. UE changes RAT then LA Update or Combined RA/LA Update or RA Update or LAU and RAU

7

a. Suspend (see 23.060)

7b. Suspend Request / Response

8

. Update bearer(s)

9. CM Service Request

10a. Service Reject

10b. Location Area Update

10c. CS MO call

If the

MSC

is changed

9. A/Iu-cs message (with CM Service Request)

11. Routing Area Update or Combined RA/LA Update

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Extended Service Request消息；被叫语音业务，UE则收到CS Service notification消息，之后即发起Extended Service Request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。

R8 DMCR（Deffered Measurement Control）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FAST HSPA mobility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RIM Information

Reques消息中附带目标小区的小区ID，并通过RRC Release 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。

3.2.2 CS

FallBack_PS

handover简介

UE/MS

eNodeB

BSS/RNS

MME

MSC

SGSN

Serving

GW

P-GW/

GGSN

1a. Extended Service Request

1b. S1-AP Request message with CS Fallback indicator

1c. S1-AP Response message

2. Optional Measurement Report Solicitation

3a. PS HO as specified in 23.401 [2] (preparation phase and start of execution phase)

4b. CM Service Request

4b. A/Iu-cs message (with CM Service Request)

5. CM Service Reject 5. CM Service Reject

If the MSC

is changed

Location Area Update

6. CS call establishment procedure

7. PS HO as specified in 23.401 [2] (continuation of execution phase)

采用PS Handover CSFB信令流程

理论上讲，若eNB不支持QCI=1 PS Conversational bearer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，CS fallback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CSFB indicator中的优先级也会被考虑：若优先级高则被视为 Emergency call，否则即被作为normal call进行处理。与CSFB PSHO功能相关的测量事件是B1事件。对LTE网络，Event B2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Event B1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Target Call List中是空的、或者UE不支持PSHO方式、或者网络侧禁止PS HO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（Target Cell List）中选择合适的目标小区从而执行PS HO。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relocation request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）。PS RAB使用DCH 0/0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：

➢ 快速，仅需0.4秒额外时延 ，PS业务不中断；

➢ 准确，基于UE测量选取当前位置最佳邻小区；

➢ 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；

➢ 可靠，终端始终处于连接状态，无需断开网络。

三、 CSFB优化方案

3.1 CSFB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 < Threshserving,low且异系统邻区Snonservingcell >

ThreshX,low

•

•

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

值=Qrxlevmeas-（Qrxlevmin+Qrxlevminoffset）-Pcompensation，其中，SPcompensation=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：

① UE附着LTE网络：在附着请求（Attach Request）中携带“联合附着”（combined EPS/IMSI

attach）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（Attach Accept）消息中携带的重要信息包括“联合附着”（comb

EPS/IMSI attach）指示、3G位置区信息Location area identification、MSC分配的TMSI、EMM Cause和Additional update result等。一般情况下，LTE网络配置支持CSFB时，EMM

Cause和Additional update result都配置为空即可。

对于本案例，检查终端侧Attach Accept消息，发现EMM Cause为MSC TEMPORARILY NOT

REACHABLE，Location area identification（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SGs MSC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Attach Accept消息中EMM Cause为MSC TEMPORARILY NOT

REACHABLE。协议规定，若UE收到EPS only的附着，且EMM Cause为MSC TEMPORARILY NOT

REACHABLE的Attach Accept，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SGs MSC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Attach Accept消息中的EMM Cause已经为空，Location area identification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MSC MISCALL功能。

3.2 CSFB 关键问题总结

3.2.1 CSFB手机未搜索TD-LTE网络驻留

➢ 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。

➢ 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。

➢ CSFB手机在TD-LTE网络完成联合注册失败

➢ 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）

➢ MME配置的与TA匹配的LA非SGs MSC所属的LA

➢ CSFB手机不能在TD-LTE网络稳定驻留

➢ 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。

➢ 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。

➢ 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。

3.2.2 CSFB手机呼叫建立过程异常

➢ 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。

➢ 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。

➢ 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。

➢ 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。

➢ 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。

➢ 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。

3.2.3

CSFB手机挂机返回LTE异常

➢ 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）

➢ 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

3.2.4

CSFB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13.6K SRB，PS RAB抑制来减少通话建立时延

3.3 CSFB方案建议

3.3.1 PS

HO

➢ 建立呼叫前，通过PS到PS的切换，使UE重选回2/3G

➢ 通过inter RAT测量，可以直接选定目标RAT的小区

➢ 重选回2/3G同时,注册CS域和PS域

3.3.2 R8/R9重定向

➢ 建立呼叫前，由网络发起RRC release，使UE重选回2/3G

➢ UE在LTE不进行inter RAT测量

➢ UE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

4.1 RNC针对CSFB分配13.6K SRB

13.6K SRB 的传输信道采用10ms的TTI，而3.4K 为 40ms TTI, 处理效率更高。 其他条件完全相同情况下， 3.4K SRB 的R8 重定向用时比13.6K SRB的R8 重定向多出来 2.8s ,达7.066s。

3.4K SRB时RRC建立到Alerting时延

13.6K SRB时RRC建立到Alerting时延

4.2 PS RAB抑制

通常情况下， RNC 为CSFB切换过来的UE 配置的13.6K SRB+ PS 0/0 RB。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AMR

with HSPA功能，RNC需要先把PS业务从HSPA重配到R99 DCH，然后CS RAB才建立完成，这就导致了呼叫信息被滞后处理。 配置AMR with HSPA功能，在PS HO之后能看到先建立了PS RAB， 然后RNC 马上处理CS 语音呼叫配置AMR with HSPA，避免PS RAB从HSPA到R99 DCH的转换产生的过多的RadioBearerReconfiguration及相应的时延增加。

此外，3G RNC 侧将PS RAB reconfiguration 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PS RAB抑制功能后，系统会优先建立CS RAB，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

R8 DMCR 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PS Handover两种方式。优先选择PS Handover

CSFB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PS Handover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，LTE边缘区域将采用VOLTE与3/2G SRVCC切换方案。将会给LTE优化人员带来更新的挑战。