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【摘要】 移动通信网无论是3G还是4G网络，语音呼叫业务处理主要还是承载在GSM网络上，语音呼叫接续时延是影响用户使用感知的一个重要因素，为优化网络质量，本文主要介绍采用信令分析等方法研究寻呼、鉴权、业务信道指派等流程对GSM网络中呼叫接续时延的影响和优化方法，以提升用户业务使用感知，并有效提升3G网络弱覆盖时和4G网络语音回落的使用感知。
【关键词】 语音呼叫 接续时延 信令分析
一、前言
无论是3G还是4G网络，语音呼叫业务处理主要还是承载在GSM网络上，语音呼叫接续时延是影响用户使用感知的一个重要因素，也是评估网络业务质量接入性能的关键指标。早期的信令采集分析主要使用信令仪，能同时采集的网元、接口少，分析能力弱，难以进行全面的信令分析。随着核心网优化支撑系统的建设，全面的信令分析成为分析、评估、优化网络的有力手段。本文对于GSM网络语音呼叫接续时延研究，主要采用信令分析等方法研究寻呼、鉴权、业务信道指派等流程对GSM网络中呼叫接续时延的影响，从核心网和无线侧两方面分析影响GSM网络语音呼叫接续时延的因素，并探索聯合调整优化方法，寻找缩短呼叫接续时延的有效措施。
二、现网情况
2.1 现网网络结构
选取网络MSC Server和BSC均是爱立信厂家设备，采用MSC in Pool叠加大本地网的组网方式，BSC与各MSC Server均有信令路由，BSC下用户均衡分配注册在池组内的各MSC Server上。组网示意图如图1所示。
2.2 现网接续时延情况
从图2的呼叫接续流程图中可以看到，在主被叫的接续流程中均有鉴权流程、加密流程、取身份标识流程、指配流程，仅被叫接续流程中多一个寻呼流程。从核心网优化支撑系统中取得24小时各子流程时延数据（见表1），可以看到各子流程按照时延从大到小排序，依次是寻呼、鉴权、指配、加密、取身份标识。因此选择寻呼、鉴权、指配流程作为本次研究优化对象。
三、寻呼流程时延分析评估
3.1 核心网侧分析评估
降低寻呼响应时延，将使用户感知度得到提升；同时，寻呼成功率降低意味主叫失败增加，降低主叫用户感知，因此降低时延同时要关注寻呼成功率变化。
MSC in Pool叠加大本地网的组网方式和设备特性决定当地寻呼策略是：只有两次寻呼且均是本地寻呼；两次寻呼的响应时延可以调整。综合考虑寻呼时延、6秒内寻呼成功率、寻呼成功率，对池组内四个MSC Server分别设置了四种寻呼时长组合，进行对比分析评估。
3.1.4 综合评估
综合上述寻呼成功率、6秒寻呼成功率、寻呼响应时延三方面评估结果（见表2）。显然，“3+8组合”的寻呼响应时延最优，6秒寻呼成功率位于第二，但寻呼成功率最差。这意味着，对于寻呼响应成功的主叫用户而言，接续时延短，感知度提高，但是另一方面主叫用户寻呼无响应次数随之增多。可见，寻呼成功率和6秒寻呼成功率、寻呼时延三个指标在优化时存在矛盾，仅依靠核心网参数调整无法使这三个指标都达到最高。综合考虑这三个指标，选择“4+8组合”，使6秒寻呼成功率提高0.13%，寻呼成功率提高0.19%，寻呼响应时延增加26.56毫秒。
3.2 无线侧分析评估
从图6的呼叫接续流程图中可以看到，当主叫手机开始接入网络或被叫手机收到寻呼请求信息后，通过随机接入信道（RACH）发送信道请求，如果手机未收到基站返回的立即指配或立即指配拒绝消息，会等待一个间隔时长后尝试再次发起接入请求，直至重试次数超限或核心网侧认为寻呼超时无响应。因此，随机接入的时延会直接影响寻呼时延。
影响随机接入时延的相关参数主要有：寻呼信道复帧数（MFRMS）设置过大；发送间隔时隙范围（TX）设置过大；最大重发次数（MAXRET）设置过大。
3.2.1 寻呼信道复帧数（MFRMS）分析评估
寻呼信道复帧数（MFRMS）是指以多少复帧数作为寻呼子信道的一个循环。实际上该参数确定了将一个小区中的寻呼信道分配成多少寻呼子信道，MFRMS越大使寻呼消息在空间段的时间延迟增大，系统的平均服务性能降低，从而导致呼叫时延增大。
当前网络所有小区的MFRMS均设为最小值2，采用NO-COMB方式，即对应SDCCH/8，AGBLK=1，设置合理。在这种设置条件下，BTS发送排在寻呼组前4个TMSI或前2个IMSI用户的消息，等待时间最大为0.47秒。
3.2.2 发送间隔时隙范围（TX）分析评估
TX表示手机连续发送多个信道请求消息时，每次发送之间间隔的时隙数范围，参数S是接入算法中的一个中间变量，由参数TX和CCCH与SDCCH的组合方式确定。TX以十进制数表示，参数S与CCCH信道组合方式、TX的关系见表3。
当手机接入网络时需启动一次立即指配过程，该过程的开始，手机将在RACH信道上发送（MAXRET+1）个信道请求消息。为了减少RACH信道上的冲突次数，手机发送信道请求消息的时间必须遵循下列规则：手机启动立即指配过程开始到第一个信道请求消息发送之间的时隙数（不包括发送消息的时隙）是一个随机数，该随机数是属于集合{0，1，……，MAX（TX，8）-1}中的一个元素。手机每次启动立即指配过程时，按均匀分布概率从上述集合中取数。任意两次相邻的信道请求消息之间间隔的时隙数（不包括消息发送的时隙）由手机以均匀分布概率方式从集合{S，S+1，……，S+TX-1}中取出。
设置TX=12 在启动第一次信道请求时间延时为比TX=50要短0.18秒。但在第一次信道请求失败后，后续重发的信道请求消息间隔比TX=50长0.57～0.77秒，可以得到结论：设置TX=50可以改善话务接续时延。 对于现网建议除个别高SDCCH拥塞和寻呼拥塞小区外，将全网的TX参数设置从12调整为50。 选取一个BSC做参数调整，5月31日晚忙时前将该BSC内所有小区的TX从12改为50，取5月31日前后一周早忙时7：00-8：00的数据（5月31日当天数据不参与比较），如图7TX修改前后寻呼时响应延变化、图8 TX修改前后寻呼时延占比变化所示，平均寻呼响应时延下降391毫秒，降幅达到17.9%，3秒外寻呼时延占比下降8.5%。可见，优化TX参数能有效地缩短寻呼时延。
3.2.3 最大重发次数（MAXRET）分析评估
移动台在启动立即指配过程时（如移动台需位置更新、启动呼叫或响应寻呼时）将在RACH上向网络侧发送信道请求消息。为了提高移动台接入的成功率，网络允许移动台在收到立即指配消息前发送多个信道请求消息。MAXRET越大，试呼成功率越高，接通率越高，但同时RACH信道、CCH信道和SDCCH信道的负荷也随之增大，导致呼叫时延增长。
现网有5个小区的MAXRET=1，16个小区的MAXRET=2，1个小区的MAXRET=7，其它小区均设为4。当MAXRET=4，如果平均发送间隔为25时隙，则手机最大等待时长约为[25+（55+25）*4]*4.615ms = 1.59秒；当MAXRET=7，手机最大等待时长几乎增加一倍。设MAXRET=1，虽然可以让本次发送最大等待时间减少，但随机接入失败的可能性将大幅增大，只能等待第二次寻呼，实际上增大了被叫接入时延。因此，建议将MAXRET统一设置为4。
5月30日选择将3个小区的MAXRET从1改为4，且均未出现寻呼拥塞、SDCCH拥塞，晚忙时每线话务量0.1Erl左右，适合于MAXRET参数修改效果评估。取修改前后晚忙时21：00-22：00的寻呼响应时延数据，如图9所示：3个小区的平均寻呼响应时延均出现波动，但修改后时延波动明显小于修改前。考虑到5月23日时延明显较大且无其他指标异常，剔除当天统计，寻呼响应时延仍有明显下降，优化后寻呼时延最高降幅21.8%，时延降低218毫秒。
四、鉴权流程分析评估
鉴权流程平均时延达到845～934毫秒，仅次于寻呼流程。在核心网侧，优化鉴权的方法主要是开启选择性鉴权，减少鉴权的频次，以达到缩短时延的目的。对2G呼叫时延影响的参数是SELAUTHCIPNR 和SELAUTHCALL。
6月6日在MSC Server2上开启呼叫选择性鉴权，鉴权频次是每隔15次鉴权1次，其他MSC Server仍然保持每次呼叫都鉴权。然后，选择一天四个忙时，比较四个MSC Server从CM Service request到Alerting之间的时延。
如图10鉴权调整前后接续时延变化情况所示，MSC Server2的接续时延明显低于其他三个MSC Server，且能减少500毫秒以上的接续时延。打开选择性鉴权对于降低时延效果明显。出于安全性考虑，局数据规范中明确规定每次呼叫都必须鉴权。爱立信MSC Server参数有特殊性即2G加密流程不能单独关闭，这意味着即使不加密仍然会有加密流程耗费时延。因此，在这种情况下，可以考虑允许打开2G加密且打开选择性鉴权，既保证安全性，又降低接续时延。
五、业务信道指配流程分析评估
在业务信道（TCH）指配流程中，BSC接收Assignment Request后，BSC尝试分配TCH和TRA资源，若本小区没有TCH，便透过Assignment to Better Cell/Worst Cell功能嘗试邻区的TCH。若经过多次尝试后，仍不能分配TCH、TRA或激活TCH，会导致用户排队在SDCCH上等待空闲TCH，并可能最终由于MSC或BSC中的Assignment计时器超时而释放连接，所以TCH拥塞是增大呼叫接续时延的原因，业务信道支配流程如图11所示。
MSC和BSC中的关于Assignment的计时器的值，设定了TCH指配的最大时长。当前Assignment计时器设置为：MSC Server内的ASSIGNTIMER均设置为13秒；BSC的TASSREQ均设置为7秒。
按以上设置，由于TCH资源不足（即TCH拥塞）可能导致用户的业务信道建立时延长达7秒。因此，将5月21日开始一周晚忙时平均TCH拥塞率大于25%、拥塞次数大于500次的小区，提出TCH扩容计划，期望通过消除TCH拥塞以减少业务信道指配时延。其中HF1142A是在短期内能实现扩容的小区，因此以该小区变化来验证扩容效果。HF1142A在5月21日至6月1日期间，从图12的早晚忙时业务信道指配时延差异可以看到，早忙时的业务信道指派平均时延比晚忙时增长230%，HF1142A早晚忙时TCH拥塞率对比（%）如图13所示。
检查该小区的性能指标，发现同期早忙时TCH拥塞率一直保持在20%以上，晚忙时TCH拥塞率接近于0（除5月27日周日外）。因此，初步判断是TCH拥塞造成早忙时时延远高于晚忙时。在6月1日对HF1142A小区进行扩容（从2载频扩至3载频），扩容后早忙时TCH拥塞现象消失，TCH拥塞率接近于0。扩容后，业务信道指配平均时延降幅为70%，最大时延降幅为17%，3秒以上时延占比降幅为98%。可见，TCH拥塞是导致业务信道指配时延增长的原因，消除TCH拥塞能有效降低接续时延，扩容前后HF1142A早忙时业务信道指配时延变化如图14所示。
六、结束语
结合全文的分析评估研究，可以看到，依托移动通信核心网优化支撑系统分析评估全网呼叫接续时延的影响因素，通过分析信令流程以及与时延关联的核心网和无线参数，从寻呼流程、鉴权流程、业务信道指配流程等方面实现端到端优化，可以达到在网络其他性能继续保持的情况下，明显减少呼叫接续时延，有效提升用户业务使用感知。在目前2G/3G网络共用核心网的情况下，核心侧调整措施同样对于3G网络上的语音呼叫有效，仅在无线侧有些变化；同时，GSM网络的呼叫接续时延的减少，对于3G网络弱覆盖或4G网络语音回落的感知有极大帮助。
由于实际网络中对呼叫接续时延影响的因素很多，如可能存在无线覆盖等其他因素，需要根据实际情况具体分析。其次，有时两个调整优化目标之间相互矛盾，如寻呼时延和寻呼成功率，如何确定两者间的平衡点以及寻求其他解决方法都需要继续深入研究。
【关键词】 语音呼叫 接续时延 信令分析
一、前言
无论是3G还是4G网络，语音呼叫业务处理主要还是承载在GSM网络上，语音呼叫接续时延是影响用户使用感知的一个重要因素，也是评估网络业务质量接入性能的关键指标。早期的信令采集分析主要使用信令仪，能同时采集的网元、接口少，分析能力弱，难以进行全面的信令分析。随着核心网优化支撑系统的建设，全面的信令分析成为分析、评估、优化网络的有力手段。本文对于GSM网络语音呼叫接续时延研究，主要采用信令分析等方法研究寻呼、鉴权、业务信道指派等流程对GSM网络中呼叫接续时延的影响，从核心网和无线侧两方面分析影响GSM网络语音呼叫接续时延的因素，并探索聯合调整优化方法，寻找缩短呼叫接续时延的有效措施。
二、现网情况
2.1 现网网络结构
选取网络MSC Server和BSC均是爱立信厂家设备，采用MSC in Pool叠加大本地网的组网方式，BSC与各MSC Server均有信令路由，BSC下用户均衡分配注册在池组内的各MSC Server上。组网示意图如图1所示。
2.2 现网接续时延情况
从图2的呼叫接续流程图中可以看到，在主被叫的接续流程中均有鉴权流程、加密流程、取身份标识流程、指配流程，仅被叫接续流程中多一个寻呼流程。从核心网优化支撑系统中取得24小时各子流程时延数据（见表1），可以看到各子流程按照时延从大到小排序，依次是寻呼、鉴权、指配、加密、取身份标识。因此选择寻呼、鉴权、指配流程作为本次研究优化对象。
三、寻呼流程时延分析评估
3.1 核心网侧分析评估
降低寻呼响应时延，将使用户感知度得到提升；同时，寻呼成功率降低意味主叫失败增加，降低主叫用户感知，因此降低时延同时要关注寻呼成功率变化。
MSC in Pool叠加大本地网的组网方式和设备特性决定当地寻呼策略是：只有两次寻呼且均是本地寻呼；两次寻呼的响应时延可以调整。综合考虑寻呼时延、6秒内寻呼成功率、寻呼成功率，对池组内四个MSC Server分别设置了四种寻呼时长组合，进行对比分析评估。
3.1.4 综合评估
综合上述寻呼成功率、6秒寻呼成功率、寻呼响应时延三方面评估结果（见表2）。显然，“3+8组合”的寻呼响应时延最优，6秒寻呼成功率位于第二，但寻呼成功率最差。这意味着，对于寻呼响应成功的主叫用户而言，接续时延短，感知度提高，但是另一方面主叫用户寻呼无响应次数随之增多。可见，寻呼成功率和6秒寻呼成功率、寻呼时延三个指标在优化时存在矛盾，仅依靠核心网参数调整无法使这三个指标都达到最高。综合考虑这三个指标，选择“4+8组合”，使6秒寻呼成功率提高0.13%，寻呼成功率提高0.19%，寻呼响应时延增加26.56毫秒。
3.2 无线侧分析评估
从图6的呼叫接续流程图中可以看到，当主叫手机开始接入网络或被叫手机收到寻呼请求信息后，通过随机接入信道（RACH）发送信道请求，如果手机未收到基站返回的立即指配或立即指配拒绝消息，会等待一个间隔时长后尝试再次发起接入请求，直至重试次数超限或核心网侧认为寻呼超时无响应。因此，随机接入的时延会直接影响寻呼时延。
影响随机接入时延的相关参数主要有：寻呼信道复帧数（MFRMS）设置过大；发送间隔时隙范围（TX）设置过大；最大重发次数（MAXRET）设置过大。
3.2.1 寻呼信道复帧数（MFRMS）分析评估
寻呼信道复帧数（MFRMS）是指以多少复帧数作为寻呼子信道的一个循环。实际上该参数确定了将一个小区中的寻呼信道分配成多少寻呼子信道，MFRMS越大使寻呼消息在空间段的时间延迟增大，系统的平均服务性能降低，从而导致呼叫时延增大。
当前网络所有小区的MFRMS均设为最小值2，采用NO-COMB方式，即对应SDCCH/8，AGBLK=1，设置合理。在这种设置条件下，BTS发送排在寻呼组前4个TMSI或前2个IMSI用户的消息，等待时间最大为0.47秒。
3.2.2 发送间隔时隙范围（TX）分析评估
TX表示手机连续发送多个信道请求消息时，每次发送之间间隔的时隙数范围，参数S是接入算法中的一个中间变量，由参数TX和CCCH与SDCCH的组合方式确定。TX以十进制数表示，参数S与CCCH信道组合方式、TX的关系见表3。
当手机接入网络时需启动一次立即指配过程，该过程的开始，手机将在RACH信道上发送（MAXRET+1）个信道请求消息。为了减少RACH信道上的冲突次数，手机发送信道请求消息的时间必须遵循下列规则：手机启动立即指配过程开始到第一个信道请求消息发送之间的时隙数（不包括发送消息的时隙）是一个随机数，该随机数是属于集合{0，1，……，MAX（TX，8）-1}中的一个元素。手机每次启动立即指配过程时，按均匀分布概率从上述集合中取数。任意两次相邻的信道请求消息之间间隔的时隙数（不包括消息发送的时隙）由手机以均匀分布概率方式从集合{S，S+1，……，S+TX-1}中取出。
设置TX=12 在启动第一次信道请求时间延时为比TX=50要短0.18秒。但在第一次信道请求失败后，后续重发的信道请求消息间隔比TX=50长0.57～0.77秒，可以得到结论：设置TX=50可以改善话务接续时延。 对于现网建议除个别高SDCCH拥塞和寻呼拥塞小区外，将全网的TX参数设置从12调整为50。 选取一个BSC做参数调整，5月31日晚忙时前将该BSC内所有小区的TX从12改为50，取5月31日前后一周早忙时7：00-8：00的数据（5月31日当天数据不参与比较），如图7TX修改前后寻呼时响应延变化、图8 TX修改前后寻呼时延占比变化所示，平均寻呼响应时延下降391毫秒，降幅达到17.9%，3秒外寻呼时延占比下降8.5%。可见，优化TX参数能有效地缩短寻呼时延。
3.2.3 最大重发次数（MAXRET）分析评估
移动台在启动立即指配过程时（如移动台需位置更新、启动呼叫或响应寻呼时）将在RACH上向网络侧发送信道请求消息。为了提高移动台接入的成功率，网络允许移动台在收到立即指配消息前发送多个信道请求消息。MAXRET越大，试呼成功率越高，接通率越高，但同时RACH信道、CCH信道和SDCCH信道的负荷也随之增大，导致呼叫时延增长。
现网有5个小区的MAXRET=1，16个小区的MAXRET=2，1个小区的MAXRET=7，其它小区均设为4。当MAXRET=4，如果平均发送间隔为25时隙，则手机最大等待时长约为[25+（55+25）*4]*4.615ms = 1.59秒；当MAXRET=7，手机最大等待时长几乎增加一倍。设MAXRET=1，虽然可以让本次发送最大等待时间减少，但随机接入失败的可能性将大幅增大，只能等待第二次寻呼，实际上增大了被叫接入时延。因此，建议将MAXRET统一设置为4。
5月30日选择将3个小区的MAXRET从1改为4，且均未出现寻呼拥塞、SDCCH拥塞，晚忙时每线话务量0.1Erl左右，适合于MAXRET参数修改效果评估。取修改前后晚忙时21：00-22：00的寻呼响应时延数据，如图9所示：3个小区的平均寻呼响应时延均出现波动，但修改后时延波动明显小于修改前。考虑到5月23日时延明显较大且无其他指标异常，剔除当天统计，寻呼响应时延仍有明显下降，优化后寻呼时延最高降幅21.8%，时延降低218毫秒。
四、鉴权流程分析评估
鉴权流程平均时延达到845～934毫秒，仅次于寻呼流程。在核心网侧，优化鉴权的方法主要是开启选择性鉴权，减少鉴权的频次，以达到缩短时延的目的。对2G呼叫时延影响的参数是SELAUTHCIPNR 和SELAUTHCALL。
6月6日在MSC Server2上开启呼叫选择性鉴权，鉴权频次是每隔15次鉴权1次，其他MSC Server仍然保持每次呼叫都鉴权。然后，选择一天四个忙时，比较四个MSC Server从CM Service request到Alerting之间的时延。
如图10鉴权调整前后接续时延变化情况所示，MSC Server2的接续时延明显低于其他三个MSC Server，且能减少500毫秒以上的接续时延。打开选择性鉴权对于降低时延效果明显。出于安全性考虑，局数据规范中明确规定每次呼叫都必须鉴权。爱立信MSC Server参数有特殊性即2G加密流程不能单独关闭，这意味着即使不加密仍然会有加密流程耗费时延。因此，在这种情况下，可以考虑允许打开2G加密且打开选择性鉴权，既保证安全性，又降低接续时延。
五、业务信道指配流程分析评估
在业务信道（TCH）指配流程中，BSC接收Assignment Request后，BSC尝试分配TCH和TRA资源，若本小区没有TCH，便透过Assignment to Better Cell/Worst Cell功能嘗试邻区的TCH。若经过多次尝试后，仍不能分配TCH、TRA或激活TCH，会导致用户排队在SDCCH上等待空闲TCH，并可能最终由于MSC或BSC中的Assignment计时器超时而释放连接，所以TCH拥塞是增大呼叫接续时延的原因，业务信道支配流程如图11所示。
MSC和BSC中的关于Assignment的计时器的值，设定了TCH指配的最大时长。当前Assignment计时器设置为：MSC Server内的ASSIGNTIMER均设置为13秒；BSC的TASSREQ均设置为7秒。
按以上设置，由于TCH资源不足（即TCH拥塞）可能导致用户的业务信道建立时延长达7秒。因此，将5月21日开始一周晚忙时平均TCH拥塞率大于25%、拥塞次数大于500次的小区，提出TCH扩容计划，期望通过消除TCH拥塞以减少业务信道指配时延。其中HF1142A是在短期内能实现扩容的小区，因此以该小区变化来验证扩容效果。HF1142A在5月21日至6月1日期间，从图12的早晚忙时业务信道指配时延差异可以看到，早忙时的业务信道指派平均时延比晚忙时增长230%，HF1142A早晚忙时TCH拥塞率对比（%）如图13所示。
检查该小区的性能指标，发现同期早忙时TCH拥塞率一直保持在20%以上，晚忙时TCH拥塞率接近于0（除5月27日周日外）。因此，初步判断是TCH拥塞造成早忙时时延远高于晚忙时。在6月1日对HF1142A小区进行扩容（从2载频扩至3载频），扩容后早忙时TCH拥塞现象消失，TCH拥塞率接近于0。扩容后，业务信道指配平均时延降幅为70%，最大时延降幅为17%，3秒以上时延占比降幅为98%。可见，TCH拥塞是导致业务信道指配时延增长的原因，消除TCH拥塞能有效降低接续时延，扩容前后HF1142A早忙时业务信道指配时延变化如图14所示。
六、结束语
结合全文的分析评估研究，可以看到，依托移动通信核心网优化支撑系统分析评估全网呼叫接续时延的影响因素，通过分析信令流程以及与时延关联的核心网和无线参数，从寻呼流程、鉴权流程、业务信道指配流程等方面实现端到端优化，可以达到在网络其他性能继续保持的情况下，明显减少呼叫接续时延，有效提升用户业务使用感知。在目前2G/3G网络共用核心网的情况下，核心侧调整措施同样对于3G网络上的语音呼叫有效，仅在无线侧有些变化；同时，GSM网络的呼叫接续时延的减少，对于3G网络弱覆盖或4G网络语音回落的感知有极大帮助。
由于实际网络中对呼叫接续时延影响的因素很多，如可能存在无线覆盖等其他因素，需要根据实际情况具体分析。其次，有时两个调整优化目标之间相互矛盾，如寻呼时延和寻呼成功率，如何确定两者间的平衡点以及寻求其他解决方法都需要继续深入研究。