在5G SA(Stand Alone)建网初期,大量NR基站尚未具备VoNR(Voice over New Radio)能力。当UE发起IMS语音呼叫时,若NG-RAN不支持VoNR,必须将UE引导至4G LTE网络以VoLTE方式完成语音通话——这就是EPS Fallback(Evolved Packet System Fallback)机制。
该机制定义于 TS 23.502 Section 4.13.6.1,是5G语音解决方案中最核心的过渡性流程。其设计意图是:
EPS Fallback并非盲目触发,而是经过多层决策链:
gNB收到QoS Flow建立请求(IMS语音)
│
├── gNB是否配置支持EPS Fallback? ──否──→ 拒绝QoS Flow,流程终止
│
├── AMF是否指示"Redirection for EPS Fallback possible"?
│ │
│ ├── 否 → EPS Fallback不执行
│ │
│ └── 是或未指示 → 继续判断
│
├── N26接口是否可用?
│ │
│ ├── 是 → 可选择HO或Redirection(有N26)
│ │
│ └── 否 → 仅Redirection(无N26)
│
├── UE是否支持E-UTRA能力?
│
└── 周边是否有合适的LTE邻区?──测量报告
关键IE: AMF在Initial Context Setup Request(TS 38.413 Section 9.3.1.116)中向gNB发送Redirection for Voice EPS Fallback指示,告知gNB"AMF和UE均支持EPS Fallback重定向"。此IE还出现在HANDOVER REQUEST和PATH SWITCH REQUEST ACKNOWLEDGE消息中。
| 维度 | HO-based (有N26) | Redirection (有N26) | Redirection (无N26) |
|---|---|---|---|
| TS 23.502章节 | 4.13.6.1 → 4.11.1.2.1 | 4.13.6.1 → 4.11.1.3.2 | 4.13.6.1 → 4.11.2.2 |
| 会话连续性 | 无缝(Seamless) | 有N26保证 | IP地址保持(通过HSS+UDM) |
| 时延 | 最短(~50-100ms中断) | 中等(~200-500ms) | 最长(~1-3s) |
| N26接口 | 必须 | 必须 | 不需要 |
| UE操作 | 执行HO到LTE | RRC Release+重选LTE | Attach/PDN建立 |
| 语音中断 | 几乎无感 | 短暂中断 | 明显中断 |
| SMF+PGW-C | 必须合设 | 必须合设 | 合设或独立PGW |
| 运营商成本 | 最高(需部署N26) | 高(需部署N26) | 最低(无N26) |
这是性能最优但部署成本最高的方案,定义于TS 23.502 Section 4.11.1.2.1:
sequenceDiagram
participant UE
participant gNB as NG-RAN(gNB)
participant AMF
participant SMF as SMF+PGW-C
participant UPF as UPF+PGW-U
participant MME
participant SGW
participant eNB as E-UTRAN(eNB)
Note over UE,gNB: Step 1: UE在5G发起IMS语音(MO/MT)
UE->>gNB: SIP INVITE (IMS信令 via 5G PDU Session)
Note over gNB,SMF: Step 2: 网络发起PDU Session Modification
SMF->>AMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext<br/>(QoS Flow for IMS Voice)
AMF->>gNB: N2 PDU Session Request<br/>(QoS Flow Setup for Voice)
Note over gNB: Step 3-4: gNB决策EPS Fallback
gNB->>gNB: 判断: VoNR不支持<br/>评估UE能力/N26/邻区
gNB->>AMF: PDU Session Modification Response<br/>(Reject + "Fallback for IMS voice ongoing")
AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext Response<br/>(Cause: Fallback ongoing)
Note over SMF: SMF+PGW-C保持PCC规则<br/>报告EPS Fallback事件给PCF
Note over gNB,SMF: Step 5: gNB发起5GS→EPS HO
gNB->>AMF: Handover Required<br/>(Target eNB ID, Source→Target Container,<br/>Inter-system HO indication)
Note over AMF,SMF: Step 2a-2c: AMF获取EPS承载上下文
AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_ContextRequest<br/>(EBI list, Target MME capability)
SMF->>UPF: N4 Session Modification<br/>(建立CN Tunnel for EPS bearer)
UPF-->>SMF: N4 Session Modification Response
SMF-->>AMF: Nsmf_PDUSession_ContextResponse<br/>(Mapped EPS PDN Connection Context)
Note over AMF,MME: Step 3: AMF→MME转发重定位
AMF->>MME: Forward Relocation Request<br/>(EPS Bearer Contexts, MM Context,<br/>SGW selection indication)
Note over MME,SGW: Step 4-9: EPC侧资源准备
MME->>SGW: Create Session Request
SGW-->>MME: Create Session Response
MME->>eNB: Handover Request<br/>(E-RAB Setup List)
eNB-->>MME: Handover Request Acknowledge<br/>(HO Command)
MME-->>AMF: Forward Relocation Response<br/>(Target→Source Container)
Note over AMF,SMF: Step 10a-10c: 数据转发隧道建立
AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext<br/>(Data Forwarding Info)
SMF->>UPF: N4 Session Modification<br/>(Data Forwarding Tunnel)
SMF-->>AMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext Response
AMF->>gNB: Handover Command<br/>(Transparent Container, Data Forwarding Info)
Note over UE,eNB: Step 11: 执行切换
gNB->>UE: RRC Reconfiguration<br/>(HO Command → target LTE)
UE->>eNB: RRC Connection Reconfiguration Complete
eNB->>MME: Handover Notify
Note over MME,SMF: Step 12-16: 路径切换
MME->>SGW: Modify Bearer Request
SGW->>SMF: Modify Bearer Request<br/>(via S5/S8)
SMF->>UPF: N4 Session Modification<br/>(DL UP path切换到E-UTRAN)
SMF-->>SGW: Modify Bearer Response
Note over UE: Step 18: UE发起TAU
UE->>MME: Tracking Area Update
Note over SMF: Step 19: SMF+PGW-C重建专用承载
SMF->>SGW: Create Dedicated Bearer<br/>(IMS Voice QCI=1)
Note over UE: 语音呼叫在VoLTE网络继续建立
当gNB不具备HO准备条件(如无LTE邻区测量结果)时,采用RRC Release with Redirection方式:
sequenceDiagram
participant UE
participant gNB as NG-RAN(gNB)
participant AMF
participant SMF as SMF+PGW-C
participant MME
participant eNB as E-UTRAN(eNB)
Note over UE,gNB: Step 1-4: 同HO-based方案
UE->>gNB: IMS Voice Request
gNB->>AMF: Reject + "Fallback ongoing"
AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext
Note over gNB,UE: Step 5: RRC Release with Redirection
gNB->>UE: RRC Release<br/>(RedirectedCarrierInfo: E-UTRA ARFCN)
Note over UE: UE重选到LTE小区
UE->>eNB: RRC Connection Request
eNB-->>UE: RRC Connection Setup
Note over UE,MME: Step 6a: TAU (有N26)
UE->>MME: Tracking Area Update Request<br/>(Active Flag, Mapped GUTI from 5G-GUTI)
Note over AMF,MME: AMF通过N26传递上下文
MME->>AMF: Context Request (via N26)
AMF-->>MME: Context Response<br/>(MM Context + EPS Bearer Contexts)
MME-->>UE: TAU Accept
Note over SMF: Step 7: SMF+PGW-C重建IMS语音专用承载
SMF->>MME: 触发Dedicated Bearer Setup<br/>(QCI=1 for IMS Voice)
没有N26接口时,UE需要通过Attach或TAU+PDN建立来恢复会话:
sequenceDiagram
participant UE
participant gNB as NG-RAN(gNB)
participant AMF
participant HSS_UDM as HSS+UDM
participant MME
participant SMF as SMF+PGW-C
participant eNB as E-UTRAN(eNB)
Note over UE,gNB: Step 1-4: 同上
gNB->>UE: RRC Release<br/>(Redirect to E-UTRA)
UE->>eNB: RRC Connection Request
eNB-->>UE: RRC Connection Setup
Note over UE,MME: Step 6b: Attach with "handover"
UE->>MME: Attach Request + PDN Connectivity<br/>(Request Type = "handover",<br/>指示从5GC移动过来)
Note over MME,HSS_UDM: MME通过HSS+UDM获取SMF+PGW-C地址
MME->>HSS_UDM: Update Location Request
HSS_UDM-->>MME: Update Location Answer<br/>(SMF+PGW-C FQDN + APN/DNN)
Note over MME,SMF: MME通过DNS解析SMF+PGW-C的S5/S8地址
MME->>SMF: Create Session Request<br/>(via S5/S8, "handover" indication)
Note over SMF: SMF+PGW-C关联5G PDU Session与EPS PDN Connection
SMF-->>MME: Create Session Response<br/>(IP地址保持)
MME-->>UE: Attach Accept + PDN Connectivity Accept
Note over SMF: SMF+PGW-C重建IMS专用承载
| IE名称 | 方向 | 消息 | 含义 |
|---|---|---|---|
| Redirection for Voice EPS Fallback | AMF→gNB | INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST | 指示AMF和UE支持EPS Fallback重定向(TS 38.413 9.3.1.116) |
| Redirection for Voice EPS Fallback | AMF→gNB | HANDOVER REQUEST | 切换后继续有效 |
| Redirection for Voice EPS Fallback | AMF→gNB | PATH SWITCH REQUEST ACK | 路径切换后继续有效 |
| Target eNB ID | gNB→AMF | HANDOVER REQUIRED | 目标LTE基站标识 |
| Inter-system HO indication | gNB→AMF | HANDOVER REQUIRED | 标识为跨系统切换 |
| Direct Forwarding Path Availability | gNB→AMF | HANDOVER REQUIRED | 是否支持直接数据转发 |
| 服务操作 | 方向 | 关键参数 |
|---|---|---|
| Nsmf_PDUSession_ContextRequest | AMF→SMF+PGW-C | EBI list(不可转移的EBI)、Target MME capability |
| Nsmf_PDUSession_ContextResponse | SMF+PGW-C→AMF | Mapped EPS PDN Connection Context(含EPS Bearer Contexts) |
| Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext | AMF→SMF | Cause: "Fallback for IMS voice ongoing"、Data Forwarding Info |
| Forward Relocation Request | AMF→MME (via N26) | EPS Bearer Contexts、MM Context、SGW selection indication |
在EPS Fallback过程中,SMF+PGW-C负责5G QoS参数到EPS QoS参数的映射:
graph LR
subgraph "5GC QoS参数"
A[5QI] --> B[QFI]
C[ARP Priority/Preemption]
D[GFBR/MFBR]
E[PDB]
end
subgraph "SMF+PGW-C映射逻辑"
F[5QI → QCI映射表]
G[QFI → EPS Bearer ID]
H[ARP → ARP]
I[GFBR/MFBR → GBR/MBR]
end
subgraph "EPC QoS参数"
J[QCI]
K[EPS Bearer ID]
L[ARP]
M[GBR/MBR]
end
A --> F --> J
B --> G --> K
C --> H --> L
D --> I --> M
关键映射规则(TS 23.501 Section 5.17.1): - 5QI=1( Conversational Voice)→ QCI=1 - 5QI=2(Conversational Video)→ QCI=2 - Default QoS Flow → Default EPS Bearer - 专用QoS Flow → Dedicated EPS Bearer
EPS系统最多支持15个EPS Bearer(TS 23.501 Section 5.17.2.2.1),而5G理论上无此限制。当PDU Session关联的QoS Flow数量超过EPS承载能力时:
stateDiagram-v2
[*] --> 5G_Registered: UE在5G注册
5G_Registered --> IMS_Voice_Requested: SIP INVITE
IMS_Voice_Requested --> QoS_Flow_Setup: PDU Session Modification
QoS_Flow_Setup --> Fallback_Decision: gNB判断
Fallback_Decision --> HO_Preparation: HO-based
Fallback_Decision --> RRC_Redirection: Redirection-based
HO_Preparation --> Forward_Relocation: N26交互
Forward_Relocation --> HO_Execution: Handover Command
RRC_Redirection --> LTE_Camping: UE重选LTE
HO_Execution --> LTE_Connected: 切换完成
LTE_Camping --> TAU_Procedure: TAU/Attach
TAU_Procedure --> Bearer_Setup: 重建语音承载
Bearer_Setup --> Voice_Established: VoLTE通话
Voice_Established --> Fast_Return: 通话结束
Fast_Return --> 5G_Registered: 返回5G
| 定时器 | 位置 | 触发条件 | 超时处理 |
|---|---|---|---|
| T302 | UE | 发起TAU后等待响应 | 重发TAU或放弃 |
| T304 | UE | HO Command后等待接入目标小区 | 发起RRC重建 |
| AMF Resource Supervision Timer | AMF | Step 12d:HO完成后 | 释放NG-RAN资源 |
| V-SMF Context Timer | V-SMF | Step 12e:收到ReleaseSMContext | 到期后释放SM上下文 |
| Indirect Forwarding Timer | SMF+PGW-C | Step 16:间接转发隧道建立后 | 到期后释放转发资源 |
| 方案 | 关键路径 | 典型时延 | 瓶颈点 |
|---|---|---|---|
| HO-based | gNB→AMF→MME→eNB→HO Command | 50-100ms | N26 Forward Relocation |
| Redirection(N26) | RRC Release + 重选 + TAU | 200-500ms | UE小区搜索 + TAU |
| Redirection(无N26) | RRC Release + Attach + PDN建立 | 1-3s | Attach全流程 + DNS查询 |
当VoLTE通话结束后,运营商希望UE尽快返回5G网络以享受NR高速数据服务。TS 23.502 Section 4.13.6.1明确规定:
"At least for the duration of the voice call in EPS the E-UTRAN is configured to not trigger any handover to 5GS."
这意味着: - 通话期间:eNB不触发向5G的HO,避免语音中断 - 通话结束后:eNB可通过以下方式将UE引导回5G
| Fast Return方式 | 描述 | 时延 |
|---|---|---|
| RRC Release with Redirect to NR | eNB在通话结束后释放RRC并指示NR频点 | 1-3s |
| Cell Reselection Priority | 提高NR频点优先级,引导空闲态重选 | 数秒至数十秒 |
| HO-based Return | 直接发起LTE→NR切换 | <100ms |
| RFSP Index调整 | PCF/MME调整RFSP策略引导返回 | 策略生效时间 |
防止乒乓:TS 23.501 Section 5.17.2.2.1定义了RFSP Index in Use Validity Time机制——PCF向AMF下发有效期,AMF传递给MME,确保UE在EPS停留足够时间后再考虑返回5G,避免5G再次触发EPS Fallback形成乒乓。
N26是AMF与MME之间的互操作接口,基于GTPv2协议(S10接口的子集)。其存在与否直接决定了EPS Fallback的能力边界:
| 能力 | 有N26 | 无N26 |
|---|---|---|
| MM上下文传递 | AMF↔MME直接传递 | 通过HSS+UDM间接获取 |
| SM上下文传递 | 实时获取EPS Bearer Context | MME通过HSS+UDM查SMF+PGW-C |
| IP地址保持 | 原生支持 | 通过SMF+PGW-C合设节点保证 |
| 会话建立时延 | 短(上下文已有) | 长(需DNS查询+PDN建立) |
| 语音中断时间 | <100ms(HO) | 1-3s(Attach重建) |
| 部署成本 | 需升级MME/AMF软件 | 无需额外接口 |
graph TB
subgraph "部署成本对比"
A[方案A: HO-based + N26]
B[方案B: Redirection + N26]
C[方案C: Redirection 无N26]
end
subgraph "成本要素"
D[MME软件升级支持N26]
E[AMF软件升级支持N26]
F[SMF+PGW-C合设部署]
G[N26链路运维]
H[用户体验损失]
end
A --> D
A --> E
A --> F
A --> G
B --> D
B --> E
B --> F
B --> G
C --> F
C --> H
subgraph "收益"
I[语音无缝体验]
J[语音基本可用]
K[语音可用但有中断]
end
A --> I
B --> J
C --> K
SMF+PGW-C合设节点是所有三种方案的共同前提。该节点同时具备5G SMF和4G PGW-C功能,是5G-EPC会话连续性的锚点。当PDU Session在5G建立时,SMF+PGW-C同时维护5G和EPS两套QoS映射参数,随时准备切换。
| 步骤 | 接口 | 关键抓包特征 |
|---|---|---|
| 1. QoS Flow建立被拒 | N2(NGAP) | PDU Session Resource Setup Response中含Cause: "Fallback for IMS voice" |
| 2. HO触发 | N2(NGAP) | Handover Required消息中Target ID为E-UTRAN eNB ID |
| 3. N26交互 | N26(GTPv2) | Forward Relocation Request,可从MME IP和AMF IP识别 |
| 4. UE切换 | Uu(RRC) | RRC Reconfiguration含mobilityControlInfo指向LTE频点 |
| 5. 重建语音承载 | S5/S8(GTPv2) | Create Dedicated Bearer Request, QCI=1 |
| 故障现象 | 根因 | 排查方向 |
|---|---|---|
| EPS Fallback未触发,语音直接失败 | AMF未下发"Redirection for EPS Fallback"指示 | 检查AMF配置和NGAP Initial Context Setup |
| HO-based失败,UE掉话 | N26接口未打通或MME不支持Forward Relocation | 检查N26连通性、MME版本 |
| Redirection后UE无法Attach | 无N26场景下HSS+UDM未存储SMF+PGW-C FQDN | 检查SMF向UDM注册的APN/DNN信息 |
| 语音通话后不返回5G | eNB未配置Fast Return策略或RFSP Index未调整 | 检查eNB参数和PCF策略 |
| 乒乓:EPS Fallback后立即返回5G又触发Fallback | RFSP Index in Use Validity Time未配置 | 检查PCF→AMF→MME的RFSP传递链 |
| EPS Fallback中数据业务中断 | 数据PDU Session无法转移到EPS | 检查EBI分配和PDU Session类型支持 |
| ## 九、状态转换图:UE侧完整视角 |
stateDiagram-v2
state "5G CM-CONNECTED" as 5G_Conn
state "EPS Fallback决策中" as FB_Decision
state "HO Preparation" as HO_Prep
state "RRC Release (Redirect)" as RRC_Rel
state "LTE小区搜索" as LTE_Search
state "HO Execution" as HO_Exec
state "LTE ECM-CONNECTED" as LTE_Conn
state "TAU/Attach Procedure" as TAU_Proc
state "VoLTE通话中" as VoLTE
state "VoLTE通话结束" as VoLTE_End
state "Fast Return" as FR
state "5G CM-IDLE" as 5G_Idle
[*] --> 5G_Conn
5G_Conn --> FB_Decision: IMS Voice QoS Flow<br/>被gNB拒绝
FB_Decision --> HO_Prep: gNB选择HO-based
FB_Decision --> RRC_Rel: gNB选择Redirection
HO_Prep --> HO_Exec: Forward Relocation<br/>Response收到
HO_Exec --> LTE_Conn: RRC HO Complete
RRC_Rel --> LTE_Search: RRC Release<br/>with redirect
LTE_Search --> TAU_Proc: 驻留LTE小区
TAU_Proc --> LTE_Conn: TAU/Attach完成
LTE_Conn --> VoLTE: 专用承载建立<br/>QCI=1
VoLTE --> VoLTE_End: SIP BYE
VoLTE_End --> FR: Fast Return策略触发
FR --> 5G_Conn: HO/Redirect/Reselection
FR --> 5G_Idle: 重选到5G
| 5QI | QoS类型 | 对应QCI | 用途 | EPS FB中的处理 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Conversational Voice | 1 | IMS语音 | 必须建立Dedicated Bearer |
| 2 | Conversational Video | 2 | 视频通话 | 建立Dedicated Bearer |
| 5 | IMS Signalling | 5 | SIP信令 | 映射为Default Bearer或Dedicated |
| 4 | Non-conversational Video | 4 | 视频流 | 可映射为Default Bearer |
| 9 | Default | 9 | 默认数据 | Default EPS Bearer |
| 65 | Mission Critical Voice | 65 | 关键任务语音 | 特殊处理 |
| 70 | Mission Critical Video | 70 | 关键任务视频 | 特殊处理 |
Q1: EPS Fallback和CSFB(Circuit Switched Fallback)有什么本质区别?
A: CSFB是4G时代2G/3G电路域语音回退机制,UE需要回落到GERAN/UTRAN的CS域建立语音呼叫。EPS Fallback是5G时代的机制,UE回落到4G LTE后仍然使用PS域的VoLTE(IMS over LTE)建立语音,不涉及电路域。两者虽然名字相似,但技术本质完全不同——EPS Fallback是"PS到PS"的回退,CSFB是"PS到CS"的回退。
Q2: 为什么SMF+PGW-C必须合设?能不能用独立的SMF和PGW?
A: 在EPS Fallback过程中,会话锚点需要在5G和4G之间无缝切换。合设的SMF+PGW-C同时理解5G PDU Session Context和4G EPS Bearer Context,能够实现QoS参数的实时映射和用户面路径的即时切换。如果SMF和PGW独立部署,需要跨节点协调上下文,引入额外时延和复杂度,3GPP规范中虽然理论上可以通过S5/S8接口交互,但实际部署中几乎所有厂商都采用合设方案。
Q3: 无N26场景下如何保证IP地址不丢失?
A: 根据TS 23.501 Section 5.17.2.3.1,当SMF+PGW-C在5GC创建PDU Session时,会将其FQDN和对应的APN/DNN信息存储在HSS+UDM中。当UE在EPS发起Attach with "handover" indication时,MME从HSS+UDM获取SMF+PGW-C的FQDN,通过DNS解析找到PGW-C的S5/S8接口地址,然后直接向该合设节点建立PDN Connection。由于SMF+PGW-C同时维护5G PDU Session和4G PDN Connection,可以将同一IP地址分配给UE,实现IP地址保持。
Q4: EPS Fallback对运营商VoNR部署有什么影响?
A: EPS Fallback是VoNR部署前的必经阶段。随着NR覆盖完善和VoNR功能就绪,运营商会逐步将EPS Fallback策略从"强制回退"调整为"基于无线质量的自适应决策"——即仅在NR信号质量不足以保证VoNR时才触发回退。最终目标是完全关闭EPS Fallback,所有语音业务native在NR上完成。但从全球运营商实践来看,EPS Fallback作为VoNR的安全兜底机制,在中长期内仍会保留配置。
Q5: EPS Fallback过程中数据业务会中断吗?
A: 取决于方案选择。HO-based方案中,所有有EBI分配的QoS Flow都会随HO转移到EPS,数据业务几乎无感。Redirection with N26方案中,数据PDU Session通过N26上下文传递在EPS恢复,存在短暂中断(~200-500ms)。Redirection without N26方案中,数据PDU Session需要UE重新建立PDN Connection,中断时间较长(1-3s),且部分PDU Session可能因不支持转移而被释放。
本文由「51学通信」技术团队出品。51学通信由通信行业18年老兵爱卫生(微信ID: gprshome201101)维护,聚焦5G/6G核心网、3GPP标准解读、通信前沿技术深度分析。 出版作品有《5G核心网原理与实践》《IMS原理与实践》等4本通信专业书籍。知识星球「51学通信」提供深度技术答疑和行业洞察。
[!tip] 51学通信知识星球 星主:爱卫生(微信:gprshome201101)——公众号「51学通信」创办者,19 年通信行业运维与讲师经验,著有《GPRS网络信令实例详解》《EPC原理与实践》《5G核心网原理与实践》三本纸质书(各大电商平台有售)。 星球定位:深耕 5G 核心网、IMS、NFV/AI、云原生等 ICT 领域,主打运维岗位与信令分析。 当前规模:5200 篇主题 / 990 个回答,198 元/年。 加入福利:加入星球后请加爱卫生微信,拉您进知识星球年度陪伴与答疑群——不限量回复您的各种问题,另有群内分享。 AI 加持:51学通信知识星球已作为 skill 接入 WorkBuddy,使用 deepseek-4-flash 在海量星球帖子中精准找贴、找视频、找 FAQ 和案例,做总结、找文档和 PPT 等场景全覆盖。
