# 5G EPS Fallback三径回落与E-UTRAN切换信令拆解 > **规范溯源**：TS 23.502 V18.10.0 §4.13.4 / TS 23.501 §5.17.3 / TS 29.502 / TS 38.413 > **日期**：2026-05-29 | **轮次**：Round 2 | **域**：Core Network --- ## 1. 为什么需要 EPS Fallback 5G SA（Stand Alone）网络在部署初期面临一个现实问题：**IMS Voice over NR（VoNR）的终端与无线覆盖成熟度不足**。当UE发起语音呼叫时，若gNB判定当前NR覆盖无法保证VoNR质量（如边缘覆盖弱、小区负载高、或UE不支持VoNR），网络需将UE"推回"至4G E-UTRAN，由VoLTE承载语音——这就是**EPS Fallback**。 TS 23.502 §4.13.4定义了三种EPS Fallback方式： | 方式 | 规范章节 | 是否需要N26接口 | 切换类型 | 语音中断时间 | |------|----------|----------------|----------|-------------| | **N2 Handover** | §4.13.4.2 | 是（N26 + S10） | PS Handover | 最短（~50-100ms） | | **Redirection** | §4.13.4.1 | 可选 | RRC Release + 重选 | 较长（~1-3s） | | **Without N26** | §4.13.4.3 | 否 | Idle态驻留 | 最长（~3-5s） | 本文将聚焦**N2 Handover方式（§4.13.4.2）** 进行信令级拆解，同时对比分析三种路径的差异。 --- ## 2. 核心网架构前提：N26接口 ### 2.1 N26接口的角色 N26是AMF与MME之间的信令接口，是实现5GC↔EPC**无缝切换**的关键纽带。其协议栈基于GTPv2-C（TS 29.274扩展），承载在S10接口语义之上。 ```mermaid graph LR subgraph 5GC AMF[AMF] SMF[SMF] UPF[UPF] PCF[PCF] end subgraph EPC MME[MME] S_GW[S-GW] P_GW[P-GW] PCRF[PCRF] end subgraph RAN gNB[gNB] eNB[eNB] end UE((UE)) --> gNB UE -.-> eNB gNB --- AMF eNB --- MME AMF <-->|N26/S10| MME AMF --- SMF SMF --- UPF MME --- S_GW S_GW --- P_GW UPF <-->|N4/S5| S_GW PCF -.->|N7/Gx| PCRF style AMF fill:#4a90d9,color:#fff style MME fill:#d94a4a,color:#fff style N26/S10 fill:#f5a623,color:#fff ``` ### 2.2 HSS/UDM数据要求 要使N26切换正常工作，UE在UDM中必须同时具备： - **5G签约数据**：`AccessAndMobilitySubscriptionData`（包含 subscribed DNN、S-NSSAI） - **EPS签约数据**：通过`SVc`（Signal Vector comparison）或`EPS-Subscription`标记指示UE已签约VoLTE - **IMS APN/DNN映射**：`ims` APN（EPS）↔ `ims` DNN（5GS）的双向映射关系 > **排障要点**：若AMF在Forward Relocation Request中未携带`MSISDN`或`PDN Connection`信息，MME可能拒绝切换，返回"Missing Information"错误。这在跨厂商组网（如Ericsson AMF + Huawei MME）中尤为常见。 --- ## 3. EPS Fallback with N2 Handover 信令全流程拆解 ### 3.1 前置条件 1. UE已注册到5GS，建立了PDU Session（含IMS的5QI=1语音QoS Flow尚未建立或正在建立中） 2. AMF和MME之间N26接口已配置且可达 3. gNB检测到语音QoS Flow请求（5QI=1），判定当前NR不满足VoNR条件 ### 3.2 完整信令流程 ```mermaid sequenceDiagram participant UE participant gNB participant AMF participant SMF participant MME participant SGW as S-GW participant eNB Note over UE,gNB: Step 1: VoNR触发与回落决策 UE->>gNB: SIP INVITE (NAS) gNB->>AMF: PDU Session Resource Setup
Request (5QI=1) Note right of gNB: gNB判定NR不可用VoNR
触发EPS Fallback Note over gNB,AMF: Step 2: N2 Handover发起 gNB->>AMF: NGAP Handover Required
Target=eNB ID + TAI Note right of AMF: AMF选择目标MME
(基于TAI映射) Note over AMF,SMF: Step 3: SM上下文获取 AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_Get
Request (SUPI, PDU Session ID) SMF-->>AMF: Nsmf_PDUSession_Get
Response (QoS, Tunnel Info) Note over AMF,MME: Step 4: N26 Forward Relocation AMF->>MME: GTPv2-C Forward Relocation Request
(IMSI, PDN Conn, Target eNB) Note right of MME: MME创建 bearer资源
分配SGW地址 MME-->>AMF: GTPv2-C Forward Relocation Response
(SGW S1-U TEID) Note over AMF,gNB: Step 5: 切换命令下发 AMF->>gNB: NGAP Handover Command
(Target eNB Info, Radio Resource) gNB->>UE: RRC Reconfiguration
(MobilityControlInfo → LTE) Note over UE,eNB: Step 6: 切换执行 UE->>eNB: RRC Connection Reconfiguration
Complete eNB->>MME: S1-AP Handover Notify MME->>AMF: GTPv2-C Forward Relocation
Complete Notification AMF-->>MME: GTPv2-C Forward Relocation
Complete Acknowledge Note over MME,SGW: Step 7: 承载建立与切换 MME->>SGW: Create Session Response
(SGW S1-U TEID) SGW-->>eNB: DL Data Forwarding Note over UE,eNB: Step 8: VoLTE呼叫继续 UE->>eNB: SIP INVITE (继续
via LTE EPC bearer) Note over UE,eNB: VoLTE语音通话建立完成 ``` ### 3.3 关键信令消息深度解析 #### 3.3.1 NGAP Handover Required（gNB → AMF） 这是EPS Fallback的**触发点**。gNB在收到PDU Session Resource Setup Request后，发现需要建立5QI=1的语音QoS Flow，但自身判定无法在NR侧保障语音质量，因此发起N2 Handover。 **关键IE解析**： | IE名称 | 说明 | 典型值/注意事项 | |--------|------|----------------| | Handover Type | 切换类型 | `epsFallback`（TS 38.413） | | Cause | 触发原因 | `vo-nr-not-available` 或 `radio-network` | | Target ID | 目标侧标识 | 包含目标eNB ID + TAI | | Target eNB ID | 目标基站 | 28-bit Macro eNB ID或32-bit | | Selected TAI | 目标跟踪区 | 需与EPS TAC映射一致 | | PDN Type | PDN类型 | IPv4 / IPv6 / IPv4v6 | | Source to Target Transparent Container | 源到目标透传 | 包含NR RRC Reconfiguration、AS配置 | > **排障实战**：若AMF返回`Handover Preparation Failure`，且Cause为`unknown-target-ID`，通常是因为： > 1. AMF未配置N26到对应TAI的MME路由 > 2. Target eNB ID格式不匹配（NR侧28bit vs LTE侧20bit的编码差异） > 3. TAI映射表中缺失该TAI的EPS映射关系 #### 3.3.2 Forward Relocation Request（AMF → MME） 这是N26接口上的**核心消息**，基于GTPv2-C协议（TS 29.274），携带5G PDU Session到EPS PDN Connection的完整映射信息。 **关键IE详解**： | IE名称 | 映射来源 | 说明 | |--------|---------|------| | IMSI | SUPI (剥去`suci-`前缀) | 若SUPI为NAI格式需转换 | | MSISDN | 5G-GUTI → MSDN映射 | 可选，部分厂商不携带 | | MME Capabilities | AMF本地配置 | 含S10接口支持能力 | | PDN Connection | PDU Session映射 | 核心映射过程 | | └ Bearer Context | QoS Flow映射 | 每个QoS Flow → EPS Bearer | | 　 └ EPS Bearer ID | 自分配或规则映射 | 5QI→ARP/QCI映射 | | 　 └ Bearer QoS | QoS Flow的QoS参数 | 5QI→QCI转换表查表 | | 　 └ S1-U SGW F-TEID | SMF/UPF提供的隧道 | 需UPF分配数据转发隧道 | | Target Identification | 来自Handover Required | 目标eNB + TAI | | MM Context | Security Context | 5G安全上下文→EPS映射 | | User Location Information | UE Location | 包含NR CGI | | UE Network Capability | NAS协商能力 | LTE能力集合 | ### 3.4 5QI → QCI 映射表 5G到EPS的QoS参数映射是Fallback过程中的关键转换环节（TS 23.501 §5.7.4）： | 5QI (5G) | 资源类型 | 对应QCI (EPS) | 典型业务 | 映射注意事项 | |-----------|---------|---------------|---------|-------------| | 1 | Guaranteed Bit Rate (GBR) | QCI 1 | VoLTE语音 | 直接映射，需同步ARP | | 2 | GBR | QCI 2 | 视频通话 | 需保证GBR值不变 | | 5 | Non-GBR | QCI 5 | IMS SIP信令 | Priority Level需匹配 | | 7 | GBR | QCI 7 | 语音/视频（直播） | 实时性要求 | | 8 | Non-GBR | QCI 8 | 互联网（默认承载） | 默认承载映射 | | 9 | Non-GBR | QCI 9 | 互联网（默认承载） | 与QCI 8场景区分 | | 69 | Non-GBR | QCI 69 | IMS信令（备选） | 部分厂商使用 | | 70 | Non-GBR | QCI 70 | IMS信令（备选） | 部分厂商使用 | > **坑点**：5QI 1的`Priority Level`默认为20，映射为QCI 1时ARP（Allocation and Retention Priority）的Priority Level也为1（最高），但若PCF下发的策略中修改了Priority Level，AMF/SMF映射时可能不一致，导致EPS侧QCI 1的ARP优先级被降级，语音承载建立失败。 --- ## 4. 三种EPS Fallback路径对比分析 ### 4.1 状态转换视角 ```mermaid stateDiagram-v2 [*] --> 5G_Registered: UE注册到5GS 5G_Registered --> SIP_INVITE: 发起语音呼叫 SIP_INVITE --> gNB_Decision: gNB评估VoNR能力 gNB_Decision --> N2_Handover: N2切换路径 gNB_Decision --> Redirection: 重定向路径 gNB_Decision --> Without_N26: 无N26路径 state N2_Handover { [*] --> NGAP_HO_Required NGAP_HO_Required --> Forward_Relocation_Req Forward_Relocation_Req --> Forward_Relocation_Rsp Forward_Relocation_Rsp --> NGAP_HO_Command NGAP_HO_Command --> RRC_Reconfig RRC_Reconfig --> HO_Complete: UE切换到eNB HO_Complete --> VoLTE_Established: ~50-100ms } state Redirection { [*] --> RRC_Release RRC_Release --> LTE_Cell_Reselection LTE_Cell_Reselection --> TAU_Procedure TAU_Procedure --> PDN_Connection_Establishish PDN_Connection_Establishish --> VoLTE_Established2: ~1-3s VoLTE_Established2 --> VoLTE_Established2: VoLTE建立完成 } state Without_N26 { [*] --> Deregistration_5G Deregistration_5G --> Attach_EPC Attach_EPC --> PDN_Conn_Req PDN_Conn_Req --> IMS_Register IMS_Register --> VoLTE_Established3: ~3-5s } N2_Handover --> VoLTE_Call: VoLTE通话中 Redirection --> VoLTE_Call Without_N26 --> VoLTE_Call VoLTE_Call --> [*]: 通话结束 ``` ### 4.2 关键差异详解 #### 4.2.1 N2 Handover（§4.13.4.2）—— 推荐 **优势**： - 语音中断最短（PS Handover，数据面连续转发） - SM上下文完整保留，无需重新建立PDU Session/PDN Connection - IMS SIP信令可在新承载上继续，无需重新注册 **约束**： - 必须部署N26接口（AMF-MME之间） - 需要S10接口支持（AMF需具备SGW Selection能力） - Target eNB必须支持从NR接入的Handover（即eNB需配置为"NR Fallback Target"） **典型延迟**：50-100ms（空口切换 + S1-U隧道切换） #### 4.2.2 Redirection（§4.13.4.1） **机制**：gNB直接向UE发送`RRC Release`消息，携带重定向频点信息（`RedirectionInfo`），UE在目标LTE频点发起小区重选。 **优势**： - 不需要目标eNB事先准备资源（无Handover Preparation） - 不需要N26接口（可选配置） - gNB实现简单 **劣势**： - UE需从Idle态重新接入EPC（TAU + Service Request） - 数据面中断时间较长 - 若未配置N26，PDN Connection需通过"Session Transfer"机制重新建立 **典型延迟**：1-3s（RRC Release → 小区搜索 → RRC建立 → TAU → PDN建立 → SIP重发） #### 4.2.3 Without N26（§4.13.4.3） **机制**：当5GC与EPC之间没有N26接口时，UE需通过"Detach from 5GS → Attach to EPS"的方式完成回落。 **关键步骤**： 1. AMF触发**Deregistration**流程（UE被5GS去注册） 2. UE在LTE侧发起**Attach**（携带`EPS Attach Type = combined` 3. MME通过S6a从HSS/UDM获取签约数据 4. 建立PDN Connection（ims APN） 5. UE发起IMS Register（若之前未在EPS侧注册） 6. SIP INVITE重新发起 **典型延迟**：3-5s（完整Attach + IMS注册 + SIP流程） --- ## 5. SMF/UPF数据面切换机制 ### 5.1 N2 Handover场景下的数据面切换 在N2 Handover方式中，数据面切换涉及SMF/UPF与S-GW/P-GW之间的隧道切换： 1. **SMF角色转换**：SMF在EPS Fallback过程中充当PGW-C（PGW Control Plane）的功能 2. **UPF角色转换**：UPF充当PGW-U（PGW User Plane），通过N4接口维持与SMF的控制关系 3. **隧道映射**：UPF分配的N3 TEID映射为S5/S8 TEID，通过S-GW中转至eNB ```text sequenceDiagram participant SMF_PGW as SMF/PGW-C participant UPF_PGW as UPF/PGW-U participant SGW as S-GW participant eNB Note over SMF_PGW,eNB: EPS Fallback N2 HO 数据面切换 SMF_PGW->>UPF_PGW: N4 Session Modification
(Add DL F-TEID for SGW) UPF_PGW-->>SMF_PGW: N4 Session Modification Rsp
(UL F-TEID for SGW) SMF_PGW->>SGW: Create Session Response
(PGW S5/S8 TEID) Note right of SGW: SGW分配S1-U TEID
给eNB SGW->>eNB: S1-AP E-RAB Setup
(SGW S1-U TEID) eNB-->>SGW: S1-AP E-RAB Setup Rsp
(eNB S1-U TEID) Note over UPF_PGW,eNB: 双向隧道建立完成 UPF_PGW<-->|S5/S8 GTP-U| SGW SGW<-->|S1-U GTP-U| eNB ``` ### 5.2 DL Data Forwarding（下行数据转发） 为最小化数据丢包，N2 Handover支持**下行数据转发**： - AMF在Forward Relocation Request中携带`DL Data Forwarding`指示 - SMF/UPF在收到HO Command后，将下行数据包转发至SGW - SGW缓存并转发至目标eNB - 上行数据由UE通过eNB → SGW → UPF/PGW-U路径发送 --- ## 6. 实际排障指南 ### 6.1 常见故障与排查思路 | 故障现象 | 可能原因 | 排查方法 | 涉及接口 | |---------|---------|---------|----------| | Handover Preparation Failure | Target eNB ID无效 | 检查AMF的N26路由表中TAI→MME映射；验证eNB ID编码格式 | N2/N26 | | Forward Relocation Reject | MME无UE签约数据 | 检查HSS/UDM是否同步了EPS签约；验证S6a接口 | N26/S6a | | 切换后语音无声音 | QoS Flow→Bearer映射丢失 | 抓取S1-U数据，检查5QI=1对应的EPS Bearer是否建立 | S1-U | | SIP 183后无RTP | IMS承载未建立 | 检查MME是否收到专有承载建立请求；SGW是否分配TEID | S11/S5 | | 切换延迟>500ms | SGW选择错误或跨省 | 检查SMF的SGW Selection策略；DNS解析是否正确 | N4/S5 | | UE切换后掉话 | Security Context映射失败 | 检查AMF→MME的安全上下文是否完整（KSI、NH等） | N26 | ### 6.2 信令抓包要点 **AMF侧关键抓包点**： 1. **N2接口（NGAP）**：关注`Handover Required`中的Cause值和Target ID 2. **N26接口（GTPv2-C）**：关注`Forward Relocation Request`中的PDN Connection完整性 3. **N11接口（Nsmf）**：关注`PDUSession_Get`返回的QoS Flow列表 **MME侧关键抓包点**： 1. **S6a接口**：确认收到Update Location Answer 2. **S11接口**：Create Session Request/Response的TEID交换 3. **S1-AP接口**：E-RAB Setup/Bearer Setup的成败 > **抓包命令示例**（AMF节点）： > ```bash > # NGAP Handover Required 抓包 > tcpdump -i eth0 -w ngap_ho.pcap port 38412 > # GTPv2-C Forward Relocation 抓包 > tcpdump -i eth0 -w n26_fr.pcap port 2123 > ``` --- ## 7. FAQ **Q1：EPS Fallback与CSFB有什么区别？** A：两者都是"回落"机制，但有本质区别： - **CSFB**（Circuit Switched Fallback）：4G→2G/3G的电路域回落，语音通过CS域承载（GSM/WCDMA） - **EPS Fallback**：5G→4G的分组域回落，语音仍通过VoLTE（IMS over LTE PS域）承载 - EPS Fallback不涉及CS域，语音质量优于CSFB，且4G覆盖远优于2G/3G **Q2：N26接口是否是EPS Fallback的必要条件？** A：不是。N26仅在N2 Handover方式中是必须的。Redirection方式可以选择性使用N26（用于Session Transfer），Without N26方式完全不需要N26接口。但从**语音中断时间**角度，N26方式是最优的，运营商部署时优先推荐N26 Handover。 **Q3：gNB如何判断是否触发EPS Fallback？** A：gNB基于以下条件综合判断（TS 38.413）： 1. **UE能力**：UE是否支持VoNR（通过`UE-NR-Capability`中的`voiceOverNR`字段） 2. **无线条件**：当前NR小区的RSRP/SINR是否满足VoNR最低门限（运营商可配置） 3. **网络策略**：AMF是否在Initial Context Setup中指示了`EPS Fallback Allowed` 4. **负荷状况**：gNB当前PRB利用率是否超过VoNR保障阈值 **Q4：EPS Fallback后能否Fast Return至NR？** A：可以，但非3GPP标准强制流程。多数厂商实现了**Fast Return**机制：语音通话结束后，eNB通过RRC Release中的`RedirectionInfo`指示UE重选回NR频点。部分厂商还支持基于测量的**Fast Return**，即eNB配置NR邻区，通话期间UE测量NR信号，结束后立即切换回NR。这在TS 36.331中通过`idleModeMobilityControlInfo`实现。 **Q5：5G到EPS切换过程中的安全上下文如何映射？** A：TS 33.501 §9.3定义了5G→EPS的安全上下文映射： - AMF将当前5G安全上下文中的`KAMF`派生为`KASME`（通过KDF函数） - 映射后的安全上下文通过Forward Relocation Request中的`MM Context`IE传递给MME - MME使用`KASME`继续派生`KeNB`等EPS密钥体系 - 需注意：若5G侧使用的是EAP-AKA'认证，密钥派生参数与5G-AKA不同 --- ## 8. 参考文献与延伸阅读 | 编号 | 文献 | 来源类型 | 说明 | |------|------|---------|------| | [1] | 3GPP TS 23.502 V18.10.0, §4.13.4 | 规范文本 | EPS Fallback流程定义 | | [2] | 3GPP TS 23.501 V18.11.0, §5.17.3 | 规范文本 | 5G-EPS互操作架构要求 | | [3] | 3GPP TS 38.413 V18.6.0 | 规范文本 | NGAP Handover信令定义 | | [4] | 3GPP TS 29.274 V18.7.0 | 规范文本 | GTPv2-C Forward Relocation | | [5] | Mohamed ELadawi, "Dive Into EPS Fallback – 5G SA Voice Solution" | 技术博客 | EPS Fallback实战分析 | | [6] | TelecomTrainer, "EPS Fallback in 5G Call Flow" | 技术博客 | 完整信令流程图解 | | [7] | IEEE Xplore, "Performance Analysis of EPS Fallback in 5G SA", DOI: 10.1109/ACCESS.2023.10361889 | 学术论文 | EPS Fallback时延性能建模 | | [8] | MDPI Electronics, "Practical Performance Analysis of EPS Fallback", 2022 | 学术论文 | 三种方式实测对比 | | [9] | Devopedia, "N26-Based Interworking Between 5G and EPS" | 技术百科 | N26接口机制详解 | --- ## 9. 总结 EPS Fallback是5G SA语音解决方案中**不可或缺的过渡机制**。三种回落路径各有适用场景： - **N2 Handover**：语音中断最短，适合已部署N26接口的运营商，是**首选方案** - **Redirection**：部署简单，适合N26未就绪或快速商用阶段 - **Without N26**：兼容性最强，但用户体验最差，仅作为**兜底方案** 从长期演进来看，随着NR覆盖完善和VoNR终端普及，EPS Fallback将逐步退出主流程。但在**混合组网、异厂商互通、边缘覆盖**等场景下，EPS Fallback仍将在相当长一段时间内发挥关键作用。掌握其信令细节与排障方法，对5G核心网运维工程师至关重要。 --- > **声明**：本文技术内容基于3GPP TS 23.502 V18.x规范及公开技术资料整理，具体实现可能因设备厂商而异。信令参数请以实际网络配置和最新规范版本为准。 ---

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