1、TE 与 2G/3G 系统互操作研究摘要：为确保现有移动用户良好的业务体验感知，LTE 对不同系统间的互操作做了较为完备的规定，但带来了现网设备复杂的升级和高昂的投入。本文通过对其他运营商和技术制式实现方法的介绍，提出了 LTE 建设初期与 2G/3G 系统间互操作的要求。前言移动宽带技术的发展，丰富了移动网承载的数据业务类型，促进了移动数据业务的增长；移动数据的快速增长，对移动接入又提出了新的带宽要求。近几年，两者间相互影响，相互促进，移动网呈现数据业务爆发、新技术制式层出的局面。目前在网运行的是 2G 和3G 网络，承载的用户数已达 9.2 亿。为了进一步提高移动网接入速率，同时缓解频谱资
2、源有限的问题，国际标准组织加快了 LTE 技术标准的制定，缩短了从标准到商用的时间。LTE商用试验网在全球范围内已经广泛展开。为确保现有移动用户良好的业务体验感知，LTE 标准在制定过程中，对与现有系统间的互操作特性进行了大量研究，并作出了规定。1 多系统间应具有良好的互操作特性为确保业务使用在多系统间的连续性，LTE 规范对不同系统间的互操作作了较为完备的规定，主要内容可分为小区选择和重选、数据切换、语音切换和无线连接重定向等几个方面。1.1 小区选择和重选与 2G/3G 间互操作一样，LTE 支持多模终端在 LTE 与 2G/3G 网络间的小区重选，具体包括：a)空闲状态的终端在 LTE
3、和 UMTS/GSM 间的小区重选。b)CELL-PCH 和 CELL-FACH 状态的终端从 UMTS 到 LTE 的小区重选。c)GPRS-Packet-IDLE 和 Transfer 模式的终端从 GPRS 到 E-UTRAN 的小区重选。d)RRC 连接状态的终端从 LTE 到 GSM 的小区重选或网络辅助(NACC)小区重选。1.2 无线连接重定向LTE 与 GSM/UMTS 间可以进行无线连接重定向，具体包括：a)RNC 在 RRC reject 和 RRC release 消息中指示 E-UTRAN 的频点，终端对该频点小区开始重选过程。b)E-UTRAN 在 RRC relea
4、se 消息中指示 UTRAN 的频点，终端对该频点小区开始重选过程。c)BSC 在 RR release 消息中指示 E-UTRAN 的频点，终端对该频点小区开始重选过程。d)E-UTRAN 在 RRC release 消息中指示 GSM 的频点，终端对该频点小区开始重选过程。1.3 数据业务切换在建立数据业务连接时，LTE 支持与 UMTS/GSM 系统间的双向切换，具体包括：a)在 LTE 仅建立数据业务连接，处于 Active 状态的终端从 E-UTRAN 切换到UTRAN/GPRS。b)在 UMTS 仅建立数据业务连接，处于 Cell-DCH 状态的终端从 UTRAN 切换到 E-UT
5、RAN。c)在 GRPS 建立数据业务连接，处于 GPRS-Packet-Transfer 状态的终端从 GPRS 切换到 E-UTRAN。1.4 语音业务切换对于语音业务的切换，LTE 分成 2 个阶段来实现，当 LTE 网络不能提供语音业务时，通过电路域语音回退(CSFB)功能来实现；当 LTE 网络能够提供分组域语音业务时，通过单射频语音连续控制(SR-VCC)功能来实现，具体包括：a)当 LTE 网络不能提供语音业务时，具有 CSFB 能力的终端，可以实现：从 LTE-IDLE状态，重定向到 UTRAN/GSM 建立语音业务；从 LTE-Active 状态(即建立有数据业务连接)，发起
6、 PS Handover 流程使得终端在 UTRAN/GSM 接入，发起语音业务建立流程。b)当 LTE 网络能够提供 IMS 语音业务时，LTE 侧的语音业务可以通过 SR-VCC 功能切换到 UMTS/GSM 网络。2 LTE 互操作的重点仍是语音业务LTE 标准在制定之初的主要目的是提高无线移动宽带接入速率，技术上仅支持分组数据业务，但考虑到目前移动网上的金牌业务是语音，因此 LTE 也制定了大量关于承载语音业务的互操作规范。根据实现时间与方式的不同，主要可分为 3 个方案：CSFB、SR-VCC 和VoLGA(LTE 网络通过通用接入承载语音)。2.1 CSFBLTE 和 GSM/WC
7、DMA 双模终端是 Single-radio 模式，在使用 LTE 接入时，无法同时收/发 GSM/WCDMA 电路域业务信号。为了使终端在 LTE 接入下能够收/发语音等 CS 业务，并且能够正确地处理正在进行的 LTE PS 业务，产生了 CSFB 技术。当运营商还没有部署 IMS 网络，仅由 CS 域提供语音、SMS 等服务，LTE 提供数据服务时，CSFB 技术可以触发终端从LTE 接入回退到 GSM/WCDMA 网络接入并进行 CS 业务。实现 CSFB 功能需要在 MME 与 MSC 服务器之间引入 SGs 接口。终端附着在 LTE，同时通过 SGs 附着在 CS 域，使得其他用户
8、可以呼叫该 UE。这样终端就可以优先驻留在 LTE 网络以享受高速数据业务，在需要语音服务时才返回 2G/3G 网络发起 CS 语音呼叫。目前标准规范中 CSFB 的网络架构、设备功能、主要流程等内容已经冻结；后续为了减小在回退过程中的时延问题，3GPP 又提出了增强 CSFB 功能，主要的方案有嵌入式 LAU、安全增强、基于 SR-VCC 的 CSFB 和隐士位置更新等。2.2 SR-VCCSR-VCC 主要解决单射频终端在 IMS 控制的 VoIP 语音与 CS 语音之间的无缝切换。已经搭建 IMS 网络实现 VoIP 业务是 SR-VCC 技术的前提，同时 SR-VCC 技术要求 MSC
9、 服务器支持Sv 接口。为了便于切换，VoIP 需要锚定在 IMS 中。目前 SR-VCC 仅支持 E-UTRAN 到UTRAN/GERAN 的单向切换。MME 首先从 E-UTRAN 接收切换请求和用于说明此为 SR-VCC 处理的指示消息，然后再通过 Sv 参考点触发它与 MSC 服务器 enhanced for SR-VCC 之间的切换流程。目前标准规范中 SR-VCC 的应用场景、功能架构和主要流程等内容已经基本确定，后续为了减小在切换过程中 IMS 侧时延过长的问题，3GPP 又提出了：在 SIP 层面和在 EPC 网关层面的锚定方案等增强型 SR-VCC 规范。2.3 VoLGAV
10、oLGA 的主要思想是将 LTE 作为一个 IP 接入网，通过新增加的一个网络实体VANC(VoLGA 接入网络控制器)模拟 RNC 或 BSC，接入 CS 核心网完成语音业务的处理。VANC支持 2 种工作模式：A mode 和 Iu mode，分别针对 GERAN 和 UTRAN 网络。与前两者不同的是，VoLGA 由工业联盟制定规范，初衷是想在 LTE 部署初期，将它作为一个 IP 接入网，CS 域业务仍利用原有的 2G/3G 网络，因此该方案未解决最终在 LTE 系统中提供语音的问题，没有得到主流运营商和设备制造商的广泛支持。3 完备的互操作方案带来复杂的现网设备升级用户在多系统间业务
11、的连续性体验，需要在网络层面制定完备的互操作规范。对于新设备可以在研发时就将这些因素考虑进去(仅增加研发成本)；对于现有设备，则需要考虑如何进行升级改造来满足新的技术要求。正如引入 3G 网络对 2G 设备的升级改造一样，LTE 的互操作对现有设备也提出了大量的改造任务。3.1 SGSNLTE 网络仅支持 PS 域业务，因此 SGSN 是 LTE 引入后与 2G/3G 网络互操作的核心网元之一。SGSN 的升级要求较多，它需要增加支持的接口、流程、协议、字段等多方面内容。a)支持 S3、S4、S6d 等接口及相关功能。b)为实现 CSFB 功能需支持 Suspend 和 Resume 流程。c
12、)支持 2G 网络与 LTE 网络间的 RIM 流程，包括 Gb 接口及 Gn 接口的信令流程。d)支持 IPv6 单栈，IPv4、IPv6 双栈 PDP 类型。e)支持 EPC DNS 地址解析、SRV 查寻，根据 DNS 反馈的权重信息选择 P-GW(GGSN)等。3.2 HLR为保证 LTE 覆盖范围内 2 个相邻 MSC 边界地区被叫呼叫成功率，被叫用户归属 HLR 需支持 Roaming Retry 流程。同时还需要升级支持 HLR/HSS 融合。3.3 MSC若现网 MSC 升级支持 CSFB，则 LTE 覆盖范围内的所有 MSC 需支持以下功能。a) 基于 SGs 接口的移动性管
13、理，包括：IMSI 位置更新请求，在 VLR 建立 IMSI 和 SGs接口的映射关系；IMSI 去附着，在 VLR 删除 IMSI 和 SGs 接口的映射关系。b) 语音业务流程，包括 SGs 接口的寻呼。同时 GMSC 也需进行升级，支持 Sv 接口，并通过 Sv 接口交互处理 SR-VCC 切换流程。3.4 2G/3G RAN 设备RAN 设备是组成移动网的基础单元，完成用户空口的信息交互过程。对于互操作内容的空闲态小区双向重选、数据连接态 LTE 向 2G/3G 小区重选或切换大都可以通过软件升级方式来完成；但对语音业务的回落功能，现有的 RAN 设备可以软件升级支持 R8 版本，对于
14、增强型 CSFB，则大都不支持，需要更换大量的软硬件设备。这些功能的实现，虽然可以通过软件升级来完成，但是大多数对接口、协议的支持，需要更换硬件，甚至平台，才能达到要求。因此完备的互操作要求带来的必然是现网设备的大规模调整。设备共享情况：4 他山之石，可以攻玉互操作不是个案问题，不同电信运营商、不同技术制式都面临这个选择，因此关注和了解他们的做法，对中国运营商，对 E-UTRAN、UTRAN 和 GERAN 技术都有很好的参考与借鉴作用。4.1 国外运营商的选择，可供中国运营商参考截至 2011 年 1 月，全球范围内已有 17 个正式商用的 LTE 网络，分布于 15 个国家和地区。由于 L
15、TE 网络刚开始建设，其覆盖程度、用户数量都还处在极其初级的阶段；同时市场上的 LTE 终端大部分都是数据卡或路由器，在这种情况下，为互操作升级现有网元设备的风险和带来的效益远不能成正比。因此，运营商大都选择独立的 LTE 组网方式，采取完全双卡双待的模式。后续，随着 LTE 网络用户数量的增加、用户业务需求和管理复杂度的上升、核心网设备的融合以及终端设备的成熟，国外 LTE 运营商将基于 3GPP 定义的标准功能，循序渐进地引入互操作内容。首先，实现空闲状态下系统间的双向小区重选；同时，针对已发起的数据呼叫，开启 LTE 到 UTRAN/GERAN 的 PS 切换。LTE 建网初期主要以数据
16、卡业务为主，因此上述功能基本上能实现以 2G/3G 覆盖弥补 LTE 覆盖不足的目的。随着 LTE 终端类型的多样化，当其发起或接收语音呼叫时，可以通过 CSFB，回落到2G/3G 网络 CS 域完成此呼叫。未来出于市场竞争的需要，运营商也将有可能会开通基于LTE 的 VoIMS，要求 LTE 与 2G/3G 系统支持 SR-VCC。终端在离开 LTE 覆盖区时，可以平滑切换到 2G/3G 网络。随着业务量的增长，也有可能会在多系统间开启基于业务量均衡的互操作功能。4.2 其他技术制式的实现方式，可供 E-UTRAN 借鉴作为主要 3G 技术之一的 cdma2000，也制定了大量关于 1x 与
17、 EV-DO 系统间互操作内容的规范。cdma 2000 互操作方案主要有 4 种：混合终端、双接收机、交叉寻呼和 VCC。其中混合终端和双接收机方案由于采用周期时隙监听，因此在非监听时隙容易丢失寻呼信息，且终端耗电较大。目前，1x 与 EV-DO 间互操作大都采用交叉寻呼方案，通过接入网实现单网驻留两网登记、单网驻留接收两网寻呼。EV-DO 系统在空口应用层设置 cdma 2000 CS 域消息通知应用协议，使得终端在监听 EV-DO 的同时，可以收到由 EV-DO 系统下发的 cdma 2000 1x 寻呼或短消息等，不需要在两网之间进行频繁切换，从而降低了网络切换所需要的开销，延长了终端
18、的待机时间，有利于实现对 1x 语音呼叫的快速响应。交叉寻呼要求在 DO AN 和 1x MSC 间设置 A1/A1P 接口，因此只需对 1x MSC 进行改造，对移动网的其他网元则不需要改造。1x 与 EV-DO 间互操作的目标也是实现 VCC，这需要在 IMS 增加 VCC AS 功能实体，管理终端在 CS/PS 域的注册与路由，协助完成 VT/VoIP 至 CS 语音的切换功能。5 结束语移动市场的竞争，使得今天的电信运营商更加关注用户感知，这项指标成了建网和技术演进的主要依据。因此网络覆盖越来越趋于完善，无线接入速率越来越宽；新技术不断涌现，技术更新换代周期越来越短。多种技术的叠加要求
19、相互间要有良好的互操作性，以确保业务的连续。多种互操作方案对现网设备的更新改造难易程度差别巨大，因此纯理想的方案，不一定能够得到好的升级效果。LTE 网络的建设，不会一蹴而就，其所能采用的频段和承载业务的特点，都决定了LTE 的建设以吸收热点地区的数据业务为主要目的，因此 LTE 与 2G/3G 的互操作首要解决的是数据业务的双向切换；对于语音业务，从未来较长一段时间来看，都不会是 LTE 网络的重点，因此可以考虑借鉴 cdma2000 的经验，采用交叉寻呼的方式，将语音业务回落到2G/3G 网络实现。这一方面解决了用户的互操作需求，另一方面避免了大量网元的改造，提高了运营商的投资效益。附：切
20、换与重定向的区别切换走的是切换流程，包含切换判决：基于覆盖、容量或业务等，然后进行切换准备：源小区和目标小区之间会进行资源申请，数据转发等，切换准备完成后，下发切换命令，UE 执行切换。重定向则没有切换准备的过程，通过 RRC release 消息携带目标小区信息，UE 根据目标小区信息重新发起接入。重定向通常是为不支持切换的 UE 准备的一种过渡手段。LTE 中的重定向有两种基于测量和基于非测量（盲重定向）测量哪些小区：测量的临区列表，LTE 在 rrcConnectionReconfiguration 消息,“measConfig“字段配置给终端测量门限：同频小区一直测量，异频小区和异系统小区根据 A2 测量事件，也就是当前小区门限值低于某个值进行后进行测量，A2 的门限由网络侧设置切换判决：同系统的判决条件由 A3/A4/A5 事件判决，异系统判决由 B1/B2 事件判决，至于事件门限同样由系统判定。基于非测量的重定向：由于不需要测量，切换到哪个小区上由网络决定，协议中规定重定向到优先级最高的小区上。
