LTE與2G/3G系統(tǒng)互操作研究

摘要：為確�，F(xiàn)有移動用戶良好的業(yè)務體驗感知，LTE對不同系統(tǒng)間的互操作做了較為完備的規(guī)定，但帶來了現(xiàn)網(wǎng)設備復雜的升級和高昂的投入。本文通過對其他運營商和技術制式實現(xiàn)方法的介紹，提出了LTE建設初期與2G/3G系統(tǒng)間互操作的要求。

0 前言

移動寬帶技術的發(fā)展，豐富了移動網(wǎng)承載的數(shù)據(jù)業(yè)務類型，促進了移動數(shù)據(jù)業(yè)務的增長；移動數(shù)據(jù)的快速增長，對移動接入又提出了新的帶寬要求。近幾年，兩者間相互影響，相互促進，移動網(wǎng)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務爆發(fā)、新技術制式層出的局面。目前在網(wǎng)運行的是2G和3G網(wǎng)絡，承載的用戶數(shù)已達9.2億。為了進一步提高移動網(wǎng)接入速率，同時緩解頻譜資源有限的問題，國際標準組織加快了LTE技術標準的制定，縮短了從標準到商用的時間。LTE商用試驗網(wǎng)在全球范圍內(nèi)已經(jīng)廣泛展開。

為確保現(xiàn)有移動用戶良好的業(yè)務體驗感知，LTE標準在制定過程中，對與現(xiàn)有系統(tǒng)間的互操作特性進行了大量研究，并作出了規(guī)定。

1 多系統(tǒng)間應具有良好的互操作特性

為確保業(yè)務使用在多系統(tǒng)間的連續(xù)性，LTE規(guī)范對不同系統(tǒng)間的互操作作了較為完備的規(guī)定，主要內(nèi)容可分為小區(qū)選擇和重選、數(shù)據(jù)切換、語音切換和無線連接重定向等幾個方面。

1.1 小區(qū)選擇和重選

與2G/3G間互操作一樣，LTE支持多模終端在LTE與2G/3G網(wǎng)絡間的小區(qū)重選，具體包括：

a)空閑狀態(tài)的終端在LTE和UMTS/GSM間的小區(qū)重選。

b)CELL-PCH和CELL-FACH狀態(tài)的終端從UMTS到LTE的小區(qū)重選。

c)GPRS-Packet-IDLE和Transfer模式的終端從GPRS到E-UTRAN的小區(qū)重選。

d)RRC連接狀態(tài)的終端從LTE到GSM的小區(qū)重選或網(wǎng)絡輔助(NACC)小區(qū)重選。

1.2 無線連接重定向

LTE與GSM/UMTS間可以進行無線連接重定向，具體包括：

a)RNC在RRC reject和RRC release消息中指示E-UTRAN的頻點，終端對該頻點小區(qū)開始重選過程。

b)E-UTRAN在RRC release消息中指示UTRAN的頻點，終端對該頻點小區(qū)開始重選過程。

c)BSC在RR release消息中指示E-UTRAN的頻點，終端對該頻點小區(qū)開始重選過程。

d)E-UTRAN在RRC release消息中指示GSM的頻點，終端對該頻點小區(qū)開始重選過程。

1.3 數(shù)據(jù)業(yè)務切換

在建立數(shù)據(jù)業(yè)務連接時，LTE支持與UMTS/GSM系統(tǒng)間的雙向切換，具體包括：

a)在LTE僅建立數(shù)據(jù)業(yè)務連接，處于Active狀態(tài)的終端從E-UTRAN切換到UTRAN/GPRS。

b)在UMTS僅建立數(shù)據(jù)業(yè)務連接，處于Cell-DCH狀態(tài)的終端從UTRAN切換到E-UTRAN。

c)在GRPS建立數(shù)據(jù)業(yè)務連接，處于GPRS-Packet-Transfer狀態(tài)的終端從GPRS切換到E-UTRAN。

1.4 語音業(yè)務切換

對于語音業(yè)務的切換，LTE分成2個階段來實現(xiàn)，當LTE網(wǎng)絡不能提供語音業(yè)務時，通過電路域語音回退(CSFB)功能來實現(xiàn)；當LTE網(wǎng)絡能夠提供分組域語音業(yè)務時，通過單射頻語音連續(xù)控制(SR-VCC)功能來實現(xiàn)，具體包括：

a)當LTE網(wǎng)絡不能提供語音業(yè)務時，具有CSFB能力的終端，可以實現(xiàn)：從LTE-IDLE狀態(tài)，重定向到UTRAN/GSM建立語音業(yè)務；從LTE-Active狀態(tài)(即建立有數(shù)據(jù)業(yè)務連接)，發(fā)起PS Handover流程使得終端在UTRAN/GSM接入，發(fā)起語音業(yè)務建立流程。

b)當LTE網(wǎng)絡能夠提供IMS語音業(yè)務時，LTE側(cè)的語音業(yè)務可以通過SR-VCC功能切換到UMTS/GSM網(wǎng)絡。

2 LTE互操作的重點仍是語音業(yè)務

LTE標準在制定之初的主要目的是提高無線移動寬帶接入速率，技術上僅支持分組數(shù)據(jù)業(yè)務，但考慮到目前移動網(wǎng)上的金牌業(yè)務是語音，因此LTE也制定了大量關于承載語音業(yè)務的互操作規(guī)范。根據(jù)實現(xiàn)時間與方式的不同，主要可分為3個方案：CSFB、SR-VCC和VoLGA(LTE網(wǎng)絡通過通用接入承載語音)。

2.1 CSFB

LTE和GSM/WCDMA雙模終端是Single-radio模式，在使用LTE接入時，無法同時收/發(fā)GSM/WCDMA電路域業(yè)務信號。為了使終端在LTE接入下能夠收/發(fā)語音等CS業(yè)務，并且能夠正確地處理正在進行的LTE PS業(yè)務，產(chǎn)生了CSFB技術。當運營商還沒有部署IMS網(wǎng)絡，僅由CS域提供語音、SMS等服務，LTE提供數(shù)據(jù)服務時，CSFB技術可以觸發(fā)終端從LTE接入回退到GSM/WCDMA網(wǎng)絡接入并進行CS業(yè)務。實現(xiàn)CSFB功能需要在MME與MSC服務器之間引入SGs接口。終端附著在LTE，同時通過SGs附著在CS域，使得其他用戶可以呼叫該UE。這樣終端就可以優(yōu)先駐留在LTE網(wǎng)絡以享受高速數(shù)據(jù)業(yè)務，在需要語音服務時才返回2G/3G網(wǎng)絡發(fā)起CS語音呼叫。

目前標準規(guī)范中CSFB的網(wǎng)絡架構(gòu)、設備功能、主要流程等內(nèi)容已經(jīng)凍結(jié)；后續(xù)為了減小在回退過程中的時延問題，3GPP又提出了增強CSFB功能，主要的方案有嵌入式LAU、安全增強、基于SR-VCC的CSFB和隱士位置更新等。

2.2 SR-VCC

SR-VCC主要解決單射頻終端在IMS控制的VoIP語音與CS語音之間的無縫切換。已經(jīng)搭建IMS網(wǎng)絡實現(xiàn)VoIP業(yè)務是SR-VCC技術的前提，同時SR-VCC技術要求MSC服務器支持Sv接口。為了便于切換，VoIP需要錨定在IMS中。目前SR-VCC僅支持E-UTRAN到UTRAN/GERAN的單向切換。MME首先從E-UTRAN接收切換請求和用于說明此為SR-VCC處理的指示消息，然后再通過Sv參考點觸發(fā)它與MSC服務器enhanced for SR-VCC之間的切換流程。

目前標準規(guī)范中SR-VCC的應用場景、功能架構(gòu)和主要流程等內(nèi)容已經(jīng)基本確定，后續(xù)為了減小在切換過程中IMS側(cè)時延過長的問題，3GPP又提出了：在SIP層面和在EPC網(wǎng)關層面的錨定方案等增強型SR-VCC規(guī)范。

2.3 VoLGA

VoLGA的主要思想是將LTE作為一個IP接入網(wǎng)，通過新增加的一個網(wǎng)絡實體VANC(VoLGA接入網(wǎng)絡控制器)模擬RNC或BSC，接入CS核心網(wǎng)完成語音業(yè)務的處理。VANC支持2種工作模式：A mode和Iu mode，分別針對GERAN和UTRAN網(wǎng)絡。

與前兩者不同的是，VoLGA由工業(yè)聯(lián)盟制定規(guī)范，初衷是想在LTE部署初期，將它作為一個IP接入網(wǎng)，CS域業(yè)務仍利用原有的2G/3G網(wǎng)絡，因此該方案未解決最終在LTE系統(tǒng)中提供語音的問題，沒有得到主流運營商和設備制造商的廣泛支持。

3 完備的互操作方案帶來復雜的現(xiàn)網(wǎng)設備升級

用戶在多系統(tǒng)間業(yè)務的連續(xù)性體驗，需要在網(wǎng)絡層面制定完備的互操作規(guī)范。對于新設備可以在研發(fā)時就將這些因素考慮進去(僅增加研發(fā)成本)；對于現(xiàn)有設備，則需要考慮如何進行升級改造來滿足新的技術要求。

正如引入3G網(wǎng)絡對2G設備的升級改造一樣，LTE的互操作對現(xiàn)有設備也提出了大量的改造任務。

3.1 SGSN

LTE網(wǎng)絡僅支持PS域業(yè)務，因此SGSN是LTE引入后與2G/3G網(wǎng)絡互操作的核心網(wǎng)元之一。SGSN的升級要求較多，它需要增加支持的接口、流程、協(xié)議、字段等多方面內(nèi)容。

a)支持S3、S4、S6d等接口及相關功能。

b)為實現(xiàn)CSFB功能需支持Suspend和Resume流程。

c)支持2G網(wǎng)絡與LTE網(wǎng)絡間的RIM流程，包括Gb接口及Gn接口的信令流程。

d)支持IPv6單棧，IPv4、IPv6雙棧PDP類型。

e)支持EPC DNS地址解析、SRV查尋，根據(jù)DNS反饋的權(quán)重信息選擇P-GW(GGSN)等。

3.2 HLR

為保證LTE覆蓋范圍內(nèi)2個相鄰MSC邊界地區(qū)被叫呼叫成功率，被叫用戶歸屬HLR需支持Roaming Retry流程。同時還需要升級支持HLR/HSS融合。

3.3 MSC

若現(xiàn)網(wǎng)MSC升級支持CSFB，則LTE覆蓋范圍內(nèi)的所有MSC需支持以下功能。

a) 基于SGs接口的移動性管理，包括：IMSI位置更新請求，在VLR建立IMSI和SGs接口的映射關系；IMSI去附著，在VLR刪除IMSI和SGs接口的映射關系。

b) 語音業(yè)務流程，包括SGs接口的尋呼。

同時GMSC也需進行升級，支持Sv接口，并通過Sv接口交互處理SR-VCC切換流程。

3.4 2G/3G RAN設備

RAN設備是組成移動網(wǎng)的基礎單元，完成用戶空口的信息交互過程。對于互操作內(nèi)容的空閑態(tài)小區(qū)雙向重選、數(shù)據(jù)連接態(tài)LTE向2G/3G小區(qū)重選或切換大都可以通過軟件升級方式來完成；但對語音業(yè)務的回落功能，現(xiàn)有的RAN設備可以軟件升級支持R8版本，對于增強型CSFB，則大都不支持，需要更換大量的軟硬件設備。

這些功能的實現(xiàn)，雖然可以通過軟件升級來完成，但是大多數(shù)對接口、協(xié)議的支持，需要更換硬件，甚至平臺，才能達到要求。因此完備的互操作要求帶來的必然是現(xiàn)網(wǎng)設備的大規(guī)模調(diào)整。

4 他山之石，可以攻玉

互操作不是個案問題，不同電信運營商、不同技術制式都面臨這個選擇，因此關注和了解他們的做法，對中國運營商，對E-UTRAN、UTRAN和GERAN技術都有很好的參考與借鑒作用。

4.1 國外運營商的選擇，可供中國運營商參考

截至2011年1月，全球范圍內(nèi)已有17個正式商用的LTE網(wǎng)絡，分布于15個國家和地區(qū)。由于LTE網(wǎng)絡剛開始建設，其覆蓋程度、用戶數(shù)量都還處在極其初級的階段；同時市場上的LTE終端大部分都是數(shù)據(jù)卡或路由器，在這種情況下，為互操作升級現(xiàn)有網(wǎng)元設備的風險和帶來的效益遠不能成正比。因此，運營商大都選擇獨立的LTE組網(wǎng)方式，采取完全雙卡雙待的模式。

后續(xù)，隨著LTE網(wǎng)絡用戶數(shù)量的增加、用戶業(yè)務需求和管理復雜度的上升、核心網(wǎng)設備的融合以及終端設備的成熟，國外LTE運營商將基于3GPP定義的標準功能，循序漸進地引入互操作內(nèi)容。首先，實現(xiàn)空閑狀態(tài)下系統(tǒng)間的雙向小區(qū)重選；同時，針對已發(fā)起的數(shù)據(jù)呼叫，開啟LTE到UTRAN/GERAN的PS切換。LTE建網(wǎng)初期主要以數(shù)據(jù)卡業(yè)務為主，因此上述功能基本上能實現(xiàn)以2G/3G覆蓋彌補LTE覆蓋不足的目的。

隨著LTE終端類型的多樣化，當其發(fā)起或接收語音呼叫時，可以通過CSFB，回落到2G/3G網(wǎng)絡CS域完成此呼叫。未來出于市場競爭的需要，運營商也將有可能會開通基于LTE的VoIMS，要求LTE與2G/3G系統(tǒng)支持SR-VCC。終端在離開LTE覆蓋區(qū)時，可以平滑切換到2G/3G網(wǎng)絡。隨著業(yè)務量的增長，也有可能會在多系統(tǒng)間開啟基于業(yè)務量均衡的互操作功能。

4.2 其他技術制式的實現(xiàn)方式，可供E-UTRAN借鑒

作為主要3G技術之一的cdma2000，也制定了大量關于1x與EV-DO系統(tǒng)間互操作內(nèi)容的規(guī)范。cdma 2000互操作方案主要有4種：混合終端、雙接收機、交叉尋呼和VCC。其中混合終端和雙接收機方案由于采用周期時隙監(jiān)聽，因此在非監(jiān)聽時隙容易丟失尋呼信息，且終端耗電較大。

目前，1x與EV-DO間互操作大都采用交叉尋呼方案，通過接入網(wǎng)實現(xiàn)單網(wǎng)駐留兩網(wǎng)登記、單網(wǎng)駐留接收兩網(wǎng)尋呼。EV-DO系統(tǒng)在空口應用層設置cdma 2000 CS域消息通知應用協(xié)議，使得終端在監(jiān)聽EV-DO的同時，可以收到由EV-DO系統(tǒng)下發(fā)的cdma 2000 1x尋呼或短消息等，不需要在兩網(wǎng)之間進行頻繁切換，從而降低了網(wǎng)絡切換所需要的開銷，延長了終端的待機時間，有利于實現(xiàn)對1x語音呼叫的快速響應。交叉尋呼要求在DO AN和1x MSC間設置A1/A1P接口，因此只需對1x MSC進行改造，對移動網(wǎng)的其他網(wǎng)元則不需要改造。

1x與EV-DO間互操作的目標也是實現(xiàn)VCC，這需要在IMS增加VCC AS功能實體，管理終端在CS/PS域的注冊與路由，協(xié)助完成VT/VoIP至CS語音的切換功能。

5 結(jié)束語

移動市場的競爭，使得今天的電信運營商更加關注用戶感知，這項指標成了建網(wǎng)和技術演進的主要依據(jù)。因此網(wǎng)絡覆蓋越來越趨于完善，無線接入速率越來越寬；新技術不斷涌現(xiàn)，技術更新?lián)Q代周期越來越短。多種技術的疊加要求相互間要有良好的互操作性，以確保業(yè)務的連續(xù)。多種互操作方案對現(xiàn)網(wǎng)設備的更新改造難易程度差別巨大，因此純理想的方案，不一定能夠得到好的升級效果。

LTE網(wǎng)絡的建設，不會一蹴而就，其所能采用的頻段和承載業(yè)務的特點，都決定了LTE的建設以吸收熱點地區(qū)的數(shù)據(jù)業(yè)務為主要目的，因此LTE與2G/3G的互操作首要解決的是數(shù)據(jù)業(yè)務的雙向切換；對于語音業(yè)務，從未來較長一段時間來看，都不會是LTE網(wǎng)絡的重點，因此可以考慮借鑒cdma2000的經(jīng)驗，采用交叉尋呼的方式，將語音業(yè)務回落到2G/3G網(wǎng)絡實現(xiàn)。這一方面解決了用戶的互操作需求，另一方面避免了大量網(wǎng)元的改造，提高了運營商的投資效益。

參考文獻：

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[4] 3GPP2 C.S0024-A cdma2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification[S/OL].[2011-12-12].http://www.3gpp2.org/public_html/specs/C.S0024-A_v2.0_050727.pdf.

作者：耿玉波 蔡慶宇 馮印健 來源：郵電設計技術

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