LTE與2G/3G系統互操作研究

前言

　　移動(dòng)寬帶技術(shù)的發(fā)展，豐富了移動(dòng)網(wǎng)承載的數據業(yè)務(wù)類(lèi)型，促進(jìn)了移動(dòng)數據業(yè)務(wù)的增長(cháng);移動(dòng)數據的快速增長(cháng)，對移動(dòng)接入又提出了新的帶寬要求。目前在網(wǎng)運行的是2G和3G網(wǎng)絡(luò )，承載的用戶(hù)數已達9.2億。為了進(jìn)一步提高移動(dòng)網(wǎng)接入速率，同時(shí)緩解頻譜資源有限的問(wèn)題，國際標準組織加快了LTE技術(shù)標準的制定，縮短了從標準到商用的時(shí)間。LTE商用試驗網(wǎng)在全球范圍內已經(jīng)廣泛展開(kāi)。

　　為確?，F有移動(dòng)用戶(hù)良好的業(yè)務(wù)體驗感知，LTE標準在制定過(guò)程中，對與現有系統間的互操作特性進(jìn)行了大量研究，并作出了規定。本文通過(guò)對其他運營(yíng)商和技術(shù)制式實(shí)現方法的介紹，提出了LTE建設初期與2G/3G系統間互操作的要求。

　　1 多系統間應具有良好的互操作特性

　　為確保業(yè)務(wù)使用在多系統間的連續性，LTE規范對不同系統間的互操作作了較為完備的規定，主要內容可分為小區選擇和重選、數據切換、語(yǔ)音切換和無(wú)線(xiàn)連接重定向等幾個(gè)方面。

　　1.1 小區選擇和重選

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

　　a)空閑狀態(tài)的終端在LTE和UMTS/GSM間的小區重選。

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

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

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

　　1.2 無(wú)線(xiàn)連接重定向

　　LTE與GSM/UMTS間可以進(jìn)行無(wú)線(xiàn)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(diǎn)，終端對該頻點(diǎn)小區開(kāi)始重選過(guò)程。

　　b)E-UTRAN在RRC release消息中指示UTRAN的頻點(diǎn)，終端對該頻點(diǎn)小區開(kāi)始重選過(guò)程。

　　c)BSC在RR release消息中指示E-UTRAN的頻點(diǎn)，終端對該頻點(diǎn)小區開(kāi)始重選過(guò)程。

　　d)E-UTRAN在RRC release消息中指示GSM的頻點(diǎn)，終端對該頻點(diǎn)小區開(kāi)始重選過(guò)程。

　　1.3 數據業(yè)務(wù)切換

　　在建立數據業(yè)務(wù)連接時(shí)，LTE支持與UMTS/GSM系統間的雙向切換，具體包括：

　　a)在LTE僅建立數據業(yè)務(wù)連接，處于A(yíng)ctive狀態(tài)的終端從E-UTRAN切換到UTRAN/GPRS。

　　b)在UMTS僅建立數據業(yè)務(wù)連接，處于Cell-DCH狀態(tài)的終端從UTRAN切換到E-UTRAN。

　　c)在GRPS建立數據業(yè)務(wù)連接，處于GPRS-Packet-Transfer狀態(tài)的終端從GPRS切換到E-UTRAN。

　　1.4 語(yǔ)音業(yè)務(wù)切換

　　對于語(yǔ)音業(yè)務(wù)的切換，LTE分成2個(gè)階段來(lái)實(shí)現，當LTE網(wǎng)絡(luò )不能提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)時(shí)，通過(guò)電路域語(yǔ)音回退(CSFB)功能來(lái)實(shí)現;當LTE網(wǎng)絡(luò )能夠提供分組域語(yǔ)音業(yè)務(wù)時(shí)，通過(guò)單射頻語(yǔ)音連續控制(SR-VCC)功能來(lái)實(shí)現，具體包括：

　　a)當LTE網(wǎng)絡(luò )不能提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)時(shí)，具有CSFB能力的終端，可以實(shí)現：從LTE-IDLE狀態(tài)，重定向到UTRAN/GSM建立語(yǔ)音業(yè)務(wù);從LTE-Active狀態(tài)(即建立有數據業(yè)務(wù)連接)，發(fā)起PS Handover流程使得終端在UTRAN/GSM接入，發(fā)起語(yǔ)音業(yè)務(wù)建立流程。

　　b)當LTE網(wǎng)絡(luò )能夠提供IMS語(yǔ)音業(yè)務(wù)時(shí)，LTE側的語(yǔ)音業(yè)務(wù)可以通過(guò)SR-VCC功能切換到UMTS/GSM網(wǎng)絡(luò )。

　　2 LTE互操作的重點(diǎn)仍是語(yǔ)音業(yè)務(wù)

　　LTE標準在制定之初的主要目的是提高無(wú)線(xiàn)移動(dòng)寬帶接入速率，技術(shù)上僅支持分組數據業(yè)務(wù)，但考慮到目前移動(dòng)網(wǎng)上的金牌業(yè)務(wù)是語(yǔ)音，因此LTE也制定了大量關(guān)于承載語(yǔ)音業(yè)務(wù)的互操作規范。根據實(shí)現時(shí)間與方式的不同，主要可分為3個(gè)方案：CSFB、SR-VCC和VoLGA(LTE網(wǎng)絡(luò )通過(guò)通用接入承載語(yǔ)音)。

　　2.1 CSFB

　　LTE和GSM/WCDMA雙模終端是Single-radio模式，在使用LTE接入時(shí)，無(wú)法同時(shí)收/發(fā)GSM/WCDMA電路域業(yè)務(wù)信號。為了使終端在LTE接入下能夠收/發(fā)語(yǔ)音等CS業(yè)務(wù)，并且能夠正確地處理正在進(jìn)行的LTE PS業(yè)務(wù)，產(chǎn)生了CSFB技術(shù)。當運營(yíng)商還沒(méi)有部署IMS網(wǎng)絡(luò )，僅由CS域提供語(yǔ)音、SMS等服務(wù)，LTE提供數據服務(wù)時(shí)，CSFB技術(shù)可以觸發(fā)終端從LTE接入回退到GSM/WCDMA網(wǎng)絡(luò )接入并進(jìn)行CS業(yè)務(wù)。實(shí)現CSFB功能需要在MME與MSC服務(wù)器之間引入SGs接口。終端附著(zhù)在LTE，同時(shí)通過(guò)SGs附著(zhù)在CS域，使得其他用戶(hù)可以呼叫該UE。這樣終端就可以?xún)?yōu)先駐留在LTE網(wǎng)絡(luò )以享受高速數據業(yè)務(wù)，在需要語(yǔ)音服務(wù)時(shí)才返回2G/3G網(wǎng)絡(luò )發(fā)起CS語(yǔ)音呼叫。

　　目前標準規范中CSFB的網(wǎng)絡(luò )架構、設備功能、主要流程等內容已經(jīng)凍結;后續為了減小在回退過(guò)程中的時(shí)延問(wèn)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(yǔ)音與CS語(yǔ)音之間的無(wú)縫切換。已經(jīng)搭建IMS網(wǎng)絡(luò )實(shí)現VoIP業(yè)務(wù)是SR-VCC技術(shù)的前提，同時(shí)SR-VCC技術(shù)要求MSC服務(wù)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(shuō)明此為SR-VCC處理的指示消息，然后再通過(guò)Sv參考點(diǎn)觸發(fā)它與MSC服務(wù)器enhanced for SR-VCC之間的切換流程。

　　目前標準規范中SR-VCC的應用場(chǎng)景、功能架構和主要流程等內容已經(jīng)基本確定，后續為了減小在切換過(guò)程中IMS側時(shí)延過(guò)長(cháng)的問(wèn)題，3GPP又提出了：在SIP層面和在EPC網(wǎng)關(guān)層面的錨定方案等增強型SR-VCC規范。

　　2.3 VoLGA

　　VoLGA的主要思想是將LTE作為一個(gè)IP接入網(wǎng)，通過(guò)新增加的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )實(shí)體VANC(VoLGA接入網(wǎng)絡(luò )控制器)模擬RNC或BSC，接入CS核心網(wǎng)完成語(yǔ)音業(yè)務(wù)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(luò )。

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

　　3 完備的互操作方案帶來(lái)復雜的現網(wǎng)設備升級

　　用戶(hù)在多系統間業(yè)務(wù)的連續性體驗，需要在網(wǎng)絡(luò )層面制定完備的互操作規范。對于新設備可以在研發(fā)時(shí)就將這些因素考慮進(jìn)去(僅增加研發(fā)成本);對于現有設備，則需要考慮如何進(jìn)行升級改造來(lái)滿(mǎn)足新的技術(shù)要求。

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

3.1 SGSN

　　LTE網(wǎng)絡(luò )僅支持PS域業(yè)務(wù)，因此SGSN是LTE引入后與2G/3G網(wǎng)絡(luò )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、字段等多方面內容。

　　a)支持S3、S4、S6d等接口及相關(guān)功能。

　　b)為實(shí)現CSFB功能需支持Suspend和Resume流程。

　　c)支持2G網(wǎng)絡(luò )與LTE網(wǎng)絡(luò )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(lèi)型。

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

　　3.2 HLR

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

　　3.3 MSC

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

　　a) 基于SGs接口的移動(dòng)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(guān)系;IMSI去附著(zhù)，在VLR刪除IMSI和SGs接口的映射關(guān)系。

　　b) 語(yǔ)音業(yè)務(wù)流程，包括SGs接口的尋呼。

　　同時(shí)GMSC也需進(jìn)行升級，支持Sv接口，并通過(guò)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(dòng)網(wǎng)的基礎單元，完成用戶(hù)空口的信息交互過(guò)程。對于互操作內容的空閑態(tài)小區雙向重選、數據連接態(tài)LTE向2G/3G小區重選或切換大都可以通過(guò)軟件升級方式來(lái)完成;但對語(yǔ)音業(yè)務(wù)的回落功能，現有的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(shí)現，雖然可以通過(guò)軟件升級來(lái)完成，但是大多數對接口、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(lái)的必然是現網(wǎng)設備的大規模調整。

　　4 他山之石，可以攻玉

　　互操作不是個(gè)案問(wèn)題，不同電信運營(yíng)商、不同技術(shù)制式都面臨這個(gè)選擇，因此關(guān)注和了解他們的做法，對中國運營(yíng)商，對E-UTRAN、UTRAN和GERAN技術(shù)都有很好的參考與借鑒作用。

　　4.1 國外運營(yíng)商的選擇，可供中國運營(yíng)商參考

　　截至2011年1月，全球范圍內已有17個(gè)正式商用的LTE網(wǎng)絡(luò )，分布于15個(gè)國家和地區。由于LTE網(wǎng)絡(luò )剛開(kāi)始建設，其覆蓋程度、用戶(hù)數量都還處在極其初級的階段;同時(shí)市場(chǎng)上的LTE終端大部分都是數據卡或路由器，在這種情況下，為互操作升級現有網(wǎng)元設備的風(fēng)險和帶來(lái)的效益遠不能成正比。因此，運營(yíng)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，隨著(zhù)LTE網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)數量的增加、用戶(hù)業(yè)務(wù)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(yíng)商將基于3GPP定義的標準功能，循序漸進(jìn)地引入互操作內容。首先，實(shí)現空閑狀態(tài)下系統間的雙向小區重選;同時(shí)，針對已發(fā)起的數據呼叫，開(kāi)啟LTE到UTRAN/GERAN的PS切換。LTE建網(wǎng)初期主要以數據卡業(yè)務(wù)為主，因此上述功能基本上能實(shí)現以2G/3G覆蓋彌補LTE覆蓋不足的目的。

隨著(zhù)LTE終端類(lèi)型的多樣化，當其發(fā)起或接收語(yǔ)音呼叫時(shí)，可以通過(guò)CSFB，回落到2G/3G網(wǎng)絡(luò )CS域完成此呼叫。未來(lái)出于市場(chǎng)競爭的需要，運營(yíng)商也將有可能會(huì )開(kāi)通基于LTE的VoIMS，要求LTE與2G/3G系統支持SR-VCC。終端在離開(kāi)LTE覆蓋區時(shí)，可以平滑