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LTE与2G/3G系统互操作研究

http://www.c114.net ( 2012/2/9 09:28 )
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。 0 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 release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-UTRAN。
     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 CSFB LTE和GSM/WCDMA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-VCC SR-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 VoLGA VoLGA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 SGSN LTE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)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。 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LTE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。 参考文献: [1] 3GPP TS 23.216 Single Radio Voice Call Continuity(SRVCC)[S/OL].[2011-12-12].http://download.csdn.net/detail/yigemeiri/2824710.
     [2] 3GPP TS 23.401 General Packet Radio Service(GPRS)enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)access[S/OL].[2011-12-12].http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/23401.htm.
     [3] 3GPP TS 23.272 Circuit Switched(CS)fallback in Evolved Packet System(EPS)[S/OL].[2011-12-12].http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/23207.htm.
     [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 蔡庆宇 冯印健   来源:邮电设计技术
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