LTE與2G/3G系統(tǒng)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(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型，促進(jìn)了移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的增長(zhǎng);移動(dòng)數(shù)據(jù)的快速增長(zhǎng)，對(duì)移動(dòng)接入又提出了新的帶寬要求。目前在網(wǎng)運(yùn)行的是2G和3G網(wǎng)絡(luò)，承載的用戶數(shù)已達(dá)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織加快了LTE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，縮短了從標(biāo)準(zhǔn)到商用的時(shí)間。LTE商用試驗(yàn)網(wǎng)在全球范圍內(nèi)已經(jīng)廣泛展開(kāi)。

　　為確?，F(xiàn)有移動(dòng)用戶良好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)感知，LTE標(biāo)準(zhǔn)在制定過(guò)程中，對(duì)與現(xiàn)有系統(tǒng)間的互操作特性進(jìn)行了大量研究，并作出了規(guī)定。本文通過(guò)對(duì)其他運(yùn)營(yíng)商和技術(shù)制式實(shí)現(xiàn)方法的介紹，提出了LTE建設(shè)初期與2G/3G系統(tǒng)間互操作的要求。

　　1 多系統(tǒng)間應(yīng)具有良好的互操作特性

　　為確保業(yè)務(wù)使用在多系統(tǒng)間的連續(xù)性，LTE規(guī)范對(duì)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(yǔ)音切換和無(wú)線連接重定向等幾個(gè)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(luò)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(luò)輔助(NACC)小區(qū)重選。

　　1.2 無(wú)線連接重定向

　　LTE與GSM/UMTS間可以進(jìn)行無(wú)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(diǎn)，終端對(duì)該頻點(diǎn)小區(qū)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(duì)該頻點(diǎn)小區(qū)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(duì)該頻點(diǎn)小區(qū)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(duì)該頻點(diǎn)小區(qū)開(kāi)始重選過(guò)程。

　　1.3 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)切換

　　在建立數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)連接時(shí)，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(wù)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(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(shù)據(jù)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(duì)于語(yǔ)音業(yè)務(wù)的切換，LTE分成2個(gè)階段來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)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(xiàn);當(dāng)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(xù)控制(SR-VCC)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體包括：

　　a)當(dāng)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(xiàn)：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(shù)據(jù)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(dāng)LTE網(wǎng)絡(luò)能夠提供IMS語(yǔ)音業(yè)務(wù)時(shí)，LTE側(cè)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(biāo)準(zhǔn)在制定之初的主要目的是提高無(wú)線移動(dòng)寬帶接入速率，技術(shù)上僅支持分組數(shù)據(jù)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(guī)范。根據(jù)實(shí)現(xiàn)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(hào)。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(dāng)運(yùn)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(shù)據(jù)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(xiàn)CSFB功能需要在MME與MSC服務(wù)器之間引入SGs接口。終端附著在LTE，同時(shí)通過(guò)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(luò)以享受高速數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中CSFB的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)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(guò)程中的時(shí)延問(wèn)題，3GPP又提出了增強(qiáng)CSFB功能，主要的方案有嵌入式LAU、安全增強(qiáng)、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(xiàn)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(qǐng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中SR-VCC的應(yīng)用場(chǎng)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(guò)程中IMS側(cè)時(shí)延過(guò)長(zhǎng)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(qiáng)型SR-VCC規(guī)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(duì)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(guī)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(tǒng)中提供語(yǔ)音的問(wèn)題，沒(méi)有得到主流運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備制造商的廣泛支持。

　　3 完備的互操作方案帶來(lái)復(fù)雜的現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備升級(jí)

　　用戶在多系統(tǒng)間業(yè)務(wù)的連續(xù)性體驗(yàn)，需要在網(wǎng)絡(luò)層面制定完備的互操作規(guī)范。對(duì)于新設(shè)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(duì)于現(xiàn)有設(shè)備，則需要考慮如何進(jìn)行升級(jí)改造來(lái)滿足新的技術(shù)要求。

　　正如引入3G網(wǎng)絡(luò)對(duì)2G設(shè)備的升級(jí)改造一樣，LTE的互操作對(duì)現(xiàn)有設(shè)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(jí)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(guān)功能。

　　b)為實(shí)現(xiàn)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(gè)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(shí)還需要升級(jí)支持HLR/HSS融合。

　　3.3 MSC

　　若現(xiàn)網(wǎng)MSC升級(jí)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(dòng)性管理，包括：IMSI位置更新請(qǐng)求，在VLR建立IMSI和SGs接口的映射關(guān)系;IMSI去附著，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(jí)，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(shè)備

　　RAN設(shè)備是組成移動(dòng)網(wǎng)的基礎(chǔ)單元，完成用戶空口的信息交互過(guò)程。對(duì)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(guò)軟件升級(jí)方式來(lái)完成;但對(duì)語(yǔ)音業(yè)務(wù)的回落功能，現(xiàn)有的RAN設(shè)備可以軟件升級(jí)支持R8版本，對(duì)于增強(qiáng)型CSFB，則大都不支持，需要更換大量的軟硬件設(shè)備。

　　這些功能的實(shí)現(xiàn)，雖然可以通過(guò)軟件升級(jí)來(lái)完成，但是大多數(shù)對(duì)接口、協(xié)議的支持，需要更換硬件，甚至平臺(tái)，才能達(dá)到要求。因此完備的互操作要求帶來(lái)的必然是現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備的大規(guī)模調(diào)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(yùn)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(duì)中國(guó)運(yùn)營(yíng)商，對(duì)E-UTRAN、UTRAN和GERAN技術(shù)都有很好的參考與借鑒作用。

　　4.1 國(guó)外運(yùn)營(yíng)商的選擇，可供中國(guó)運(yùn)營(yíng)商參考

　　截至2011年1月，全球范圍內(nèi)已有17個(gè)正式商用的LTE網(wǎng)絡(luò)，分布于15個(gè)國(guó)家和地區(qū)。由于LTE網(wǎng)絡(luò)剛開(kāi)始建設(shè)，其覆蓋程度、用戶數(shù)量都還處在極其初級(jí)的階段;同時(shí)市場(chǎng)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(jí)現(xiàn)有網(wǎng)元設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)和帶來(lái)的效益遠(yuǎn)不能成正比。因此，運(yùn)營(yíng)商大都選擇獨(dú)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(luò)用戶數(shù)量的增加、用戶業(yè)務(wù)需求和管理復(fù)雜度的上升、核心網(wǎng)設(shè)備的融合以及終端設(shè)備的成熟，國(guó)外LTE運(yùn)營(yíng)商將基于3GPP定義的標(biāo)準(zhǔn)功能，循序漸進(jìn)地引入互操作內(nèi)容。首先，實(shí)現(xiàn)空閑狀態(tài)下系統(tǒng)間的雙向小區(qū)重選;同時(shí)，針對(duì)已發(fā)起的數(shù)據(jù)呼叫，開(kāi)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(wù)為主，因此上述功能基本上能實(shí)現(xiàn)以2G/3G覆蓋彌補(bǔ)LTE覆蓋不足的目的。

隨著LTE終端類型的多樣化，當(dāng)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(jìng)爭(zhēng)的需要，運(yùn)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(tǒng)支持SR-VCC。終端在離開(kāi)LTE覆蓋區(qū)時(shí)，可以平滑