第三代移动通信系统与ＧＳＭ间的切换问题

    摘要：越区切换是第三代移动通信系统的研究热点。第三代移动通信系统要兼容ＧＳＭ及其它第二代移动通信系统，所以它们之间要能互操作，系统间的切换是其中的一个重要问题。本文介绍了系统间切换和漫游的原理，以及各种要求。 

    关键词：切换  漫游  分组交换域  电路交换域

    第三代移动通信系统的目标是支持多种业务，从语音和低速率数据业务到高速率数据业务。对于车辆达到１４４Ｋｂ／ｓ；从室外到室内达到３８４Ｋｂ／ｓ；对于室内和微微蜂窝环境达到２Ｍｂ／ｓ。支持面向电路和面向分组的业务。第三代移动通信系统将适应各种无线环境，从城区到郊区、从丘陵地区到山区微蜂窝、微微蜂窝和室内环境向任何人在任何时间、任何地方提供业务。第三代移动通信系统要兼容第二代移动通信系统，要能够互相漫游和切换。图１是第三代移动通信系统ＵＭＴＳ的无线接入网（ＵＴＲＡＮ）的结构。

１ 各种切换简介

    在所有的方式中，ＵＥ都以ＦＤＤ或ＴＤＤ模式，通过专用或公共信道与ＵＴＲＡＮ连接。若使用公共传输信道，只能进行硬切换，若使用专用传输信道，可以进行软切换或硬切换。在ＦＤＤ或ＴＤＤ模式间只能进行硬切换。

１.１ 节点Ｂ内的切换

    （１）蜂窝内的切换它覆盖了移动站不改变蜂窝，但改变频率／码的情况。

    （２）蜂窝间的切换：它是节点Ｂ内切换的另一种情况，即无线链路从同一节点Ｂ的一个蜂窝切换到另一个蜂窝。在节点Ｂ支持双模式情况下，它可以包括模式间的切换。

１.２ 节点Ｂ间的切换

    （１）ＲＮＳ内的切换：它涉及节点Ｂ的变化，因此在软切换情况下，ＲＮＣ对上行链路进行“合并”。若ＲＮＣ支持双模式，ＲＮＳ内的切换可能包括模式的切换。软切换和硬切换都由ＵＴＲＡＮ支持。

    （２）ＲＮＳ间的切换（有Ｉｕｒ）：切换仍发生在ＵＴＲＡＮ内，但在由不同ＲＮＣ控制的蜂窝间。此方式可分为两个阶段，切换和重新选择ＳＲＮＳ。对特定的ＵＥ，重新选择ＳＲＮＳ阶段是任选的。ＲＮＳ内的硬切换可能包括模式的切换。此方式的软切换和硬切换由ＵＴＲＡＮ支持。当ＵＥ只通过一个或多个漂移ＲＮＣｓ连接或使用由服务ＲＮＣ直接控制的无线资源进行连接时启动重新选择ＳＲＮＳ阶段。在Ｒｅｌｅａｓｅ ９９中，只支持所有无线链路都在一个ＤＲＮＳ中并且ＤＲＮＣ是目的ＲＮＣ的情况。

    （３）ＲＮＳ间的切换（无Ｉｕｒ）：它适用于ＲＮＳｓ间无Ｉｕｒ接口的情况。ＵＴＲＡＮ只能支持此方式的硬切换。此方式可能包括模式的切换。

１.３ ＵＲＡＮ（不同的ＵＲＡＮ类型）间的切换

    用于连接到ＵＭＴＳ核心网的ＵＴＲＡＮ和其它类型的无线接入（如ＢＲＡＮ）间的切换。Ｒｅｌｅａｓｅ ９９的ＵＴＲＡＮ不支持此方式。它不包括与ＧＳＭ间的切换。

１.４ ＣＮ（相同的ＵＲＡＮ类型）间的切换

    用于连接到不同ＵＭＴＳ核心网的两个ＵＴＲＡＮ间的切换。ＵＴＲＡＮ只能支持此方式的硬切换。此方式可能包括模式的切换。

１.５ ＣＮ（不同的ＵＲＡＮ类型）间的切换

    它是前两种方式的组合，包括ＵＴＲＡＮ（连接到一ＵＭＴＳ ＣＮ）与其它无线接入（连接到另一ＵＭＴＳ ＣＮ）间的切换。Ｒｅｌｅａｓｅ ９９不支持此方式。

１.６ ＣＮ（不同的ＣＮ／ＵＲＡＮ类型）间的切换

    用于ＵＭＴＳ－ＧＳＭ间的切换。它更通用于有不同的ＵＲＡＮ类型的核心网间的切换。ＵＴＲＡＮ只支持硬切换。一般假设ＵＴＲＡＮ－ＢＳＳ间没有直接的接口。

１.７ ＣＮ（ＵＴＲＡＮ－ＧＳＭ／ＧＰＲＳ）内的切换

    用于ＵＴＲＡＮ与ＧＳＭ ＢＳＳ间的切换。ＵＴＲＡＮ只支持硬切换。一般假设ＵＴＲＡＮ－ＢＳＳ间没有直接的接口，因此ＧＳＭ ＢＳＳ与ＵＴＲＡＮ间的切换由核心网支持。

２ 基本要求

２.１ 对业务能力的要求

    · 一个应用可以接受或拒绝所提供的ＱｏＳ；

    · 应用可以处理进行切换的业务效果，如传真的重传；

    · 应用可以择优地选择无线资源，如用于ＳｏＬＳＡ。

    因此需要一个应用可用的业务能力组能够提供切换正在进行或将要进行的指示，此指示包含切换的类型及所使用的资源等信息。业务能力应支持ＱｏＳ的协商。

    ＵＭＴＳ业务能力组将支持局部化的服务区域（ＬＳＡ），它方便于应用的生成。此应用完成基于ＬＳＡ（例如：当用户在办公室内，就应提供用于解决室内无线问题的无线覆盖）的依赖于用户的无线资源选择。这将使切换在ＵＭＴＳ内或其它无线系统内进行。

２.２ 一般的操作考虑

    为支持ＵＭＴＳ与其它无线系统间或ＵＴＲＡ无线接入模式间的切换而定义的机制应有效地处理各种覆盖方式：在其它无线系统提供的大范围覆盖中有限的ＵＭＴＳ覆盖或有限的ＵＴＲＡ无线接入模式，或相反的情况；在地理位置的边缘可选择运行方式，边缘的一边是ＵＭＴＳ覆盖而另一边是其它无线系统覆盖；地理上并置的ＵＭＴＳ和其它无线系统覆盖的区域。

    ＰＬＭＮｓ间的切换在执行时应具有任选的特性。改变无线条件可能引起切换。在ＰＬＭＮｓ间切换的过程可能涉及到下列网络：

    · 用户的原籍网络，即可以知道用户预订业务的运营商；

    · 用户现在登记的访问网络，即用户最近完成位置更新过程的网络；

    · 为订户提供服务的、覆盖蜂窝的服务网络。在成功地完成位置更新过程后，服务网络等同于访问网络；

    · 覆盖ＰＬＭＮｓ间切换的候选目的蜂窝的目的网络。目的网络和服务网络的覆盖有重叠，但不一定和访问网络有重叠。

２.３ 对ＰＬＭＮｓ间切换的最低要求

    · 在切换过程中要保持正在进行的呼叫的连续性；

    ·ＰＬＭＮｓ间切换的记费，支付和统计应根据ＵＭＴＳ２２．１５定义的原理；

    · 能够和原籍网络一起检查是否允许用户从访问网络切换到目的网络；

    ·目的网络决定是否接受切换请求；

    ·只有目的网络提供呼叫所需的无线信道类型时才发起切换过程；

    · 避免“网络的跳动”，即对同一呼叫，在邻近的网络间进行连续的切换过程；

    · 当进行ＰＬＭＮｓ间切换时，有可能进行用户通告。

    在ＰＬＭＮｓ间切换的情况下，允许记费记录含有切换时间的方法应标准化。记费记录必须能够反映出ＵＴＲＡ无线接入的级别，运行模式和切换后的网络类型。应具有提供和切换频率及类型有关的网络管理信息的能力。

    无论在网络侧还是在终端侧，ＵＴＲＡＮ标准应便于有效地进行ＧＳＭ与ＵＭＴＳ间的多模式操作。对ＧＳＭ网络的影响应尽量小。切换不需要用户的干预。

    和切换有关的安全特性在ＵＭＴＳ３３．２１中定义，但切换不用兼顾下列安全：网络提供的新的无线资源；网络提供的原来的无线资源；终端ＵＥ。安全机制应迎合适当的验证过程并满足用于合法窃听的国家管理的需要。

３ ＵＭＴＳ间进行切换的要求

    对由于ＵＥ的移动而引起的切换，有可能提供理想的技术实现，即在切换时对任何业务都不会产生可感觉到的质量影响。这并不意味所有的ＵＭＴＳ切换都能实现理想的情况。但标准应定义至少在一种ＵＴＲＡ无线接入模式下，在下列情况下可实现理想的切换：对给定的业务，ＵＥ的速度在限度内；在单一的ＵＴＲＡＮ的ＵＭＴＳ覆盖内，ＵＥ的速度保持恒定。

    标准应允许无线接入模式间切换的技术实现，尽管在切换期间有可能暂时影响承载业务的ＱｏＳ。

    必须考虑涉及使用多承载的多媒体业务。如对蜂窝负载，可能出现目的蜂窝不支持现服务蜂窝提供的组合承载业务的情况。对应用应提供指示在切换后最低可接受的业务ＱｏＳ的方法。尽管不是所有的ＵＭＴＳ承载业务都可以切换，也不能排除切换到其它ＵＭＴＳ蜂窝。

４ ＵＭＴＳ与ＧＳＭ及其它无线系统间的切换

    ＵＭＴＳ是向无线终端提供通信和信息业务的“第三代”移动蜂窝无线通信系统。移动蜂窝系统具有当无线终端在由不同基站控制的无线覆盖区域内移动时，能够保持提供给移动终端业务的连续性的特性。此功能称为“切换”。在没有改变基站的情况下，由于改变了提供业务所使用的无线资源也发生切换。特别是当提供业务所需的无线资源从一种ＵＴＲＡ无线接入模式转换到另一种ＵＴＲＡ无线接入模式（ＵＴＲＡ－ＦＤＤ和ＵＴＲＡ－ＴＤＤ）时，也称为切换。允许多模式终端在ＵＭＴＳ和其它无线系统间进行切换是对ＵＭＴＳ的基本要求。

    从用户方面来看，切换和漫游是透明的，重复使用现有的预定描述。这将使新的ＵＭＴＳ网络的使用和管理更容易。ＵＭＴＳ｀系统支持ＧＳＭ与ＵＭＴＳ间的双向切换。为了有效地支持这些切换，在ＧＳＭ／ＵＭＴＳ中，同时支持ＩＳＤＮ／ＰＴＳＮ和分组业务的双模式ＭＳ／ＵＥ需要下列条件：

    根据采用的ＧＳＭ－ＵＭＴＳ切换方式，一旦ＧＳＭ与ＵＭＴＳ间的切换完成，根据ＵＥ的活动性需要同时支持ＩＳＤＮ／ＰＴＳＮ和分组业务的双模式ＭＳ／ＵＥ在ＣＮ内完成适当的更新。此更新是为了避免在切换后接入分组业务时出现严重的中断。切换后进行双向更新，根据ＵＥ的活动性以下列方式更新：

    ＩＳＤＮ／ＰＳＴＮ连接：只更新ＲＡ（如果ＲＡ已变化）；

    分组连接：更新ＲＡ和ＬＡ（如果ＲＡ和ＬＡ已变化）；

    ＩＳＤＮ／ＰＳＴＮ和分组连接：只更新ＲＡ（如果ＲＡ已变化）；

    如果ＲＡ，ＬＡ或ＬＡ与ＲＡ都没有变化，ＭＳ／ＵＥ的动作有待于进一步研究。

４.１ 电路交换域切换和漫游的原理

    在兼容现有网络和使用双模式手持终端的情况下，ＵＭＴＳ应以最简单的方式完成它与其它网络的切换和漫游，对传统的网络和标准尽量少地改动，即ＭＳＣ间的切换功能。从用户的观点来看，这些原理提供了切换和漫游的透明性。另外，提供ＵＭＴＳ业务的运营商也允许使用现有的用户描述（ｐｒｏｆｉｌｅ）和网络接口接入到传统的网络。

    从图２中可以看出，Ｉｕ上的信息交换必须提供必需参数以使核心网能够通过ＭＡＰ接口进行用于切换的通信。连接ＨＬＲ的现有接口允许使用已定义的用户描述进行预定管理，在第二代系统与ＵＭＴＳ间提供无缝漫游。

    应使用现在的ＧＳＭ切换过程以减小对现有ＧＳＭ设备的影响：

    · ＵＭＴＳ和ＧＳＭ间的切换应使用ＧＳＭ的ＭＳＣ间切换的归属（ａｎｃｈｏｒ）概念。

    · Ａ接口和ＭＡＰ／Ｅ接口上的信令应和ＧＳＭ ｐｈａｓｅ ２＋的相同，在某些信令信息中可能有些新的或修改的信息单元。

    · 在ＵＭＴＳ与ＧＳＭ切换时，Ｉｕ接口上的控制信令基于ＧＳＭ中ＭＳＣ间切换Ａ接口上的信令。

    · 在呼叫建立时，与双模式ＵＭＴＳ／ＧＳＭ移动站间的Ｉｕ接口上的信令应包括ＵＭＴＳ切换到ＧＳＭ所需的ＧＳＭ信息单元。相应地，在呼叫建立时，与双模式ＵＭＴＳ／ＧＳＭ移动站间的Ａ接口上的信令应包括ＧＳＭ切换到ＵＭＴＳ所需的ＵＭＴＳ信息单元。

    · 在从ＵＭＴＳ切换到ＧＳＭ时，基于ＣＧＩ的目的蜂窝从ＵＴＲＡＮ发送到ＭＳＣ。ＣＧＩ指明了目的ＭＳＣ和目的蜂窝。

    · 在从ＧＳＭ切换到ＵＭＴＳ时，基于ＣＧＩ的目的蜂窝从ＢＳＳ发送到ＭＳＣ。ＣＧＩ指明了目的ＵＭＴＳ ＭＳＣ和目的ＲＮＣ。

    如果ＵＭＳＣ和ＭＳＣ位于同一“物理”节点，ＵＭＳＣ与ＭＳＣ间不需要ＭＡＰ和ＩＳＵＰ信令。

４.２ 分组交换域切换和漫游的原理

    即使现在没有ＧＰＲＳ，运营商也可以在建立ＵＭＴＳ网前先建立ＧＰＲＳ网络。因此ＵＭＴＳ核心网需要和传统的分组网相连。和电路交换的情况一样，ＵＭＴＳ应以最简单的方式完成它与其它网络的切换和漫游，对ＧＰＲＳ网络和标准尽量少地改动，即ＧＳＮ间的切换功能。另外，提供ＵＭＴＳ业务的运营商也允许使用现有的用户描述（ｐｒｏｆｉｌｅ）和网络接口接入到ＧＰＲＳ网络。

    从图３中可以看出，在传统分组交换和ＵＭＴＳ分组交换业务间提供交互功能，Ｉｕ上的信息交换必须提供必需参数以使核心网能够通过Ｇｎ接口进行用于切换的通信。和电路交换一样，在第二代系统与ＵＭＴＳ间提供无缝漫游。

    即使在ＧＳＭ与ＵＭＴＳ间切换后，激活的ＰＤＰ上下文仍驻留在相同的ＧＧＳＮ中。它相应于电路交换的归属概念，但要注意到分组会话长期保持活跃，而归属 ＭＳＣ只在呼叫期间保持。

    假设ＵＭＴＳ ＣＮ有一内部结构包含逻辑的ＧＧＳＮ和ＳＧＳＮ节点，系统间ＧＧＳＮ－ＳＧＳＮ接口上的信令应是ＧＳＭ系统和ＵＭＴＳ的Ｇｎ的共同进化，即当Ｇｎ在ＧＳＭ中进化时，Ｇｎ应包括互操作所需任意新的或更新的信息。

    相应的ＳＧＳＮ－ＳＧＳＮ系统间的接口也应一起进化。

４.３ 从ＵＭＴＳ切换到ＧＳＭ的要求

    当ＵＥ完成切换到ＧＳＭ后，和在不同位置区域的不同蜂窝间的切换有关的ＧＳＭ业务要求就作为基准。对ＵＭＴＳ到ＧＳＭ的切换，不需要它有比已普遍接受的ＧＳＭ内的切换更严格的业务要求。应定义允许ＵＥ和ＧＳＭ基准一样快速检测性能的方法，即象ＧＳＭ移动站完成ＧＳＭ内的切换那样，快速地检测出潜在的ＧＳＭ切换的候选者。应有方法允许ＵＥ和ＧＳＭ基准一样检测出相同数量的ＧＳＭ切换的候选者，即象ＧＳＭ移动站完成ＧＳＭ内的切换那样，检测出一样多的ＧＳＭ切换的候选者。若ＵＭＴＳ到ＧＳＭ的切换引起连接损耗，它应满足相应于ＧＳＭ内切换的业务要求。从ＵＭＴＳ切换到ＧＳＭ期间引起业务性能的下降应不大于ＧＳＭ内切换引起的业务性能下降。

    ＵＭＴＳ语音信道切换到ＧＳＭ将引起ＧＳＭ语音终端业务连接。任何基于缺省ＵＭＴＳ语音编译码器的呼叫应映射到ＦＲ ＧＳＭ语音编译码器。在终端和ＧＳＭ网络支持ＡＭＲ／ＥＦＲ／ＨＲ的情况下，由运营者选择适当的映射。此原则也适用于紧急呼叫。

    短消息业务和蜂窝广播对切换没有要求。在切换期间不进行传真业务的传输。切换对ＵＳＳＤ业务的影响应不大于ＧＳＭ内的切换对其的影响。

    应允许面向连接的ＵＭＴＳ数据承载业务切换为ＧＳＭ中适当的ＧＳＭ／ＧＰＲＳ承载业务。ＵＭＴＳ数据承载业务映射为适当的ＧＳＭ／ＧＰＲＳ承载业务依赖于许多因素，如数据的速率，时延的限制，差错率等。对应用应提供指示在切换后最低可接受的业务ＱｏＳ的方法。应定义限制切换时暂时的性能下降的方法，使其满足ＧＳＭ对面向连接的数据承载业务的性能要求。在ＧＰＲＳ和ＵＭＴＳ间需要切换用户的上下文（ｃｏｎｔｅｘｔ）。独立于所使用的空中接口，用户应保持和外部网络的连接。多媒体业务涉及多个承载业务，当某些ＵＭＴＳ承载业务不能切换为ＧＳＭ／ＧＰＲＳ时，应允许其它的承载业务切换来保持多媒体业务。

    当ＵＭＴＳ支持ＧＳＭ的补充业务时，切换应不影响补充业务，至少在ＧＳＭ和ＵＭＴＳ网络是同一个运营商时要满足此条件。

４.４ 从ＧＳＭ切换到ＵＭＴＳ的要求

    从ＧＳＭ切换到ＵＭＴＳ所引起的暂时性能下降应不大于ＧＳＭ间切换所引起的暂时性能下降。ＡＭＲ、ＥＦＲ、ＦＲ和ＨＲ呼叫应映射为缺省的ＵＭＴＳ语音编译码器。短消息业务和蜂窝广播对切换没有要求。在切换期间不进行传真业务的传输。在ＧＳＭ中，ＵＳＳＤ是连接模式的终端业务，来自ＵＥ的ＵＳＳＤ可以终止于局部ＭＳＣ、ＶＬＲ或ＨＬＲ，因此不需要切换到ＵＭＴＳ。

    ＧＳＭ数据承载业务包括电路交换数据承载和分组交换数据承载。应允许ＧＳＭ电路交换数据承载切换为ＵＭＴＳ面向连接的数据承载业务。对应用应提供指示在切换后最低可接受的业务ＱｏＳ的方法。若ＵＭＴＳ网络不能提供，就不进行切换。应定义限制切换时暂时的性能下降的方法，使其满足ＧＳＭ对电路交换数据承载的性能要求。对分组交换数据承载，在ＧＰＲＳ和ＵＭＴＳ间需要切换用户的上下文。独立于所使用的空中接口，用户应保持和外部网络的连接（ｉｎｔｅｒｎｅｔｉｎｔｒａｎｅｔ）。ＱｏＳ的任何改变都应在业务接入点上看到，作为网络重新协商的ＱｏＳ。如果支持的ＱｏＳ不能接受，终端可以终止连接。应定义限制切换时暂时的性能下降的方法，使其满足ＧＳＭ对分组交换数据承载的性能要求。

    当ＵＭＴＳ支持ＧＳＭ的补充业务时，切换应不影响补充业务，至少在ＧＳＭ和ＵＭＴＳ网络是同一个运营商时要满足此条件。

４.５ ＰＳ域在ＧＰＲＳ／ＵＭＴＳ切换时对数据检索的要求

    在ＧＰＲＳ与ＵＭＴＳ间切换时要提供与２Ｇ－ＳＧＳＮ间ＲＡ更新时同样的可靠性。因此２Ｇ－ＧＳＧＮ与ＳＲＮＣ间的数据检索应保证和两个２Ｇ－ＳＧＳＮｓ间的数据检索一样。在两个２Ｇ－ＳＧＳＮｓ间，数据检索由Ｇｎ接口执行，即通过ＧＴＰ－ｕ／ＵＤＰ／ＩＰ。为了不改动２Ｇ－ＳＧＳＮ与ＳＲＮＣ间的数据检索，２Ｇ－ＳＧＳＮ应保持相同的协议栈。

    在ＧＰＲＳ／ＵＭＴＳ切换时对数据检索所采用的解决办法：

    对控制平面：由于通过ＧＴＰ－ｃ传输的一些参数只与ＣＮ有关，因此在３Ｇ－ＳＧＳＮ内需要终止ＧＴＰ－ｃ与２Ｇ－ＳＧＳＮ间的信令交换，在３Ｇ－ＳＧＳＮ与ＳＲＮＣ间使用Ｉｕ接口的ＲＡＮＡＰ信令。

    对用户平面：由于数据检索的计费由３Ｇ－ＳＧＳＮ执行，所以ＳＲＮＣ与２Ｇ－ＳＧＳＮ间的数据交换也由３Ｇ－ＳＧＳＮ处理（两个ＧＴＰ通道：ＳＲＮＣ与３Ｇ－ＳＧＳＮ及３Ｇ－ＳＧＳＮ与２Ｇ－ＳＧＳＮ）。这将保证：在２Ｇ－ＳＧＳＮ向ＳＲＮＣ发送用户数据时３Ｇ－ＳＧＳＮ能增加计费计数；在ＳＲＮＣ向２Ｇ－ＳＧＳＮ发送用户数据时３Ｇ－ＳＧＳＮ能减少计费计数，以避免此数据两次计费。

    我国电信对第三代移动通信系统的希望是：全球统一的标准、频率利用率高、覆盖效率好、建网要经济、要有足够的灵活性、良好的ＥＭＣ性能、容易从第二代过渡。与第二代移动通信系统间互相漫游和切换的问题是第三代移动通信系统必须解决的问题。必须根据两种系统的不同特点，提出简单有效的切换方式，保证通信的质量。