LTE与2G/3G系统互操作研究

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。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。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。

　　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

　　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。