基于LTE的話音回落技術應用*

錢雯珺，杜艷艷

（中國移動通信集團上海有限公司，上海 200060）

1 引言

移動網絡數據業務類型的日益豐富，促使了移動數據流量的快速增長，并對移動接入帶寬提出了更高的要求。為了進一步提高移動網絡的無線接入速率、提供更高的系統容量、降低運營商的OPEX，3GPP在2004年啟動了LTE/EPC項目。隨著LTE技術標準化的加快推進，以及產業鏈的逐步成熟， LTE規模試驗網已經在全球范圍內廣泛展開。

LTE從提出之初，即是以實現寬帶無線接入、吸收熱點地區的數據業務為主要目的，其解決的首要問題還是承載高速率的數據業務。考慮到目前移動網絡上的金牌業務仍是話音，因此LTE也制定了大量關于承載話音業務的互操作規范。根據實現方式的不同，主要可分為2個方案：CS Fallback和SRVCC。CS Fallback主要應用于LTE建設初期，IMS網絡還未部署、LTE網絡尚不能提供VoIP業務、話音和SMS等業務僅能由2G/3G網絡CS域提供的階段。在同時存在LTE和2G/3G覆蓋的區域，可以通過CS Fallback技術將話音業務回落到2G/3G網絡，從而實現終端優先駐留在LTE網絡以享受高速數據業務、在需要話音服務時才返回2G/3G網絡發起CS話音呼叫。當部署了IMS之后，就可以在LTE網絡上承載話音業務。在這一時期，就可以使用SRVCC技術實現在IMS控制、LTE網絡承載的VoIP話音與2G/3G網絡承載的CS話音之間的無縫切換。

從技術本身和建設成本等多方面分析，SRVCC方案將是最終的目標解決方案。而CS Fallback技術則可以用在IMS/SRVCC成熟商用前，臨時提供CS話音接入。雖然說CS Fallback屬于過渡階段的解決方案，但出于對現有CS網絡投資的保護和LTE/EPC的部署策略考慮，CS Fallback技術可能將持續較長一段時間。本文即是從CS Fallback的技術研究出發，探討在不同場景下的CS Fallback應用所面臨的問題和解決方案。

2 CS Fallback技術介紹

當LTE網絡不能提供話音業務時，CS Fallback技術可以觸發終端從LTE接入回落到2G/3G網絡接入使用CS業務。實現CS Fallback功能需要在MME與MSC Server之間引入SGs接口。當終端附著在LTE網絡的同時，還可以通過SGs接口附著在CS域，當其他用戶呼叫該用戶時就能夠尋呼成功。這樣，終端就可以優先駐留在LTE網絡享受高速數據業務，同時在需要話音服務時還能返回到2G/3G網絡發起CS話音呼叫。

2.1 架構

圖1 CS Fallback架構

CS Fallback邏輯架構如圖1所示。

2.1.1 SGs接口

CS Fallback技術中關鍵的接口是SGs接口，它是MME與MSC Server之間的控制點，用于EPS和CS域之間的移動性管理和尋呼流程。SGs接口基于Gs接口協議，并在其現有流程基礎上進行了擴充。

2.1.2 UE

具有CS Fallback能力的UE既能通過E-UTRAN接入EPC網絡，也能通過GERAN/UTRAN網絡接入到CS域。因此UE也需要支持聯合的EPS/IMSI附著、更新和去附著流程，以及使用CS域業務時的CS Fallback流程。

2.1.3 MME

為支持CS Fallback，MME需要支持如下功能：能夠從UE收到的GUTI中或者從默認的LAI中獲取VLR號碼；能夠為EPS/IMSI聯合附著的UE，維護SGs接口的關聯；能夠在EPS去附著的時候發起IMSI去附著；當MSC由于CS業務尋呼UE時，能夠發起到eNode B的尋呼流程；能夠支持CS Fallback時的SMS業務；能夠因O&M等原因拒絕CS Fallback的呼叫請求；當多個MSC/VLR為一個LAI服務的時候，支持CS Fallback的MME能夠使用LAI和從IMSI中獲得的散列值來確定VLR號碼。

2.1.4 MSC

MSC需要能夠為EPS/IMSI聯合附著的UE，維護SGs接口的關聯；需要能夠在SGs和Iu/A接口并行地尋呼用戶；需要能夠支持CS Fallback時的SMS業務。

2.1.5 E-UTRAN

E-UTRAN需要能把尋呼請求和SMS前轉給UE；能把UE指向到目標CS域的適當小區。

2.2 移動性管理

下面對CS Fallback相關的附著流程、去附著流程、位置更新流程作一簡單介紹。

2.2.1 附著

首先，UE向MME發送Attach Request請求，消息中指示UE請求EPS/IMSI聯合附著，并告知網絡UE有能力并已配置使用CS Fallback。隨后，執行EPS附著流程。MME收到UE發送的請求EPS/IMSI聯合附著的Attach Request請求后，會分配一個默認的LAI。該LAI根據運營商策略分配，在MME中配置，一般都是考慮當前TAI/E-CGI對應的LAI。MME基于分配的LAI和IMSI散列函數獲得VLR號碼。MME向MSC/VLR發起位置更新流程，并在VLR中標記該MS是EPS附著。VLR通過保存MME的IP地址來創建跟MME之間的SGs關聯，并在CS域完成位置更新流程后向MME發送位置更新接受的響應。MME將LAI、VLR以及MSC分配的TMSI等信息包含在Attach Accept消息中發送給UE，標志著聯合附著成功。

2.2.2 去附著

CS Fallback的去附著流程分為UE發起、MME發起和HSS發起。在這些去附著流程中，MME都需要通過SGs接口向MSC發送IMSI Detach Indication消息，指示VLR刪除該用戶的SGs關聯。

2.2.3 聯合的TA/LA更新

在用戶移動到新的TA或者需要重新創建SGs關聯時，需要進行聯合的TA/LA更新。首先，UE向新的MME發送TAU請求，并指示這是一個聯合的跟蹤區/位置區（TA/LA）更新請求。隨后，執行EPS附著流程。如果LA改變或者需要建立關聯，新的MME會向VLR發送位置更新請求消息。VLR在CS域完成位置更新流程后，向MME發送位置更新接受信息。聯合的TA/LA更新成功后，新的LAI 、VLR和 TMSI會發給UE。

2.2.4 周期性的TA/LA

如果用戶駐留在E-UTRAN區域，就只需要執行周期性的TA更新，而不需要執行周期性的LA更新。如果MME沒有收到周期性的TA更新，它就會隱式去附著UE，并釋放和MSC/VLR的SGs接口關聯，改由MSC來管理LA更新，MSC將繼續為UE保持登記的LA。這樣，當該用戶有被叫業務時，仍然可以在登記的LA內尋呼。

2.3 話音呼叫流程

下面將主要介紹一下CS Fallback的話音呼叫流程。

2.3.1 主叫流程

主叫流程較為簡單。當用戶需要使用話音業務時，UE會向E-UTRAN網絡發送CS業務請求。然后在EPS網絡的幫助下完成目標小區的選擇，并接入到CS域中完成后續的CS業務。下面以目標網絡支持PS切換為例，介紹CS Fallback主叫的具體流程，如圖2所示。

（1a）UE向MME發送業務請求，指示此次呼叫為CS Fallback的呼叫。

（1b) MME向eNode B發送S1-AP請求消息，對eNode B指示UE需要切換到UTRAN/GERAN的CS域來完成此次呼叫。

（2) eNode B可以向UE請求一個測量報告來決定PS業務將會切換到GERAN/UTRAN的哪個目標小區。

（3）eNode B通過向MME發送切換請求來觸發向GERAN/UTRAN相鄰網元的PS切換。

（4）UE通過BSS/RNS向MSC發送CM Service Reques消息。

（5）如果用戶切換到的MSC與用戶在EPS/IMSI聯合附著時的MSC不一樣的話，目標MSC將拒絕業務請求，同時觸發UE進行CS域的位置更新。

（6）用戶切換到目標小區后，就可以發起CS話音呼叫。

（7）在CS業務結束后，UE可以重新返回E-UTRAN網絡。

如果目標網絡不支持PS切換，在上述步驟3中，eNode B會向用戶發送RRC消息，來觸發到GERAN鄰區的RAT間的小區改變命令；同時eNode B會向MME發送S1 UE Context Release Request消息，說明UE不能支持PS業務，MME將保留non-GBR承載，去激活GBR承載。

圖2 CS Fallback主叫流程

如果目標網絡不支持PS切換，在上述步驟3中，eNode B會向用戶發送RRC消息，來觸發到GERAN鄰區的RAT間的小區改變命令；同時eNode B會向MME發送S1 UE Context Release Request消息，說明UE不能支持PS業務， MME將保留non-GBR承載，去激活GBR承載。

2.3.2 被叫流程

當網絡側向附著在E-UTRAN網絡上的UE發起呼叫時，MSC會通過SGs接口在E-UTRAN網絡尋呼UE，從而確保CS被叫業務對于附著在E-UTRAN網絡上的UE也可達。UE向MME返回尋呼響應時，會指示其具有CS Fallback能力，后續流程同主叫流程。

下面以用戶處于激活狀態，且目標網絡支持PS切換為例，介紹CS Fallback被叫的具體流程，如圖3所示。

（1a）MSC收到入局呼叫后，通過SGs接口將CS尋呼消息轉給MME，MME對UE進行CS尋呼。

（1b）UE向MME發送業務請求，指示此次呼叫為CS Fallback的呼叫。

（1c）MME收到業務請求后，會向MSC發送CS尋呼拒絕消息來終止CS尋呼流程。

（1d）MME向eNode B發送S1-AP請求消息，對eNode B指示UE需要切到UTRAN/GERAN的CS域來完成此次呼叫。

（2）eNode B可以向UE請求一個測量報告來決定PS業務將會切換到GERAN/UTRAN的哪個目標小區。

（3）eNode B通過向MME發送切換請求來觸發向GERAN/UTRAN相鄰網元的PS切換。

（4）UE通過BSS/RNS向MSC發送Paging Response消息。

（5）如果用戶切換到的MSC與用戶在EPS/IMSI聯合附著時的MSC不一樣的話，目標MSC將拒絕業務請求，同時觸發UE進行CS域的位置更新。

（6）用戶切換到目標小區后，就可以發起CS話音呼叫。

（7）在CS業務結束后，UE可以重新返回EUTRAN網絡。

如果UE處于空閑狀態，當UE收到CS尋呼消息后，會向MME返回Service Request消息以建立PS信令連接。eNode B會根據MME的指示，幫助UE完成小區重選并指示UE執行切換，通過UTRAN/GERAN接入到CS域完成后續CS業務。

圖3 CS Fallback被叫流程

3 一般場景下的CS Fallback應用

CS Fallback技術從本質上來說，仍是一個會話建立的過程。當需要發起話音業務時，UE回落到2G/3G網絡，使用2G/3G CS網絡發起話音業務；當用戶收到被叫請求時，自動從LTE網絡切換到2G/3G網絡，通過2G/3G CS網絡發起話音業務，完成呼叫。

因此，CS Fallback技術適用于2G/3G網絡與LTE網絡重疊部署的場景，并且為支持CS Fallback功能，還需要重疊覆蓋區域的MSC均升級支持SGs接口等功能。但在LTE建設初期，為減少對現網的影響，對MSC宜采用循序漸進、逐步改造的方式。這樣，就有可能出現如下情形：與LTE網絡重疊覆蓋的區域僅部分MSC支持CS Fallback功能。此時，就很有可能出現用戶附著的MSC和當前實際所處位置的MSC不是同一個的情況。如圖4所示的場景中，在EPS/IMSI聯合附著時，在該TA下的用戶可能全部登記到支持CS Fallback功能的MSC 1上。

圖4 TA同覆蓋區域下僅部分MSC支持CS Fallback

此時，如果用戶發起CS主叫業務，那么在主叫流程（見圖2）的第5步中，由于目標MSC 2中并未登記該用戶的信息，因此MSC 2就會拒絕業務請求，并觸發UE進行CS域的位置更新。在位置更新流程完成后，UE就能通過新的目前實際所處區域的MSC 2發起CS話音呼叫。因此在這種場景下，主叫業務并不受影響。

但是，對于被叫業務來說，由于用戶在EPS/IMSI聯合附著時是登記在與MME存在SGs接口的MSC 1上，那么被叫就會尋呼到MSC 1，再由MSC 1通過SGs接口在LTE網絡尋呼UE。UE為了響應尋呼，向當前所處區域的MSC 2發起業務請求，但由于MSC 2中并未登記該用戶的信息，因此MSC 2就會拒絕業務請求。而MSC 1上卻因遲遲得不到UE的響應，最終導致被叫失敗。

為了解決給被叫終端發尋呼的MSC不是終端回落后所在的MSC而導致呼叫失敗的問題，一種方案是對于2G/3G網絡與LTE網絡重疊覆蓋區域的MSC進行全部升級。但是這種方案一方面會增加網絡建設的難度，另一方面也會因MSC升級規模擴大而產生較高的成本，而這些升級的功能在SRVCC后又會因閑置而處于浪費狀態。另一種方案是由3GPP提出，其定義了Mobile Terminating Roaming Retry（MTRR，移動終呼漫游重試）呼叫流程來進行相關處理。它的主要思想是：當UE收到原先登記的MSC 1發來的尋呼請求、并在當前所處區域的MSC 2發起業務請求遭拒絕后，發起位置更新流程；在位置更新流程中，HSS就會向原先登記的MSC 1發送Cancel Location消息；MSC 1暫停尋呼計時，并告知發出尋呼的GMSC需要為該UE重新選擇MSC；GMSC重新向HSS索取用戶的漫游號碼，此時該用戶已登記在新的MSC 2上，HSS就向GMSC返回新的漫游號碼；GMSC將IAM消息發送給新的MSC 2，從而完成后續的CS業務。MTRR的應用能夠在呼叫失敗后自動進行位置區更新，釋放終端在原登記MSC中的信息，并通過新的MSC重新尋找被叫路由，使得呼叫不被中斷。該方案能夠解決被叫失敗的問題，但在額外增加了HSS、GMSC升級需求的同時也增加了尋呼時延。

4 MSC Pool場景下的CS Fallback應用

隨著MSC Pool的規模部署，在這種場景下應用CS Fallback也是在LTE建設期間需要考慮的問題。下面以圖5所示場景為例，探討CS Fallback在MSC Pool場景下的應用。其中，MSC Pool內僅有一臺MSC（MSC 1）已升級支持CS Fallback功能。在EPS/IMSI聯合附著時，在該TA下的用戶會全部登記到支持CS Fallback功能的MSC 1上，同時MME會把MSC 1為用戶分配的TMSI發送給UE。

圖5 MSC Pool場景下CS Fallback應用

對于主叫業務來說，UE在CS域發起業務請求時，會攜帶已分配的TMSI號碼；BSC/RNC會根據TMSI中的NRI信息，將業務請求路由到MSC 1中；MSC 1中原先已登記有該用戶的信息，用戶切換到的MSC與用戶在EPS/IMSI聯合附著時的MSC一致，主叫成功。

對于被叫業務來說，尋呼請求首先發送到用戶在EPS/IMSI聯合附著時登記的MSC 1上；MSC 1通過SGs接口在LTE網絡尋呼UE；UE為了響應尋呼，在CS域發起尋呼響應，同時攜帶已分配的TMSI號碼；BSC/RNC會根據TMSI中的NRI信息，仍將尋呼響應路由到MSC 1中；用戶切換到的MSC與用戶在EPS/IMSI聯合附著時的MSC一致，被叫成功。

從上述分析來看，在2G/3G網絡與LTE網絡重疊覆蓋區域，2G/3G網絡如果已經部署了MSC Pool，那么僅需在Pool內選取一個或若干個MSC進行升級支持CS Fallback功能，就能實現在全Pool范圍內通過CS回落使用話音業務的目的。從而避免了大規模改造MSC而帶來的建設難題和成本壓力。

5 小結

CS Fallback主要適用于LTE部署初期，在尚未部署IMS或者LTE無法承載VoIP時，可以通過使用CS Fallback來提供話音業務。UE處于LTE和2G/3G同覆蓋區域內，當需要發起話音業務時，UE回落到2G/3G網絡，使用2G/3G CS網絡提供話音業務，同時還可以將數據業務轉移到2G/3G PS網絡。當用戶收到被叫請求時，也會自動從LTE網絡切換到2G/3G網絡，用以完成呼叫。

但是對于一般場景，如果與LTE網絡重疊覆蓋的2G/3G網絡中僅部分MSC支持CS Fallback功能，雖然主叫業務可以進行，但可能出現被叫業務失敗的情況。為了解決這一問題，可以通過覆蓋范圍內MSC全升級或采用MTRR技術。但前者會加大網絡建設難度并增加升級成本，后者則可能會導致被叫時延過長。

而對于MSC Pool場景，CS Fallback的主叫業務和被叫業務均不受Pool內MSC升級數量的影響。在2G/3G網絡與LTE網絡重疊覆蓋區域，僅需在Pool內選取一個或若干個MSC進行功能升級，就能在全Pool范圍內都使用CS Fallback業務。

因此，在MSC Pool規模部署的前提下，可以考慮在MSC組Pool區域優先部署LTE，并使用CS Fallback技術來滿足在LTE網絡中使用話音業務的需求。

[1]3GPP TS 23.272, Circuit Switched Fallback in Evolved Packet System[S].

[2]魏克軍. LTE話音業務解決方案——CS Fallback技術分析與探討[J].電信技術，2011,(8).

[3]李俠宇. EPS網絡CS Fallback技術研究[J]. 電信網技術，2009,(6).

[4]林良書，基于LTE/SAE網絡的話音解決方案研究[A]. 中國通信學會第六屆學術年會論文集（下）[C]. 2009.