LTE與2G/3G系統互操作研究

耿玉波，蔡慶宇，馮印健（.中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京00048；.中國聯合網絡通信集團有限公司,北京 0040；.中國聯通天津分公司，天津 0005）

0 前言

移動寬帶技術的發展，豐富了移動網承載的數據業務類型，促進了移動數據業務的增長；移動數據的快速增長，對移動接入又提出了新的帶寬要求。近幾年，兩者間相互影響，相互促進，移動網呈現數據業務爆發、新技術制式層出的局面。目前在網運行的是2G和3G網絡，承載的用戶數已達9.2億。為了進一步提高移動網接入速率，同時緩解頻譜資源有限的問題，國際標準組織加快了LTE技術標準的制定，縮短了從標準到商用的時間。LTE商用試驗網在全球范圍內已經廣泛展開。

為確保現有移動用戶良好的業務體驗感知，LTE標準在制定過程中，對與現有系統間的互操作特性進行了大量研究，并作出了規定。

1 多系統間應具有良好的互操作特性

為確保業務使用在多系統間的連續性，LTE規范對不同系統間的互操作作了較為完備的規定，主要內容可分為小區選擇和重選、數據切換、語音切換和無線連接重定向等幾個方面。

1.1 小區選擇和重選

與2G/3G間互操作一樣，LTE支持多模終端在LTE與2G/3G網絡間的小區重選，具體包括：

a）空閑狀態的終端在LTE和UMTS/GSM間的小區重選。

b）CELL-PCH和 CELL-FACH狀態的終端從UMTS到LTE的小區重選。

c）GPRS-Packet-IDLE和Transfer模式的終端從GPRS到E-UTRAN的小區重選。

d）RRC連接狀態的終端從LTE到GSM的小區重選或網絡輔助（NACC）小區重選。

1.2 無線連接重定向

LTE與GSM/UMTS間可以進行無線連接重定向，具體包括：

a）RNC在RRC reject和RRC release消息中指示E-UTRAN的頻點，終端對該頻點小區開始重選過程。

b）E-UTRAN在RRC release消息中指示UTRAN的頻點，終端對該頻點小區開始重選過程。

c）BSC在RR release消息中指示E-UTRAN的頻點，終端對該頻點小區開始重選過程。

d）E-UTRAN在RRC release消息中指示GSM的頻點，終端對該頻點小區開始重選過程。

1.3 數據業務切換

在建立數據業務連接時，LTE支持與UMTS/GSM系統間的雙向切換，具體包括：

a）在LTE僅建立數據業務連接，處于Active狀態的終端從E-UTRAN切換到UTRAN/GPRS。

b）在UMTS僅建立數據業務連接，處于Cell-DCH狀態的終端從UTRAN切換到E-UTRAN。

c）在GRPS建立數據業務連接，處于GPRSPacket-Transfer狀態的終端從GPRS切換到EUTRAN。

1.4 語音業務切換

對于語音業務的切換，LTE分成2個階段來實現，當LTE網絡不能提供語音業務時，通過電路域語音回退（CSFB）功能來實現；當LTE網絡能夠提供分組域語音業務時，通過單射頻語音連續控制（SR-VCC）功能來實現，具體包括：

a）當LTE網絡不能提供語音業務時，具有CSFB能力的終端，可以實現：從LTE-IDLE狀態，重定向到UTRAN/GSM建立語音業務；從LTE-Active狀態（即建立有數據業務連接），發起PS Handover流程使得終端在UTRAN/GSM接入，發起語音業務建立流程。

b）當LTE網絡能夠提供IMS語音業務時，LTE側的語音業務可以通過SR-VCC功能切換到UMTS/GSM網絡。

2 LTE互操作的重點仍是語音業務

LTE標準在制定之初的主要目的是提高無線移動寬帶接入速率，技術上僅支持分組數據業務，但考慮到目前移動網上的金牌業務是語音，因此LTE也制定了大量關于承載語音業務的互操作規范。根據實現時間與方式的不同，主要可分為3個方案：CSFB、SR-VCC和VoLGA（LTE網絡通過通用接入承載語音）。

2.1 CSFB

LTE和GSM/WCDMA雙模終端是Single-radio模式，在使用LTE接入時，無法同時收/發GSM/WCDMA電路域業務信號。為了使終端在LTE接入下能夠收/發語音等CS業務，并且能夠正確地處理正在進行的LTE PS業務，產生了CSFB技術。當運營商還沒有部署IMS網絡，僅由CS域提供語音、SMS等服務，LTE提供數據服務時，CSFB技術可以觸發終端從LTE接入回退到GSM/WCDMA網絡接入并進行CS業務。實現CSFB功能需要在MME與MSC服務器之間引入SGs接口。終端附著在LTE，同時通過SGs附著在CS域，使得其他用戶可以呼叫該UE。這樣終端就可以優先駐留在LTE網絡以享受高速數據業務，在需要語音服務時才返回2G/3G網絡發起CS語音呼叫。

目前標準規范中CSFB的網絡架構、設備功能、主要流程等內容已經凍結；后續為了減小在回退過程中的時延問題，3GPP又提出了增強CSFB功能，主要的方案有嵌入式LAU、安全增強、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語音與CS語音之間的無縫切換。已經搭建IMS網絡實現VoIP業務是SR-VCC技術的前提，同時SR-VCC技術要求MSC服務器支持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接收切換請求和用于說明此為SRVCC處理的指示消息，然后再通過Sv參考點觸發它與MSC服務器enhanced for SR-VCC之間的切換流程。

目前標準規范中SR-VCC的應用場景、功能架構和主要流程等內容已經基本確定，后續為了減小在切換過程中IMS側時延過長的問題，3GPP又提出了：在SIP層面和在EPC網關層面的錨定方案等增強型SRVCC規范。

2.3 VoLGA

VoLGA的主要思想是將LTE作為一個IP接入網，通過新增加的一個網絡實體VANC（VoLGA接入網絡控制器）模擬RNC或BSC，接入CS核心網完成語音業務的處理。VANC支持2種工作模式：A mode和Iu mode，分別針對GERAN和UTRAN網絡。

與前兩者不同的是，VoLGA由工業聯盟制定規范，初衷是想在LTE部署初期，將它作為一個IP接入網，CS域業務仍利用原有的2G/3G網絡，因此該方案未解決最終在LTE系統中提供語音的問題，沒有得到主流運營商和設備制造商的廣泛支持。

3 完備的互操作方案帶來復雜的現網設備升級

用戶在多系統間業務的連續性體驗，需要在網絡層面制定完備的互操作規范。對于新設備可以在研發時就將這些因素考慮進去（僅增加研發成本）；對于現有設備，則需要考慮如何進行升級改造來滿足新的技術要求。

正如引入3G網絡對2G設備的升級改造一樣，LTE的互操作對現有設備也提出了大量的改造任務。

3.1 SGSN

LTE網絡僅支持PS域業務，因此SGSN是LTE引入后與2G/3G網絡互操作的核心網元之一。SGSN的升級要求較多，它需要增加支持的接口、流程、協議、字段等多方面內容。

a）支持S3、S4、S6d等接口及相關功能。

b）為實現CSFB功能需支持Suspend和Resume流程。

c）支持2G網絡與LTE網絡間的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DNS反饋的權重信息選擇P-GW（GGSN）等。

3.2 HLR

為保證LTE覆蓋范圍內2個相鄰MSC邊界地區被叫呼叫成功率，被叫用戶歸屬HLR需支持Roaming Retry流程。同時還需要升級支持HLR/HSS融合。

3.3 MSC

若現網MSC升級支持CSFB，則LTE覆蓋范圍內的所有MSC需支持以下功能。

a）基于SGs接口的移動性管理，包括：IMSI位置更新請求，在VLR建立IMSI和SGs接口的映射關系；IMSI去附著，在VLR刪除IMSI和SGs接口的映射關系。

b）語音業務流程，包括SGs接口的尋呼。

同時GMSC也需進行升級，支持Sv接口，并通過Sv接口交互處理SR-VCC切換流程。

3.4 2G/3G RAN設備

RAN設備是組成移動網的基礎單元，完成用戶空口的信息交互過程。對于互操作內容的空閑態小區雙向重選、數據連接態LTE向2G/3G小區重選或切換大都可以通過軟件升級方式來完成；但對語音業務的回落功能，現有的RAN設備可以軟件升級支持R8版本，對于增強型CSFB，則大都不支持，需要更換大量的軟硬件設備。

這些功能的實現，雖然可以通過軟件升級來完成，但是大多數對接口、協議的支持，需要更換硬件，甚至平臺，才能達到要求。因此完備的互操作要求帶來的必然是現網設備的大規模調整。

4 他山之石，可以攻玉

互操作不是個案問題，不同電信運營商、不同技術制式都面臨這個選擇，因此關注和了解他們的做法，對中國運營商，對E-UTRAN、UTRAN和GERAN技術都有很好的參考與借鑒作用。

4.1 國外運營商的選擇，可供中國運營商參考

截至2011年1月，全球范圍內已有17個正式商用的LTE網絡，分布于15個國家和地區。由于LTE網絡剛開始建設，其覆蓋程度、用戶數量都還處在極其初級的階段；同時市場上的LTE終端大部分都是數據卡或路由器，在這種情況下，為互操作升級現有網元設備的風險和帶來的效益遠不能成正比。因此，運營商大都選擇獨立的LTE組網方式，采取完全雙卡雙待的模式。

后續，隨著LTE網絡用戶數量的增加、用戶業務需求和管理復雜度的上升、核心網設備的融合以及終端設備的成熟，國外LTE運營商將基于3GPP定義的標準功能，循序漸進地引入互操作內容。首先，實現空閑狀態下系統間的雙向小區重選；同時，針對已發起的數據呼叫，開啟LTE到UTRAN/GERAN的PS切換。LTE建網初期主要以數據卡業務為主，因此上述功能基本上能實現以2G/3G覆蓋彌補LTE覆蓋不足的目的。

隨著LTE終端類型的多樣化，當其發起或接收語音呼叫時，可以通過CSFB，回落到2G/3G網絡CS域完成此呼叫。未來出于市場競爭的需要，運營商也將有可能會開通基于LTE的VoIMS，要求LTE與2G/3G系統支持SR-VCC。終端在離開LTE覆蓋區時，可以平滑切換到2G/3G網絡。隨著業務量的增長，也有可能會在多系統間開啟基于業務量均衡的互操作功能。

4.2 其他技術制式的實現方式，可供E-UTRAN借鑒

作為主要3G技術之一的cdma2000，也制定了大量關于1x與EV-DO系統間互操作內容的規范。cdma 2000互操作方案主要有4種：混合終端、雙接收機、交叉尋呼和VCC。其中混合終端和雙接收機方案由于采用周期時隙監聽，因此在非監聽時隙容易丟失尋呼信息，且終端耗電較大。

目前，1x與EV-DO間互操作大都采用交叉尋呼方案，通過接入網實現單網駐留兩網登記、單網駐留接收兩網尋呼。EV-DO系統在空口應用層設置cdma 2000 CS域消息通知應用協議，使得終端在監聽EVDO的同時，可以收到由EV-DO系統下發的cdma 2000 1x尋呼或短消息等，不需要在兩網之間進行頻繁切換，從而降低了網絡切換所需要的開銷，延長了終端的待機時間，有利于實現對1x語音呼叫的快速響應。交叉尋呼要求在DO AN和1x MSC間設置A1/A1P接口，因此只需對1x MSC進行改造，對移動網的其他網元則不需要改造。

1x與EV-DO間互操作的目標也是實現VCC，這需要在IMS增加VCC AS功能實體，管理終端在CS/PS域的注冊與路由，協助完成VT/VoIP至CS語音的切換功能。

5 結束語

移動市場的競爭，使得今天的電信運營商更加關注用戶感知，這項指標成了建網和技術演進的主要依據。因此網絡覆蓋越來越趨于完善，無線接入速率越來越寬；新技術不斷涌現，技術更新換代周期越來越短。多種技術的疊加要求相互間要有良好的互操作性，以確保業務的連續。多種互操作方案對現網設備的更新改造難易程度差別巨大，因此純理想的方案，不一定能夠得到好的升級效果。

LTE網絡的建設，不會一蹴而就，其所能采用的頻段和承載業務的特點，都決定了LTE的建設以吸收熱點地區的數據業務為主要目的，因此LTE與2G/3G的互操作首要解決的是數據業務的雙向切換；對于語音業務，從未來較長一段時間來看，都不會是LTE網絡的重點，因此可以考慮借鑒cdma2000的經驗，采用交叉尋呼的方式，將語音業務回落到2G/3G網絡實現。這一方面解決了用戶的互操作需求，另一方面避免了大量網元的改造，提高了運營商的投資效益。

［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.