4G移動網絡MTRF部署方案研究

謝志剛，鮑偉華

（中國移動通信集團上海有限公司 上海 201406）

1 引言

LTE（long term evolution）網絡是全分組交換網絡，但語音業務仍然是不可或缺的重要業務。為使LTE網絡上也能順利開展高質量的語音業務，必須采用一定的語音業務解決方案。網絡建設初期，在LTE網絡沒有實現VoLTE（voice over LTE）之前，目前得到廣泛認可的4G語音解決方案主要可以分為兩類：一類是基于多模單待終端，如CSFB（circuit switched fallback），這需要對現有CS域設備進行升級改造；另一類是基于多模雙待終端，終端有能力直接利用CS域網絡提供語音業務，該方案只需要手機終端支持即可。

考慮到部分4G手機終端基于多模單待開發，如iPhone，CSFB方案是現階段LTE語音過渡優選方案。但是CSFB由于本身的技術原理和特點，單純依靠CSFB技術為4G用戶提供語音服務，在某些網絡場景下會有一定的不足，這些不足之處就需要額外的網絡功能進行彌補和改進。MTRF（移動終端漫游地轉發）作為一種重要的保障功能，可以幫助終端在MSC pool（移動交換中心池）之間的區域提高CSFB語音呼叫的成功率，改善用戶體驗，增加用戶滿意度。

2 CSFB技術

在建設LTE網絡初期，出于對CS投資的保護，結合LTE網絡的部署策略，運營商可以采用原有的CS域語音方案來提供語音服務，而LTE網絡僅處理數據業務。這種情況下，采用CSFB技術，即LTE覆蓋下的UE在處理語音業務時，終端先回退到CS域網絡，由CS網絡處理語音業務。這樣就達到了重用現有的CS域設備為LTE網絡中的用戶提供傳統的語音業務的目的。

2.1 網絡結構

考慮到CSFB只是LTE語音業務過渡方案，所以CSFB建議部署在MSC pool基礎上。升級pool內1～2個MSC支持CSFB功能，和MME（mobility management entity，移動管理實體）建立SGs接口連接，實現CSFB功能。

在MSC pool的基礎上部署CSFB功能有以下優點。

·MSC pool具備網絡冗余，當一臺MSC發生故障時，另外MSC會快速接管業務，網絡安全性增強。

·需要升級的設備較少，每個pool只需要升級1～2個MSC即可，減少不必要投資。

·擴大了2G/3G無線覆蓋范圍，減少2G/3G/4G無線覆蓋的邊界，增加了CSFB的成功率。

2.2 CSFB聯合位置更新流程

手機終端和網絡交互的第一步就是要完成網絡附著。CSFB用戶向MME請求附著時會上報CSFB指示。MME收到該指示后，根據TAI（tracking area identity，跟蹤區標識）—LAI（location area identity，位 置 區 識 別）—MSC的 映射關系選擇一個MSC，然后通過SGs口進行CS域位置更新。MME發給MSC的位置更新請求消息中包括LAI、IMSI（international mobile subscriber identification number，國際移動用戶識別碼）、MME名字等信息。然后，MSC完成CS域位置更新，具體流程和2G用戶位置更新流程相同。最后，MSC分配TMSI（temporary mobile subscriber identity，臨 時移動用戶標識），并回復位置更新接收消息給MME，完成整個聯合位置更新流程。具體流程如圖1所示。

2.3 CSFB語音流程

在CSFB實現上，網絡是否支持PS（packet switch，分組交換）切換以及終端所處狀態在信令流程上有所區別，但是與MSC相關的流程一致。CSFB主叫流程如圖2所示。

LTE終端用戶發起語音主叫業務首先回落到CS域，向MSC發送CM service request消息請求呼叫。這時MSC會發生兩種情況。如果MSC不是用戶原來聯合位置更新登記上的端局，則會下發service reject消息，讓手機終端進行位置更新后繼續語音業務，即流程上的（10a）和（10b）兩步。如果用戶返回的MSC即為原來聯合位置更新登記上的端局，則直接繼續業務，即流程上的（10c）步驟。從以上流程可以看出，MSC處理CSFB主叫語音流程和2G、3G主叫時完全一致，不存在任何問題。但是對于CSFB被叫語音流程，則有本質上的區別。圖3為CSFB被叫語音流程。

圖1 聯合位置更新

圖2 CSFB主叫

圖3 CSFB被叫

首先，MSC通過SGs接口向MME下發paging request（尋呼請求）消息，由MME進行被叫用戶尋呼。然后網絡觸發CSFB流程，將被叫用戶回落到2G、3G網絡。手機終端完成回落后向MSC回復paging response（尋呼響應）消息，即第（9）步。當MSC收到該消息后，存在以下兩種情況。

·如果用戶返回的MSC即為原來聯合位置更新登記上的端局，MSC則接續呼叫。即流程圖上第（9a）步。后續流程和2G、3G語音被叫流程相同。

·如果用戶沒有在返回的MSC上聯合登記，MSC拒絕這個paging response消息，并且釋放被叫無線側連接。即流程中的（9b）。呼叫結束后，被叫手機終端進行位置更新或者聯合位置更新，重新注冊網絡。從以上流程可以看出，CSFB被叫語音業務存在一個問題，即用戶返回的MSC不是原來聯合位置更新時登記的端局時，呼叫會失敗。該問題的具體原因將在下節進行具體分析。

2.4 CSFB存在的問題

CSFB聯合位置更新流程是CSFB的基礎，而其中的關鍵點就是LTE網絡和2G/3G網絡有重疊覆蓋，這樣才能通過MME上建立TAI與LAI的映射，實現同一地理位置上的回落。但因為無線環境的復雜性，現實條件下無法做到TAI和LAI區域完全相同，TAI與LAI不能準確映射。

如圖4所示，當TAI和LAI不能準確映射時，就會有邊界出現。這將導致在被叫回落過程中，存在3種可能性。

·手機處于TAI-LAI準確映射區域時，即圖4除邊界1和邊界2外的其他區域，因為回落后的LAI和指定LAI相同，所以網絡將根據CSFB被叫流程完成通話。

·如果手機位于圖中邊界1區域，因為手機回落后的LAI和指定LAI（原來制定的是LA=1）不同，所以這個時候需要進行位置更新，然后完成被叫通話流程。這會增加呼叫建立時延，而通話不受影響。

·如果手機位于圖中邊界2區域，則會發生手機回落MSC與指定MSC不同，則將導致用戶被叫失敗。在MME上將TAI=1和2都映射到MSC區域1的MSC，當手機終端在聯合位置更新時會注冊到MSC區域1的MSC。但是因為邊界問題，當處于TA=2的用戶被叫回落時回到了MSC區域2的MSC，導致了這次呼叫的失敗。這個問題是MSC區域邊界導致的。

通過MSC組pool雖然可以擴大MSC區域，減少MSC區域與區域間的邊界。在MSC pool區域內，用戶即便在LA邊界上出現TAI-LAI邊界不一致的情況，也不會影響語音回落的過程，因為用戶始終登記在同一個MSC上。但是pool邊界上TAI-LAI區域不重合的問題仍然存在。也可以通過無線小區規劃減少回落后被叫失敗發生的概率，但是以上失敗場景依然無法避免，這必須通過其他方案解決。

3 MTRF部署方案研究

在2011年3月的3GPP R10規范中，對MTRF有明確的定義和功能解釋。它的作用就是當終端在兩個MSC或者MSC pool之間移動時，正好有一個被叫電話，終端已經移動到new MSC（新的MSC）區域，但是被叫尋呼卻在old MSC上發出，只要兩個MSC或者MSC pool都開啟了MTRF功能，就可以保證正常的被叫通話接續。如果沒有MTRF功能，在這種情況下，被叫就會失敗，影響用戶感知。

呼叫信令流程如圖5所示。主要環節如下。

（1）有一個被叫語音呼叫在old MSC（屬于MSC pool 1）內的CSFB用戶，old MSC通過SGs口向用戶發起尋呼請求。

圖4 CSFB被叫問題

圖5 MTRF流程

（2）CSFB用戶此時回落到了new MSC（屬于MSC pool2）的小區范圍。

（3）CSFB用戶向new MSC發起位置更新請求，上報了之前所在的LA信息。new MSC開始觸發MTRF功能。

（4）new MSC向HLR（home location register，歸屬位置寄存器）發起位置更新請求。

（5）old MSC根據從new MSC和HLR得到的消息，觸發MTRF。

（6）old MSC向new MSC發出PRN消息，索取MSRN（mobile station roaming number，移動臺漫游號碼），然后將呼叫轉移到new MSC。

（7）new MSC上位置更新結束，呼叫建立。

相比于其他解決方案，MTRF是解決MSC區域邊界問題的最佳解決方案。在MTRF現網部署上，按其部署范圍不同存在以下兩個方案。

3.1 LTE覆蓋區域所有MSC升級支持MTRF功能

MSC pool無線網元通過用戶TMSI（temporary mobile subscriber identity，臨時移動用戶識別碼）中所帶的NRI（network resource identifier，網絡資源標識）值進行MSC選擇。當手機終端進入到新的pool 2區域時，pool 2下的無線網元不認識TMSI所帶的NRI值，所以會按照容量因子算法往pool 2內任何一個MSC-S進行注冊。因此，在CSFB用戶被叫時，pool下所有端局都有概率承載語音業務，所以需要升級所有相關的MSC支持MTRF功能。

當用戶結束語音業務后，會通過LTE網絡重新進行聯合位置更新，登記到pool內支持CSFB的端局上。因此，方案一就是保留現網網絡結構不變，將LTE覆蓋區域所有MSC升級支持MTRF功能。

3.2 pool內挑選一個MSC-S作為4G通話專用端局

考慮到CSFB只是LTE語音方案的過渡方案，并且支持的終端類型有限，用戶規模可控，所以為了減少投資，可以考慮在每個pool內挑選一個MSC-S作為4G通話專用端局。具體方案如圖6所示。

·全網CSFB MSC刪除原來CS域NRI值，設置統一的NRI值——CSFB NRI。各個pool內無線設備將該CSFB NRI指定到CSFB MSC上。如圖6中pool 1和pool 2下CSFB端 局MSC-S1和MSC-S2都設 置相同的CSFB NRI值。設置統一的CSFB NRI確保CSFB用戶回落到指定的MSC上。

·每個pool挑選一個特定MSC作為4G CSFB專用端局（CSFB MSC），在CS域無線設備上調整該MSC的容量因子為0，這個MSC不再承擔2G、3G業務。這項調整確保2G、3G用戶在pool間切換時不會因為NRI重復造成MSC用戶登記不均。該方案原理如下：

圖6 網絡拓撲

表1 兩個方案的比較

·對于2G、3G用戶或者LTE多模雙待終端用戶，通過CS域無線設備注冊網絡時，因為在CS域無線設備上設置CSFB MSC的容量因子是0，所以CS域無線設備會把用戶分配到pool內其他端局下。

·對于CSFB用戶，當用戶進行聯合位置更新時，MME會向pool內CSFB MSC進行注冊，分配得到一個包含CSFB NRI的TMSI。

·當用戶跨pool邊界進行被叫時，pool 2下無線設備根據TMSI中的CSFB NRI會指定該pool內CSFB MSC進行業務接續，這保證了UE不會被隨機分配到pool的其他MSC。

·當pool 2下CSFB MSC收到用戶的paging response時，啟動MTRF功能，接續呼叫。

相比于方案一，方案二只需要每個pool升級1個MSC支持MTRF功能即可。

3.3 方案比較

兩個方案各有優缺點，對比見表1。

綜上所述，對于網絡規模較小、用戶密度較高的網絡建議使用方案一，即LTE覆蓋區域的所有MSC升級支持MTRF功能。反之，則建議使用方案二，在pool內挑選一個MSC作為4G通話專用端局。

4 結束語

CSFB作為LTE語音過渡方案，是LTE網絡的重要組成部分之一。通過MTRF功能，可以解決CSFB TAI內LAI歸屬不同MSC造成的被叫失敗的問題。根據部署范圍不同，本文提供了兩種MTRF部署方案，并對兩者的優缺點進行了比較，運營商可以對照自身網絡的特點選擇對應的MTRF部署方案，提高CSFB回落成功率。

1 3GPP TS 23.018.Basic Call Handling;Technical Realization,2013

2 3GPP TS 23.272.Circuit Switched(CS)Fallback in Evolved Packet System(EPS);Stage 2,2013

3 劉宇，李赟，聶永霞等.LTE網絡部署CSFB語音時MSC改造范圍分析.廣東移動技術，2012（12）Liu Y,Li Y,Nie Y X,et al.Analysis of MSC transformation range when CSFB voice deployed in LTE network.Guangdong Communication Technology,2012(12)

4 張紅霞.LTE網絡部署CSFB語音時MSC POOL解決方案研究.移動通信，2014（6）Zhang H X.Research on MSC pool solution to CSFB voice deployed in LTE network.Mobile Communication,2014(6)

5 周彥，武欣.TD-LTE CSFB話音解決方案研究.移動通信，2011(19)Zhou Y,Wu X.Research on solution to CSFB voice in TD-LTE.Mobile Communication,2011(19)

6 李俠宇.EPS網絡CS FallBack技術研究.電信網技術，2009(6)Li X Y.CS fallback technology in EPS Network.Telecommunications Network Technology,2009(6)

7 林琳，赫罡，高功應等.CSFB語音解決方案關鍵技術研究.郵電設計技術，2014（2）Li L,He G,Gao G Y,et al.Research on the key technologies of CSFB voice solution.Designing Techniques of Posts and Telecommunications,2014(2)