LTE和3G互操作对核心网的要求

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本文摘自《2011全国无线及移动通信学术大会论文集[》。

【作者】 尹凤庆：硕士，高级工程师，现就职于中国移动通信集团设计院有限公司，主要研究方向为移动通信网交换；

冯征：学士，高级工程师，现就职于中国移动通信集团设计院有限公司，主要研究方向为移动通信网交换。

【机构】 中国移动通信集团设计院有限公司；

【摘要】 LTE的建设是一个长期过程,建设初期,无线覆盖区域有限,为了给用户提供良好的业务体验,允许终端在3G网络和LTE网络间漫游和切换,同时为用户提供基于SGs接口的短消息业务,对3G核心网和EPC设备以及网间互通有相应要求。随着LTE技术日渐成熟,LTE网络部署前需统筹考虑与现网的互操作。本文研究了LTE和3G互操作对核心网的要求,为LTE的部署作好现网改造准备。

【关键词】 LTE； EPC； 3G； 互操作； 核心网；

1 引言

本文约定LTE网络采用3GPP R8版本，并独立组网，内部接口承载在IP专用承载网上，对外接口（如SGi接口）承载在公众数据网上。3G网络采用3GPPR4版本，包括电路域和分组域，电路域承载在IP专用承载网上，分组域Gn和Gi接口均承载在公众数据网上，设备和用户IP地址采用IPv4地址，用户采用三元组鉴权方式。基于以上前提条件，针对数据业务和电路域短信业务，分析LTE与3G互操作对核心网的要求，涉及LTEHSS、SGSN鉴权方式、PDP承载方式、IP地址类型、DNS域名等。

2 LTE/EPC和现有3G网络描述

2.1 LTE/EPC网络

LTE是3GPP于2004年提出的3G演进版本，定义了一种适应3GPP无线接入系统向高速、低延时和优化数据包传输的无线接入技术演进架构，主要是为了满足用户不断增长的业务需求，同时有效地填补3G和4G之间存在的巨大技术差距。

LTE包括无线接入网络和核心网络，其中，无线接入网络称为E-UTRAN，核心网络成为EPC(evolved packet core，演进的分组核心网络)。由于无线接入技术不同，无线网络分为FDD LTE和TDD LTE两种无线接入技术，其接入的核心网均为EPC。

目前，3GPP关于EPC的相关国际标准包括4个版本：R8、R9、R10和R11，其中R8定义了全新的EPS(LTE和EPC总称）架构以及该架构下各个网元之间的接口协议，也定义了SRVCC、CSFB(CS fallback，回落电路域）、Home NodeB、Home eNodeB等功能，R8版本已于2009年3月冻结。R9版本较R8版本改动很小，主要是Gn/Gp SGSN支持双栈，这样可以与MME、S3/S4 SGSN进行双栈互通，R9版本已于2009年12月冻结。R10版本于2011年3月完成了stage3的工作。

本文约定LTE网络采用3GPP R8版本，EPC独立组网，EPC网元包括MME、S-GW、P-GW、HSS、DNS等，内部网元接口承载在IP专用承载网上，包括MME与S-GW间的S11接口、不同MME之间的S10接口、S-GW和P-GW间的S5/S8接口及MME与HSS间的S6a接口。P-GW与外部数据网之间通过SGi接口互通，承载在公众数据网上，EPC与3G网络的SGSN间采用Gn接口互通，包括MME与SGSN之间、P-GW与SGSN之间的接口。

2.2现有3G网络

本文约定现有3G网络采用3GPPR4版本，包括电路域和分组域，其中，电路域包括MSC和短信中心，分组域包括SGSN、GGSN和DNS等，两者共用HLR。电路域承载在IP专用承载网上，与EPC接口承载在不同MPLSVPN内；MSC、HLR和短信中心之间采用MAP接口互通。分组域Gn和Gi接口均承载在公众数据网上，设备地址和用户IP地址均采用IPv4地址，网络采用三元组鉴权方式。

LTE和3G互操作对核心网的要求与终端实现的业务种类以及网络对终端的鉴权方式有关，因此，先介绍一下LTE的终端类型和3GPP定义的LTE标准的鉴权流程。

3 LTE终端类型及3GPP标准定义

3.1 LTE终端类型

根据LTE终端的长期发展过程，目前可见的LTE终端形态包括数据卡和手机终端，依据其支持的无线接入网络方式及无线工作方式，可分为以下4类：单模单待单卡(主要是数据卡）、多模单待单卡（主要是数据卡和手机终端）、多模双待双卡（主要是手机终端）、多模双待单卡（主要是手机终端）。

(1)单模单待单卡终端

该类终端配置一个（U)SIM卡，终端只能驻留在LTE网络中，当LTE网络不可及时，用户无法使用业务。该类终端的用户数据存储在EPCHSS中。

(2)多模单待单卡终端

该类终端配置一个(U)SIM卡，终端可驻留在LTE网络，也可驻留在3G网络，但只能同时驻留在一张无线网络上，通常优先驻留在LTE网络中，当LTE网络不可及时，可漫游或切换到3G网络，继续使用业务。该类终端的用户数据存储在EPCHSS和3GHLR中。

(3)多模双待双卡终端

该类终端配置两个(U)SIM卡，一个在LTE模式下使用，一个在3G模式下使用，类似于一个3G手机和一个LTE单模单待单卡数据卡背对背捆绑，3G模使用的(U)SIM卡和用户号码(MSISDN)保持不变，为LTE模分配新的(U)SIM卡和MSISDN。该类终端同时驻留在LTE和3G网络中，可同时使用LTE业务和3G业务，互不影响，但需要在终端预先配置业务疏通策略。该类终端的用户数据分别保存在3GHLR和LTEHSS中，相互独立。

(4)多模双待单卡终端

该类终端与多模双待双卡终端的区别在于仅配置一个(U)SIM卡，LTE模和3G模共用该卡，其他特点同“多模双待双卡终端”。此类终端的用户数据存储在3G HLR和LTE HSS中，当提供基于SRVCC方式的语音业务时，用户数据还需存储在IMS HSS中。

基于以上分析可以看出，仅多模单待单卡终端涉及与现网的互操作，因此本文以多模单待单卡数据卡为例分析LTE和3G互操作对核心网的要求。

3.2 LTE标准鉴权流程

根据3GPP标准定义，LTE终端使用(U)SIM卡，用户数据存储在HSS中，(U)SIM卡和HSS共享用户鉴权密钥K,采用四元组鉴权。标准的LTE终端接入LTE网络鉴权的流程如下。

(1)终端向网络发起接入请求，MME向HSS请求鉴权矢量。

(2)HSS中保存着与(U)SIM卡中相同的鉴权密钥K,HSS生成一个随机数RAND，与K生成四元组鉴权矢量“RAND、AUTN、XRES、Kasme”，发送给MME。

(3)MME向终端发送消息（携带RAND和AUTN)，启动鉴权流程，终端生成RES，返回给MME，MME将RES和XRES进行比对，相同则鉴权通过，不同则鉴权失败。

3GPP标准定义LTE与3G网络间互操作采用五元组鉴权，其鉴权流程如下（以终端从LTE网络切换到3G网络为例)。
(1)终端向SGSN发送接入请求。
(2)SGSN向MME获取用户上下文。
(3)MME返回给SGSN五元组鉴权矢量。
(4)SGSN向终端发送消息（携带RAND和AUTN)，启动鉴权流程。
(5)终端根据RAND和(U)SIM卡里的K计算出RES,发送给SGSN，SGSN比对RES和XRES，相同则鉴权通过,不同则鉴权失败，同时终端使用AUTN实现对网络的鉴权。

3.3 LTE支持的业务种类

3GPP标准定义的LTE网络提供的业务种类包括承载类数据业务、流媒体业务、短消息业务和语音业务。其中，短消息业务包括基于SGs接口短消息和基于IMS消息的短消息；语音业务包括CSFB方式语音和VoIMS+SRVCC(single radio voice call continuity，单一无线语音呼叫连续性)方式语音。

结合分析的终端类型为多模单待单卡数据卡，本文约定LTE终端实现的业务种类包括承载类数据业务和基于SGs接口短消息业务。

本文以上述条件作为前提，分析LTE和3G互操作对核心网的要求。

4 LTE与3G网间互操作场景

由于LTE网络建设是一个长期的过程，建设初期，无线覆盖区域有限，为了给用户提供良好的业务体验，在LTE网络不可及时，允许终端回落到3G网络，继续使用业务，同时保证现网部分业务的继承性，如短消息业务。因此，对于多模单待单卡数据卡来说，LTE和3G网间互操作包括如下场景：LTE终端在LTE和3G网络间漫游；LTE终端在LTE和3G网络间切换，满足用户数据业务的连续性;LTE终端使用基于SGs接口短消息业务。

5 LTE和3G网间漫游和切换对核心网的要求

5.1终端在LTE和3G网络间漫游

LTE终端接入LTE网络，EPC网络内采用四元组鉴权，HSS生成四元组鉴权矢量（RAND、AUTN、XRES、Kasme)并传送给MME，MME和终端间双向鉴权，鉴权通过后，HSS向MME插入用户数据，EPC为用户建立一个默认承载。当LTE终端漫入3G网络时，终端发起接入请求，SGSN(仅支持三元组鉴权)向用户归属（HSS)发起鉴权请求，HSS传送给SGSN三元组鉴权矢量(RAND、SRES、Kc)，SGSN对终端进行鉴权，鉴权通过后，LTE终端接入3G网络，HSS向SGSN插入用户数据。

根据上述流程，终端在LTE和3G网络间漫游对EPC和现有3G核心网要求如下。
(1)EPC HSS需支持HLR功能，即HSS/HLR，存储用户3G签约业务信息，并具备Gr接口，疏通MAP消息。
(2)用户鉴权过程中，由于现网SGSN采用三元组鉴权，因此，LTE终端接入3G网络时，SGSN和HSS/HLR间鉴权方式有以下两种。

方式1:SGSN支持“五元组”鉴权，与HSS/HLR和终端间采用五元组鉴权。该方式要求SGSN支持五元组鉴权方式，无论终端漫游到LTE网络还是3G网络，用户鉴权全程采用“五元组”鉴权，符合3GPP标准。

方式2:HSS/HLR和MME完成“五元组—三元组”转换，LTE终端也需支持“五元组—三元组”，用户鉴权全程采用“三元组”鉴权方式。该方式要求MME、HSS和终端均支持“五元组—三元组”的功能。3GPP标准中定义了“五
元组—三元组”的转换。

5.2终端在LTE和3G网络间切换

5.2.1终端从LTE向3G网络切换

终端在LTE网络内发起APN请求，P-GW为用户分配IP地址并建立到业务平台的连接。业务进行中，终端从LTE网络漫游到3G网络，终端向SGSN发送切换请求，SGSN向MME获取用户上下文(包括用户鉴权矢量和P-GW的IP地址等）并根据MME返回的鉴权矢量对用户进行鉴权，鉴权通过后，SGSN建立到P-GW的连接，更新HSS中的用户位置，切换完成。

根据上述流程，终端从LTE向3G网络的切换对EPC和现有3G核心网要求如下。

(1)EPC HSS需支持HLR功能，同§5.1(1)。

(2)用户鉴权过程中，由于现网SGSN采用三元组鉴权，MME采用四元组鉴权，因此，LTE终端从LTE切换到3G网络时，鉴权方式有以下两种。

方式1:SGSN与MME间传送五元组鉴权矢量，SGSN与终端间采用五元组鉴权。该方式要求SGSN支持五元组鉴权，符合3GPP标准。

方式2:SGSN与MME间传送三元组鉴权矢量，SGSN与终端间采用三元组鉴权。该方式要求MME和终端支持“五元组—三元组”转换。3GPP标准中定义了“五元组—三元组”的转换。

(3)SGSN与P-GW经Gn接口互通，P-GW需支持GGSN的功能。

(4)LTE用户的IP地址方案不同，对SGSN和EPC核心网要求不同。LTE用户IP地址有以下3种方案。

方案1:采用IPv4地址，即P-GW为用户分配1个IPv4地址。现网3G用户的IP地址也采用IPv4地址，该方案对SGSN和EPC无特殊要求。

方案2:采用IPv6地址，即P-GW为用户分配1个IPv6地址。该方案要求SGSN能识别并处理IPv6信息(如计费），同时EPC网络需支持用户IPv6地址向IPv4的转换(IPv6用户访问IPv4业务平台）。但是IPv6和IPv4转换技术尚未成熟。

方案3:采用IPv4和IPv6地址，即P-GW同时为用户分配1个IPv4和1个IPv6地址。根据双地址的承载不同，该方案有以下3种实现方式。

方式1:双PDP承载，即IPv4和IPv6地址分别通过独立的PDP承载，这样核心网占用PDP资源成倍增加。该方式要求SGSN能识别和处理IPv6信息。

方式2:单PDP承载，即IPv4和IPv6地址通过一个PDP承载。该方式要求SGSN支持以下功能：能识别和处理IPv6信息、同一承载、支持双地址。

方式3:EPC采用单PDP承载，3G网络采用双PDP承载，即EPC网内，IPv4和IPv6地址通过一个PDP承载;3G分组域内，IPv4和IPv6地址分别通过独立的PDP承载。该方式要求SGSN能识别和处理IPv6信息。但是该方式双倍占用3G核心网PDP资源，且LTE到3G网络切换不成功。

(5)SGSN与MME、P-GW间Gn接口互通，现网3G分组域承载在公众数据网上，EPC网络承载在IP专用承载网上，当用户从LTE切换到3G网络时，SGSN需与MME、P-GW互通消息并建立连接。SGSN与EPC互通有以下两种方案。

方案1:通过BG互通。若无现有BG可利用，需新建BG，并同时连接两张承载网。

方案2:通过设置路由器和专线互通。该方案需为SGSN建设专用的路由器，EPC网络可同局址共用该路由器，设置专线互通。

5.2.2 终端从3G向LTE网络切换

终端在3G网络内发起APN请求，SGSN查询DNS,DNS返回P-GW的IP地址（由于S-GW与GGSN间无接口，为了保证LTE和3G网络间切换，用户锚定点不变，所以LTE终端在3G网络内发起APN请求时，需由P-GW提供业务），SGSN建立到P-GW的连接，P-GW为用户分配IP地址，并连接业务平台。业务进行中，终端从3G网络漫游到LTE网络，终端向MME发送切换请求，MME向SGSN获取用户上下文，SGSN返回用户上下文，包括用户鉴权矢量和P-GW的IP地址等aMME对用户鉴权通过后，通知S-GW建立到P-GW的连接，MME更新HSS中用户位置，切换完成。

根据上述流程，终端从3G向LTE网络切换对EPC和现有3G核心网要求如下。

(1)对LTE HSS的功能要求，同§5.1(1)。

(2)对SGSN的改造要求：能够识别LTE终端类型，根据不同终端类型选择到P-GW或者GGSN的连接；支持EPC的域名体系。SGSN查询DNS有以下两种方案。

方案1:SGSN支持查询多个DNS。SGSN根据不同终端类型，分别查询3G DNS或者LTE DNS。

方案2:SGSN支持将LTE终端发起的APN后缀标识

为EPC域名格式，3GDNS中配置P-GW的数据。该方式要求SGSN支持识别终端类型，3G DNS支持EPC域名解析功能。

(3)用户鉴权过程中对SGSN和EPC的要求，同§52.1(2)。

(4)对于SGSN经Gn接口互通，对P-GW的功能要求同§5.2.1(3)。

(5)用户IP地址方案，同§5.2.1(4)。

(6)SGSN 与MME、P-GW间Gn接口承载，同§5.2.1(5)。

6基于SGs接口短消息对核心网的要求

6.1用户在LTE网内使用短消息

当用户在LTE网内接收短消息时，用户短信中心需通过MSC与MME间SGs接口下发短消息或者MME经与MSC间的SGs接口将短消息发送至短信中心，该方案对核心网要求如下。

• 3G网络电路域选择一个或几个MSC升级支持SGs接口，执行联合位置更新，并关闭鉴权功能。

• HSS具备HLR功能，提供MAP接口。

6.2用户在3G网内使用短消息

当用户在3G网内使用短消息业务时，需对用户进行鉴权。LTE用户发送短消息时，MSC从用户归属HSS获取鉴权矢量，现网MSC支持三元组鉴权，HSS支持四元组鉴权，鉴权实现有以下2种方案。

方案1:现网MSC升级支持五元组鉴权，与HSS采用五元组鉴权。该方案要求MSC升级支持五元组鉴权；同时，HSS需具备HLR功能，提供MAP接口。

方案二：改造HSS支持“五元组—三元组”转换，并具备HLR功能，提供MAP接口。
用户鉴权通过后，在3G网内发送和接收短消息过程同现网。

6.3 3G MSC与MME间SGs接口承载

由于现网3G电路域和EPC均承载在IP专用承载网上，设置不同MPLS VPN进行隔离。因此，要求3G MSC配置EPC MPLS VPN数据，MME配置3G电路域MPLS VPN数据。

7 结束语

LTE和3G网络长期共存，为了给用户提供良好的业务体验，允许LTE终端在两网间漫游和切换，同时，为LTE用户提供基于SGs接口短消息业务。LTE终端在两网间漫游和切换涉及用户鉴权、承载建立、用户IP地址和网间互通等，对现网3G分组域和EPC有相应要求。为LTE用户提供基于SGs接口短消息业务，需3G电路域短信中心与HSS/HLR互通，当用户附着在LTE网络时，通过3G电路域MSC与MME间的SGs接口接收和发送短消息，当用户附着在3G网络时，MSC需与HSS/HLR间互通，涉及用户鉴权和网间互通等，对现网3G电路域和EPC有相应要求。

paul

好文章，学习了