LTE与2G/3G网络融合部署策略探究

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付费下载自CNKI论文期刊网。发表于《邮电设计技术》2012年02期。

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【作者】 章海峰; 李俊平;

【作者简介】   

章海峰，毕业于上海交通大学，上海贝尔股份有限公司高级方案经理，主要从事 LTE 无线与端到端方案工作；

李俊平，毕业于美国北卡罗来纳州立大学，上海贝尔股份有限公司高级方案架构师，硕士，主要从事LTE 方案管理和设计工作

【作者单位】 上海贝尔股份有限公司;

【关键词】 HSPA+; LTE; IRAT; PSHO; NACC; CSFB; SRVCC; SON;

【摘要】 在介绍LTE的业务发展与2G/3G现网的业务运营的基础上,详细阐述了LTE与2G/3G融合需要细致考虑的3个步骤:数据业务的互操作、确定LTE语音方案、LTE与2G/3G的业务均衡。

0 前言

3GPP WCDMA是第三代移动通信系统主流技术，在全世界有着成功的商用。在不改变系统网络结构的前提下，通过引入64QAM、MIMO、Dual Cell技术，系统可以演进到HSPA+，最高支持84Mbit/s速率。LTE是3GPP R8技术以OFDM为核心的宽带无线多媒体网络，其上下行峰值速率分别达到50、100Mbit/s。据GSA统计，LTE技术已经超越当年的HSPA，创下了新技术商用部署速度的新记录；截至2011年10月12日，已有21个国家或地区的35个LTE网络投入商用。

LTE的商用进程虽然迅速，但目前LTE尚不能满足所有运营商的特定需求，需要继续完善以支持多种应用。近期看，采用在HSPA基础上引入HSPA+的平滑演进措施，可以在网络改造投入和网络效能之间寻求最佳平衡点，以最小代价逼近LTE水平；长远看，HSPA+最终不能替代LTE。就技术而言，LTE采用的多载波技术OFDM，相对于HSPA沿用的WCDMA的单载波直序扩频技术有着天生的优点，特别是在对大的系统带宽支持上（超过10M频率带宽条件下），WCDMA技术的MIMO、信道均衡、多用户检测、多径衰落均衡以及终端设计都很复杂。

1 数据业务的互操作

LTE与2G/3G数据互操作，要求开机优选LTE，移出LTE覆盖区后，优先在WCDMA网络驻留/继续业务，若无WCDMA网络则选择2G网络，终端一旦重新检测到LTE覆盖，则返回LTE；具体实现包括终端选择与网络侧控制2种方案。

1.1 UE自主选择网络的数据切换

对于运营商而言，最简单的切换方式是同时维护2张网络，现网业务还保持在现有的2G/3G网络上，新的高带宽业务由LTE网络提供。2张网独立运营和维护，由新的2G/3G/LTE多模终端决定选择哪张网来提供所需的业务。每张网有自己独立的IP地址规划。当终端检测到一个更为合适的网络时，就主动脱离现有网络，注册到新的网络里来，建立新的会话来获得更好的服务。但这种脱离原网、重新注册进新网的切换方式会带来几十秒的业务中断时间，带给用户不好的业务体验。

终端自主选择网络的切换方式最简单，易于实施，但切换中IP连接在原网络里被断掉，切换完成后再在目标网络里重建，业务中断时间较长，用户体验比较差。这种方式一般在试验网里使用。

1.2 网络侧控制的数据切换

为了更好地保持业务的连续性、降低业务中断时间、提升用户体验，3GPP定义了几种由网络侧控制的切换机制：小区重选、重定向、PS切换和NACC。运营商可以基于自己的基础网络情况和网络演进策略作出不同的选择。图1示出的是LTE/3G/2G系统间重选、切换状态转移示意图。

1.2.1 小区重选

基站侧指导终端对服务小区和邻小区频点进行测量，配置切换触发门限；终端根据测量结果，自行决定是否重选进新的小区驻留。之后发起TAU或者RAU位置更新流程，注册到网络里来。如果终端频繁在LTE覆盖边缘移动，会产生大量位置更新信令，给系统设备带来极大的信令负荷，造成空口资源消耗。为了减少这种位置更新信令，3GPP引入了ISR（减少空闲模式的信令）的方案，将相邻的2G/3G的路由区和EPS的跟踪区设定为等效区，让终端在2个网络进行双注册，这样终端在这2个系统边界徘徊时，就不再需要发起注册及位置更新流程。

对于空闲状态的终端，为了确保业务发起时有合适可用的网络，终端需要通过小区重选的方式选择合适的网络进行驻留。

对于连接状态的终端，终端在移出LTE覆盖时为了保证业务不中断或者终端进入LTE覆盖时为了获得更好的服务，终端需要完成不同接入系统之间的切换。基站侧（eNB、RNC、BSC）指导终端对服务小区和邻小区们进行测量，设定测量上报事件触发条件；终端根据基站侧指示对本小区和邻小区进行测量，当上报事件触发条件满足时，终端向基站侧发送测量报告。主服务小区的改变可通过重定向、网络辅助小区重选NACC、PS切换来完成。

1.2.2 重定向

如果终端和网络不支持Inter-RAT的PS切换或者NACC，基站侧根据测量报告指示终端选择新的小区。重定向机制的业务中断时间相对较长（2~6s），因为终端需要先向目标小区获取系统信息。

1.2.3 网络辅助小区重选NACC

NACC只应用于从LTE到GERAN的切换，在网络或终端不支持PS切换的情况下，用以尽量减少业务切换到GERAN目标小区的时延。EUTRAN通过MME和SGSN之间的交互获得目标小区的系统信息，并把系统信息提供给终端，这样终端就可以更快接入到目标小区恢复业务承载。在不支持PS切换的情况下，NACC能更好地支持一些对时延和丢包率比较敏感的基于TCP的业务。NACC机制的业务中断时间相对较快（500ms~2s）。

1.2.4 PS切换

PS切换的优点是中断时间较快（500ms~1s）。网络侧根据终端测量报告作出切换判决，并在发起实际切换前帮助终端在目标网络中申请好资源。这种机制能更好地支持实时业务并保证QoS要求、降低业务中断时间及丢包率。

PS切换的限制是对端到端（终端、无线网元和核心网元）能力的要求。相对而言，在实现PS切换方面，WCDMA运营商比CDMA运营商具有更大的优势。

a）CDMA/LTE两网络系统实现原理差异较大，存在context和注册的继承问题。

b）WCDMA/LTE系统的SGSN/GGSN和MME/xGW一脉相承，定义EPC标准时已经考虑到兼容性，如GUTI和P-TMSI的转换等，而且切换时用户数据等相关数据也会通过Gn或S4发送到对方，所以没有context和需要预注册的问题。

1.3 LTE和GERAN/UTRAN的互操作

根据3GPP基于R8和R8前的定义，LTE和GERAN/UTRAN的互操作有2种选择。

1.3.1 LTE与GERAN/UTRANR8的切换

LTE和R8 GERAN/UTRAN互操作时需要用到2个新的接口，即S3和S4。S3位于SGSN和MME之间，用以在核心网间交换用户上下文和承载信息；S4位于SGSN和SGW之间，在DT功能没有启用的情况下提供用户平面数据的传输。启用DT功能时，位于GERAN/UTRAN和SGW之间会有一个新的接口（S12）用于传输用户平面数据。从网络角度来看，该架构可以被认为是intra-E-UTRAN间的切换，GERAN/UTRAN中的SGSN可被当作MME，因此现网中的2G/3GSGSN需要升级到R8来支持S3/S4接口。将GERAN/UTRAN升级到R8的一个好处是可以使用ISR来减少终端和网络间的信令，达到提高网络性能的目的。

LTE叠加在R8网络上的切换方式能够提供最好的用户体验，切换导致的业务中断时间也被缩短到0.5s以内。在这种方式里，SGW成为所有接入系统的移动性锚点，简化了系统间切换流程。这种切换方式最大的缺点是网络升级成本比较大，对现网影响也比较大。

1.3.2 LTE与GERAN/UTRANPreR8的切换

现网都是PreR8的网络，若引入LTE来支撑一部分高带宽的业务，则MME和S/PGW必须开发支持PreR8的信令和承载接口（Gn/Gp），来和PreR8SGSN沟通，实现切换。如果需要支持DT，PGW和RNC之间需要增加另外新的接口来建立直接通道旁路SGSN；否则，连接E-UTRAN和2G/3G的通路建立在PGW和SGSN之间。对于这种切换，现网不需要做任何改动，MME被看作是SGSN，PGW被看作是GGSN。因此，EPC网元需要开发支持新的接口，比如MME和SGSN直接的信令接口Gn，PGW和SGSN之间的信令和承载接口Gn等。

LTE网络叠加在PreR8网络上的切换方式能够提升用户体验，业务中断时间应该在1s以内。这种方式也是对现网影响最小的一种方式，因为接口（如Gn/Gp/Gr）开发的工作都转移到了EPC网元上。对于2G/3G/LTE多模终端，2G/3G核心网和EPC都把PGW作为IP层面的锚定点；而对于non-LTE的终端，仍然可以选择老的GGSN来连接外部PDN网络。这种方式的最大好处是短期内没有网络升级成本，最大的缺点是不支持ISR。

2 确定LTE语音方案

LTE是一个纯数据域的网络，不能直接承载语音，3GPP定义了2种语音方案。

2.1 方案1：CSFB

在没有部署IMS的情况下，CSFB方案可以帮助运营商在LTE网络中实现语音业务。CSFB方案的实质是LTE只实现分组域业务，语音业务仍然依靠2G/3G网络原有的电路域设备实现。需要在MME和电路域使用SGs接口以支持CSFB功能，还要求用户终端同时支持2G/3G电路域和LTE的无线接入，支持CSFB功能。

CSFB方案存在的不足是：可能会导致不好的用户体验。因为用户每发起或接收一个呼叫都要进行一次无线接入方式的切换，这样一方面会带来一定的时延。另一方面如果终端正在使用LTE分组域业务，进来的呼叫会影响当前业务。如何解决这个问题，存在多种CSFB优化方案（包括R8 RRC重定向、R9 RRC重定向WITH SIB、CCOW/O NACC等），运营商之间的态度存在分歧，一定程度影响了方案的成熟。

2.2 方案2：SRVCC

SRVCC主要研究和解决IMS over LTE/SAE和CS之间的语音连续性问题；使2G/3G电路域或者LTE的分组域接入IMS，基于IMS网络实现语音业务的连续性，用户终端可在不同的2G/3G电路域和LTE分组域之间直接进行切换。

SRVCC方案实现的前提条件如下：

a）运营商已部署IMS，且能提供语音业务。

b）IMS需要增加VCC AS功能实体，负责管理终端在CS域或者PS域的注册以及CS与PS域之间的路由，并协助完成VT/VoIP至电路域语音的切换。

c）在MME和2G/3G电路域互操作功能实体（IWS）引入SGs接口以支持SRVCC功能，SGs参考点在MME和IWS之间提供了一条通道，用于传送电路域信令消息。

2.3 方案比较

a）SRVCC方案能够比较完善地解决LTE与2G/3G语音互操作问题，保证业务连续性，但要求升级2G/3G现网设备和部署IMS核心网。

b）在IMS部署复杂、商用缓慢以及VoIP/VoLTE运营策略未明确的现状下，CSFB是实现语音业务的一个比较简单经济的方案。但是CSFB方案可能会导致不好的用户体验。

综上所述，建议以SRVCC为LTE语音解决的目标方案。建网初期，建议双待机方案先行，抢占市场先机；CSFB视双待终端推广情况及CSFB的性能和产业化情况，择机引入。考虑到GSM网络具有更好的语音能力，建议SRVCC和CSFB能够以GSM为切换/回落目标网络。

3 LTE与2G/3G的业务均衡

随着LTE引入2G/3G现网，系统呈现出单制式网络和多制式网络的异构性，网络变得越来越复杂。这样，业务的传递需要更复杂的策略控制，以及优化机制提供保障。一方面网间负载均衡的繁杂性和动态需求，无法通过目前的人工参数方式实现；需要择机引入自组织网络SON机制；另一方面SON的良好效果，离不开与现网技术的密切配合，如RRM（MCTA）+RNP/RNO，三者之间并不矛盾或者重复，而是相互弥补，也就是说SON+RNP+RRM（MCTA）等于全面完整的网间负载均衡方案。

因此，SON能灵活实现自配置、自优化、自操作等功能。这些功能对减少网络运维管理的人为干预非常有利，会大大降低LTE运营商的OPEX。SON部署（如MLB）将会进一步提升自己在LTE运维上的竞争优势，解决LTE引入2G/3G现网后的三网均衡难题。

4 结束语

LTE与2G/3G现网的融合部署趋势十分明显。运营商需要从网络架构、终端能力、业务均衡角度，综合权衡LTE与2G/3G现网部署策略与实施步骤。

第一步，建立数据业务互通：通过权衡切换时延与网络成本，选取合适的数据业务切换架构。

第二步，选择语音解决方案：建网初期，选择独立双待机终端；规模部署阶段，选择CSFB；网络成熟，特别是引入IMS后，采用VoLTE/SRVCC。

第三步，LTE与2G/3G的业务均衡：引入部署LTE SON，并向2G/3G现网拓展渗透，借助SON+RRM/MCTA+RNP/RNO的相互配合，提供全面完善的业务控制与均衡。