LTE与2G/3G网络的互操作分析

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LTE与2G/3G网络的互操作分析

2013-11-08

摘要：多网络的共存必将会产生互操作影响，为了充分利用现有网络并发挥各网络优势，满足各目标用户群的差异化需求，从PS域和CS域分析了LTE与GSM、WCDMA网络间的互操作策略，并且为达到较好的互操作性能对现有网络升级提出建议。

关键词：LTE，2G/3G，互操作，PS/CS

1  引言

随着LTE网络的商用，未来一段时间在现有2G/3G移动网络基础上叠加一张LTE网络是必然趋势，多网共存必将会产生互操作影响，尤其是在建网初期，LTE网络覆盖还不完善，在覆盖边缘、弱区、盲区将会产生大量互操作，只有实现互联互通才能充分利用现有网络并发挥各网络优势，满足各目标用户群的差异化需求。本文将从互操作策略的技术方案研究LTE与GSM、WCDMA的融合，其中LTE对应E-UTRAN，UMTS和HSPA对应UTRAN，GSM和EDGE对应GERAN。

2  LTE与2G/3G网络互操作分析

2.1  互操作介绍

互操作是终端可以跨系统重选和切换，让用户使用最好的网络。根据业务类型，互操作主要分为以下

两类：

(1)对于PS业务，需要分别解决LTE与GSM、WCDMA之间的互操作；

(2)对于CS业务，需要分析LTE提供/不提供语音业务的切换方案。

2.2  互操作涉及的范围

(1)异系统邻区测量：LTE中增加了邻区优先级配置参数，可通过配置不同频点(WCDMA)或频率组(GSM)的优先级，以控制终端立即发起对高优先级频率邻区的测量，优先接入该小区；

(2)异系统小区间重选：用户处于空闲态或连接态但未进行业务传输时，通过检测异系统邻区和当前小区的信号质量，选择最适合的小区驻留的过程；

(3)异系统小区间切换：终端在专用信道模式下即业务进行过程中，按照网络控制进行异系统邻区测量上报并在满足一定触发条件下，接入网络指定的目标异系统小区继续业务的过程。

2.3  PS域互操作策略分析

开机选择有两种方式：开机优选LTE网络，在具有LTE网络覆盖时，能够保证良好的业务质量；开机优选2G、3G网络，若数据卡优选2G、3G网络，虽然保证总有覆盖，但用户可能认为不存在LTE网络覆盖，从而影响业务使用，因此不建议数据卡开机优选2G、3G网络。对于开机优选LTE网络的情况，移出LTE网络覆盖区后，优先在3G网络驻留或者继续业务，若无3G网络则选择2G网络，终端一旦重新检测到LTE覆盖，则返回LTE网络。

终端有两种状态：空闲态和连接态，在这两种状态下的移动管理是不一样的。空闲态的移动性管理主要通过小区重选(Cell Reselection)来允许空闲态UE，采用“Cell ranking”和“RAT prioritization”重选2G/3G或LTE信元；连接态的移动性管理主要通过小区重定向(Redirection)(网络将UE推向或拉回LTE覆盖区的机制)和PS切换(Handovers)。在连接状态下，LTE与2G/3G的移动机制是不一样的。

LTE与GSM、WCDMA网络PS业务移动性方案示意图如图1所示。

图1  LTE与GSM、WCDMA网络PS业务移动性方案示意图

(1)小区选择和重选

与2G/3G间互操作一样，LTE支持多模终端在LTE与2G/3G网络间的小区重选，具体包括如下：

1)空闲状态的终端在LTE和UMTS/GSM间的小区重选；

2)Cell-PCH和Cell-FACH状态的终端从UMTS到LTE的小区重选；

3)GPRS-Packet-IDLE和Transfer模式的终端从GPRS到E-UTRAN的小区重选；

4)RRC连接状态(未进行业务连接)的终端从LTE到GSM的小区重选或网络辅助(NACC)小区重选。

(2)无线连接重定向

LTE与GSM/UMTS间可以进行无线连接重定向，具体包括如下：

1)RNC在RRC reject和RRC release消息中指示E-UTRAN的频点，终端对该频点小区开始重选过程；

2)E-UTRAN在RRC release消息中指示UTRAN的频点，终端对该频点小区开始重选过程；

3)BSC在RRC release消息中指示E-UTRAN的频点，终端对该频点小区开始重选过程；

4)E-UTRAN在RRC release消息中指示GSM的频点，终端对该频点小区开始重选过程。

(3)PS切换

在建立数据业务连接时，LTE支持与UMTS/GSM系统间的双向切换，具体包括如下：

1)在LTE仅建立数据业务连接，处于Active状态的终端从E-UTRAN切换到UTRAN/GPRS；

2)在UMTS仅建立数据业务连接，处于Cell-DCH状态的终端从UTRAN切换到E-UTRAN；

3)在GRPS建立数据业务连接，处于GPRS-Packet-Transfer状态的终端从GPRS切换到E-UTRAN。

LTE与GSM、WCMDA之间不同的移动机制如表1所示。

2.4  CS域互操作策略分析

对于语音业务的切换，LTE分成两个阶段来实现：当LTE网络不能提供语音业务时，通过电路域语音回退(CSFB)和双待机功能来实现，是一种语音业务的过渡方案；当LTE网络能够提供语音业务时，通过单射频语音连续控制(SR-VCC)、LTE网络通过通用接入承载语音(VoLGA)功能来实现，该方案为LTE网络承载语音的目标方案，是LTE运营商的最终选择。具体如下：

(1)CSFB:当终端在LTE网络驻留有语音业务时，需网络辅助回落到2G/3G网络，由电路域提供。

LTE和GSM/WCDMA双模终端是Single-radio模式，在使用LTE接入时，无法同时收、发GSM/WCDMA电路域业务信号。为了使终端在LTE接入下能够收/发语音等CS业务，并且能够正确地处理正在进行的LTE PS业务，产生了CSFB技术。当运营商还没有部署IMS网络，仅由CS域提供语音和SMS等服务、LTE提供数据服务时，CSFB技术可以触发终端从LTE接入回退到GSM/WCDMA网络接入并进行CS业务。实现CSFB功能需要在MME与MSC服务器之间引入SGs接口。终端附着在LTE，同时通过SGs附着在CS域，使得其他用户可以呼叫该UE。这样终端就可以优先驻留在LTE网络享受高速数据业务，在需要语音服务时才返回2G/3G网络发起CS语音呼叫。

表1  LTE与GSM、WCMDA之间不同的移动机制

UE处于连接状态
移动性机制	说明
LTE-to-GSM CCO(without NACC)	UE in EUTRAN RRC Connected mode
LTE-to-GSM CCO(with NACC)	UE in EUTRAN RRC Connected mode
LTE-to-GSM Cell Redirection R8	UE in EUTRAN RRC Connected mode. Only applicable pending activation of handovers between LTE and GERAN
LTE-to-GSM Cell Redirection R9	UE in EUTRAN RRC Connected mode. Only applicable pending activation of handovers between LTE and GERAN
LTE-to-WCDMA PS handovers	UE in EUTRAN RRC Connected mode
LTE-to-WCDMA redirections R8	UE in EUTRAN RRC Connected mode. Only applicable pending activation of handovers between LTE and WCDMA
LTE-to-WCDMA redirections R9	UE in EUTRAN RRC Connected mode. Only applicable pending activation of handovers between LTE and WCDMA

CSFB回落网络存在多种可选方案：仅回落2G网络、仅回落3G网络、回落2G和3G网络。每种回落方案对网络改造的成本是不一样的，需要综合评估性能、实施代价、应用情况等来选择适合的方案。

(2)双待机：是一种终端实现方式，将长期作为一种手持终端形态存在。

手机同时驻留LTE网络和2G/3G网络，语音业务通过2G/3G网络提供，数据业务通过LTE和2G/3G网络提供。网络改造较少，但对终端要求高，产业支持积极性不高。

(3)SR-VCC：是LTE网络全覆盖之前语音从LTE网络到2G/3G网络的切换方案。

SR-VCC主要解决单射频终端在IMS控制的VoIP语音与CS语音之间的无缝切换。已经搭建IMS网络实现VoIP业务是SR-VCC技术的前提，同时SR-VCC技术要求MSC服务器支持Sv接口。为了便于切换，VoIP需要锚定在IMS中。目前SR-VCC仅支持E-UTRAN到UTRAN/GERAN的单向切换。MME首先从E-UTRAN接收切换请求和用于说明此为SR-VCC处理的指示消息，然后再通过Sv参考点触发它与MSC服务器enhanced for SR-VCC之间的切换流程。

(4)VoLGA：利用LTE和IMS提供基于IP的语音业务解决方案。

VoLGA的主要思想是将LTE作为一个IP接入网，通过新增加的一个网络实体VANC(VoLGA接入网络控制器)模拟RNC或BSC，接入CS核心网完成语音业务的处理。VANC支持A mode和Iu mode两种工作模式，分别针对GERAN和UTRAN网络。

CSFB方案的用户体验和网络改造代价与选取的回落网络和具体方案有关，应用效果还依赖于网络优化，相比双待机，业务体验有不同程度下降，网络改造后有不同程度提高。

SR-VCC/VoLGA和双待机方案可使终端获得较好的语音、高质的可视电视和数据业务体验。

3  网络升级策略

用户在多系统间业务的连续性体验，需要在网络层面制定完备的互操作规范。对于新设备，可以在研发时就将这些因素考虑进去(仅增加研发成本)；对于现有设备，则需要考虑如何进行升级改造来满足新的技术要求。

系统的后向兼容是很困难的，要实现系统间互操作的硬件支持，需要升级UTRAN/GERAN设备使之全面支持3GPP R8协议乃至后续版本，但硬件升级意味着新增成本压力以及对现网稳定性的影响。因此，采取何种方式需要根据运营商具体情况定制解决方案。

以RAN侧为立足点，提供以下典型方案供参考：

(1)UTRAN/GERAN设备不升级

由于种种原因，运营商不具备网络升级条件，此时eNB设备支持前向兼容，随着LTE的部署，系统支持从E-UTRAN到UTRAN/GERAN的小区重选、重定向、数据及语音的单向切换；由UTRAN/GERAN到E-UTRAN只支持小区重选，而且时间较长，影响用户的业务体验。

(2)UTRAN/GERAN设备全面升级

现网设备全面升级支持R8协议，小区重选、重定向、数据切换均可以在多制式网络中灵活实现，这需要在2G/3G的系统设备中增加广播信息、重定向(包含测量配置)及系统间切换功能。

(3)UTRAN/GERAN设备少量升级

运营商对现网进行选择性升级，使之支持部分R8协议功能，这样可以实现E-UTRAN和UTRAN/GERAN之间的小区重选、重定向及数据和语音业务的单向切换。与前一种方案相比，现网只需增加广播信息和重定向功能，这样在同时覆盖多种RAN的区域，LTE拥有最高的优先级，用户将优先驻留于E-UTRAN。该方案是在性能和投入成本之间选取的折衷方案。

4  结束语

优质的LTE网络覆盖是需要长时间建设和完善的，良好的互操作性能弥补了LTE网络覆盖的弱区、漏洞。LTE高速的数据速率结合2G/3G完善的网络覆盖，为LTE用户提供较好的用户感知。

作者简介：

何红，学士毕业于成都理工大学，现任职于天津市邮电设计院有限责任公司，从事移动通信无线网络规划设计与优化工作；

张树才，现任职于广州杰赛科技股份有限公司通信规划设计院，从事电源规划设计和无线规划设计工作。

参考文献：

[1]中国通信网.LTE网络互操作策略浅析[EB/OL].(2010-11-30). http://www.c114.net/lte/608/a563957-2.html.

[2]华为技术有限公司.LTE信令流程[Z].2012.

[3]华为技术有限公司.3G互操作技术策略分析[Z].2011.

[4]Harri Holma, Antti Toskala. UMTS中的LTE:向LTE-Advanced演进[M].郎为民，译.2版.北京：机械工业出版社，2012.

[5]韩志刚.LTE FDD技术原理与网络规划[M].北京：人民邮电出版社，2012.

作者： 天津市邮电设计院有限责任公司 何红 广州杰赛科技股份有限公司通信规划设计院 张树才  来源： 《移动通信》2013年第12期

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