LTE与2G3G系统互操作研究

LTE与2G/3G系统互操作研究摘要：为确保现有移动用户良好的业务体验感知，LTE对不同系统间的互操作做了较为完备的规定，但带来了现网设备复杂的升级和高昂的投入。

本文通过对其他运营商和技术制式实现方法的介绍，提出了LTE建设初期与2G/3G系统间互操作的要求。

0 前言移动宽带技术的发展，丰富了移动网承载的数据业务类型，促进了移动数据业务的增长；移动数据的快速增长，对移动接入又提出了新的带宽要求。

近几年，两者间相互影响，相互促进，移动网呈现数据业务爆发、新技术制式层出的局面。

目前在网运行的是2G和3G网络，承载的用户数已达9.2亿。

为了进一步提高移动网接入速率，同时缓解频谱资源有限的问题，国际标准组织加快了LTE技术标准的制定，缩短了从标准到商用的时间。

LTE商用试验网在全球范围内已经广泛展开。

为确保现有移动用户良好的业务体验感知，LTE标准在制定过程中，对与现有系统间的互操作特性进行了大量研究，并作出了规定。

1 多系统间应具有良好的互操作特性为确保业务使用在多系统间的连续性，LTE规范对不同系统间的互操作作了较为完备的规定，主要内容可分为小区选择和重选、数据切换、语音切换和无线连接重定向等几个方面。

1.1 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：a)空闲状态的终端在LTE和UMTS/GSM间的小区重选。

b)CELL-PCH和CELL-FACH状态的终端从UMTS到LTE的小区重选。

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

d)RRC连接状态的终端从LTE到GSM的小区重选或网络辅助(NACC)小区重选。

1.2 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：a)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。

b)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。

c)BSC在RR 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。

d)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。

1.3 数据业务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：a)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。

b)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。

c)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。

1.4 语音业务切换对于语音业务的切换，LTE分成2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)功能来实现；当LTE网络能够提供分组域语音业务时，通过单射频语音连续控制(SR-VCC)功能来实现，具体包括：a)当LTE网络不能提供语音业务时，具有CSFB能力的终端，可以实现：从LTE-IDLE 状态，重定向到UTRAN/GSM建立语音业务；从LTE-Active状态(即建立有数据业务连接)，发起PS Handover流程使得终端在UTRAN/GSM接入，发起语音业务建立流程。

b)当LTE网络能够提供IMS语音业务时，LTE侧的语音业务可以通过SR-VCC功能切换到UMTS/GSM网络。

2 LTE互操作的重点仍是语音业务LTE标准在制定之初的主要目的是提高无线移动宽带接入速率，技术上仅支持分组数据业务，但考虑到目前移动网上的金牌业务是语音，因此LTE也制定了大量关于承载语音业务的互操作规范。

根据实现时间与方式的不同，主要可分为3个方案：CSFB、SR-VCC和VoLGA(LTE网络通过通用接入承载语音)。

2.1 CSFBLTE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、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网络以享受高速数据业务，在需要语音服务时才返回2G/3G网络发起CS语音呼叫。

目前标准规范中CSFB的网络架构、设备功能、主要流程等内容已经冻结；后续为了减小在回退过程中的时延问题，3GPP又提出了增强CSFB功能，主要的方案有嵌入式LAU、安全增强、基于SR-VCC的CSFB和隐士位置更新等。

2.2 SR-VCCSR-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。

目前标准规范中SR-VCC的应用场景、功能架构和主要流程等内容已经基本确定，后续为了减小在切换过程中IMS侧时延过长的问题，3GPP又提出了：在SIP层面和在EPC 网关层面的锚定方案等增强型SR-VCC规范。

2.3 VoLGAVoLGA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2种工作模式：A mode和Iu mode，分别针对GERAN和UTRAN网络。

与前两者不同的是，VoLGA由工业联盟制定规范，初衷是想在LTE部署初期，将它作为一个IP接入网，CS域业务仍利用原有的2G/3G网络，因此该方案未解决最终在LTE 系统中提供语音的问题，没有得到主流运营商和设备制造商的广泛支持。

3 完备的互操作方案带来复杂的现网设备升级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。

正如引入3G网络对2G设备的升级改造一样，LTE的互操作对现有设备也提出了大量的改造任务。

3.1 SGSNLTE网络仅支持PS域业务，因此SGSN是LTE引入后与2G/3G网络互操作的核心网元之一。

SGSN的升级要求较多，它需要增加支持的接口、流程、协议、字段等多方面内容。

a)支持S3、S4、S6d等接口及相关功能。

b)为实现CSFB功能需支持Suspend和Resume流程。

c)支持2G网络与LTE网络间的RIM流程，包括Gb接口及Gn接口的信令流程。

d)支持IPv6单栈，IPv4、IPv6双栈PDP类型。

e)支持EPC DNS地址解析、SRV查寻，根据DNS反馈的权重信息选择P-GW(GGSN)等。

3.2 HLR为保证LTE覆盖范围内2个相邻MSC边界地区被叫呼叫成功率，被叫用户归属HLR 需支持Roaming Retry流程。

同时还需要升级支持HLR/HSS融合。

3.3 MSC若现网MSC升级支持CSFB，则LTE覆盖范围内的所有MSC需支持以下功能。

a) 基于SGs接口的移动性管理，包括：IMSI位置更新请求，在VLR建立IMSI和SGs接口的映射关系；IMSI去附着，在VLR删除IMSI和SGs接口的映射关系。

b) 语音业务流程，包括SGs接口的寻呼。

同时GMSC也需进行升级，支持Sv接口，并通过Sv接口交互处理SR-VCC切换流程。

3.4 2G/3G RAN设备RAN设备是组成移动网的基础单元，完成用户空口的信息交互过程。

对于互操作内容的空闲态小区双向重选、数据连接态LTE向2G/3G小区重选或切换大都可以通过软件升级方式来完成；但对语音业务的回落功能，现有的RAN设备可以软件升级支持R8版本，对于增强型CSFB，则大都不支持，需要更换大量的软硬件设备。

这些功能的实现，虽然可以通过软件升级来完成，但是大多数对接口、协议的支持，需要更换硬件，甚至平台，才能达到要求。

因此完备的互操作要求带来的必然是现网设备的大规模调整。

4 他山之石，可以攻玉互操作不是个案问题，不同电信运营商、不同技术制式都面临这个选择，因此关注和了解他们的做法，对中国运营商，对E-UTRAN、UTRAN和GERAN技术都有很好的参考与借鉴作用。

4.1 国外运营商的选择，可供中国运营商参考截至2011年1月，全球范围内已有17个正式商用的LTE网络，分布于15个国家和地区。

由于LTE网络刚开始建设，其覆盖程度、用户数量都还处在极其初级的阶段；同时市场上的LTE终端大部分都是数据卡或路由器，在这种情况下，为互操作升级现有网元设备的风险和带来的效益远不能成正比。

因此，运营商大都选择独立的LTE组网方式，采取完全双卡双待的模式。

后续，随着LTE网络用户数量的增加、用户业务需求和管理复杂度的上升、核心网设备的融合以及终端设备的成熟，国外LTE运营商将基于3GPP定义的标准功能，循序渐进地引入互操作内容。

首先，实现空闲状态下系统间的双向小区重选；同时，针对已发起的数据呼叫，开启LTE到UTRAN/GERAN的PS切换。

LTE建网初期主要以数据卡业务为主，因此上述功能基本上能实现以2G/3G覆盖弥补LTE覆盖不足的目的。

随着LTE终端类型的多样化，当其发起或接收语音呼叫时，可以通过CSFB，回落到2G/3G网络CS域完成此呼叫。

未来出于市场竞争的需要，运营商也将有可能会开通基于LTE的VoIMS，要求LTE与2G/3G系统支持SR-VCC。

终端在离开LTE覆盖区时，可以平滑切换到2G/3G网络。

随着业务量的增长，也有可能会在多系统间开启基于业务量均衡的互操作功能。

4.2 其他技术制式的实现方式，可供E-UTRAN借鉴作为主要3G技术之一的cdma2000，也制定了大量关于1x与EV-DO系统间互操作内容的规范。

cdma 2000互操作方案主要有4种：混合终端、双接收机、交叉寻呼和VCC。