幾種無線通信系統(tǒng)的局間切換流程比較研究

摘要　分別分析和比較了在國內(nèi)無線通信領(lǐng)域占了主流地位的GSM系統(tǒng)和PHS系統(tǒng)、即將投入建設(shè)的WCDMA R4網(wǎng)絡(luò)的局間切換流程，概括了幾種系統(tǒng)局間切換流程的本質(zhì)不同及其根本原因。本文可以作為切換研究、MAP研究、R4與GSM兼容性測試的依據(jù)，并供一致性測試作為參考。

1、前言

在無線通信系統(tǒng)中，切換就是為了完成無線用戶發(fā)起的一次業(yè)務(wù)接入過程或者一次正在進行的通話期間，用戶所在的位置由一個小區(qū)變更到另一個小區(qū)的過程。切換功能的完備性和切換效果直接影響到為用戶提供的服務(wù)質(zhì)量水平。切換的類型有多種，例如WCDMA移動系統(tǒng)中除了軟切換和更軟切換，WCDMA還包括局內(nèi)RNS內(nèi)部、MSC內(nèi)部（包括RNC間、BSC間、RNC與BSC之間）和MSC間的切換（又稱局間切換）。由于GSM、PHS系統(tǒng)與WCDMA系統(tǒng)相比，三者的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很類似，因此切換類型上，GSM、PHS系統(tǒng)與WCDMA系統(tǒng)相比只是缺少軟切換這種功能類型，其它切換類型都會有。

在移動通信系統(tǒng)中，當移動用戶在通話過程中由一個服務(wù)區(qū)切換到另外一個服務(wù)區(qū)時，如果這個服務(wù)區(qū)屬于另外一個交換局MSC，那么整個切換過程需要兩個MSC的參與，而且為了保持通話接續(xù)，除了新的接入小區(qū)為無線用戶提供無線資源以外，還需要在兩個MSC間建立一條局間電路供通話使用。PHS系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)上和GSM系統(tǒng)基本相同，因此上述切換過程在PHS系統(tǒng)中相類似，只是完成切換的消息流程及控制機制存在差異，這也就是本文要研究的內(nèi)容。

引起切換的原因有幾個可能，例如在GSM或WCDMA系統(tǒng)中當通話中終端越出當前小區(qū)，需要進行切換以保證現(xiàn)有通話不中斷，或者當通話中的終端改變小區(qū)能夠避開干擾或“優(yōu)選小區(qū)”擁塞時，終端都會切換到臨近小區(qū)以保證能夠獲得可靠的服務(wù)質(zhì)量。但啟動切換的條件和純無線域的切換不是本文章重點研究的內(nèi)容，所以本文只假設(shè)符合了切換條件并研究切換的信令交互流程。

2、切換流程說明

2.1　WCDMA網(wǎng)內(nèi)的切換流程

2.1.1　切換描述

WCDMA中的局間切換在3GPP MAP協(xié)議中有專門的“切換業(yè)務(wù)”，其中包含了確認型的MAP_PREPARE_HANDOVER和非確認型的MAP_PROCESS_ACCESS_SIGNALLING等多個業(yè)務(wù)以及各自的原語。

MSC間的局間切換包括“基本的MSC間切換”和“后續(xù)MSC間切換”兩種。基本切換只涉及呼叫從源MSC（MSC-A）至另一個目標MSC（MSC-B）的切換，參見圖1流程（在MAP_PREPARE—SUBSEQUENT_HANDOVER之前的部分）；當呼叫從MSC-A切換到MSC-B后如果需要繼續(xù)連接，可能有必要從MSC-B切換回MSC-A或者到第三個MSC（MSC-B’），則稱為后續(xù)切換。參見圖1流程（在MAP_PREPARE_SUBSEQUENT_HANDOVER之后的部分）。切換流程中所使用到的主要MAP業(yè)務(wù)見表1。而表1所描述的是切換中主要涉及到的業(yè)務(wù)類型和原語及重要參數(shù)。

圖1　WCDMA網(wǎng)絡(luò)的基本和后續(xù)切換流程

表1　MAP中切換業(yè)務(wù)及原語解釋

（1）在切換過程中，源MSC利用MAP_PREPARE_HANDOVER將目標RNC ID、ANAPDU、radio resource list等無線信息傳遞給目標MSC轉(zhuǎn)發(fā)給目標RNS，目標RNS對收到的一些參數(shù)作出回應(yīng)，再加上其它RANAP信息一起上傳給目標MSC，由目標MSC通過MAP_PROCESS_ACCESS_SIGNALLING消息攜帶這些無線參數(shù)反饋給源MSC，源MSC將這些信息下發(fā)給UE/MS以完成后面的切換流程；

（2）在切換完成后，源MSC仍然保持對呼叫的控制，因此源MSC還可以通過MAP_FORWARD_ACCESS_SIG NALLING：攜帶AP-PDU、radio resource list等無線信息傳遞給目標MSC轉(zhuǎn)發(fā)給目標RNS，目標RNS同樣對收到的一些參數(shù)作出回應(yīng)，由目標MSC通過MAP_PROCESS_ACCESS_SIGNALLING消息攜帶這些無線參數(shù)反饋給源MSC，起到了源MSC與目標RNS之間的參數(shù)協(xié)商及控制作用。

從上述流程可以看出：

（1）WCDMA的局間切換是由用戶的當前局（切出局），即控制局觸發(fā)并控制用戶的切換過程，因此Iu接口需要上報用戶預(yù)切換的目標RNC標識等信息給切出局，切出局根據(jù)收到的目標RNC標識分析得出目標交換局，直接與目標交換局進行系列切換過程；

（2）切換期間，用戶不做位置更新操作，用戶數(shù)據(jù)仍然保持在切出局上，因此話路一直由控制局控制，計費等信息仍然由切出局記錄；

其中HON切換號碼是指當用戶在呼叫過程中發(fā)生局間切換，由切入交換局為切出交換機分配的并能夠使這兩個交換局之間能夠建立話路的號碼，其格式與漫游號碼相同；AN-APDU裝載有無線接入側(cè)相關(guān)信息。

2.1.2　MSC-A的切換程序

本程序所完成的是在MSC-A中完成的從MSC-A到MSC-B的基本切換，以及到MSC-B’或者回到本MSC-A的后續(xù)切換。

MSC-A通過MAP_PREPARE_HANDOVER業(yè)務(wù)請求（request）發(fā)出目標RNC標識及由于兼容原因MSC-B分配必要無線資源所需要的所有信息。如果MSC-B接受對話則回送MAP_PREPARE_HANDOVER證實（confirmation），其中包括HON號碼和無線側(cè)回應(yīng)信息給MSC-A。

當用戶終端與MSC-B成功建立呼叫，MSC-B還要通過MAP_SEND_END_SIGNAL指示（indication）通知MSC_A，MSC_A可以通過這個消息的響應(yīng)（response）關(guān)閉MAP對話。

在穩(wěn)定切換狀況下的呼叫過程或者切換之后，MSC-A與MSC-B之間仍然可以通過調(diào)用MAP_FOR WARD_ACCESS_SIGNALLING請求（request）和接收MAP_PROCESS_ACCESS_SIGNALLING指示（indication）進行AN-APDU等信息的交互。

對于后續(xù)切換：MSC-A收到MAP_PREPARE_SU BSEQUENT_HANDOVER請求后就啟動后續(xù)切換的程序，見圖1，表1中MAP_PREPARE_SU BSEQUENT_HANDOVER以下的信令流程；MSC-A當與MSC-B’的切換流程都成功完成后，將向MSC-B發(fā)送MAP_SEND_END_SIGNAL確認消息（confirmation）來關(guān)閉MAP對話。

2.1.3　MSC-B的切換程序

本程序所完成的是在MSC-B中完成的從MSC-A請求切換，以及到MSC-B’或者回到主控MSC-A的后續(xù)切換。

當接收到從MSC-A發(fā)過來的MAP_PREPARE_HANDOVER業(yè)務(wù)請求時，MSC-B請求本VLR提供切換號碼HON，并通過響應(yīng)消息（response）中將HON連同無線部分的回應(yīng)信息返回給MSC-A。

當MSC-A接收到MAP_PREPARE_SUBSEQUENT_HANDOVER時，MSC-B將等待呼叫斷開，一旦斷連完成，MSC-B將通過MAP_SEND_HANDOVER_REPORT確認（confirmation）來通知本VLR釋放分配的切換號碼供后續(xù)使用。

2.2　GSM網(wǎng)內(nèi)的切換流程

整個切換過程用到的MAP業(yè)務(wù)例如MAP_PREPARE_HANDOVER基本切換業(yè)務(wù)和MAP_P REPARE_SUBSEQUENT_HANDOVER后續(xù)切換業(yè)務(wù)與WCDMA系統(tǒng)完全一樣，包括業(yè)務(wù)原語。所不同的是MAP業(yè)務(wù)操作中攜帶的部分參數(shù)不同，例如將“目標RNC ID”換為“目標小區(qū)ID”、將“AN-APDU”換為“BSS _APDU”等等。由于純GSM網(wǎng)內(nèi)的局間切換信令流程與WCDMA一致，本文不再贅述，參見2.1部分。

2.3　WCDMA與GSM網(wǎng)間的切換流程

WCDMA與GSM網(wǎng)絡(luò)之間的切換包括以下4種場景：

（1）UMTS_MSC到GSM_MSC系統(tǒng)間的基本切換

（2）GSM_MSC到UMTS_MSC系統(tǒng)間的基本切換

（3）GSM_MSC到UMTS_MSC又切回GSM_MSC系統(tǒng)的后續(xù)切換

（4）UMTS_MSC到GSM_MSC又切回UMTS_MSC系統(tǒng)的后續(xù)切換

切換的過程與同一系統(tǒng)的過程一致，參見2.1部分，但是由于兩種系統(tǒng)無線接入所需的信息不同，因此系統(tǒng)間切換時在MAP業(yè)務(wù)操作中傳遞的參數(shù)會不同，如從UMTS切換到GSM時，需攜帶“目標CELL ID”，“BSSMAP Service Handover”等，如從GSM切換到UMTS時，需攜帶“目標RNC ID”，“RANAP Service Handover”等。

不同系統(tǒng)間切換的實現(xiàn)關(guān)鍵要滿足兩點：第一是UMTS系統(tǒng)的MSC要有識別GSM小區(qū)的能力，GSM系統(tǒng)MSC要能對UMTS系統(tǒng)的RNC ID進行識別，而且能夠根據(jù)不同的需要分別構(gòu)造符合UMTS或GSM協(xié)議的消息；第二是MSC要支持UMTS和GSM之間服務(wù)質(zhì)量參數(shù)的相互轉(zhuǎn)換，即能夠完成GSM系統(tǒng)中描述服務(wù)質(zhì)量的CHANNEL TYPE與UMTS系統(tǒng)中描述服務(wù)質(zhì)量的QoS之間的相互轉(zhuǎn)換和映射，以保證用戶在切換后仍能獲得同樣質(zhì)量的服務(wù)。

另外，由于WCDMA和GSM使用的MAP版本會有差異，如WCDMA一般是Version3，而GSM中一般是Version2，因此兩系統(tǒng)之間進行切換時，由于MAP版本上的不一致，需要先進行版本協(xié)商，協(xié)商后統(tǒng)一采用較低版本的MAP業(yè)務(wù)完成切換過程。

2.4　PHS網(wǎng)內(nèi)的切換流程

PHS系統(tǒng)的局間切換流程與ETSI或者3GPP MAP協(xié)議中的規(guī)定有所不同，它沒有專門的“切換業(yè)務(wù)”，與PHS的正常呼叫處理業(yè)務(wù)非常相似，也是利用SRI和PRN消息進行交互，只是將入呼局換為切入局，MAP信令消息與呼叫一致，所不同的是在PRN消息中的詢問類型（interrogation type）需要指明是向?qū)Χ司植樵兦袚Q號碼而不是漫游號碼。當切入局發(fā)出的IAM消息（ISUP消息）被切出局接收并應(yīng)答后，就完成了用戶的跨局切換過程。兩局間的TDM通路一直保持至呼叫結(jié)束或者用戶再次發(fā)生切換到其他局。

圖2中描述的是典型的PHS系統(tǒng)切換流程，也基本上被確定為中國電信不同廠家PHS系統(tǒng)的統(tǒng)一標準，目前部分廠家完全遵照此流程，但也存在某些廠家內(nèi)部的切換還不完全符合此MAP規(guī)范要求。

圖2　PHS系統(tǒng)的切換流程

該流程中所使用到的主要MAP業(yè)務(wù)及解釋見表2所示。

表2　PHS MAP切換業(yè)務(wù)及解釋

注意在PHS系統(tǒng)中并沒有專門的HON切換號碼，其編號規(guī)則和分配方法與MSRN漫游號碼是一致的，該號碼的傳送需要經(jīng)過HLR的轉(zhuǎn)發(fā)，這也是與GSM或WCDMA的切換流程中很大的一處不同。

從上述流程可以看出：

（1）PHS的局間切換是由目標切入局觸發(fā)用戶的切換請求，由用戶的當前局（切出局），即控制局控制用戶的切換過程，因此切入局需要借助HLR找尋用戶當前拜訪的交換局；

（2）切換期間，用戶不做位置更新操作，用戶數(shù)據(jù)仍然保持在切出局上，因此話路一直由控制局控制，計費等信息仍然由切出局記錄。

3、流程異同的比較及原因研究

由前面章節(jié)的切換流程可以看出：WCDMA由于沿襲了GSM的MAP切換過程，因此兩者差異較少，主要差異在于MAP消息傳遞的參數(shù)會有不同，這是因為WCDMA與GSM系統(tǒng)中的無線參數(shù)存在差異的緣故；而WCDMA/GSM網(wǎng)絡(luò)中的局間切換與PHS網(wǎng)絡(luò)中的局間切換差異較大，它們的主要差異及原因總結(jié)如下：

（1）切換的觸發(fā)方式及原理不同

GSM/WCDMA網(wǎng)絡(luò)：無線側(cè)根據(jù)移動終端上報的無線指標選擇好目標小區(qū)后，向核心網(wǎng)交換機（控制該用戶的交換機，也稱為源交換機）發(fā)起切換相關(guān)的請求，源交換局根據(jù)無線側(cè)上報的目標小區(qū)/RNC標識等信息找尋切換的路由，因此切換路由的找尋不需要借助HLR。當源交換局與目標交換局之間通過MAP消息交互，目標BSS/RNS都準備好以后，源交換局開始向無線側(cè)下發(fā)切換命令，這時通話暫時中斷，直到終端切換到目標RNS/BSS后，通話恢復(fù)正常。

PHS網(wǎng)絡(luò)：PHS終端先行切入到目標局，這時通話斷開，由目標局去找尋切換的路由，路由的找尋因此需要借助HLR去獲取切換號碼，最終由目標局向源交換局發(fā)起話路建立請求，將話路接入到源交換局，完成切換，通話恢復(fù)正常。

這種切換方式上的不同，導(dǎo)致了PHS的硬切換造成的通話中斷時間要長于GSM/WCDMA切換，用戶對切換感覺比較明顯。

（2）切換路由找尋方式不同

GSM/WCDMA網(wǎng)絡(luò)由源交換局分析無線側(cè)上報的目標小區(qū)/RNC標識等信息找尋目標交換局。

PHS網(wǎng)絡(luò)由目標交換局借助HLR找尋源交換局。

（3）話路建立的方向不同

GSM/WCDMA網(wǎng)絡(luò)，話路由源交換局發(fā)起，建立到目標交換局的通路。

PHS網(wǎng)絡(luò)，話路由目標交換局發(fā)起，建立到源交換局的通路。

（4）連續(xù)切換兩次以上的過程不同

GSM/WCDMA網(wǎng)絡(luò)：后續(xù)切換發(fā)起由前一次的目標局發(fā)起，切換過程由源交換局控制，這是因為無線側(cè)的信息由前一次的目標局掌控，而用戶的業(yè)務(wù)由源交換局控制，因此前一次的目標局需要向源交換局發(fā)起后續(xù)切換請求，由源交換局決定是否進行后續(xù)的切換。

PHS網(wǎng)絡(luò)：后續(xù)切換流程和第一次的切換過程一致，由目標交換局將切入的話路建立到源交換局上，源交換局釋放掉與前一次目標交換局之間的話路，這是因為PHS的切換過程由目標局觸發(fā)，切換路由統(tǒng)一借助HLR找尋的緣故。

（5）無線側(cè)的過程不同

GSM/WCDMA網(wǎng)絡(luò)：手機終端需要測量各小區(qū)的信號強度，并將測量結(jié)果上報給BSC/RNC，BSC/RNC根據(jù)收到的測量結(jié)果，選擇目標小區(qū)，并將目標小區(qū)/RNC標識等無線相關(guān)信息上報給核心網(wǎng)（源核心網(wǎng)），由源核心網(wǎng)根據(jù)目標小區(qū)/RNC標識等信息找尋目標網(wǎng)絡(luò)，當目標網(wǎng)絡(luò)準備就緒后，源核心網(wǎng)向無線側(cè)發(fā)送切換命令，手機終端收到無線側(cè)切換命令后切入到目標網(wǎng)絡(luò)。

PHS網(wǎng)絡(luò)：終端自行決定切入哪個小區(qū)，先切入目標小區(qū)，由目標網(wǎng)絡(luò)找尋并建立與源交換網(wǎng)絡(luò)的話路。

（6）R4網(wǎng)絡(luò)中，還存在同一MSC SERVER下，兩個MGW之間的切換情形，此時，切換的MAP過程沒有，核心網(wǎng)側(cè)MSC SERVER只需完成媒體流部分的切換控制，媒體流仍然經(jīng)由第一個MGW出局，以保持通話第一次建立時與別的MGW的媒體流通路不發(fā)生變化。