LTE與2G/3G網(wǎng)絡(luò)融合部署策略探究[圖]

摘要：在介紹LTE的業(yè)務(wù)發(fā)展與2G/3G現(xiàn)網(wǎng)的業(yè)務(wù)運營的基礎(chǔ)上，詳細闡述了LTE與2G/3G融合需要細致考慮的3個步驟：數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的互操作、確定LTE語音方案 、LTE與2G/3G的業(yè)務(wù)均衡。

0 前言

3GPP WCDMA是第三代移動通信系統(tǒng)主流技術(shù)，在全世界有著成功的商用。在不改變系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的前提下，通過引入64QAM、MIMO、DualCell技術(shù)，系統(tǒng)可以演進到HSPA+，最高支持84Mbit/s速率。LTE是3GPP R8技術(shù)，以O(shè)FDM為核心的寬帶無線多媒體網(wǎng)絡(luò)，其上、下行峰值速率分別達到50、100Mbit/s。據(jù)GSA統(tǒng)計，LTE技術(shù)已經(jīng)超越當年的HSPA，創(chuàng)下了新技術(shù)商用部署速度的新記錄；截至2011年10月12日，已有21個國家或地區(qū)的35個LTE網(wǎng)絡(luò)投入商用。

LTE的商用進程雖然迅速，但目前LTE尚不能滿足所有運營商的特定需求，需要繼續(xù)完善以支持多種應(yīng)用。近期看，采用在HSPA基礎(chǔ)上引入HSPA+的平滑演進措施，可以在網(wǎng)絡(luò)改造投入和網(wǎng)絡(luò)效能之間尋求最佳平衡點，以最小代價逼近LTE水平；長遠看，HSPA+最終不能替代LTE。就技術(shù)而言，LTE采用的多載波技術(shù)OFDM，相對于HSPA沿用的WCDMA的單載波直序擴頻技術(shù)有著天生的優(yōu)點，特別是在對大的系統(tǒng)帶寬支持上(超過10M頻率帶寬條件下)，WCDMA技術(shù)的MIMO、信道均衡、多用戶檢測、多徑衰落均衡以及終端設(shè)計都很復(fù)雜。

1 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的互操作

LTE與2G/3G數(shù)據(jù)互操作，要求開機優(yōu)選LTE，移出LTE覆蓋區(qū)后，優(yōu)先在WCDMA網(wǎng)絡(luò)駐留/繼續(xù)業(yè)務(wù)，若無WCDMA網(wǎng)絡(luò)則選擇2G網(wǎng)絡(luò)，終端一旦重新檢測到LTE覆蓋，則返回LTE；具體實現(xiàn)包括終端選擇與網(wǎng)絡(luò)側(cè)控制2種方案。

1.1 UE自主選擇網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)切換

對于運營商而言，最簡單的切換方式是同時維護2張網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)還保持在現(xiàn)有的2G/3G網(wǎng)絡(luò)上，新的高帶寬業(yè)務(wù)由LTE網(wǎng)絡(luò)提供。2張網(wǎng)獨立運營和維護，由新的2G/3G/LTE多模終端決定選擇哪張網(wǎng)來提供所需的業(yè)務(wù)。每張網(wǎng)有自己獨立的IP地址規(guī)劃。當終端檢測到一個更為合適的網(wǎng)絡(luò)時，就主動脫離現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，注冊到新的網(wǎng)絡(luò)里來，建立新的會話來獲得更好的服務(wù)。但這種脫離原網(wǎng)、重新注冊進新網(wǎng)的切換方式會帶來幾十秒的業(yè)務(wù)中斷時間，帶給用戶不好的業(yè)務(wù)體驗。

終端自主選擇網(wǎng)絡(luò)的切換方式最簡單，易于實施，但切換中IP連接在原網(wǎng)絡(luò)里被斷掉，切換完成后再在目標網(wǎng)絡(luò)里重建，業(yè)務(wù)中斷時間較長，用戶體驗比較差。這種方式一般在試驗網(wǎng)里使用。

1.2 網(wǎng)絡(luò)側(cè)控制的數(shù)據(jù)切換

為了更好地保持業(yè)務(wù)的連續(xù)性、降低業(yè)務(wù)中斷時間、提升用戶體驗，3GPP定義了幾種由網(wǎng)絡(luò)側(cè)控制的切換機制：小區(qū)重選、重定向、PS切換和NACC。運營商可以基于自己的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)情況和網(wǎng)絡(luò)演進策略作出不同的選擇。圖1示出的是LTE/3G/2G系統(tǒng)間重選、切換狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖。

1.2.1 小區(qū)重選

基站側(cè)指導終端對服務(wù)小區(qū)和鄰小區(qū)頻點進行測量，配置切換觸發(fā)門限；終端根據(jù)測量結(jié)果，自行決定是否重選進新的小區(qū)駐留。之后發(fā)起TAU或者RAU位置更新流程，注冊到網(wǎng)絡(luò)里來。如果終端頻繁在LTE覆蓋邊緣移動，會產(chǎn)生大量位置更新信令，給系統(tǒng)設(shè)備帶來極大的信令負荷，造成空口資源消耗。為了減少這種位置更新信令，3GPP引入了ISR(減少空閑模式的信令)的方案，將相鄰的2G/3G的路由區(qū)和EPS的跟蹤區(qū)設(shè)定為等效區(qū)，讓終端在2個網(wǎng)絡(luò)進行雙注冊，這樣終端在這2個系統(tǒng)邊界徘徊時，就不再需要發(fā)起注冊及位置更新流程。

對于空閑狀態(tài)的終端，為了確保業(yè)務(wù)發(fā)起時有合適可用的網(wǎng)絡(luò)，終端需要通過小區(qū)重選的方式選擇合適的網(wǎng)絡(luò)進行駐留。

對于連接狀態(tài)的終端，終端在移出LTE覆蓋時為了保證業(yè)務(wù)不中斷或者終端進入LTE覆蓋時為了獲得更好的服務(wù)，終端需要完成不同接入系統(tǒng)之間的切換�；�站側(cè)(eNB、RNC、BSC)指導終端對服務(wù)小區(qū)和鄰小區(qū)們進行測量，設(shè)定測量上報事件觸發(fā)條件；終端根據(jù)基站側(cè)指示對本小區(qū)和鄰小區(qū)進行測量，當上報事件觸發(fā)條件滿足時，終端向基站側(cè)發(fā)送測量報告。主服務(wù)小區(qū)的改變可通過重定向、網(wǎng)絡(luò)輔助小區(qū)重選NACC、PS切換來完成。

1.2.2 重定向

如果終端和網(wǎng)絡(luò)不支持Inter-RAT的PS切換或者NACC，基站側(cè)根據(jù)測量報告指示終端選擇新的小區(qū)。重定向機制的業(yè)務(wù)中斷時間相對較長(2~6s)，因為終端需要先向目標小區(qū)獲取系統(tǒng)信息。

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)輔助小區(qū)重選NACC

NACC只應(yīng)用于從LTE到GERAN的切換，在網(wǎng)絡(luò)或終端不支持PS切換的情況下，用以盡量減少業(yè)務(wù)切換到GERAN目標小區(qū)的時延。EUTRAN通過MME和SGSN之間的交互獲得目標小區(qū)的系統(tǒng)信息，并把系統(tǒng)信息提供給終端，這樣終端就可以更快接入到目標小區(qū)恢復(fù)業(yè)務(wù)承載。在不支持PS切換的情況下，NACC能更好地支持一些對時延和丟包率比較敏感的基于TCP的業(yè)務(wù)。NACC機制的業(yè)務(wù)中斷時間相對較快(500ms~2s)。

1.2.4 PS切換

PS切換的優(yōu)點是中斷時間較快(500ms~1s)。網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)終端測量報告作出切換判決，并在發(fā)起實際切換前幫助終端在目標網(wǎng)絡(luò)中申請好資源。這種機制能更好地支持實時業(yè)務(wù)并保證QoS要求、降低業(yè)務(wù)中斷時間及丟包率。

PS切換的限制是對端到端(終端、無線網(wǎng)元和核心網(wǎng)元)能力的要求。相對而言，在實現(xiàn)PS切換方面，WCDMA運營商比CDMA運營商具有更大的優(yōu)勢。

a)CDMA/LTE兩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)原理差異較大，存在context和注冊的繼承問題。

b)WCDMA/LTE系統(tǒng)的SGSN/GGSN和MME/xGW一脈相承，定義EPC標準時已經(jīng)考慮到兼容性，如GUTI和P-TMSI的轉(zhuǎn)換等，而且切換時用戶數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)也會通過Gn或S4發(fā)送到對方，所以沒有context和需要預(yù)注冊的問題。

1.3 LTE和GERAN/UTRAN的互操作

根據(jù)3GPP基于R8和R8前的定義，LTE和GERAN/UTRAN的互操作有2種選擇。

1.3.1 LTE與GERAN/UTRAN R8的切換

LTE和R8 GERAN/UTRAN互操作時需要用到2個新的接口，即S3和S4。S3位于SGSN和MME之間，用以在核心網(wǎng)間交換用戶上下文和承載信息；S4位于SGSN和SGW之間，在DT功能沒有啟用的情況下提供用戶平面數(shù)據(jù)的傳輸。啟用DT功能時，位于GERAN/UTRAN和SGW之間會有一個新的接口(S12)，用于傳輸用戶平面數(shù)據(jù)。從網(wǎng)絡(luò)角度來看，該架構(gòu)可以被認為是intra-E-UTRAN間的切換，GERAN/UTRAN中的SGSN可被當作MME，因此現(xiàn)網(wǎng)中的2G/3G SGSN需要升級到R8來支持S3/S4接口。將GERAN/UTRAN升級到R8的一個好處是可以使用ISR來減少終端和網(wǎng)絡(luò)間的信令，達到提高網(wǎng)絡(luò)性能的目的。

LTE疊加在R8網(wǎng)絡(luò)上的切換方式能夠提供最好的用戶體驗，切換導致的業(yè)務(wù)中斷時間也被縮短到0.5s以內(nèi)。在這種方式里，SGW成為所有接入系統(tǒng)的移動性錨點，簡化了系統(tǒng)間切換流程。這種切換方式最大的缺點是網(wǎng)絡(luò)升級成本比較大，對現(xiàn)網(wǎng)影響也比較大。

1.3.2 LTE與GERAN/UTRAN Pre R8的切換

現(xiàn)網(wǎng)都是Pre R8的網(wǎng)絡(luò)，若引入LTE來支撐一部分高帶寬的業(yè)務(wù)，則MME和S/PGW必須開發(fā)支持Pre R8的信令和承載接口(Gn/Gp)，來和Pre R8 SGSN溝通，實現(xiàn)切換。如果需要支持DT，PGW和RNC之間需要增加另外新的接口來建立直接通道旁路SGSN；否則，連接E-UTRAN和2G/3G的通路建立在PGW和SGSN之間。對于這種切換，現(xiàn)網(wǎng)不需要做任何改動，MME被看作是SGSN，PGW被看作是GGSN。因此，EPC網(wǎng)元需要開發(fā)支持新的接口，比如MME和SGSN直接的信令接口Gn，PGW和SGSN之間的信令和承載接口Gn等。

LTE網(wǎng)絡(luò)疊加在Pre R8網(wǎng)絡(luò)上的切換方式能夠提升用戶體驗，業(yè)務(wù)中斷時間應(yīng)該在1s以內(nèi)。這種方式也是對現(xiàn)網(wǎng)影響最小的一種方式，因為接口(如Gn/Gp/Gr)開發(fā)的工作都轉(zhuǎn)移到了EPC網(wǎng)元上。對于2G/3G/LTE多模終端，2G/3G核心網(wǎng)和EPC都把PGW作為IP層面的錨定點；而對于non-LTE的終端，仍然可以選擇老的GGSN來連接外部PDN網(wǎng)絡(luò)。這種方式的最大好處是短期內(nèi)沒有網(wǎng)絡(luò)升級成本，最大的缺點是不支持ISR。

2 確定LTE語音方案

LTE是一個純數(shù)據(jù)域的網(wǎng)絡(luò)，不能直接承載語音，3GPP定義了2種語音方案。

2.1 方案1：CSFB

在沒有部署IMS的情況下，CSFB方案可以幫助運營商在LTE網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)。CSFB 方案的實質(zhì)是LTE只實現(xiàn)分組域業(yè)務(wù)，語音業(yè)務(wù)仍然依靠2G/3G網(wǎng)絡(luò)原有的電路域設(shè)備實現(xiàn)。需要在MME和電路域使用SGs接口以支持CSFB功能，還要求用戶終端同時支持2G/3G電路域和LTE的無線接入，支持CSFB功能。

CSFB方案存在的不足是：可能會導致不好的用戶體驗。因為用戶每發(fā)起或接收一個呼叫都要進行一次無線接入方式的切換， 這樣一方面會帶來一定的時延，另一方面如果終端正在使用LTE 分組域業(yè)務(wù)，進來的呼叫會影響當前業(yè)務(wù)。如何解決這個問題，存在多種CSFB優(yōu)化方案(包括R8 RRC重定向、R9 RRC重定向WITH SIB、CCOW/O NACC等)，運營商之間的態(tài)度存在分歧，一定程度影響了方案的成熟。

2.2 方案2：SRVCC

SRVCC主要研究和解決IMS over LTE/SAE和CS之間的語音連續(xù)性問題；使2G/3G電路域或者LTE的分組域接入IMS，基于IMS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)的連續(xù)性，用戶終端可在不同的2G/3G電路域和LTE分組域之間直接進行切換。

SRVCC方案實現(xiàn)的前提條件如下：

a)運營商已部署IMS，且能提供語音業(yè)務(wù)。

b)IMS需要增加VCC AS功能實體，負責管理終端在CS域或者PS域的注冊以及CS與PS域之間的路由，并協(xié)助完成VT/VoIP至電路域語音的切換。

c)在MME和2G/3G電路域互操作功能實體(IWS)引入SGs接口以支持SRVCC功能，SGs參考點在MME和IWS之間提供了一條通道，用于傳送電路域信令消息。

2.3 方案比較

a)SRVCC方案能夠比較完善地解決LTE與2G/3G語音互操作問題，保證業(yè)務(wù)連續(xù)性，但要求升級2G/3G現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備和部署IMS核心網(wǎng)。

b)在IMS部署復(fù)雜、商用緩慢以及VoIP/VoLTE運營策略未明確的現(xiàn)狀下，CSFB是實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)的一個比較簡單、經(jīng)濟的方案。但是CSFB方案可能會導致不好的用戶體驗。

綜上所述，建議以SRVCC為LTE語音解決的目標方案。建網(wǎng)初期，建議雙待機方案先行，搶占市場先機；CSFB視雙待終端推廣情況及CSFB的性能和產(chǎn)業(yè)化情況，擇機引入。考慮到GSM網(wǎng)絡(luò)具有更好的語音能力，建議SRVCC和CSFB能夠以GSM為切換/回落目標網(wǎng)絡(luò)。

3 LTE與2G/3G的業(yè)務(wù)均衡

隨著LTE引入2G/3G現(xiàn)網(wǎng)，系統(tǒng)呈現(xiàn)出單制式網(wǎng)絡(luò)和多制式網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，網(wǎng)絡(luò)變得越來越復(fù)雜。這樣，業(yè)務(wù)的傳遞需要更復(fù)雜的策略控制，以及優(yōu)化機制提供保障。一方面網(wǎng)間負載均衡的繁雜性和動態(tài)需求，無法通過目前的人工參數(shù)方式實現(xiàn)；需要擇機引入自組織網(wǎng)絡(luò)(SON)機制；另一方面SON的良好效果，離不開與現(xiàn)網(wǎng)技術(shù)的密切配合，如RRM(MCTA)+RNP/RNO，三者之間并不矛盾或者重復(fù)，而是相互彌補，也就是說SON+RNP+RRM(MCTA)等于全面完整的網(wǎng)間負載均衡方案。

因此，SON能靈活實現(xiàn)自配置、自優(yōu)化、自操作等功能。這些功能對減少網(wǎng)絡(luò)運維管理的人為干預(yù)非常有利，會大大降低LTE運營商的OPEX。SON部署(如MLB)將會進一步提升自己在LTE運維上的競爭優(yōu)勢，解決LTE引入2G/3G現(xiàn)網(wǎng)后的三網(wǎng)均衡難題。

4 結(jié)束語

LTE與2G/3G現(xiàn)網(wǎng)的融合部署趨勢十分明顯。運營商需要從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、終端能力、業(yè)務(wù)均衡角度，綜合權(quán)衡LTE與2G/3G現(xiàn)網(wǎng)部署策略與實施步驟。

第一步，建立數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)互通：通過權(quán)衡切換時延與 網(wǎng)絡(luò)成本，選取合適的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)切換架構(gòu)。

第二步，選擇語音解決方案：建網(wǎng)初期，選擇獨立雙待機終端；規(guī)模部署階段，選擇CSFB；網(wǎng)絡(luò)成熟，特別是引入IMS后，采用VoLTE/SRVCC。

第三步，LTE與2G/3G 的業(yè)務(wù)均衡：引入部署LTE SON，并向2G/3G現(xiàn)網(wǎng)拓展?jié)B透；借助SON+RRM/MCTA+RNP/RNO的相互配合，提供全面完善的業(yè)務(wù)控制與均衡。

參考文獻：

[1]3GPP TS 23.060 General Packet Radio Service(GPRS)；Service description；Stage 2[S/OL].[2011-12-10].http://www.quintillion.co.jp/3GPP/Specs/23060-851.pdf.

[2]3GPP TS 23.401 General Packet Radio Service(GPRS)enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)access[S/OL].[2011-12-10].http://www.quintillion.co.jp/3GPP/Specs/23401-a00.pdf.

作者：章海峰 李俊平 來源：郵電設(shè)計技術(shù)

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