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CSFB分析与质量提升方法
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CSFB分析与质量提升方法
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LTE网络CSFB的优化思路和方法探讨
通过对CSFB功能及流程的分析,从提升CSFB成功率和缩短CSFB接入时延2个方面,探讨CSFB的优化思路和方法,并在现网中进行实践取得良好的效果.在提升CSFB接入成功率方面,通过对4G寻呼阶段、4G释放阶段、3G接入阶段测试发现问题并进行处理,解决全网共性问题,CSFB呼叫成功率从98.56%提升到99.28%.在缩短CSFB接入时延方面,通过IP传输网时延优化、4G无线网RIM功能开启及寻呼周期的优化、3G无线网PS抑制及DMCR功能开启等方面的网络优化,CSFB接入时延从6.21 s缩短到4.43 s,改善幅度29%.
Dong Dilang
作者单位：
中国联通泉州分公司,福建泉州,362000
年，卷(期)：
在线出版日期：
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LTE与2G/3G系统互操作研究
09:08:07来源: 互联网 关键字：&&&&&&
　　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。目前在网运行的是和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，对与现有系统间的特性进行了大量研究，并作出了规定。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/间互操作的要求。
　　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 re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 CSFB
　　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、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-VCC
　　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 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 VoLGA
　　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。
　　LTE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
关键字：&&&&&&
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频道白皮书&&&&&&& 中国移动通信集团广东有限公司东莞分公司& 523129
&&&&&&& 摘要：针对 LTE 网络 CSFB 语音回落时延长的问题，采用诸多创新性的优化手段，从信令流程分析、网络功能特性、网络参数配置、邻区关系等角度进行优化，最终成功大幅降低 CSFB 时延，提升了用户感知。
&&&&&&& 关键词：CSFB；LTE；接入时延；网络优化
&&&&&&& 引言
&&&&&&& 在 TD-LTE 网络建设初期，出于对 CS 投资的保护，结合 TD-LTE 网络的部署策略，话音业务利用成熟的 2G/3G 网络，而 TD-LTE 网络仅处理数据业务（包括 IMS 数据业务）。这种情况下，采用 CSFB（Circuit Switched Fallback，电路域回落（话音回落））技术，即 TD-LTE 覆盖下的 UE 在处理话音业务时，终端先回退到 CS（电路域）网络，在 CS 网络处理话音业务；这样就实现了使用现有的 CS 域设备来为 TD-LTE 网络中的用户提供传统的话音业务的目的。同时 CSFB的使用是有前提条件的，那就是只有在 TD-LTE 与2G/3G 的重叠覆盖区域，并且用户具有 CSFB 功能的时候，才能使用电路域回落。鉴于现网 2G 网络覆盖率较 3G 网络更为成熟，重叠覆盖区域更广泛，同时为降低方案实施代价，避免现网改造，因此现网 CSFB 策略采用回落到 2G 小区。
&&&&&&& 因为TD-LTE终端使用CSFB方式进行话音业务时需从 TD-LTE 回落到 2G，涉及大量的信令交互与判决，目前存在的主要问题为时延较长，优化前东莞TD-LTE 网络 CSFB 时延为 11.08 s，时延较长，影响客户感知，因此需要进行流程研究与参数优化以缩短时延，提升感知。
&&&&&&& 一、CSFB 方案及流程介绍
&&&&&&& CSFB 是指 TD-LTE 多模单待终端的话音业务通过 2G/3G 提供，TD-LTE 只负责数据业务；CSFB 终端只能工作在一个网络下，优选 TD-LTE驻留，在有话音业务需求时，网络辅助其回落 2G/3G建立通话，通话结束后再重选返回 TD-LTE 驻 留。CSFB 技术适用于 2G/3G 电路域与 TD-LTE 的无线网络重叠覆盖的场景，网络结构简单，不需要部署 IMS 系统，能有效利用现有 CS 网络投资。
&&&&&&& 如图下所示，典型的 CSFB 业务流程主要包括联合附着、主叫（MO）CSFB 流程、被叫（MT）CSFB 流程、通话结束后返回流程（终端自主 Fast Return/ 小区重选）等。
&&&&&&& （1）联合附着：首先 UE 发起注册请求，并告知网络 UE 配置为使用 CSFB 或者 SGs SMS，之后 TD-LTE 核心网侧执行正常 Attach 流程，MME 向 MSC 发送位置区更新请求消息，位置更新完成后，MME 发送Attach Accept 给 UE，类 型 为 Combined EPS/IMSI Attach，且包含信元 LAI 和 VLR TMSI，意味着联合附着成功。
&&&&&&& （2）主叫流程：在 TD-LTE 网络，用户按键后，UE 发起回落请求，由 TD-LTE 网络指引回落，无需经过 SGs 接口，回落 2G/3G 网络后，主叫流程与传统电路域流程相同。
&&&&&&& （3）被叫流程：呼叫路由至联合位置更新的SGs MSC，通 过 SGs 接口 转至TD-LTE网络下发寻呼，UE响应寻呼后，由TD-LTE网络指引，测量搜索合适的2G 小区；UE 回落 2G 网络后，被叫流程与传统电路域流程相同。
&&&&&&& （4）通话结束后返回流程：终端自主Fast Return：由 GSM下发 Channel Release 触发，不同终端芯片触发机制不同，若返回成功，可在 0.5 ～ 1.5 s内 迅 速 返 回 TD-LTE，完 成 联 合 TAU 重 新 在 TD-LTE 待机；小区重选：基于广播消息中 TD-LTE 邻区及重选参数配置触发，终端不支持自主FR或FR失败时，将在 GSM 驻留，并根据广播消息中异系统邻区及重选参数配置，直接或经 3G 桥接重选返回 TD-LTE。
&&&&&&& 二、当前中国移动在2G/3G/4G共存条件下的CSFB 回落策略
&&&&&&& 根据工信部划分给中国移动的TD-LTE频段（1 880&1 900MHz、2 320&2 370MHz、2 575& 2 635MHz），该频段与中国移动的TD-SCDMA频段（2 010&2 025MHz）均{于中国移动GSM900M和 GSM1800M频段。对比GSM网络，TD-LTE和TD-SCMDA具有高带宽及速率快的特点，故能较好地承 载数据流量业务；而中国移动的GSM网络具有覆盖广 和通话质量好的特点，故能较好地承载语音业务。所以，当前中国移动在TD-LTE语音解决方案上主要是采用从TD-LTE直接回落至GSM的策略。
&&&&&&& 三、CSFB 时延分析
&&&&&&& CSFB 整体信令流程如图所示，CSFB 时延就等于各阶段流程的时延总和，即由主叫发起 Extended Service REQ 到主叫收到 Alerting 之间的时长，当 4G 用户呼叫 4G 用户的时延小于 6.2s 时可以保障良好的用户体验。
&&&&&&& CSFB 重定向流程主要分为以下四个阶段，其中第一阶段为 4G 侧流程，后续阶段为 3G 侧流程。降低 CSFB 的时延可以从以下任一阶段入手，其中第二阶段和第三阶段优化效果最为明显。
&&&&&&& （1）第一阶段：ESR 流程（Extended Service Request）。信令节点：Extended Service Request&&RRC ConnectionReleaseUE 先发起 CS 业务请求，ENode B 将会把 UE 重定向到UMTS，在 RRC 释放消息中携带 UMTS 目标网络的频点信息。
&&&&&&& （2）第二阶段：同步和系统消息读取（搜网阶段）。信令节点：RRCConnection Release--&RRC Connection Re-questUE 根据 RRC 释放消息中携带的频点完成同步，接收必需的系统消息，之后将会发起 RRC 接入，从 4G 的 RRC 释放到 3G MIB 读取时延由终端的能力决定。
&&&&&&& （3）第三阶段：RRC 建立流程。信令节点：RRC Connection Request-Radio bearer setup第一次RRC建立之后，在CS业务建立之前，会进行LAU/RAU 操作，如果 TA-LAC 匹配成功，不需要先进行 LAU，会在CSFB 完成后开始 LAU。
&&&&&&& （4）第四阶段：CS 业务建立流程。信令节点：Radio bearer setup-&alerting从主叫的 CM 业务请求或者 setup 到 alterting，这一部分和 3G 网络发起的 CS 业务建立流程一致。
&&&&&&& 四、被叫选择性鉴权优化
&&&&&&& 1.功能介绍
&&&&&&& 被叫选择性鉴权是针对 CSFB 用户，回落 2G 时，对被叫进行鉴权调整，因此 CSFB 用户在前期已经在TD-LTE 网络内进行鉴权，因此在 CSFB 回落过程中重新在 GSM 鉴权为重复鉴权，影响时延，通过对被叫1/16 鉴权和 1/4 鉴权参数调整，在保障网络安全的前提下，可有效减少信令交互，达到缩短 CSFB 时延的目的。
&&&&&&& 2.实施方案
&&&&&&& 被叫选择性鉴权时延优化因为不涉及切换重选，所以采用定点 CQT 测试方式进行，选取一个市区MSC Pool 进 行试验，分别开启被叫 1/4 和 1/16 鉴 权 功能。并挑选 Pool 站点分别在参数实施前与实施后采用PROBE+D2 进行 20 次 CQT 定点 CSFB 测试。实施后对网络进行监控比对测试结果进行分析。
&&&&&&& 五、结束语
&&&&&&& LTE网络 CSFB 回落时延主要由 ESR 流程、同步和系统消息读取、RRC建立、CS业务建立四个阶段组成，同步和系统消息读取阶段降低时延最为有效的手段为开通RIM 功能，可以降低接入时延1s 左右。RRC 建立阶段时延优化的主要手段有降低 3G 网络鉴权频度、关闭 CSFB 回落后路由区更新功能，可以降低接入时延 1.1s 左右。通过 RNC 侧参数对齐，降低测量的频度，通过LAC/TAC 区边界优化，避免 CSFB 回落后占用未指配的 LAC，通过邻区优化，降低测量扰码的时间，均可以一定程度降低接入时延。在实验区域内，优化前后 CSFB 回落时延由 8s 降低到5.9s，优化效果明显，对后续 CS FB时延优化具有指导意义。
参考文献：
[1] 王映民，孙韶辉.TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2010.
[2] 张燕，彭鹏，黄晓弟.4G网络中位置服务业务解决方案[J].电信工程技术与标准化，2015（6）.
[3] 王首峰，唐显莉，程楠.TD-SCDMA向TD-LTE平滑演进的关键技术措施[J].电信工程技术与标准化，2013（9）.
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