CSFB實(shí)現(xiàn)過程中位置區(qū)域規(guī)劃探究

姚裕寶

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

CSFB實(shí)現(xiàn)過程中位置區(qū)域規(guī)劃探究

姚裕寶

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，2G/3G的位置區(qū)分為LAC、RAC，分別對(duì)應(yīng)于CS域和PS域，實(shí)現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；而LTE只支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)，位置區(qū)也簡(jiǎn)化為一個(gè)：TAC。位置區(qū)是由多個(gè)相鄰的小區(qū)組成。位置區(qū)規(guī)劃是為了便于移動(dòng)性管理，減少頻繁的位置更新過程，節(jié)約系統(tǒng)資源。CSFB由于涉及2G、3G及LTE間的互操作，其相互之間位置區(qū)關(guān)系的規(guī)劃尤為重要。在UE從LTE回落到2G/3G后，或者在2G和3G間切換后，或者CSFB語音會(huì)話結(jié)束返回LTE后，都需要進(jìn)行位置區(qū)檢查和更新。通過分析位置區(qū)域規(guī)劃對(duì)CSFB實(shí)現(xiàn)過程的影響，提出提升CSFB性能的改進(jìn)方法。

LAC； RAC； TAC； 聯(lián)合附著； 聯(lián)合更新

CSFB要求UE在CSFB過程中訪問GERAN/UTRAN的CS域與訪問E-UTRAN/EPC是一樣的。亦即，UE由原來的單RAT活動(dòng)變?yōu)槎郣AT活動(dòng)；由原來RAT內(nèi)的切換、重選、重定向、CCO過程變?yōu)镽AT間的PS切換、重定向、重選、CCO過程。在這些過程中，重選是空閑態(tài)過程，其他為連接態(tài)過程。不管是空閑態(tài)還是連接態(tài)，UE在移動(dòng)時(shí)都會(huì)涉及位置區(qū)、路由區(qū)、跟蹤區(qū)的變化，為了實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)對(duì)UE的管理，在這些區(qū)域發(fā)生變化時(shí)，UE必須分別進(jìn)行LAU、RAU、TAU。由于聯(lián)合附著的原因，UE開機(jī)后在任意時(shí)刻都具有自身的LAC(CS域位置區(qū)號(hào))、RAC(PS域路由區(qū)號(hào))、TAC(LTE跟蹤區(qū)號(hào))。在運(yùn)營商地域上一個(gè)固定的地理區(qū)域，LAC、RAC、TAC是固定的。CSFB要求2G或/和3G與LTE重疊覆蓋，這就引出了兩個(gè)問題：LAC、RAC、TAC位置是否重疊；LAC、RAC、TAC區(qū)域號(hào)如何設(shè)置。

1 CSFB實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分析

CSFB技術(shù)的產(chǎn)生是由于LTE技術(shù)目前還不能支持語音業(yè)務(wù)，當(dāng)VoLTE實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)(網(wǎng)絡(luò)及終端)覆蓋時(shí)，CSFB也就沒有存在的必要了。但這將是一個(gè)漫長的過程，因?yàn)榻K端的多樣性及中國用戶群的復(fù)雜性，決定了CSFB的存在周期。

不同于與LTE配合的SRVCC技術(shù)，CSFB完全基于多覆蓋。只有在EUTRAN覆蓋與GERAN 覆蓋或UTRAN覆蓋重疊時(shí)，連接到EUTRAN網(wǎng)絡(luò)的CSFB功能終端才可使用GERAN或UTRAN網(wǎng)絡(luò)連接到CS域。CSFB及基于IMS的VoLTE服務(wù)可共存于同一運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中[1]。

根據(jù)支持CSFB技術(shù)的UE所駐留小區(qū)的場(chǎng)景，可將CSFB應(yīng)用分為三種情況。主被叫UE駐留在EUTRAN小區(qū)；主叫駐留在EUTRAN小區(qū)，被叫駐留GERAN或UTRAN小區(qū)；被叫駐留在EUTRAN小區(qū)，主叫駐留GERAN或UTRAN小區(qū)。不管哪種情況，語音通話都必須在CS域中進(jìn)行。假如UE駐留在EUTRAN小區(qū)(不管是空閑態(tài)或是連接態(tài))，只要想實(shí)現(xiàn)語音通話就必須回落到CS域。UE回落后尋呼過程的信令交互依賴于MME與MSC之間的SGs接口[2]。

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享(峰值話務(wù)均衡等)、提升網(wǎng)絡(luò)性能(減少設(shè)備間切換和UE位置更新等)、提高網(wǎng)絡(luò)級(jí)可靠性(熱備及容災(zāi)等)，LTE系統(tǒng)SAE結(jié)構(gòu)采用了POOL方式。MME也不例外。

根據(jù)3GPP相關(guān)協(xié)議，GERAN及UTRAN可以共用核心網(wǎng)資源。目前中移動(dòng)現(xiàn)網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)是GERAN及UTRAN共用核心網(wǎng)，僅有少量獨(dú)立核心網(wǎng)配置。核心網(wǎng)中MSC及SGSN同樣也采用POOL組網(wǎng)方式。用戶剛進(jìn)入MSC POOL的服務(wù)區(qū)域，RNC/BSC根據(jù)負(fù)載均衡的原則為用戶分配一個(gè)MSC，MSC給用戶分配一個(gè)TMSI并完成位置更新過程。TMSI里面帶有NRI(網(wǎng)絡(luò)資源標(biāo)識(shí))用于在池組內(nèi)(有池組號(hào)標(biāo)識(shí))標(biāo)識(shí)MSC。用戶注冊(cè)在此MSC后一直由這個(gè)MSC為其服務(wù)，直到該UE/MS離開該MSC POOL的服務(wù)區(qū)域。

當(dāng)UE/MS從一個(gè)池區(qū)進(jìn)入另一池區(qū)的時(shí)候，UE/MS在新池區(qū)發(fā)起位置更新請(qǐng)求(帶LAIo，TMSIo)，RNC/BSC算出NRI不在自己池區(qū)中，則選擇自己池區(qū)中某個(gè)MSC來服務(wù)，新MSC發(fā)現(xiàn)LAIo對(duì)應(yīng)多個(gè)MSC，則再根據(jù)TMSIo得到NRIo，根據(jù)NRIo得到唯一的MSC，即向該MSC取用戶標(biāo)識(shí)等信息。然后進(jìn)行后續(xù)流程。

由于核心網(wǎng)中網(wǎng)元POOL組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，MME與MSC之間的SGs接口的連接變得復(fù)雜化。在MME POOL中的MME與MSC POOL中的MSC之間邏輯上存在著全網(wǎng)狀連接。eNB與MME POOL中MME網(wǎng)元邏輯上也是全網(wǎng)狀連接；同樣RNC/BSC與MSC POOL中的MSC網(wǎng)元也是全連接。當(dāng)然，MME POOL之間及MSC POOL之間的連接也必須是全網(wǎng)狀的。

鑒于此，UE在CSFB時(shí)可能回落在源LAC(UE中保存的，對(duì)應(yīng)于某個(gè)MSC POOL)，也可能回落在源MSC POOL外。當(dāng)回落在源MSC POOL外時(shí)，必須通過MTRF(被叫路由轉(zhuǎn)發(fā))來完成呼叫過程。MTRF的基本思想是當(dāng)手機(jī)CSFB被叫回落至其他MSC時(shí)，通過新舊MSC及HLR間的信令交互，搭建舊MSC至新MSC的承載，以保證呼叫仍然能夠繼續(xù)。

2 位置區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)

在CSFB過程中涉及三個(gè)系統(tǒng)(EUTRAN、GERAN、UTRAN)、三個(gè)主要位置區(qū)域(TAC、LAC、RAC)及三個(gè)池組(MME、MSC、SGSN)。UE為了進(jìn)行CSFB業(yè)務(wù)，在開機(jī)時(shí)必須進(jìn)行聯(lián)合附著。聯(lián)合附著的功能之一就是UE在尋找為自己服務(wù)的MME、MSC及SGSN。UE當(dāng)時(shí)所處的位置決定了這些核心網(wǎng)網(wǎng)元，因?yàn)檫@些位置區(qū)域與網(wǎng)元存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系。在LTE系統(tǒng)中還引入了TAL(TAC List)概念，UE在TAL中移動(dòng)時(shí)不需要進(jìn)行位置更新。這也解決了一個(gè)MME POOL中有多個(gè)TAC的問題。UE在MME POOL中移動(dòng)不進(jìn)行位置更新，減輕了核心網(wǎng)TAU信令負(fù)荷。同時(shí)，CSFB要求在MME網(wǎng)元中存有一張TAC與LAC的對(duì)應(yīng)表。在EPS/IMSI聯(lián)合附著和TA/LA聯(lián)合位置更新時(shí)，MME根據(jù)eNB上報(bào)的TAC用來查找出對(duì)應(yīng)的LAC，按照LAC找到MSC/VLR，該MSC/VLR記錄下該UE身份信息，包括LAC。MME也會(huì)存儲(chǔ)該UE的LAC，并將該LAC下發(fā)給UE。而UE在回落到GERAN/UTRAN時(shí)，接收系統(tǒng)消息，獲取所在物理位置區(qū)域的真實(shí)LAC。假如這個(gè)LAC與MME下發(fā)UE存儲(chǔ)起來的LAC一致，則UE不需要進(jìn)行LAU，否則必須進(jìn)行LAU。同樣有TAU(具有CSFB能力的UE為聯(lián)合更新)及RAU。在UTRAN系統(tǒng)中還有小區(qū)更新和URA更新，但這僅僅是RNC的功能，與核心網(wǎng)無關(guān)。

在LTE系統(tǒng)中MME POOL與TAC(理論上應(yīng)該是TAL，目前一個(gè)TAL中僅有一個(gè)TAC)存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系。一個(gè)TAC中能包含多少個(gè)eNB，具體數(shù)量決定于eNB的Paging性能評(píng)估。eNodeB的能力決定了TA跟蹤區(qū)的大小。

而MME POOL所能支持的TA數(shù)決定于MME的Paging性能評(píng)估。尋呼負(fù)荷確定了跟蹤區(qū)的最大范圍；相應(yīng)的，邊緣小區(qū)的位置更新負(fù)荷決定了跟蹤區(qū)的最小范圍。一個(gè)MME下掛基站數(shù)或TA跟蹤區(qū)數(shù)量的最主要限定條件還是MME的最大尋呼容量。

在3G(2G)系統(tǒng)中，當(dāng)幾個(gè)MSC(MSC POOL)共用一個(gè)VLR時(shí)，位置區(qū)是可以跨MSC區(qū)的。但目前實(shí)現(xiàn)，都采用一個(gè)MSC POOL捆綁一個(gè)VLR的方式，因此LAC可以跨RNC區(qū)，但不可以跨MSC區(qū)，一個(gè)MSC區(qū)中可以有一個(gè)或幾個(gè)LAC。位置區(qū)(LAC)為CS尋呼的最小單位。如果網(wǎng)絡(luò)要尋呼處于空閑狀態(tài)、CELL_PCH或者URA_PCH狀態(tài)的UE，UTRAN通過發(fā)送尋呼類型1消息進(jìn)行尋呼某個(gè)UE。

目前UTRN網(wǎng)絡(luò)中位置區(qū)的大小基本已經(jīng)趨同于RNC的劃分大小，甚至一個(gè)RNC劃分為多個(gè)位置區(qū)。在位置區(qū)的大小選擇和設(shè)置上要綜合考慮該位置區(qū)內(nèi)小區(qū)數(shù)、載頻數(shù)、用戶數(shù)、話務(wù)量、短消息、尋呼次數(shù)和位置更新次數(shù)，以及保證系統(tǒng)擴(kuò)容的一定余量等多種因素。而在這些因素中，任何一個(gè)因素都可能會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)瓶頸，影響到網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)和用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的感知度，因此在位置區(qū)的劃分上要全面考慮和兼顧這些因素。

RAC的劃分與移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量分布、業(yè)務(wù)量和SGSN的處理能力等因素有關(guān)。RAC劃分遵循以下兩個(gè)原則：

① 路由區(qū)小于等于位置區(qū)。項(xiàng)目初期規(guī)劃，路由區(qū)的規(guī)劃可和位置區(qū)相等，那么RAC的編號(hào)規(guī)劃一個(gè)即可。

② RAC設(shè)置考慮SGSN的分區(qū)，RAC不可以跨SGSN(SGSN POOL)。

綜上，由于CSFB因素，在LTE與2G和/或3G有重疊覆蓋時(shí)，TAC、LAC、RAC的規(guī)劃除了考慮自身原則外，還必須兼顧C(jī)SFB的技術(shù)及性能指標(biāo)要求。為了UE在CSFB回落時(shí)，少進(jìn)行LAU、RAU，提高CSFB KPI指標(biāo)，提升用戶體驗(yàn)，建議：

① TAC、LAC、RAC物理邊界盡量嚴(yán)格重疊；

② TAC、LAC、RAC統(tǒng)一編碼，使得TAC=LAC=RAC；

③ 在MME、MSC、SGSN中正確合理配置TAC、LAC、RAC關(guān)聯(lián)。

圖1展示了三種TAC、LAC規(guī)劃場(chǎng)景(RAC類似LAC，在圖中未列出)。失敗場(chǎng)景1中TA與LA不能在MME及MSC中準(zhǔn)確映射；失敗場(chǎng)景2展示了即使TAC=LAC，但由于無線重疊覆蓋會(huì)造成UE回落的MSC與源服務(wù)的不一致。這兩種場(chǎng)景都依賴MTRF。但是，即使通過MTRF會(huì)話能成功進(jìn)行，用戶體驗(yàn)將也會(huì)由于時(shí)延而下降，并且，還會(huì)給網(wǎng)絡(luò)造成信令交互負(fù)荷。

圖1 TAC及LAC設(shè)置規(guī)劃

3 不同位置區(qū)規(guī)劃的信令過程比較

目前，現(xiàn)網(wǎng)2G的LAC設(shè)置與LTE的TAC(TAC List)一致，這表示區(qū)域重疊、編號(hào)一致，且在MME及MSC中正確關(guān)聯(lián)。在UE正?；芈涞?G后，不但不需做LAU，而且由于UE緩收SI13，也不需進(jìn)行RAU。具體信令過程如圖2。

圖2 UE回落2G后無需LAU、RAU

現(xiàn)網(wǎng)3G的LAC、RAC設(shè)置與LTE的LAC未做一致性規(guī)劃，這導(dǎo)致UE在回落到UTRAN后，接收系統(tǒng)消息SIB1，發(fā)現(xiàn)LAC及RAC與早先聯(lián)合附著/聯(lián)合位置更新時(shí)存儲(chǔ)的不一致，因此，首先必須進(jìn)行LAU，尋找服務(wù)MSC，然后在CS域中建立會(huì)話，接著還要進(jìn)行RAU，尋找SGSN處理PS域業(yè)務(wù)。具體信令過程見圖3。

圖3 UE回落3G后需進(jìn)行LAU、RAU

4 結(jié)束語

CSFB的過程是2G、3G、LTE系統(tǒng)間互操作過程。在此過程中有R8重定向、R9重定向、PS切換及CCO等系統(tǒng)間變換。其中重定向涉及系統(tǒng)和/或頻點(diǎn)優(yōu)先級(jí)、系統(tǒng)間小區(qū)重選門限等參數(shù)，而PS切換及CCO又與終端能力相關(guān)。在這一系列過程中，網(wǎng)絡(luò)對(duì)UE的移動(dòng)性管理是一個(gè)連續(xù)過程。UE必須通過周期性位置更新或協(xié)議正常位置更新來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)UE的移動(dòng)性管理。所謂協(xié)議正常位置更新，就是當(dāng)UE通過接收系統(tǒng)消息發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的NAS層位置信息(TAC、LAC、RAC)與自身存儲(chǔ)的不一致時(shí)，必須進(jìn)行位置更新(TAU、LAU、RAU)[3]。在UE位置更新過程中，網(wǎng)絡(luò)在原UE所在位置區(qū)尋呼UE時(shí)，尋呼將失敗。

因此，減少UE的位置更新，有著多方面的好處。提高尋呼成功率、減少網(wǎng)絡(luò)信令負(fù)荷、節(jié)省手機(jī)功耗等。而對(duì)于CSFB減少UE的位置更新的方法之一就是聯(lián)合合理規(guī)劃各移動(dòng)系統(tǒng)的位置區(qū)，做到盡量使得UE在聯(lián)合附著/聯(lián)合位置更新時(shí)獲得的位置區(qū)與回落后通過系統(tǒng)消息獲取的位置區(qū)一致，避免正常位置更新。

現(xiàn)網(wǎng)2G系統(tǒng)與LTE系統(tǒng)的位置區(qū)規(guī)劃已經(jīng)一致，從UE側(cè)LOG中截取的信令也能看出，CSFB回落到2G后其LAU過程已不再需要。除非在位置區(qū)邊界，回落到源MSC POOL外。對(duì)于這種情況，必須升級(jí)源MSC、目標(biāo)MSC、HLR網(wǎng)元以支持MTRF功能。當(dāng)UE向目標(biāo)MSC/VLR進(jìn)行LAU時(shí)，該MSC/VLR應(yīng)能啟動(dòng)MTRF功能，向源MSC/VLR取回UE信息，并在HLR/HSS中更新UE位置及身份信息。

對(duì)于3G系統(tǒng)，目前現(xiàn)網(wǎng)位置區(qū)規(guī)劃并未與LTE系統(tǒng)的TAC規(guī)劃一致，造成在UE回落后需進(jìn)行LAU、RAU。由于UTRAN 3G與GERAN 2G共用或具有相同的核心網(wǎng)網(wǎng)元，3G的位置區(qū)規(guī)劃與LTE的位置區(qū)規(guī)劃一致，理論上是可行的。具體實(shí)現(xiàn)方法類似于2G系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)過程中的不同點(diǎn)細(xì)節(jié)可區(qū)分對(duì)待。

[1] Poikselka、MiiKKa Holma、Harri Hongisto、Jukka，Voice Over LTE，Wiley，Hoboken,NJ,USA, 2012：47.

[2] TS 23272-c40，Circuit Switched (CS) fallback in Evolved Packet System (EPS);Stage 2(Release 12), 3GPP Organizational Partners, 2014: 11.

[3] TS 29118-c60，Mobility Management Entity (MME) -Visitor Location Register(VLR) SGs interface specification(Release 12), 3GPP Organizational Partners, 2014: 21.

Exploration on District Area Planning in CS Fallback Implementation Procedure

YAO Yubao

(School of Network & Communication Engineering，Changzhou College of Information Technology， Changzhou 213164， China)

In the mobile telecommunications system，the district areas of 2G/3G are LAC、RAC，corresponding to CS domain and PS domain，realizing voice and data traffic services；meanwhile LTE systems only support data services，and the district areas become only one type：TAC. District area is comprised of many neighboring cells. The purposes of district area planning are simplifying mobile management of UE，reducing frequent Location Area Update procedure，and save valuable system resources. Because of involved interoperability between 2G、3G and LTE，the planning of district area relations in CSFB procedure is more important. When fallback to 2G/3G，or switching between 2G/3G，or return to LTE after completion of voice call，UE must proceed to checking and updating district area. Through deeply analyzing the influence of district area planning in CS Fallback implementation procedure，the paper puts forward ways to promote the CSFB performance.

LAC; RAC; TAC; combined-attachment; combined-update

2015-09-11

姚裕寶(1964-)，男，副教授、高級(jí)工程師，主要研究方向：數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信

TN 929.5

A

1672-2434(2015)06-0018-04