TD-LTE網(wǎng)絡互操作策略分析

［馮榮洲］

TD-LTE網(wǎng)絡互操作策略分析

［馮榮洲］

摘要文章介紹了TD-LTE互操作涉及的背景分析，網(wǎng)絡結構的簡析，以及互操作的策略分析，指出目前TD-LTE互操作主要使用CSFB、SRVCC的解決方案解決語音業(yè)務問題，側重于使用CSFB方案解決。另外還介紹了網(wǎng)絡切換涉及的各種判定因素。討論了在未來5G環(huán)境下的多網(wǎng)融合問題。

關鍵詞：TD-LTE CSFB SRVCC 網(wǎng)絡切換判定準則 5G

馮榮洲

男，工程師，本科畢業(yè)于華南理工大學，現(xiàn)任職于廣東怡創(chuàng)科技股份有限公司，主要研究方向：移動通信網(wǎng)絡優(yōu)化方向。

1　背景分析

當前，3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴項目）組織提出的LTE（Long Term Evolution，分時長期演進）移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡，也就是“4G”網(wǎng)絡，已在全球廣泛地區(qū)由各運營商進行部署和運營之中。根據(jù)雙工方式的不同，LTE系統(tǒng)分為FDD-LTE（Frequency Division Duplexing，頻分雙工）和TDD-LTE (Time Division Duplexing，時分雙工)，二者主要的技術區(qū)別在于空口的物理層上（像幀結構、時分設計、同步等），TDD-LTE一般也簡寫為TD-LTE。TD-LTE包含大量中國的專利，由中國主導，同時得到了廣泛的國際支持。2013年12月4日，工業(yè)和信息化部向中國三大運營商（中國移動、中國聯(lián)通、中國電信）頒發(fā)了“LTE/第四代數(shù)字蜂窩移動通信業(yè)務（TD-LTE）”經(jīng)營許可。這也標志著我國已正式步入了移動通信的“4G”網(wǎng)絡時代。中國移動獲得130MHz頻譜資源（1880 -1900 MHz、2320-2370 MHz、2575-2635 MHz）；中國聯(lián)通獲得40MHz頻譜資源（2300-2320 MHz、2555-2575 MHz）；中國電信獲得40MHz頻譜資源（2370-2390 MHz、2635-2655 MHz）。

目前來看，未來我國2G、3G和4G網(wǎng)絡將會長期并存發(fā)展。換言之，4G網(wǎng)絡需要在比較長的時間內將會與2G和3G網(wǎng)絡一起協(xié)同組網(wǎng)工作，這就必然帶來了網(wǎng)絡間互操作的問題。由于不同網(wǎng)絡之間的多樣性和復雜性，而且在處理問題的過程中可能會碰到各種預先沒有設想到的問題和情況，因此，如何解決LTE網(wǎng)絡與異系統(tǒng)之間互操作的各種問題是需要進行深入探討研究和解決的。

2　TD-LTE網(wǎng)絡結構簡析

LTE以正交頻分多址接入（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）和多天線輸入輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）為主要技術基礎，滿足更低的傳輸時延、提供更高的用戶傳輸速率、優(yōu)化網(wǎng)絡結構、采用更大的載波帶寬、增加容量和覆蓋、減少運營費用，目標是優(yōu)化分組數(shù)據(jù)域業(yè)務傳輸。

TD-LTE的一些主要技術特性如下：

（1）雙工方式：時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）

（2）系統(tǒng)支持的帶寬：1.4MHz、3.0MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz

（3）下行采用OFDMA，最高速率可以達到100Mbits/s；上行采用單載波分頻多工（Single-Carrier Frequency Division Multiple Access，SC-FDMA），最高速率可以達到50Mbits/s

為了適應數(shù)據(jù)業(yè)務的發(fā)展，LTE通信系統(tǒng)已沒有了電路域的交換，只有分組域的交換。從運營商的角度來說，2G、3G的網(wǎng)絡目前仍相當完善，例如中國移動，其2G即GSM網(wǎng)提供的語音網(wǎng)絡服務質量仍然是相當不錯的，基于投資成本等因素考慮，因此希望在2G網(wǎng)絡中還可以承擔至少部分的語音業(yè)務。如果要完全僅在TD-LTE通信系統(tǒng)中支持電話語音業(yè)務，則需要有IP多媒體系統(tǒng)（IP Multimedia Subsystem，IMS）網(wǎng)元的支持。但是考慮到了與2G（GERAN）和3G（UTRAN）網(wǎng)絡的過渡和連接關系，3GPP提出了電路域回退（Circuit Switched FallBack，CSFB）和單一無線語音呼叫連續(xù)性（Single Radio Voice Call Continuity，SRVCC）的技術解決方案。CSFB在LTE通信系統(tǒng)網(wǎng)元中沒有涉及IMS網(wǎng)元的情況下使用，SRVCC則是在LTE通信系統(tǒng)網(wǎng)元中有IMS網(wǎng)元支持語音業(yè)務的情況下使用。在當前，使用CSFB方案解決語音業(yè)務問題應用較為廣泛，SRVCC解決方案則由于實現(xiàn)技術較為復雜、涉及現(xiàn)網(wǎng)改動較大等因素而應用較少。

CSFB使得用戶設備（User Equipment，UE）在E-UTRAN系統(tǒng)中可以利用2G、3G的網(wǎng)絡提供語音或者其他CS域的服務。這項功能只有在E-UTRAN網(wǎng)絡覆蓋疊加在GERAN或者UTRAN網(wǎng)絡上時才可以使用?；镜腃SFB流程架構如圖1[4]：

圖1說明，CSFB的功能是由MSC server和MME之間的SGs接口來實現(xiàn)的。另外，SMS（短消息）的收發(fā)也可以通過SGs接口來實現(xiàn)，短信息的收發(fā)不會觸發(fā)CSFB，因此無需要求E-UTRAN網(wǎng)絡覆蓋疊加在GERAN或者UTRAN網(wǎng)絡上。

3　 TD-LTE系統(tǒng)互操作分析

TD-LTE多模終端的系統(tǒng)間互操作行為主要包括Inter-RAT小區(qū)重選和Inter-RAT切換過程，而Inter-RAT小區(qū)重選和Inter-RAT切換過程都是以Inter-RAT測量為依據(jù)的，如圖2參考3GPP TS 36.331的描述所示是系統(tǒng)間重選和切換過程的各種狀態(tài)轉移圖。

如圖2，E-UTRA終端有空閑態(tài)（IDLE MODE）和連接態(tài)（CONNECTED MODE）兩種狀態(tài)。在空閑態(tài)時，終端在TS36.331定義的DRX（不連續(xù)接收，Discontinuous Receive）的4種時間間隔（RF32/64/128/256，分別對應320ms/640ms/1.28s/2.56s）內，利用TS36.304中的S算法測量服務小區(qū)信號強度，并利用R準則進行排序，達到設置的門限值時，將選擇最合適的服務小區(qū)進行駐留，異系統(tǒng)間的轉移使用小區(qū)重選（Reselect）的方式進行。在連接態(tài)時，當終端測量服務小區(qū)信號強度小于絕對門限值（A2事件）并且異系統(tǒng)鄰區(qū)信號強度大于一個門限值（B2事件）時，將啟動到異系統(tǒng)的切換互操作過程，包括重定向（Redirect）、小區(qū)切換（Cell Change Order，CCO）使用/不使用（with/without）網(wǎng)絡協(xié)助的小區(qū)切換（Network Assisted Cell Change，NACC）、數(shù)據(jù)域切換（PS HandOver，PSHO）、快速返回（Fast Return，F(xiàn)R）等。

圖1　CSFB通過SGs接口實現(xiàn)的EPS架構

圖2　E-UTRA狀態(tài)及互操作處理流程

4G的LTE（當然也包括TD-LTE）與3G、2G網(wǎng)絡之間如何進行切換的問題，也就是所謂的“互操作”的問題?；ゲ僮髯钪饕鉀Q的基本問題就是所謂的“無縫連接（seamless connectivity）”，也就是讓用戶感覺不到網(wǎng)絡已經(jīng)進行了切換。在技術上來講就涉及到了如何解決包括時延、丟包、移動終端、信令開銷以及系統(tǒng)架構等的基本問題。有關技術涉及到終端、芯片、TD-LTE網(wǎng)絡、GSM網(wǎng)絡以及IMS網(wǎng)絡等，一些調試的難度相當大，因此還有可以深入研究及優(yōu)化的空間?？偨Y來說，互操作中網(wǎng)絡切換的判定準則因素如表1：

表1　網(wǎng)絡切換判定準則

由表1可以看出，網(wǎng)絡切換是由多種因素綜合一起決定的。在不同的時間段，不同的地點，對于不同的用戶或終端，根據(jù)當前可以提供的網(wǎng)絡條件，以決定當前的用戶設備（UE）是否需要進行切換，切換到哪個網(wǎng)絡，以及如何執(zhí)行切換。網(wǎng)絡切換最重要的目的就是以盡可能低的成本支出（COST），提供盡可能高的網(wǎng)絡服務條件，以滿足預定的用戶體驗質量（QOE）和服務質量（QOS）。

4　 總結及展望

綜上所述，TD-LTE網(wǎng)絡與2G、3G的互操作主要由基于3GPP提出的CSFB、SRVCC等流程進行實現(xiàn)的，目前對其中的一些信令參數(shù)等進行了一些優(yōu)化，但對于解決網(wǎng)絡互操作中最重要的指標參數(shù)即網(wǎng)絡切換時延（Handover Latency）仍然較大等問題，離最終要求的網(wǎng)絡間切換“零”時延的目標仍相差甚遠。在面向5G的多網(wǎng)融合網(wǎng)絡架構中，已有相關文獻提出了一些方法。例如文獻[6]提出在更靠近用戶的接入側，在控制面引入多網(wǎng)管理（Multi-RAT Management，MRM）模塊，在數(shù)據(jù)面引入數(shù)據(jù)中心（Date Center，DC）模塊，將控制面和數(shù)據(jù)面徹底分離，即是將信令和數(shù)據(jù)完全解耦，從而為多網(wǎng)絡的融合提供了網(wǎng)絡架構的技術框架基礎，以實現(xiàn)多網(wǎng)間的“零”時延切換目標要求。但目前5G仍在研究實驗階段，相關實際現(xiàn)網(wǎng)實施效果仍有待驗證。

參考文獻

1王映民，孫韶輝等. TD-LTE技術原理與系統(tǒng)設計. 北京：人民郵電出版社，2010

23GPP TS 23.272. Switched (CS) fallback in evolved packet system (EPS);Stage 2. version 12.5.0

33GPP TS 23.216. Single radio voice call continuity (SRVCC);Stage 2. version 12.2.0

4葉全南.TD-LTE與2G/3G互操作方案初探[J].廣東通信技術，2011，04：40-43

5宗序梅，吳曉波. 中國移動TD-LTE語音模式優(yōu)化解決方案研究[J].電信技術，2015，01：77-85

6Abdullah Gani, Golam Mokatder Nayeem, Muhammad Shirazn, etc, A review on interworking and mobility techniques for seamless connectivity in mobile cloud computing[J]. Journal of Network and Computer Applications.2014,43:93

7劉云璐，楊光，楊寧等. 面向 5G 的多網(wǎng)融合研究[J]. 電信科學，2015，05：114

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.01.013

收稿日期：（2015-12-24）