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LTE互操作解决方案
LTE互操作简介
概述
&知识点
lLTE系统间互操作背景及需求
●LTE系统间互操作策略
●LTE系统间互操作系统结构
一.1LTE系统间互操作背景及需求
由于本文涉及系统间互操作,有必要先对各制式系统的惯用名称做一对应介绍:
LTE对应E-UTRAN,UMTS和HSPA对应UTRAN,GSM和EDGE对应GERAN,CDMA对应1xRTT,后续的EVDO等技术对应HRPD。
图1.11多制式网络覆盖示意图
如上图所示,在LTE系统部署时,3G系统可能是对城市和郊区的连续覆盖,2G系统则是整个范围的全覆盖。
为保证用户业务的连续性,结合LTE的进展,需要合理设置LTE与3G/2G系统的互操作原则。
并且,还需要考虑如何最大限度的减少LTE系统的引入给原有的3G/2G系统带来的影响。
LTE与3G/2G互操作状态迁移图,如下图所示。
图1.12E-UTRAstatesandinterRATmobilityprocedures
图1.13MobilityproceduresbetweenE-UTRAandCDMA2000
目前考虑LTE与3G/2G系统间互操作场景及需求如下:
第一阶段,LTE小规模应用和测试
随着数据业务的进一步发展,某些大城市中心区域、热点地区将会引入LTE无线网络。
该阶段场景和需求情况可能是:
宽带internet接入,主要为室内静态应用,终端可能仅仅是数据卡,对于LTE与3G/2G系统间互操作需求小。
在这种LTE部署的初期阶段,考虑支持小区重选和重定向功能。
第二阶段,LTE逐步扩充
随着无线宽带业务的进一步发展,LTE网络用户逐步增加,运营商在这个阶段可以逐步扩充LTE无线网络。
该阶段场景和需求情况可能是:
以数据业务为主,终端主要为数据卡以及少量PDA,业务覆盖人口小于40%,对数据业务的系统间互操作有强烈需求。
在这种LTE部署的中期阶段,考虑支持数据业务的移动性功能。
第三阶段,大规模应用
随着无线宽带业务的更进一步发展,LTE将大规模部署,覆盖大部分甚至全部区域。
该阶段场景和需求情况可能是:
对包括语音呼叫的全业务支持,涉及各类终端(主要为手机),业务覆盖人口大于70%,对语音业务和数据业务的系统间互操作有强烈需求。
在这种LTE部署的后期阶段,考虑支持语音业务移动性功能。
支持LTE与UTRAN/GERAN之间的互操作,需要对3G/2G网络设备进行升级并全面支持与LTE互操作协议版本,但网络设备升级会给运营商带来额外的成本压力,对现有网络设备稳定性等方面也会带来影响。
采取何种方式可能需要根据运营商具体情况进行分析、定制。
以下从接入网角度出发,提供几种方式以供参考:
1.3G/2G接入网设备不升级。
由于成本或网络稳定性等其他原因,运营商不具备网络升级条件,此时考虑完全不对3G/2G接入网设备进行升级,那么随着LTE部署阶段的发展,只能支持LTE到3G/2G网络的小区重选、重定向、数据及语音的单向切换,而3G/2G到LTE网络只能支持小区重选。
3G/2G到LTE网络的小区重选是采用“PLMN选择”方式实现的,即LTE与3G/2G网络采用不同的PLMN,设置LTE的PLMN为高优先级(如SIM中设置HPLMN为LTE的PLMN),这样让用户在3G/2G与LTE网络同覆盖的时候,空闲时会优先在LTE的PLMN中搜索合适小区驻留,从而优先使用LTE网络服务。
与下面其他两种方式比较,采用“PLMN选择”方式时,由于UE是以6分钟的倍数(TS36.1224.4.3.3节)周期性地搜索LTE网络,所以3G/2G到LTE网络选择的时间会非常长,用户的业务体验可能会比较差。
2.3G/2G接入网设备进行少量升级。
3G/2G接入网设备升级支持部分与LTE互操作协议,该方式可以支持LTE与3G/2G网络之间的双向小区重选、重定向,以及LTE到3G/2G网络的数据及语音的单向切换。
这种方式在3G/2G接入网中仅增加广播信息以及到LTE重定向功能(包含测量配置)。
通过在3G/2G网络中优选LTE参数的设置,在LTE与3G/2G网络同覆盖区域,使Idle状态的用户优先驻留于LTE网络中,优先使用LTE网络服务。
3.3G/2G接入网设备进行全面升级。
3G/2G接入网设备全面升级支持与LTE互操作协议,这样可以支持LTE与3G/2G网络之间的小区重选、重定向、数据的灵活自由切换,以及目前协议定义的LTE到3G/2G网络的语音单向切换。
对于3G/2G网络到LTE的语音切换,将根据标准进展而支持。
此方式需要3G/2G接入网除了增加广播信息、重定向部分(包含测量配置),还有系统间切换部分。
下表对上述几种可能的方式进行了对比说明。
表1.1-1LTE与3G/2G系统间互操作的几种选择方式对比
3G/2G接入网设备
不进行升级
3G/2G接入网设备
进行少量升级
3G/2G接入网设备
进行全面升级
功能
LTE->3G/2G小区重选√
LTE->3G/2G重定向√
LTE->3G/2GPS切换√
LTE->3G/2G语音切换√
3G/2G->LTE小区重选√
3G/2G->LTE重定向×
3G/2G->LTEPS切换×
3G/2G->LTE语音切换×
LTE->3G/2G小区重选√
LTE->3G/2G重定向√
LTE->3G/2GPS切换√
LTE->3G/2G语音切换√
3G/2G->LTE小区重选√
3G/2G->LTE重定向√
3G/2G->LTEPS切换×
3G/2G->LTE语音切换×
LTE->3G/2G小区重选√
LTE->3G/2G重定向√
LTE->3G/2GPS切换√
LTE->3G/2G语音切换√
3G/2G->LTE小区重选√
3G/2G->LTE重定向√
3G/2G->LTEPS切换√
3G/2G->LTE语音切换×(目前标准不完善,后续根据标准进展而支持)
共同点
均涉及核心网设备升级
3G/2G网络RNC/BSS设备需要的升级改动
不需要任何改动
RNC/BSS增加广播信息和重定向信息(包含测量配置)
RNC/BSS增加广播信息、重定向信息(包含测量配置)、系统间切换流程处理
对用户、运营商要求
运营商需要有多个PLMN,用户需要更换SIM卡
无
无
系统间切换速度
LTE->3G/2G切换速度快;
3G/2G->LTE通过HPLMN选择,速度非常慢
LTE->3G/2G切换速度快;
3G/2G->LTE通过小区重选或重定位,速度较慢
LTE->3G/2G切换速度快;
3G/2G->LTE切换速度快
一.2LTE系统间互操作策略
在网络发展的不同阶段或不同网络系统构成分层结构的情况下,常常会因为一些原因而进行系统间切换,这些系统间切换的出发点不同,所要达到的目的也可能不同。
如为保证业务连续性基于链路质量的切换、为保证网络负载均衡基于负荷的切换等。
以下针对LTE系统间的几种切换策略进行说明。
●基于链路质量的切换:
当一个用户在LTE系统中进行了呼叫并移动到LTE系统的边缘,此时其无线链路质量变差,如果用户驻留的E-UTRAN小区有同覆盖的UTRAN/GERAN小区(按照网络规划情况,E-UTRAN小区大多是包含在已有UTRAN/GERAN小区覆盖范围内),根据系统间测量结果或盲切换实现E-UTRAN到UTRAN/GERAN的切换。
●基于负荷的切换:
当LTE系统负荷较高,满足进行系统间负荷均衡的条件时,如果有用户接入LTE系统,则LTE系统可以将其指派到UTRAN/GERAN小区中。
如果LTE系统的负荷继续增加,达到了进行负荷控制的条件时,则对于已经在LTE系统中保持呼叫的用户,可以将其切换到UTRAN/GERAN小区中,以保证LTE系统的稳定性。
此时的切换可以根据盲切换来实现。
在LTE建设初期,用户相对较少,网络负荷较低,一般不会出现网络拥塞的情况,不需要考虑LTE系统间的负荷均衡和负荷控制。
随着网络规模扩大,用户数量迅速增加,网络负荷达到一定程度,可能出现网络拥塞的情况。
此时可以先考虑通过LTE系统内部切换等方式实现负荷均衡。
当LTE网络大规模部署、覆盖大多数用户时,此时才需要考虑LTE系统过载时的负荷控制,可通过系统间切换的方式,由UTRAN/GERAN系统来分担LTE系统的负荷。
●基于业务的切换:
当一个用户在LTE系统中发起一个语音呼叫,而LTE系统无法提供IMS类型VOIP业务时,可以考虑将用户切换到同覆盖的UTRAN/GERAN系统中,采用电路域来承载用户的语音业务。
●基于UE移动速度的切换:
在LTE小区和UTRAN/GERAN小区构成了HCS结构(分层的小区结构)的情况下,为避免对快速移动的用户进行频繁的切换操作,LTE系统可以将该用户切换到覆盖较大的UTRAN/GERAN小区中。
●基于用户签约属性的切换:
根据不同用户的签约信息,在异系统切换的时候可能存在限制某些用户切换到某个异系统网络。
核心网通过S1接口SPID信息告知eNodeB该用户相关的签约信息标识,eNodeB根据该标识映射为预先定义的不同策略。
●总体策略:
在GSM、UMTS、LTE混合组网的场景下,优先选择LTE网络。
当LTE网络信号质量不好,或负荷较高时,依据终端能力,CS业务尽量优选切换到GSM网络,PS业务尽量优选切换到UMTS网络。
一.3说明
本文主要从接入网角度描述系统间切换功能。
系统间互操作还需要相关各个网元、其它系统的支持:
1.eNB需要支持系统间测量(包括测量GAP)功能;移动性相关的判决算法将在RRM算法文档中说明,不在本文档中体现;
2.EPC支持系统间互操作功能;
3.UTRAN/GERAN、CDMA2000支持与LTE系统间互操作功能;
4.暂不包含与核心网相关的修改升级的具体分析;
5.UE需要支持双模操作;
6.暂不考虑小区重选专用优先级(E-UTRAN到其它RAT,或其它RAT到E-UTRAN);
7.暂不包含与核心网相关IdlemodeSignallingReduction(ISR)功能的系统间切换描述;
8.3GPP内系统间切换,只考虑SGSN支持3GPPR8接口(S3/S4接口)的情况,暂不考虑SGSN支持Gn/Gp接口的情况。
一.4LTE系统间互操作系统结构
一.4.1Intra-3GPP系统结构
EPS网络架构相对于UMTS系统的变化主要体现为以下两个方面:
一是全IP的扁平化网络架构,而是支持多种3GPP、非3GPP无线系统的接入,如GERAN/UTRAN、E-UTRAN、WLAN、WiMAX、cdma2000等。
下图给出了非漫游场景下,UE通过E-UTRAN接入EPC核心网的系统架构。
其中,PDN-GW可通过SGi接入运营商网络,类似于UMTS系统中的GGSN实体,MME则类似于SGSN控制面,S-GW类似于SGSN实体的用户面。
PCRF实体负责通过Gx接口为PDN-GW提供相关的测量控制与计费规则。
图1.413GPP接入EPS非漫游架构
上图所示的是S-GW和PDN-GW分离时的网络架构,它们之间的参考点是S5接口,由于EPC核心网支持多种接入方式,因此,S-GW与PDN-GW除支持GTP移动性协议之外,常常还需要支持MobileIP协议。
目前的3GPP标准中,定义了S5接口既可以采用GTP协议,也可以采用PMIP协议。
在设备实现时,为了方便,还可以采用S-GW与PDN-GW合一的实现方案,此时,S5接口将被看作内部接口。
用户除可以通过E-UTRAN接入PDN-GW外,还可以通过GERAN/UTRAN接入EPC核心网(连接至S-GW),最终锚定至PDN-GW。
由于射频原因,UE在从E-UTRAN切换至GERAN/UTRAN时,目前要求UE锚定的PDN-GW不变,以保证业务的无缝体验。
一.4.2LTE与其他非3GPP系统结构
为了支持多种非3GPP接入网接入统一的EPC核心网,可以将其分为可信非3GPP接入和不可信非3GPP接入两大类。
对于可信非3GPP接入,UE将直接通过非3GPP接入网链接至PDN-GW,如果是不可信非3GPP接入,UE则需要通过归属网络可信任的ePDG(evolvedPDG)网关连接至PDN-GW实体。
下图给出了非漫游情形下,UE通过非3GPP接入EPC核心网的系统架构图。
图1.42非3GPP采用S2a/S2b接口接入EPS(非漫游)
图1.43非3GPP采用S2c接口接入EPS网络(非漫游)
S2a与S2b接口之间的主要区别在于,S2a接口对应可信非3GPP接入,S2b接口对应不可信非3GPP接入。
S5接口可以基于GTP协议或PMIP协议。
一.4.3LTE与HRPD系统结构
对于E-UTRAN与cdma2000HRPD网络之间的切换优化,在标准中提供了如下架构:
在MME和HRPDAN之间添加了直接接口S101,基于隧道协议,透传终端与目标网络的信息交互。
通过源网络的透传,终端发起到目标网络的重新附着和承载建立过程,这样能够保证切换过程对于源和目的网络的影响最小,耦合性最小和业务中断时间最小。
图1.44E-UTRAN与cdma2000HRPD网络的切换优化
目前,在标准中提供了E-UTRAN至HRPD网络的细化切换流程和HRPD到E-UTRAN的高层的切换流程。
为了减小切换时业务中断时间,提升用户体验,3GPP在切换过程中,提出了预注册阶段的概念,这个过程是在决定进行切换之前完成的,完成时间相对较长,当然,这个过程根据网络的特性可以选择需要或不需要。
一.4.4参考点说明
EPS网络新增了一系列网元实体,从而增加了相应的参考点,各参考点简要描述如下:
1.S1-MME:
E-UTRAN和MME之间的控制平面参考点,用于各种控制信令的传输,基于S1-AP协议。
2.S1-U:
E-UTRAN与S-GW间的用户平面隧道参考点,也可以用在切换的时候,额N偶的B间的通路切换,基于GTP-U协议。
3.X2:
两个eNodeB之间的参考点,用于支持移动性及用户平面的隧道特征,与S1基于相同的用户平面。
4.S3:
MME与2G/3GSGSN之间的参考点,用于不同的3GPP接入时,交换空闲和激活状态的用户信息和承载信息,基于GTP-C协议。
5.S4:
S-GW与2G/3GSGSN之间的参考点,执行相关控制和移动性管理功能。
若直接随到没有建立,S4将提供用户平面的隧道。
该接口既可以只有信令面接口(GTP-C),也可以包括用户面的接口(GTP-U)。
如果作为信令面的接口,采用GTPV2协议。
如果没有采用“DirectTunnel(直接隧道)”机制,该参考点可以用于传输用户面数据,采用GTPV1协议。
6.S5:
S-GW与PDN-GW之间的参考点,用于支持这两个网关实体之间的承载管理及用户平面的隧道,该参考点应用于S-GW和PDN-GW分设,S-GW建立到PDN-GW的连接过程以及在用户移动性管理中S-GW重定位过程。
该参考点基于GTPV2协议,类似于SGSN与GGSN之间的Gn节点。
7.S6a:
MME和HSS之间的参考点,用于为用户接入提供认证和授权,基于IETF定义的Diameter协议。
8.Gx:
PDN-GW与PCRF之间的参考点,支持从PCRF向EPC提供策略控制和计费规则的传输,基于Diameter协议。
9.S8:
vPLMN中S-GW和hPLMNo中PDN-GW之间的参考点,支持从PCRF向EPC提供策略控制和计费规则的传输,基于Diameter协议。
10.S9:
hPCRFID和vPCRF之间的参考点,用于为漫游地传输QoS策略与计费控制信息,以实现系统的本地疏导功能。
该参考点可类比于漫游场景下的Gx接口。
11.S10:
两个MME之间的参考点,主要用于MME之间的移动性管理,例如MME间的负载重分配,以及MME之间的信息传输,基于GTPv2协议。
12.S11:
MME与S-GW之间的参考点,支持承载管理,如用户附着或业务请求等,基于GTPv2协议。
13.S12:
UTRAN与S-GW之间的参考点,用于UTRAN和S-GW之间用户平面数据的隧道传输,基于GTP-U协议,类似于UTRAN与SGSN的Iu-PS/Gn-U接口。
14.S13:
MME与EIR之间的参考点,用于UE标识符校验流程,基于Diameter协议。
15.Rx:
PCRF与AF之间的参考点,用于为PCRF提供业务动态信息,基于Diameter协议。
例如,对于IMS网络,AF即是指P-CSCF,Rx接口即为PCRF与P-CSCF之间的接口。
16.SGi:
PDN-GW与PDN之间的参考点,其中,PDN可以是外部公共数据网,也可以是内部私有数据网,例如为运营商的IMS网络提供服务,该参考点是UMTS系统中Gi参考点的演进。
17.S101:
为MME与HRPDAN之间的接口,用于实现E-UTRAN与HRPD网络之间的预注册、会话维持及切换功能。
其中,E-UTRAN到HRPD之间通过S101隧道传输的HRPD空中接口消息定义在3GPP2协议C.S0087-0中。
18.S103参考点:
为S-GW与HSGW(HRPD服务网关)之间的接口,用于从E-UTRAN到HRPD之间切换时的下行数据传送。
S103参考点隧道的建立由S101借口的信令流程提供。
第二章E-UTRAN与UTRAN之间互操作
&知识点
lE-UTRAN->UTRAN互操作
●UTRAN->E-UTRAN互操作
二.1E-UTRAN->UTRAN互操作
二.1.1小区重选
小区重选对于网络侧而言,只需要E-UTRAN配置SIB用于小区重选参数即可,如相关门限、定时器参数、测量偏置等。
其它操作都在UE侧完成。
在实现上,小区重选需要考虑小区优先级。
优先级是按频点区分的,相同载频的优先级相同,CSG小区频点的优先级最高,小区优先级也就是对应载波的频点优先级。
小区重选的原则首先选择高优先级的E-UTRAN小区,依次为同频E-UTRAN小区、同优先级异频E-UTRAN小区、低优先级E-UTRAN小区、3G小区、2G小区。
该优先级顺序也可由运营商根据实际需要进行配置。
重选到新小区的条件主要满足:
1、在时间TreselectionRAT内,新小区信号强度高于服务小区;2、UE在以前服务小区驻留时间超过1s。
其中TreselectionRAT为小区重选定时器,对于每一种RAT的每一个目标频点或频率组,都定义了一个专用的小区重选定时器,当在E-UTRAN小区中评估重选或重选到其他RAT小区都要应用小区重选定时器。
为实现系统间小区重选需要在SystemInformationBlockType3中配置s-NonIntraSearch(系统间测量触发门限)。
E-UTRAN到UTRAN的小区重选参数,主要在SystemInformationBlockType6中配置,包含UTRAN小区频点信息和UTRAN邻小区相关信息等。
主要配置参数如下表所示。
表2.1-1E-UTRAN到UTRAN的小区重选主要参数
主要参数
说明
carrierFreq
UTRAN下行频点
cellReselectionPriority
UTRAN小区重选优先级
threshX-High
重选到比服务频点优先级高的UTRAN小区频点的高门限
threshX-Low
重选到比服务频点优先级低的UTRAN小区频点的低门限
q-RxLevMin
UTRAN小区中所需要的最小接收电平
p-MaxUTRA
上行最大允许传输功率
q-QualMin
UTRANFDD小区重选条件的最小质量要求
t-ReselectionUTRA
UTRAN小区重选定时器值
t-ReselectionUTRA-SF-Medium
在中速状态下的UTRAN小区重选时间比例因子
t-ReselectionUTRA-SF-High
在高速状态下的UTRAN小区重选时间比例因子
二.1.2E-UTRAN到UTRAN重定向
当LTE网络基于覆盖、负荷、业务、移动速度等原因,无法为UE继续提供满足Qos质量的服务时,此时需要考虑将UE切换到其他网络系统。
在LTE部署初期,可以考虑采用重定向方式支持。
该功能主要是将UE先从E-UTRAN网络中释放,通过RRC释放消息(RRCConnectionRelease)的redirectionInformation信息中携带UTRAN频点信息,通知UE重定向到UTRAN网络中。
这样,UE回到Idle状态后,根据LTE网络侧指示的UTRAN频点信息,在UTRAN小区重新发起接入。
E-UTRAN到UTRAN重定向过程如下图所示。
图2.11E-UTRAN到UTRAN网络重定向
二.1.3PS切换
E-UTRAN到UTRAN的PS切换过程,用于连接状态下UE移动性,被分为两个阶段:
准备阶段和执行阶段。
一.准备阶段:
图2.12准备阶段
E-UTRAN到UTRAN的PS切换准备阶段过程描述:
1源侧eNB根据RRM算法(基于覆盖、负荷、业务、移动速度等原因),判决发起E-UTRAN到UTRAN的PS切换过程。
2源侧eNB发送HandoverRequired消息(携带无线相关信息)给源侧MME,以请求核心网在目标系统建立资源。
3源侧MME通过消息中切换类型判断为E-UTRAN到UTRAN的系统间切换。
MME发起切换资源分配过程,发送ForwardRelocationRequest消息给目标SGSN。
消息内容包括MME相关信息(如IMSI,MME的Address和TEID)以及HandoverRequired消息携带信息(如SourcetoTargetTransparentContainer)。
4目标SGSN判断S-GW是否需要改变。
如果S-GW需要改变,那么SGSN将选择出一个目标S-GW,并发送CreateBearerRequest消息(如IMSI,SGSN的Address和TEID,PDNGW的Address和TEID)给该目标S-GW,用以在目标侧建立业务承载。
目标S-GW分配本地资源,并返回CreateBearerResponse消息(如S-GW的Address和TEID)给目标SGSN。
5目标SGSN发送RelocationRequest消息(如IMSI,安全信息,RAB建立列表,SourceRNCtoTargetRNCTransparentContainer)给目标RNC,请求建立无线网络资源。
目标RNC根据RelocationRequest消息中信息分配资源,并返回RelocationRequestAcknowledge响应消息(如TargetRNCtoSourceRNCTransparentContainer,RAB建立成功/失败列表)给目标SGSN。
6如果为‘indirectforwarding’并且S-GW改变,目标SGSN发送CreateBearerRequest消息(如RNC的Address和TEID)给目标S-GW,用以建立数据反传承载,从而建立数据反传通道。
如果没有DirectTunnel,那么消息中携带的为SGSN的Address和TEID。
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