基于LTE的话音回落技术应用*

钱雯珺，杜艳艳

（中国移动通信集团上海有限公司，上海 200060）

1 引言

移动网络数据业务类型的日益丰富，促使了移动数据流量的快速增长，并对移动接入带宽提出了更高的要求。为了进一步提高移动网络的无线接入速率、提供更高的系统容量、降低运营商的OPEX，3GPP在2004年启动了LTE/EPC项目。随着LTE技术标准化的加快推进，以及产业链的逐步成熟， LTE规模试验网已经在全球范围内广泛展开。

LTE从提出之初，即是以实现宽带无线接入、吸收热点地区的数据业务为主要目的，其解决的首要问题还是承载高速率的数据业务。考虑到目前移动网络上的金牌业务仍是话音，因此LTE也制定了大量关于承载话音业务的互操作规范。根据实现方式的不同，主要可分为2个方案：CS Fallback和SRVCC。CS Fallback主要应用于LTE建设初期，IMS网络还未部署、LTE网络尚不能提供VoIP业务、话音和SMS等业务仅能由2G/3G网络CS域提供的阶段。在同时存在LTE和2G/3G覆盖的区域，可以通过CS Fallback技术将话音业务回落到2G/3G网络，从而实现终端优先驻留在LTE网络以享受高速数据业务、在需要话音服务时才返回2G/3G网络发起CS话音呼叫。当部署了IMS之后，就可以在LTE网络上承载话音业务。在这一时期，就可以使用SRVCC技术实现在IMS控制、LTE网络承载的VoIP话音与2G/3G网络承载的CS话音之间的无缝切换。

从技术本身和建设成本等多方面分析，SRVCC方案将是最终的目标解决方案。而CS Fallback技术则可以用在IMS/SRVCC成熟商用前，临时提供CS话音接入。虽然说CS Fallback属于过渡阶段的解决方案，但出于对现有CS网络投资的保护和LTE/EPC的部署策略考虑，CS Fallback技术可能将持续较长一段时间。本文即是从CS Fallback的技术研究出发，探讨在不同场景下的CS Fallback应用所面临的问题和解决方案。

2 CS Fallback技术介绍

当LTE网络不能提供话音业务时，CS Fallback技术可以触发终端从LTE接入回落到2G/3G网络接入使用CS业务。实现CS Fallback功能需要在MME与MSC Server之间引入SGs接口。当终端附着在LTE网络的同时，还可以通过SGs接口附着在CS域，当其他用户呼叫该用户时就能够寻呼成功。这样，终端就可以优先驻留在LTE网络享受高速数据业务，同时在需要话音服务时还能返回到2G/3G网络发起CS话音呼叫。

2.1 架构

图1 CS Fallback架构

CS Fallback逻辑架构如图1所示。

2.1.1 SGs接口

CS Fallback技术中关键的接口是SGs接口，它是MME与MSC Server之间的控制点，用于EPS和CS域之间的移动性管理和寻呼流程。SGs接口基于Gs接口协议，并在其现有流程基础上进行了扩充。

2.1.2 UE

具有CS Fallback能力的UE既能通过E-UTRAN接入EPC网络，也能通过GERAN/UTRAN网络接入到CS域。因此UE也需要支持联合的EPS/IMSI附着、更新和去附着流程，以及使用CS域业务时的CS Fallback流程。

2.1.3 MME

为支持CS Fallback，MME需要支持如下功能：能够从UE收到的GUTI中或者从默认的LAI中获取VLR号码；能够为EPS/IMSI联合附着的UE，维护SGs接口的关联；能够在EPS去附着的时候发起IMSI去附着；当MSC由于CS业务寻呼UE时，能够发起到eNode B的寻呼流程；能够支持CS Fallback时的SMS业务；能够因O&M等原因拒绝CS Fallback的呼叫请求；当多个MSC/VLR为一个LAI服务的时候，支持CS Fallback的MME能够使用LAI和从IMSI中获得的散列值来确定VLR号码。

2.1.4 MSC

MSC需要能够为EPS/IMSI联合附着的UE，维护SGs接口的关联；需要能够在SGs和Iu/A接口并行地寻呼用户；需要能够支持CS Fallback时的SMS业务。

2.1.5 E-UTRAN

E-UTRAN需要能把寻呼请求和SMS前转给UE；能把UE指向到目标CS域的适当小区。

2.2 移动性管理

下面对CS Fallback相关的附着流程、去附着流程、位置更新流程作一简单介绍。

2.2.1 附着

首先，UE向MME发送Attach Request请求，消息中指示UE请求EPS/IMSI联合附着，并告知网络UE有能力并已配置使用CS Fallback。随后，执行EPS附着流程。MME收到UE发送的请求EPS/IMSI联合附着的Attach Request请求后，会分配一个默认的LAI。该LAI根据运营商策略分配，在MME中配置，一般都是考虑当前TAI/E-CGI对应的LAI。MME基于分配的LAI和IMSI散列函数获得VLR号码。MME向MSC/VLR发起位置更新流程，并在VLR中标记该MS是EPS附着。VLR通过保存MME的IP地址来创建跟MME之间的SGs关联，并在CS域完成位置更新流程后向MME发送位置更新接受的响应。MME将LAI、VLR以及MSC分配的TMSI等信息包含在Attach Accept消息中发送给UE，标志着联合附着成功。

2.2.2 去附着

CS Fallback的去附着流程分为UE发起、MME发起和HSS发起。在这些去附着流程中，MME都需要通过SGs接口向MSC发送IMSI Detach Indication消息，指示VLR删除该用户的SGs关联。

2.2.3 联合的TA/LA更新

在用户移动到新的TA或者需要重新创建SGs关联时，需要进行联合的TA/LA更新。首先，UE向新的MME发送TAU请求，并指示这是一个联合的跟踪区/位置区（TA/LA）更新请求。随后，执行EPS附着流程。如果LA改变或者需要建立关联，新的MME会向VLR发送位置更新请求消息。VLR在CS域完成位置更新流程后，向MME发送位置更新接受信息。联合的TA/LA更新成功后，新的LAI 、VLR和 TMSI会发给UE。

2.2.4 周期性的TA/LA

如果用户驻留在E-UTRAN区域，就只需要执行周期性的TA更新，而不需要执行周期性的LA更新。如果MME没有收到周期性的TA更新，它就会隐式去附着UE，并释放和MSC/VLR的SGs接口关联，改由MSC来管理LA更新，MSC将继续为UE保持登记的LA。这样，当该用户有被叫业务时，仍然可以在登记的LA内寻呼。

2.3 话音呼叫流程

下面将主要介绍一下CS Fallback的话音呼叫流程。

2.3.1 主叫流程

主叫流程较为简单。当用户需要使用话音业务时，UE会向E-UTRAN网络发送CS业务请求。然后在EPS网络的帮助下完成目标小区的选择，并接入到CS域中完成后续的CS业务。下面以目标网络支持PS切换为例，介绍CS Fallback主叫的具体流程，如图2所示。

（1a）UE向MME发送业务请求，指示此次呼叫为CS Fallback的呼叫。

（1b) MME向eNode B发送S1-AP请求消息，对eNode B指示UE需要切换到UTRAN/GERAN的CS域来完成此次呼叫。

（2) eNode B可以向UE请求一个测量报告来决定PS业务将会切换到GERAN/UTRAN的哪个目标小区。

（3）eNode B通过向MME发送切换请求来触发向GERAN/UTRAN相邻网元的PS切换。

（4）UE通过BSS/RNS向MSC发送CM Service Reques消息。

（5）如果用户切换到的MSC与用户在EPS/IMSI联合附着时的MSC不一样的话，目标MSC将拒绝业务请求，同时触发UE进行CS域的位置更新。

（6）用户切换到目标小区后，就可以发起CS话音呼叫。

（7）在CS业务结束后，UE可以重新返回E-UTRAN网络。

如果目标网络不支持PS切换，在上述步骤3中，eNode B会向用户发送RRC消息，来触发到GERAN邻区的RAT间的小区改变命令；同时eNode B会向MME发送S1 UE Context Release Request消息，说明UE不能支持PS业务，MME将保留non-GBR承载，去激活GBR承载。

图2 CS Fallback主叫流程

如果目标网络不支持PS切换，在上述步骤3中，eNode B会向用户发送RRC消息，来触发到GERAN邻区的RAT间的小区改变命令；同时eNode B会向MME发送S1 UE Context Release Request消息，说明UE不能支持PS业务， MME将保留non-GBR承载，去激活GBR承载。

2.3.2 被叫流程

当网络侧向附着在E-UTRAN网络上的UE发起呼叫时，MSC会通过SGs接口在E-UTRAN网络寻呼UE，从而确保CS被叫业务对于附着在E-UTRAN网络上的UE也可达。UE向MME返回寻呼响应时，会指示其具有CS Fallback能力，后续流程同主叫流程。

下面以用户处于激活状态，且目标网络支持PS切换为例，介绍CS Fallback被叫的具体流程，如图3所示。

（1a）MSC收到入局呼叫后，通过SGs接口将CS寻呼消息转给MME，MME对UE进行CS寻呼。

（1b）UE向MME发送业务请求，指示此次呼叫为CS Fallback的呼叫。

（1c）MME收到业务请求后，会向MSC发送CS寻呼拒绝消息来终止CS寻呼流程。

（1d）MME向eNode B发送S1-AP请求消息，对eNode B指示UE需要切到UTRAN/GERAN的CS域来完成此次呼叫。

（2）eNode B可以向UE请求一个测量报告来决定PS业务将会切换到GERAN/UTRAN的哪个目标小区。

（3）eNode B通过向MME发送切换请求来触发向GERAN/UTRAN相邻网元的PS切换。

（4）UE通过BSS/RNS向MSC发送Paging Response消息。

（5）如果用户切换到的MSC与用户在EPS/IMSI联合附着时的MSC不一样的话，目标MSC将拒绝业务请求，同时触发UE进行CS域的位置更新。

（6）用户切换到目标小区后，就可以发起CS话音呼叫。

（7）在CS业务结束后，UE可以重新返回EUTRAN网络。

如果UE处于空闲状态，当UE收到CS寻呼消息后，会向MME返回Service Request消息以建立PS信令连接。eNode B会根据MME的指示，帮助UE完成小区重选并指示UE执行切换，通过UTRAN/GERAN接入到CS域完成后续CS业务。

图3 CS Fallback被叫流程

3 一般场景下的CS Fallback应用

CS Fallback技术从本质上来说，仍是一个会话建立的过程。当需要发起话音业务时，UE回落到2G/3G网络，使用2G/3G CS网络发起话音业务；当用户收到被叫请求时，自动从LTE网络切换到2G/3G网络，通过2G/3G CS网络发起话音业务，完成呼叫。

因此，CS Fallback技术适用于2G/3G网络与LTE网络重叠部署的场景，并且为支持CS Fallback功能，还需要重叠覆盖区域的MSC均升级支持SGs接口等功能。但在LTE建设初期，为减少对现网的影响，对MSC宜采用循序渐进、逐步改造的方式。这样，就有可能出现如下情形：与LTE网络重叠覆盖的区域仅部分MSC支持CS Fallback功能。此时，就很有可能出现用户附着的MSC和当前实际所处位置的MSC不是同一个的情况。如图4所示的场景中，在EPS/IMSI联合附着时，在该TA下的用户可能全部登记到支持CS Fallback功能的MSC 1上。

图4 TA同覆盖区域下仅部分MSC支持CS Fallback

此时，如果用户发起CS主叫业务，那么在主叫流程（见图2）的第5步中，由于目标MSC 2中并未登记该用户的信息，因此MSC 2就会拒绝业务请求，并触发UE进行CS域的位置更新。在位置更新流程完成后，UE就能通过新的目前实际所处区域的MSC 2发起CS话音呼叫。因此在这种场景下，主叫业务并不受影响。

但是，对于被叫业务来说，由于用户在EPS/IMSI联合附着时是登记在与MME存在SGs接口的MSC 1上，那么被叫就会寻呼到MSC 1，再由MSC 1通过SGs接口在LTE网络寻呼UE。UE为了响应寻呼，向当前所处区域的MSC 2发起业务请求，但由于MSC 2中并未登记该用户的信息，因此MSC 2就会拒绝业务请求。而MSC 1上却因迟迟得不到UE的响应，最终导致被叫失败。

为了解决给被叫终端发寻呼的MSC不是终端回落后所在的MSC而导致呼叫失败的问题，一种方案是对于2G/3G网络与LTE网络重叠覆盖区域的MSC进行全部升级。但是这种方案一方面会增加网络建设的难度，另一方面也会因MSC升级规模扩大而产生较高的成本，而这些升级的功能在SRVCC后又会因闲置而处于浪费状态。另一种方案是由3GPP提出，其定义了Mobile Terminating Roaming Retry（MTRR，移动终呼漫游重试）呼叫流程来进行相关处理。它的主要思想是：当UE收到原先登记的MSC 1发来的寻呼请求、并在当前所处区域的MSC 2发起业务请求遭拒绝后，发起位置更新流程；在位置更新流程中，HSS就会向原先登记的MSC 1发送Cancel Location消息；MSC 1暂停寻呼计时，并告知发出寻呼的GMSC需要为该UE重新选择MSC；GMSC重新向HSS索取用户的漫游号码，此时该用户已登记在新的MSC 2上，HSS就向GMSC返回新的漫游号码；GMSC将IAM消息发送给新的MSC 2，从而完成后续的CS业务。MTRR的应用能够在呼叫失败后自动进行位置区更新，释放终端在原登记MSC中的信息，并通过新的MSC重新寻找被叫路由，使得呼叫不被中断。该方案能够解决被叫失败的问题，但在额外增加了HSS、GMSC升级需求的同时也增加了寻呼时延。

4 MSC Pool场景下的CS Fallback应用

随着MSC Pool的规模部署，在这种场景下应用CS Fallback也是在LTE建设期间需要考虑的问题。下面以图5所示场景为例，探讨CS Fallback在MSC Pool场景下的应用。其中，MSC Pool内仅有一台MSC（MSC 1）已升级支持CS Fallback功能。在EPS/IMSI联合附着时，在该TA下的用户会全部登记到支持CS Fallback功能的MSC 1上，同时MME会把MSC 1为用户分配的TMSI发送给UE。

图5 MSC Pool场景下CS Fallback应用

对于主叫业务来说，UE在CS域发起业务请求时，会携带已分配的TMSI号码；BSC/RNC会根据TMSI中的NRI信息，将业务请求路由到MSC 1中；MSC 1中原先已登记有该用户的信息，用户切换到的MSC与用户在EPS/IMSI联合附着时的MSC一致，主叫成功。

对于被叫业务来说，寻呼请求首先发送到用户在EPS/IMSI联合附着时登记的MSC 1上；MSC 1通过SGs接口在LTE网络寻呼UE；UE为了响应寻呼，在CS域发起寻呼响应，同时携带已分配的TMSI号码；BSC/RNC会根据TMSI中的NRI信息，仍将寻呼响应路由到MSC 1中；用户切换到的MSC与用户在EPS/IMSI联合附着时的MSC一致，被叫成功。

从上述分析来看，在2G/3G网络与LTE网络重叠覆盖区域，2G/3G网络如果已经部署了MSC Pool，那么仅需在Pool内选取一个或若干个MSC进行升级支持CS Fallback功能，就能实现在全Pool范围内通过CS回落使用话音业务的目的。从而避免了大规模改造MSC而带来的建设难题和成本压力。

5 小结

CS Fallback主要适用于LTE部署初期，在尚未部署IMS或者LTE无法承载VoIP时，可以通过使用CS Fallback来提供话音业务。UE处于LTE和2G/3G同覆盖区域内，当需要发起话音业务时，UE回落到2G/3G网络，使用2G/3G CS网络提供话音业务，同时还可以将数据业务转移到2G/3G PS网络。当用户收到被叫请求时，也会自动从LTE网络切换到2G/3G网络，用以完成呼叫。

但是对于一般场景，如果与LTE网络重叠覆盖的2G/3G网络中仅部分MSC支持CS Fallback功能，虽然主叫业务可以进行，但可能出现被叫业务失败的情况。为了解决这一问题，可以通过覆盖范围内MSC全升级或采用MTRR技术。但前者会加大网络建设难度并增加升级成本，后者则可能会导致被叫时延过长。

而对于MSC Pool场景，CS Fallback的主叫业务和被叫业务均不受Pool内MSC升级数量的影响。在2G/3G网络与LTE网络重叠覆盖区域，仅需在Pool内选取一个或若干个MSC进行功能升级，就能在全Pool范围内都使用CS Fallback业务。

因此，在MSC Pool规模部署的前提下，可以考虑在MSC组Pool区域优先部署LTE，并使用CS Fallback技术来满足在LTE网络中使用话音业务的需求。

[1]3GPP TS 23.272, Circuit Switched Fallback in Evolved Packet System[S].

[2]魏克军. LTE话音业务解决方案——CS Fallback技术分析与探讨[J].电信技术，2011,(8).

[3]李侠宇. EPS网络CS Fallback技术研究[J]. 电信网技术，2009,(6).

[4]林良书，基于LTE/SAE网络的话音解决方案研究[A]. 中国通信学会第六届学术年会论文集（下）[C]. 2009.