CSFB实现过程中位置区域规划探究

姚裕宝

(常州信息职业技术学院网络与通信工程学院 江苏常州 213164)

CSFB实现过程中位置区域规划探究

姚裕宝

(常州信息职业技术学院网络与通信工程学院 江苏常州 213164)

在移动通信系统中，2G/3G的位置区分为LAC、RAC，分别对应于CS域和PS域，实现语音和数据业务；而LTE只支持数据业务，位置区也简化为一个：TAC。位置区是由多个相邻的小区组成。位置区规划是为了便于移动性管理，减少频繁的位置更新过程，节约系统资源。CSFB由于涉及2G、3G及LTE间的互操作，其相互之间位置区关系的规划尤为重要。在UE从LTE回落到2G/3G后，或者在2G和3G间切换后，或者CSFB语音会话结束返回LTE后，都需要进行位置区检查和更新。通过分析位置区域规划对CSFB实现过程的影响，提出提升CSFB性能的改进方法。

LAC； RAC； TAC； 联合附着； 联合更新

CSFB要求UE在CSFB过程中访问GERAN/UTRAN的CS域与访问E-UTRAN/EPC是一样的。亦即，UE由原来的单RAT活动变为多RAT活动；由原来RAT内的切换、重选、重定向、CCO过程变为RAT间的PS切换、重定向、重选、CCO过程。在这些过程中，重选是空闲态过程，其他为连接态过程。不管是空闲态还是连接态，UE在移动时都会涉及位置区、路由区、跟踪区的变化，为了实现核心网对UE的管理，在这些区域发生变化时，UE必须分别进行LAU、RAU、TAU。由于联合附着的原因，UE开机后在任意时刻都具有自身的LAC(CS域位置区号)、RAC(PS域路由区号)、TAC(LTE跟踪区号)。在运营商地域上一个固定的地理区域，LAC、RAC、TAC是固定的。CSFB要求2G或/和3G与LTE重叠覆盖，这就引出了两个问题：LAC、RAC、TAC位置是否重叠；LAC、RAC、TAC区域号如何设置。

1 CSFB实现系统分析

CSFB技术的产生是由于LTE技术目前还不能支持语音业务，当VoLTE实现全网(网络及终端)覆盖时，CSFB也就没有存在的必要了。但这将是一个漫长的过程，因为终端的多样性及中国用户群的复杂性，决定了CSFB的存在周期。

不同于与LTE配合的SRVCC技术，CSFB完全基于多覆盖。只有在EUTRAN覆盖与GERAN 覆盖或UTRAN覆盖重叠时，连接到EUTRAN网络的CSFB功能终端才可使用GERAN或UTRAN网络连接到CS域。CSFB及基于IMS的VoLTE服务可共存于同一运营商网络中[1]。

根据支持CSFB技术的UE所驻留小区的场景，可将CSFB应用分为三种情况。主被叫UE驻留在EUTRAN小区；主叫驻留在EUTRAN小区，被叫驻留GERAN或UTRAN小区；被叫驻留在EUTRAN小区，主叫驻留GERAN或UTRAN小区。不管哪种情况，语音通话都必须在CS域中进行。假如UE驻留在EUTRAN小区(不管是空闲态或是连接态)，只要想实现语音通话就必须回落到CS域。UE回落后寻呼过程的信令交互依赖于MME与MSC之间的SGs接口[2]。

为了实现网络资源共享(峰值话务均衡等)、提升网络性能(减少设备间切换和UE位置更新等)、提高网络级可靠性(热备及容灾等)，LTE系统SAE结构采用了POOL方式。MME也不例外。

根据3GPP相关协议，GERAN及UTRAN可以共用核心网资源。目前中移动现网基本结构是GERAN及UTRAN共用核心网，仅有少量独立核心网配置。核心网中MSC及SGSN同样也采用POOL组网方式。用户刚进入MSC POOL的服务区域，RNC/BSC根据负载均衡的原则为用户分配一个MSC，MSC给用户分配一个TMSI并完成位置更新过程。TMSI里面带有NRI(网络资源标识)用于在池组内(有池组号标识)标识MSC。用户注册在此MSC后一直由这个MSC为其服务，直到该UE/MS离开该MSC POOL的服务区域。

当UE/MS从一个池区进入另一池区的时候，UE/MS在新池区发起位置更新请求(带LAIo，TMSIo)，RNC/BSC算出NRI不在自己池区中，则选择自己池区中某个MSC来服务，新MSC发现LAIo对应多个MSC，则再根据TMSIo得到NRIo，根据NRIo得到唯一的MSC，即向该MSC取用户标识等信息。然后进行后续流程。

由于核心网中网元POOL组网结构，MME与MSC之间的SGs接口的连接变得复杂化。在MME POOL中的MME与MSC POOL中的MSC之间逻辑上存在着全网状连接。eNB与MME POOL中MME网元逻辑上也是全网状连接；同样RNC/BSC与MSC POOL中的MSC网元也是全连接。当然，MME POOL之间及MSC POOL之间的连接也必须是全网状的。

鉴于此，UE在CSFB时可能回落在源LAC(UE中保存的，对应于某个MSC POOL)，也可能回落在源MSC POOL外。当回落在源MSC POOL外时，必须通过MTRF(被叫路由转发)来完成呼叫过程。MTRF的基本思想是当手机CSFB被叫回落至其他MSC时，通过新旧MSC及HLR间的信令交互，搭建旧MSC至新MSC的承载，以保证呼叫仍然能够继续。

2 位置区规划设计

在CSFB过程中涉及三个系统(EUTRAN、GERAN、UTRAN)、三个主要位置区域(TAC、LAC、RAC)及三个池组(MME、MSC、SGSN)。UE为了进行CSFB业务，在开机时必须进行联合附着。联合附着的功能之一就是UE在寻找为自己服务的MME、MSC及SGSN。UE当时所处的位置决定了这些核心网网元，因为这些位置区域与网元存在着对应关系。在LTE系统中还引入了TAL(TAC List)概念，UE在TAL中移动时不需要进行位置更新。这也解决了一个MME POOL中有多个TAC的问题。UE在MME POOL中移动不进行位置更新，减轻了核心网TAU信令负荷。同时，CSFB要求在MME网元中存有一张TAC与LAC的对应表。在EPS/IMSI联合附着和TA/LA联合位置更新时，MME根据eNB上报的TAC用来查找出对应的LAC，按照LAC找到MSC/VLR，该MSC/VLR记录下该UE身份信息，包括LAC。MME也会存储该UE的LAC，并将该LAC下发给UE。而UE在回落到GERAN/UTRAN时，接收系统消息，获取所在物理位置区域的真实LAC。假如这个LAC与MME下发UE存储起来的LAC一致，则UE不需要进行LAU，否则必须进行LAU。同样有TAU(具有CSFB能力的UE为联合更新)及RAU。在UTRAN系统中还有小区更新和URA更新，但这仅仅是RNC的功能，与核心网无关。

在LTE系统中MME POOL与TAC(理论上应该是TAL，目前一个TAL中仅有一个TAC)存在着对应关系。一个TAC中能包含多少个eNB，具体数量决定于eNB的Paging性能评估。eNodeB的能力决定了TA跟踪区的大小。

而MME POOL所能支持的TA数决定于MME的Paging性能评估。寻呼负荷确定了跟踪区的最大范围；相应的，边缘小区的位置更新负荷决定了跟踪区的最小范围。一个MME下挂基站数或TA跟踪区数量的最主要限定条件还是MME的最大寻呼容量。

在3G(2G)系统中，当几个MSC(MSC POOL)共用一个VLR时，位置区是可以跨MSC区的。但目前实现，都采用一个MSC POOL捆绑一个VLR的方式，因此LAC可以跨RNC区，但不可以跨MSC区，一个MSC区中可以有一个或几个LAC。位置区(LAC)为CS寻呼的最小单位。如果网络要寻呼处于空闲状态、CELL_PCH或者URA_PCH状态的UE，UTRAN通过发送寻呼类型1消息进行寻呼某个UE。

目前UTRN网络中位置区的大小基本已经趋同于RNC的划分大小，甚至一个RNC划分为多个位置区。在位置区的大小选择和设置上要综合考虑该位置区内小区数、载频数、用户数、话务量、短消息、寻呼次数和位置更新次数，以及保证系统扩容的一定余量等多种因素。而在这些因素中，任何一个因素都可能会产生系统瓶颈，影响到网络指标和用户对网络的感知度，因此在位置区的划分上要全面考虑和兼顾这些因素。

RAC的划分与移动数据业务量分布、业务量和SGSN的处理能力等因素有关。RAC划分遵循以下两个原则：

① 路由区小于等于位置区。项目初期规划，路由区的规划可和位置区相等，那么RAC的编号规划一个即可。

② RAC设置考虑SGSN的分区，RAC不可以跨SGSN(SGSN POOL)。

综上，由于CSFB因素，在LTE与2G和/或3G有重叠覆盖时，TAC、LAC、RAC的规划除了考虑自身原则外，还必须兼顾CSFB的技术及性能指标要求。为了UE在CSFB回落时，少进行LAU、RAU，提高CSFB KPI指标，提升用户体验，建议：

① TAC、LAC、RAC物理边界尽量严格重叠；

② TAC、LAC、RAC统一编码，使得TAC=LAC=RAC；

③ 在MME、MSC、SGSN中正确合理配置TAC、LAC、RAC关联。

图1展示了三种TAC、LAC规划场景(RAC类似LAC，在图中未列出)。失败场景1中TA与LA不能在MME及MSC中准确映射；失败场景2展示了即使TAC=LAC，但由于无线重叠覆盖会造成UE回落的MSC与源服务的不一致。这两种场景都依赖MTRF。但是，即使通过MTRF会话能成功进行，用户体验将也会由于时延而下降，并且，还会给网络造成信令交互负荷。

图1 TAC及LAC设置规划

3 不同位置区规划的信令过程比较

目前，现网2G的LAC设置与LTE的TAC(TAC List)一致，这表示区域重叠、编号一致，且在MME及MSC中正确关联。在UE正常回落到2G后，不但不需做LAU，而且由于UE缓收SI13，也不需进行RAU。具体信令过程如图2。

图2 UE回落2G后无需LAU、RAU

现网3G的LAC、RAC设置与LTE的LAC未做一致性规划，这导致UE在回落到UTRAN后，接收系统消息SIB1，发现LAC及RAC与早先联合附着/联合位置更新时存储的不一致，因此，首先必须进行LAU，寻找服务MSC，然后在CS域中建立会话，接着还要进行RAU，寻找SGSN处理PS域业务。具体信令过程见图3。

图3 UE回落3G后需进行LAU、RAU

4 结束语

CSFB的过程是2G、3G、LTE系统间互操作过程。在此过程中有R8重定向、R9重定向、PS切换及CCO等系统间变换。其中重定向涉及系统和/或频点优先级、系统间小区重选门限等参数，而PS切换及CCO又与终端能力相关。在这一系列过程中，网络对UE的移动性管理是一个连续过程。UE必须通过周期性位置更新或协议正常位置更新来实现网络对UE的移动性管理。所谓协议正常位置更新，就是当UE通过接收系统消息发现当前的NAS层位置信息(TAC、LAC、RAC)与自身存储的不一致时，必须进行位置更新(TAU、LAU、RAU)[3]。在UE位置更新过程中，网络在原UE所在位置区寻呼UE时，寻呼将失败。

因此，减少UE的位置更新，有着多方面的好处。提高寻呼成功率、减少网络信令负荷、节省手机功耗等。而对于CSFB减少UE的位置更新的方法之一就是联合合理规划各移动系统的位置区，做到尽量使得UE在联合附着/联合位置更新时获得的位置区与回落后通过系统消息获取的位置区一致，避免正常位置更新。

现网2G系统与LTE系统的位置区规划已经一致，从UE侧LOG中截取的信令也能看出，CSFB回落到2G后其LAU过程已不再需要。除非在位置区边界，回落到源MSC POOL外。对于这种情况，必须升级源MSC、目标MSC、HLR网元以支持MTRF功能。当UE向目标MSC/VLR进行LAU时，该MSC/VLR应能启动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。

对于3G系统，目前现网位置区规划并未与LTE系统的TAC规划一致，造成在UE回落后需进行LAU、RAU。由于UTRAN 3G与GERAN 2G共用或具有相同的核心网网元，3G的位置区规划与LTE的位置区规划一致，理论上是可行的。具体实现方法类似于2G系统，实现过程中的不同点细节可区分对待。

[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

姚裕宝(1964-)，男，副教授、高级工程师，主要研究方向：数据通信网络、移动网络通信

TN 929.5

A

1672-2434(2015)06-0018-04