TD-LTE网络互操作策略分析

［冯荣洲］

TD-LTE网络互操作策略分析

［冯荣洲］

摘要文章介绍了TD-LTE互操作涉及的背景分析，网络结构的简析，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的解决方案解决语音业务问题，侧重于使用CSFB方案解决。另外还介绍了网络切换涉及的各种判定因素。讨论了在未来5G环境下的多网融合问题。

关键词：TD-LTE CSFB SRVCC 网络切换判定准则 5G

冯荣洲

男，工程师，本科毕业于华南理工大学，现任职于广东怡创科技股份有限公司，主要研究方向：移动通信网络优化方向。

1　背景分析

当前，3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴项目）组织提出的LTE（Long Term Evolution，分时长期演进）移动通信系统网络，也就是“4G”网络，已在全球广泛地区由各运营商进行部署和运营之中。根据双工方式的不同，LTE系统分为FDD-LTE（Frequency Division Duplexing，频分双工）和TDD-LTE (Time Division Duplexing，时分双工)，二者主要的技术区别在于空口的物理层上（像帧结构、时分设计、同步等），TDD-LTE一般也简写为TD-LTE。TD-LTE包含大量中国的专利，由中国主导，同时得到了广泛的国际支持。2013年12月4日，工业和信息化部向中国三大运营商（中国移动、中国联通、中国电信）颁发了“LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务（TD-LTE）”经营许可。这也标志着我国已正式步入了移动通信的“4G”网络时代。中国移动获得130MHz频谱资源（1880 -1900 MHz、2320-2370 MHz、2575-2635 MHz）；中国联通获得40MHz频谱资源（2300-2320 MHz、2555-2575 MHz）；中国电信获得40MHz频谱资源（2370-2390 MHz、2635-2655 MHz）。

目前来看，未来我国2G、3G和4G网络将会长期并存发展。换言之，4G网络需要在比较长的时间内将会与2G和3G网络一起协同组网工作，这就必然带来了网络间互操作的问题。由于不同网络之间的多样性和复杂性，而且在处理问题的过程中可能会碰到各种预先没有设想到的问题和情况，因此，如何解决LTE网络与异系统之间互操作的各种问题是需要进行深入探讨研究和解决的。

2　TD-LTE网络结构简析

LTE以正交频分多址接入（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）和多天线输入输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）为主要技术基础，满足更低的传输时延、提供更高的用户传输速率、优化网络结构、采用更大的载波带宽、增加容量和覆盖、减少运营费用，目标是优化分组数据域业务传输。

TD-LTE的一些主要技术特性如下：

（1）双工方式：时分双工（Time Division Duplexing，TDD）

（2）系统支持的带宽：1.4MHz、3.0MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz

（3）下行采用OFDMA，最高速率可以达到100Mbits/s；上行采用单载波分频多工（Single-Carrier Frequency Division Multiple Access，SC-FDMA），最高速率可以达到50Mbits/s

为了适应数据业务的发展，LTE通信系统已没有了电路域的交换，只有分组域的交换。从运营商的角度来说，2G、3G的网络目前仍相当完善，例如中国移动，其2G即GSM网提供的语音网络服务质量仍然是相当不错的，基于投资成本等因素考虑，因此希望在2G网络中还可以承担至少部分的语音业务。如果要完全仅在TD-LTE通信系统中支持电话语音业务，则需要有IP多媒体系统（IP Multimedia Subsystem，IMS）网元的支持。但是考虑到了与2G（GERAN）和3G（UTRAN）网络的过渡和连接关系，3GPP提出了电路域回退（Circuit Switched FallBack，CSFB）和单一无线语音呼叫连续性（Single Radio Voice Call Continuity，SRVCC）的技术解决方案。CSFB在LTE通信系统网元中没有涉及IMS网元的情况下使用，SRVCC则是在LTE通信系统网元中有IMS网元支持语音业务的情况下使用。在当前，使用CSFB方案解决语音业务问题应用较为广泛，SRVCC解决方案则由于实现技术较为复杂、涉及现网改动较大等因素而应用较少。

CSFB使得用户设备（User Equipment，UE）在E-UTRAN系统中可以利用2G、3G的网络提供语音或者其他CS域的服务。这项功能只有在E-UTRAN网络覆盖叠加在GERAN或者UTRAN网络上时才可以使用。基本的CSFB流程架构如图1[4]：

图1说明，CSFB的功能是由MSC server和MME之间的SGs接口来实现的。另外，SMS（短消息）的收发也可以通过SGs接口来实现，短信息的收发不会触发CSFB，因此无需要求E-UTRAN网络覆盖叠加在GERAN或者UTRAN网络上。

3　 TD-LTE系统互操作分析

TD-LTE多模终端的系统间互操作行为主要包括Inter-RAT小区重选和Inter-RAT切换过程，而Inter-RAT小区重选和Inter-RAT切换过程都是以Inter-RAT测量为依据的，如图2参考3GPP TS 36.331的描述所示是系统间重选和切换过程的各种状态转移图。

如图2，E-UTRA终端有空闲态（IDLE MODE）和连接态（CONNECTED MODE）两种状态。在空闲态时，终端在TS36.331定义的DRX（不连续接收，Discontinuous Receive）的4种时间间隔（RF32/64/128/256，分别对应320ms/640ms/1.28s/2.56s）内，利用TS36.304中的S算法测量服务小区信号强度，并利用R准则进行排序，达到设置的门限值时，将选择最合适的服务小区进行驻留，异系统间的转移使用小区重选（Reselect）的方式进行。在连接态时，当终端测量服务小区信号强度小于绝对门限值（A2事件）并且异系统邻区信号强度大于一个门限值（B2事件）时，将启动到异系统的切换互操作过程，包括重定向（Redirect）、小区切换（Cell Change Order，CCO）使用/不使用（with/without）网络协助的小区切换（Network Assisted Cell Change，NACC）、数据域切换（PS HandOver，PSHO）、快速返回（Fast Return，FR）等。

图1　CSFB通过SGs接口实现的EPS架构

图2　E-UTRA状态及互操作处理流程

4G的LTE（当然也包括TD-LTE）与3G、2G网络之间如何进行切换的问题，也就是所谓的“互操作”的问题。互操作最主要要解决的基本问题就是所谓的“无缝连接（seamless connectivity）”，也就是让用户感觉不到网络已经进行了切换。在技术上来讲就涉及到了如何解决包括时延、丢包、移动终端、信令开销以及系统架构等的基本问题。有关技术涉及到终端、芯片、TD-LTE网络、GSM网络以及IMS网络等，一些调试的难度相当大，因此还有可以深入研究及优化的空间。总结来说，互操作中网络切换的判定准则因素如表1：

表1　网络切换判定准则

由表1可以看出，网络切换是由多种因素综合一起决定的。在不同的时间段，不同的地点，对于不同的用户或终端，根据当前可以提供的网络条件，以决定当前的用户设备（UE）是否需要进行切换，切换到哪个网络，以及如何执行切换。网络切换最重要的目的就是以尽可能低的成本支出（COST），提供尽可能高的网络服务条件，以满足预定的用户体验质量（QOE）和服务质量（QOS）。

4　 总结及展望

综上所述，TD-LTE网络与2G、3G的互操作主要由基于3GPP提出的CSFB、SRVCC等流程进行实现的，目前对其中的一些信令参数等进行了一些优化，但对于解决网络互操作中最重要的指标参数即网络切换时延（Handover Latency）仍然较大等问题，离最终要求的网络间切换“零”时延的目标仍相差甚远。在面向5G的多网融合网络架构中，已有相关文献提出了一些方法。例如文献[6]提出在更靠近用户的接入侧，在控制面引入多网管理（Multi-RAT Management，MRM）模块，在数据面引入数据中心（Date Center，DC）模块，将控制面和数据面彻底分离，即是将信令和数据完全解耦，从而为多网络的融合提供了网络架构的技术框架基础，以实现多网间的“零”时延切换目标要求。但目前5G仍在研究实验阶段，相关实际现网实施效果仍有待验证。

参考文献

1王映民，孙韶辉等. TD-LTE技术原理与系统设计. 北京：人民邮电出版社，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叶全南.TD-LTE与2G/3G互操作方案初探[J].广东通信技术，2011，04：40-43

5宗序梅，吴晓波. 中国移动TD-LTE语音模式优化解决方案研究[J].电信技术，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刘云璐，杨光，杨宁等. 面向 5G 的多网融合研究[J]. 电信科学，2015，05：114

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.01.013

收稿日期：（2015-12-24）