姚裕寶

(常州信息職業(yè)技術學院網(wǎng)絡與通信工程學院 江蘇常州 213164)

CSFB實現(xiàn)過程中位置區(qū)域規(guī)劃探究

姚裕寶

(常州信息職業(yè)技術學院網(wǎng)絡與通信工程學院 江蘇常州 213164)

在移動通信系統(tǒng)中，2G/3G的位置區(qū)分為LAC、RAC，分別對應于CS域和PS域，實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)業(yè)務；而LTE只支持數(shù)據(jù)業(yè)務，位置區(qū)也簡化為一個：TAC。位置區(qū)是由多個相鄰的小區(qū)組成。位置區(qū)規(guī)劃是為了便于移動性管理，減少頻繁的位置更新過程，節(jié)約系統(tǒng)資源。CSFB由于涉及2G、3G及LTE間的互操作，其相互之間位置區(qū)關系的規(guī)劃尤為重要。在UE從LTE回落到2G/3G后，或者在2G和3G間切換后，或者CSFB語音會話結束返回LTE后，都需要進行位置區(qū)檢查和更新。通過分析位置區(qū)域規(guī)劃對CSFB實現(xiàn)過程的影響，提出提升CSFB性能的改進方法。

LAC； RAC； TAC； 聯(lián)合附著； 聯(lián)合更新

CSFB要求UE在CSFB過程中訪問GERAN/UTRAN的CS域與訪問E-UTRAN/EPC是一樣的。亦即，UE由原來的單RAT活動變?yōu)槎郣AT活動；由原來RAT內(nèi)的切換、重選、重定向、CCO過程變?yōu)镽AT間的PS切換、重定向、重選、CCO過程。在這些過程中，重選是空閑態(tài)過程，其他為連接態(tài)過程。不管是空閑態(tài)還是連接態(tài)，UE在移動時都會涉及位置區(qū)、路由區(qū)、跟蹤區(qū)的變化，為了實現(xiàn)核心網(wǎng)對UE的管理，在這些區(qū)域發(fā)生變化時，UE必須分別進行LAU、RAU、TAU。由于聯(lián)合附著的原因，UE開機后在任意時刻都具有自身的LAC(CS域位置區(qū)號)、RAC(PS域路由區(qū)號)、TAC(LTE跟蹤區(qū)號)。在運營商地域上一個固定的地理區(qū)域，LAC、RAC、TAC是固定的。CSFB要求2G或/和3G與LTE重疊覆蓋，這就引出了兩個問題：LAC、RAC、TAC位置是否重疊；LAC、RAC、TAC區(qū)域號如何設置。

1 CSFB實現(xiàn)系統(tǒng)分析

CSFB技術的產(chǎn)生是由于LTE技術目前還不能支持語音業(yè)務，當VoLTE實現(xiàn)全網(wǎng)(網(wǎng)絡及終端)覆蓋時，CSFB也就沒有存在的必要了。但這將是一個漫長的過程，因為終端的多樣性及中國用戶群的復雜性，決定了CSFB的存在周期。

不同于與LTE配合的SRVCC技術，CSFB完全基于多覆蓋。只有在EUTRAN覆蓋與GERAN 覆蓋或UTRAN覆蓋重疊時，連接到EUTRAN網(wǎng)絡的CSFB功能終端才可使用GERAN或UTRAN網(wǎng)絡連接到CS域。CSFB及基于IMS的VoLTE服務可共存于同一運營商網(wǎng)絡中[1]。

根據(jù)支持CSFB技術的UE所駐留小區(qū)的場景，可將CSFB應用分為三種情況。主被叫UE駐留在EUTRAN小區(qū)；主叫駐留在EUTRAN小區(qū)，被叫駐留GERAN或UTRAN小區(qū)；被叫駐留在EUTRAN小區(qū)，主叫駐留GERAN或UTRAN小區(qū)。不管哪種情況，語音通話都必須在CS域中進行。假如UE駐留在EUTRAN小區(qū)(不管是空閑態(tài)或是連接態(tài))，只要想實現(xiàn)語音通話就必須回落到CS域。UE回落后尋呼過程的信令交互依賴于MME與MSC之間的SGs接口[2]。

為了實現(xiàn)網(wǎng)絡資源共享(峰值話務均衡等)、提升網(wǎng)絡性能(減少設備間切換和UE位置更新等)、提高網(wǎng)絡級可靠性(熱備及容災等)，LTE系統(tǒng)SAE結構采用了POOL方式。MME也不例外。

根據(jù)3GPP相關協(xié)議，GERAN及UTRAN可以共用核心網(wǎng)資源。目前中移動現(xiàn)網(wǎng)基本結構是GERAN及UTRAN共用核心網(wǎng)，僅有少量獨立核心網(wǎng)配置。核心網(wǎng)中MSC及SGSN同樣也采用POOL組網(wǎng)方式。用戶剛進入MSC POOL的服務區(qū)域，RNC/BSC根據(jù)負載均衡的原則為用戶分配一個MSC，MSC給用戶分配一個TMSI并完成位置更新過程。TMSI里面帶有NRI(網(wǎng)絡資源標識)用于在池組內(nèi)(有池組號標識)標識MSC。用戶注冊在此MSC后一直由這個MSC為其服務，直到該UE/MS離開該MSC POOL的服務區(qū)域。

當UE/MS從一個池區(qū)進入另一池區(qū)的時候，UE/MS在新池區(qū)發(fā)起位置更新請求(帶LAIo，TMSIo)，RNC/BSC算出NRI不在自己池區(qū)中，則選擇自己池區(qū)中某個MSC來服務，新MSC發(fā)現(xiàn)LAIo對應多個MSC，則再根據(jù)TMSIo得到NRIo，根據(jù)NRIo得到唯一的MSC，即向該MSC取用戶標識等信息。然后進行后續(xù)流程。

由于核心網(wǎng)中網(wǎng)元POOL組網(wǎng)結構，MME與MSC之間的SGs接口的連接變得復雜化。在MME POOL中的MME與MSC POOL中的MSC之間邏輯上存在著全網(wǎng)狀連接。eNB與MME POOL中MME網(wǎng)元邏輯上也是全網(wǎng)狀連接；同樣RNC/BSC與MSC POOL中的MSC網(wǎng)元也是全連接。當然，MME POOL之間及MSC POOL之間的連接也必須是全網(wǎng)狀的。

鑒于此，UE在CSFB時可能回落在源LAC(UE中保存的，對應于某個MSC POOL)，也可能回落在源MSC POOL外。當回落在源MSC POOL外時，必須通過MTRF(被叫路由轉發(fā))來完成呼叫過程。MTRF的基本思想是當手機CSFB被叫回落至其他MSC時，通過新舊MSC及HLR間的信令交互，搭建舊MSC至新MSC的承載，以保證呼叫仍然能夠繼續(xù)。

2 位置區(qū)規(guī)劃設計

在CSFB過程中涉及三個系統(tǒng)(EUTRAN、GERAN、UTRAN)、三個主要位置區(qū)域(TAC、LAC、RAC)及三個池組(MME、MSC、SGSN)。UE為了進行CSFB業(yè)務，在開機時必須進行聯(lián)合附著。聯(lián)合附著的功能之一就是UE在尋找為自己服務的MME、MSC及SGSN。UE當時所處的位置決定了這些核心網(wǎng)網(wǎng)元，因為這些位置區(qū)域與網(wǎng)元存在著對應關系。在LTE系統(tǒng)中還引入了TAL(TAC List)概念，UE在TAL中移動時不需要進行位置更新。這也解決了一個MME POOL中有多個TAC的問題。UE在MME POOL中移動不進行位置更新，減輕了核心網(wǎng)TAU信令負荷。同時，CSFB要求在MME網(wǎng)元中存有一張TAC與LAC的對應表。在EPS/IMSI聯(lián)合附著和TA/LA聯(lián)合位置更新時，MME根據(jù)eNB上報的TAC用來查找出對應的LAC，按照LAC找到MSC/VLR，該MSC/VLR記錄下該UE身份信息，包括LAC。MME也會存儲該UE的LAC，并將該LAC下發(fā)給UE。而UE在回落到GERAN/UTRAN時，接收系統(tǒng)消息，獲取所在物理位置區(qū)域的真實LAC。假如這個LAC與MME下發(fā)UE存儲起來的LAC一致，則UE不需要進行LAU，否則必須進行LAU。同樣有TAU(具有CSFB能力的UE為聯(lián)合更新)及RAU。在UTRAN系統(tǒng)中還有小區(qū)更新和URA更新，但這僅僅是RNC的功能，與核心網(wǎng)無關。

在LTE系統(tǒng)中MME POOL與TAC(理論上應該是TAL，目前一個TAL中僅有一個TAC)存在著對應關系。一個TAC中能包含多少個eNB，具體數(shù)量決定于eNB的Paging性能評估。eNodeB的能力決定了TA跟蹤區(qū)的大小。

而MME POOL所能支持的TA數(shù)決定于MME的Paging性能評估。尋呼負荷確定了跟蹤區(qū)的最大范圍；相應的，邊緣小區(qū)的位置更新負荷決定了跟蹤區(qū)的最小范圍。一個MME下掛基站數(shù)或TA跟蹤區(qū)數(shù)量的最主要限定條件還是MME的最大尋呼容量。

在3G(2G)系統(tǒng)中，當幾個MSC(MSC POOL)共用一個VLR時，位置區(qū)是可以跨MSC區(qū)的。但目前實現(xiàn)，都采用一個MSC POOL捆綁一個VLR的方式，因此LAC可以跨RNC區(qū)，但不可以跨MSC區(qū)，一個MSC區(qū)中可以有一個或幾個LAC。位置區(qū)(LAC)為CS尋呼的最小單位。如果網(wǎng)絡要尋呼處于空閑狀態(tài)、CELL_PCH或者URA_PCH狀態(tài)的UE，UTRAN通過發(fā)送尋呼類型1消息進行尋呼某個UE。

目前UTRN網(wǎng)絡中位置區(qū)的大小基本已經(jīng)趨同于RNC的劃分大小，甚至一個RNC劃分為多個位置區(qū)。在位置區(qū)的大小選擇和設置上要綜合考慮該位置區(qū)內(nèi)小區(qū)數(shù)、載頻數(shù)、用戶數(shù)、話務量、短消息、尋呼次數(shù)和位置更新次數(shù)，以及保證系統(tǒng)擴容的一定余量等多種因素。而在這些因素中，任何一個因素都可能會產(chǎn)生系統(tǒng)瓶頸，影響到網(wǎng)絡指標和用戶對網(wǎng)絡的感知度，因此在位置區(qū)的劃分上要全面考慮和兼顧這些因素。

RAC的劃分與移動數(shù)據(jù)業(yè)務量分布、業(yè)務量和SGSN的處理能力等因素有關。RAC劃分遵循以下兩個原則：

① 路由區(qū)小于等于位置區(qū)。項目初期規(guī)劃，路由區(qū)的規(guī)劃可和位置區(qū)相等，那么RAC的編號規(guī)劃一個即可。

② RAC設置考慮SGSN的分區(qū)，RAC不可以跨SGSN(SGSN POOL)。

綜上，由于CSFB因素，在LTE與2G和/或3G有重疊覆蓋時，TAC、LAC、RAC的規(guī)劃除了考慮自身原則外，還必須兼顧CSFB的技術及性能指標要求。為了UE在CSFB回落時，少進行LAU、RAU，提高CSFB KPI指標，提升用戶體驗，建議：

① TAC、LAC、RAC物理邊界盡量嚴格重疊；

② TAC、LAC、RAC統(tǒng)一編碼，使得TAC=LAC=RAC；

③ 在MME、MSC、SGSN中正確合理配置TAC、LAC、RAC關聯(lián)。

圖1展示了三種TAC、LAC規(guī)劃場景(RAC類似LAC，在圖中未列出)。失敗場景1中TA與LA不能在MME及MSC中準確映射；失敗場景2展示了即使TAC=LAC，但由于無線重疊覆蓋會造成UE回落的MSC與源服務的不一致。這兩種場景都依賴MTRF。但是，即使通過MTRF會話能成功進行，用戶體驗將也會由于時延而下降，并且，還會給網(wǎng)絡造成信令交互負荷。

圖1 TAC及LAC設置規(guī)劃

3 不同位置區(qū)規(guī)劃的信令過程比較

目前，現(xiàn)網(wǎng)2G的LAC設置與LTE的TAC(TAC List)一致，這表示區(qū)域重疊、編號一致，且在MME及MSC中正確關聯(lián)。在UE正?；芈涞?G后，不但不需做LAU，而且由于UE緩收SI13，也不需進行RAU。具體信令過程如圖2。

圖2 UE回落2G后無需LAU、RAU

現(xiàn)網(wǎng)3G的LAC、RAC設置與LTE的LAC未做一致性規(guī)劃，這導致UE在回落到UTRAN后，接收系統(tǒng)消息SIB1，發(fā)現(xiàn)LAC及RAC與早先聯(lián)合附著/聯(lián)合位置更新時存儲的不一致，因此，首先必須進行LAU，尋找服務MSC，然后在CS域中建立會話，接著還要進行RAU，尋找SGSN處理PS域業(yè)務。具體信令過程見圖3。

圖3 UE回落3G后需進行LAU、RAU

4 結束語

CSFB的過程是2G、3G、LTE系統(tǒng)間互操作過程。在此過程中有R8重定向、R9重定向、PS切換及CCO等系統(tǒng)間變換。其中重定向涉及系統(tǒng)和/或頻點優(yōu)先級、系統(tǒng)間小區(qū)重選門限等參數(shù)，而PS切換及CCO又與終端能力相關。在這一系列過程中，網(wǎng)絡對UE的移動性管理是一個連續(xù)過程。UE必須通過周期性位置更新或協(xié)議正常位置更新來實現(xiàn)網(wǎng)絡對UE的移動性管理。所謂協(xié)議正常位置更新，就是當UE通過接收系統(tǒng)消息發(fā)現(xiàn)當前的NAS層位置信息(TAC、LAC、RAC)與自身存儲的不一致時，必須進行位置更新(TAU、LAU、RAU)[3]。在UE位置更新過程中，網(wǎng)絡在原UE所在位置區(qū)尋呼UE時，尋呼將失敗。

因此，減少UE的位置更新，有著多方面的好處。提高尋呼成功率、減少網(wǎng)絡信令負荷、節(jié)省手機功耗等。而對于CSFB減少UE的位置更新的方法之一就是聯(lián)合合理規(guī)劃各移動系統(tǒng)的位置區(qū)，做到盡量使得UE在聯(lián)合附著/聯(lián)合位置更新時獲得的位置區(qū)與回落后通過系統(tǒng)消息獲取的位置區(qū)一致，避免正常位置更新。

現(xiàn)網(wǎng)2G系統(tǒng)與LTE系統(tǒng)的位置區(qū)規(guī)劃已經(jīng)一致，從UE側LOG中截取的信令也能看出，CSFB回落到2G后其LAU過程已不再需要。除非在位置區(qū)邊界，回落到源MSC POOL外。對于這種情況，必須升級源MSC、目標MSC、HLR網(wǎng)元以支持MTRF功能。當UE向目標MSC/VLR進行LAU時，該MSC/VLR應能啟動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。

對于3G系統(tǒng)，目前現(xiàn)網(wǎng)位置區(qū)規(guī)劃并未與LTE系統(tǒng)的TAC規(guī)劃一致，造成在UE回落后需進行LAU、RAU。由于UTRAN 3G與GERAN 2G共用或具有相同的核心網(wǎng)網(wǎng)元，3G的位置區(qū)規(guī)劃與LTE的位置區(qū)規(guī)劃一致，理論上是可行的。具體實現(xiàn)方法類似于2G系統(tǒng)，實現(xiàn)過程中的不同點細節(jié)可區(qū)分對待。

[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

姚裕寶(1964-)，男，副教授、高級工程師，主要研究方向：數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡、移動網(wǎng)絡通信

TN 929.5

A

1672-2434(2015)06-0018-04