浅谈CSFB方案在LTE中的应用
2014-04-10 01:56许鹏飞蔡玉坤曹云娣尤雪廷王成林
科技创新与应用 2014年12期
许鹏飞+++蔡玉坤+++曹云娣++尤雪廷+++王成林
摘 要：LTE覆盖下的UE在处理语音业务时，终端先回退到CS网络，重用现有的CS域设备来为LTE网络中的用户提供传统的语音业务。文章介绍了LTE EPC和GPRS网络结构，分析了LTE EPC启用CSFB实现原理，讨论了CSFB方案优势和劣势，最后给出结论。
关键词：CSFB；LTE；SGs口
1 引言
LTE（Long Term Evolution，长期演进技术）被通俗的称为3.9G，具有100Mbps的数据下载能力，被视作从3G向4G演进的主流技术。EPC（Evolved Packet Core，分组核心演进）方案是一套全IP产品系列，旨在帮助运营商通过采用LTE技术来提供先进的移动宽带服务。LTE网络虽然是全分组交换网络，但语音业务在很长一段时间内仍将是不可或缺的重要业务。CSFB（CS Fallback）是电路域回落或者CS语音回落， CSFB技术适用于2G/3G电路域与LTE的无线网络重叠覆盖的场景，网络结构简单，不需要部署IMS系统，能有效利用现有CS网络投资。
在建设LTE网络初期，如果运营商已经有成熟的UTRAN/GERAN网络，出于对CS投资的保护，结合LTE网络的部署方法，运营商考虑利用已有的CS域语音服务方案来提供语音业务，而LTE网络只处理数据方面的业务。在这种处理情况下，采用CSFB技术，即LTE覆盖下的用户终端在处理语音业务时，终端首先回退到CS（电路域）网络，实现在CS网络下处理语音业务。显然，这样可以重用现有的CS域设备，从而达到为LTE用户提供传统语音业务的目的[1-2]。
对于运营商替换设备的时候能够充分利用现有的网络资源，减少网络组网的投入。CSFB的应用场景主要包括以下两种：（1）2、3、4G网络融合，进行CS语音业务；（2）在4G网络进行短消息收发业务[3]。
2 LTE EPC网络和GPRS网络
在LTE接入场景下，EPC（E-Packet Core，演进的分组核心网）提供了更低的延迟，并允许更多的无线接入系统接入，EPC的核心网元包括MME、SGW、PGW和HSS：
图1给出了整个GPRS网络和EPC网络的各网元直接的接口。其中在SGs接口主要用于MME和MSC/VLR之间进行通讯的接口，用于CSFB功能。
图1 系统引入CSFB和SGs口短消息网元结构图
EPC网络也能支持原来GERAN和UTRAN网络的接入：
UTRAN（UMTS Terrestrial Radio Access Network，统一的陆地无线接入网络）：第三代移动通讯网络（3G）的无线接入网络，为终端的接入提供无线资源。
GERAN（GSM EDGE Radio Access Network，GSM/EDGE无线接入网）：GPRS/EDGE的无线接入网络，为终端的接入提供无线资源。
3 LTE EPC中启用CSFB实现原理
引入CS Fallback功能后，系统需要和MSC/VLR通讯增加SGs口的消息处理流程。这个SGs接口和GPRS/UMTS系统中的Gs接口类似。LTE EPC中启用CSFB，MSC/VLR需要支持SGs接口功能，eNodeB需要支持CSFB的功能。
MME根据TA和LAI的关系，在用户进行联合附着或者联合TAU过程中根据LAI选择不同的MSC/VLR完成用户的位置更新。
3.1 各网元作用
CSFB过程中，需要eNodeB、MME、MSC/VLR、HSS功能完成。
eNodeB完成用户的注册以及与核心网的信令交互，完成寻呼以及和终端的测量以及能力协商；
MME（Mobility Management Entity，移动管理实体）主要完成用户的注册、承载建立和用户的位置更新；
MSC/VLR主要用户完成用户的CS域位置更新、注册以及语音和短消息业务的发起；
HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器）主要完成用户的签约数据插入和管理；
图2 SGs口
3.2 业务流程
（1）MME收到用户的联合附着或者联合TAU消息；（2）MME根据当前的TA和LAI的对应关系，使用LA选择MSC/VLR发送位置更新消息到MSC/VLR完成用户位置更新建立SGs关联；（3）MME继续完成用户的附着或者TAU流程；
根据LTE刚起步、2G/3G网络部署广泛的情况，启用CSFB功能能够充分利用2G/3G网络电路域提供语音、短信、定位、等成熟的电路业务。随着LTE网络的快速建设和基于IMS的业务平台部署，更新终端到网络侧的业务能力配置，从而完全过渡到使用EPC网络的能力变得越来越容易。
4 CSFB方案优势和劣势
4.1 优势
（1）EPC网络只对CS业务提供终端连接状态管理、业务寻呼和终端网络切换控制，对EPC网络实体的功能影响较小。
（2）实际业务的建立和传输发生在原有的CS域网络连接状态下，对EPC网络的资源占用较小。
（3）对于除短信以外的CS域业务处理流程相对统一，降低了网络实体和终端实现的难度。
（4）提供了基于TD-SCDMA/WCDMA/CDMA2000三大网络演进过程中的CS域共存方案，适用于不同网络基础的运营商向EPC平滑地过渡。
（5）与EPC IMS业务的共存可通过MME能力配置简单的实现，也能够通过该方式实现对EPC全业务的快速过渡。
4.2 劣势
（1）相关标准并不完善，如呼叫建立过程中的时延要求并未明确标明。
（2）需要对MSC升级。
（3）在语音呼叫阶段不能使用LTE网络。
CSFB方案仍在完善中，对于CDMA 1X的方案，主要考虑增加CDMA 1X和EV-DO网络的同时切换，而且对语音业务切换时延进行进一步优化。这是3GPP R9阶段的一个重要课题。
5 结束语
CSFB是3GPP R8中CS over PS研究课题的成果之一，它使得用户在LTE网络环境接入下进行语音通话时，用户终端从LTE网络回退到3G/2G网络的CS域，在3G/2G 网络上进行电路域的语音业务。如果进行语音通话时，用户正在进行数据业务，数据业务也要回退到3G/2G网络上。这里使用CSFB有个前提：只有在E-UTRAN与UTRAN/GERAN的重叠覆盖区域，并且用户具有CSFB功能的时候，才能回退电路域。在 LTE 网络部署初期，3GPP 规定的CSFB 是被通信业广泛接受的一种语音解决方案。
参考文献
[1]杨红梅，赵勇.LTE/SAE网络语音业务技术实现及标准研究[J].电信网技术，2010
[2]杨红梅，李文宇，胡泊.TD-LTE电路域回落多模单待手持终端的技术实现[J].电信网技术，2011.
[3]巨敏.EPC网络语音解决方案[J].电子世界，2012.
作者简介：许鹏飞，工程师，工学硕士，IEEE会员，主要从事移动通信教学和研究工作。endprint
摘 要：LTE覆盖下的UE在处理语音业务时，终端先回退到CS网络，重用现有的CS域设备来为LTE网络中的用户提供传统的语音业务。文章介绍了LTE EPC和GPRS网络结构，分析了LTE EPC启用CSFB实现原理，讨论了CSFB方案优势和劣势，最后给出结论。
关键词：CSFB；LTE；SGs口
1 引言
LTE（Long Term Evolution，长期演进技术）被通俗的称为3.9G，具有100Mbps的数据下载能力，被视作从3G向4G演进的主流技术。EPC（Evolved Packet Core，分组核心演进）方案是一套全IP产品系列，旨在帮助运营商通过采用LTE技术来提供先进的移动宽带服务。LTE网络虽然是全分组交换网络，但语音业务在很长一段时间内仍将是不可或缺的重要业务。CSFB（CS Fallback）是电路域回落或者CS语音回落， CSFB技术适用于2G/3G电路域与LTE的无线网络重叠覆盖的场景，网络结构简单，不需要部署IMS系统，能有效利用现有CS网络投资。
在建设LTE网络初期，如果运营商已经有成熟的UTRAN/GERAN网络，出于对CS投资的保护，结合LTE网络的部署方法，运营商考虑利用已有的CS域语音服务方案来提供语音业务，而LTE网络只处理数据方面的业务。在这种处理情况下，采用CSFB技术，即LTE覆盖下的用户终端在处理语音业务时，终端首先回退到CS（电路域）网络，实现在CS网络下处理语音业务。显然，这样可以重用现有的CS域设备，从而达到为LTE用户提供传统语音业务的目的[1-2]。
对于运营商替换设备的时候能够充分利用现有的网络资源，减少网络组网的投入。CSFB的应用场景主要包括以下两种：（1）2、3、4G网络融合，进行CS语音业务；（2）在4G网络进行短消息收发业务[3]。
2 LTE EPC网络和GPRS网络
在LTE接入场景下，EPC（E-Packet Core，演进的分组核心网）提供了更低的延迟，并允许更多的无线接入系统接入，EPC的核心网元包括MME、SGW、PGW和HSS：
图1给出了整个GPRS网络和EPC网络的各网元直接的接口。其中在SGs接口主要用于MME和MSC/VLR之间进行通讯的接口，用于CSFB功能。
图1 系统引入CSFB和SGs口短消息网元结构图
EPC网络也能支持原来GERAN和UTRAN网络的接入：
UTRAN（UMTS Terrestrial Radio Access Network，统一的陆地无线接入网络）：第三代移动通讯网络（3G）的无线接入网络，为终端的接入提供无线资源。
GERAN（GSM EDGE Radio Access Network，GSM/EDGE无线接入网）：GPRS/EDGE的无线接入网络，为终端的接入提供无线资源。
3 LTE EPC中启用CSFB实现原理
引入CS Fallback功能后，系统需要和MSC/VLR通讯增加SGs口的消息处理流程。这个SGs接口和GPRS/UMTS系统中的Gs接口类似。LTE EPC中启用CSFB，MSC/VLR需要支持SGs接口功能，eNodeB需要支持CSFB的功能。
MME根据TA和LAI的关系，在用户进行联合附着或者联合TAU过程中根据LAI选择不同的MSC/VLR完成用户的位置更新。
3.1 各网元作用
CSFB过程中，需要eNodeB、MME、MSC/VLR、HSS功能完成。
eNodeB完成用户的注册以及与核心网的信令交互，完成寻呼以及和终端的测量以及能力协商；
MME（Mobility Management Entity，移动管理实体）主要完成用户的注册、承载建立和用户的位置更新；
MSC/VLR主要用户完成用户的CS域位置更新、注册以及语音和短消息业务的发起；
HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器）主要完成用户的签约数据插入和管理；
图2 SGs口
3.2 业务流程
（1）MME收到用户的联合附着或者联合TAU消息；（2）MME根据当前的TA和LAI的对应关系，使用LA选择MSC/VLR发送位置更新消息到MSC/VLR完成用户位置更新建立SGs关联；（3）MME继续完成用户的附着或者TAU流程；
根据LTE刚起步、2G/3G网络部署广泛的情况，启用CSFB功能能够充分利用2G/3G网络电路域提供语音、短信、定位、等成熟的电路业务。随着LTE网络的快速建设和基于IMS的业务平台部署，更新终端到网络侧的业务能力配置，从而完全过渡到使用EPC网络的能力变得越来越容易。
4 CSFB方案优势和劣势
4.1 优势
（1）EPC网络只对CS业务提供终端连接状态管理、业务寻呼和终端网络切换控制，对EPC网络实体的功能影响较小。
（2）实际业务的建立和传输发生在原有的CS域网络连接状态下，对EPC网络的资源占用较小。
（3）对于除短信以外的CS域业务处理流程相对统一，降低了网络实体和终端实现的难度。
（4）提供了基于TD-SCDMA/WCDMA/CDMA2000三大网络演进过程中的CS域共存方案，适用于不同网络基础的运营商向EPC平滑地过渡。
（5）与EPC IMS业务的共存可通过MME能力配置简单的实现，也能够通过该方式实现对EPC全业务的快速过渡。
4.2 劣势
（1）相关标准并不完善，如呼叫建立过程中的时延要求并未明确标明。
（2）需要对MSC升级。
（3）在语音呼叫阶段不能使用LTE网络。
CSFB方案仍在完善中，对于CDMA 1X的方案，主要考虑增加CDMA 1X和EV-DO网络的同时切换，而且对语音业务切换时延进行进一步优化。这是3GPP R9阶段的一个重要课题。
5 结束语
CSFB是3GPP R8中CS over PS研究课题的成果之一，它使得用户在LTE网络环境接入下进行语音通话时，用户终端从LTE网络回退到3G/2G网络的CS域，在3G/2G 网络上进行电路域的语音业务。如果进行语音通话时，用户正在进行数据业务，数据业务也要回退到3G/2G网络上。这里使用CSFB有个前提：只有在E-UTRAN与UTRAN/GERAN的重叠覆盖区域，并且用户具有CSFB功能的时候，才能回退电路域。在 LTE 网络部署初期，3GPP 规定的CSFB 是被通信业广泛接受的一种语音解决方案。
参考文献
[1]杨红梅，赵勇.LTE/SAE网络语音业务技术实现及标准研究[J].电信网技术，2010
[2]杨红梅，李文宇，胡泊.TD-LTE电路域回落多模单待手持终端的技术实现[J].电信网技术，2011.
[3]巨敏.EPC网络语音解决方案[J].电子世界，2012.
作者简介：许鹏飞，工程师，工学硕士，IEEE会员，主要从事移动通信教学和研究工作。endprint
摘 要：LTE覆盖下的UE在处理语音业务时，终端先回退到CS网络，重用现有的CS域设备来为LTE网络中的用户提供传统的语音业务。文章介绍了LTE EPC和GPRS网络结构，分析了LTE EPC启用CSFB实现原理，讨论了CSFB方案优势和劣势，最后给出结论。
关键词：CSFB；LTE；SGs口
1 引言
LTE（Long Term Evolution，长期演进技术）被通俗的称为3.9G，具有100Mbps的数据下载能力，被视作从3G向4G演进的主流技术。EPC（Evolved Packet Core，分组核心演进）方案是一套全IP产品系列，旨在帮助运营商通过采用LTE技术来提供先进的移动宽带服务。LTE网络虽然是全分组交换网络，但语音业务在很长一段时间内仍将是不可或缺的重要业务。CSFB（CS Fallback）是电路域回落或者CS语音回落， CSFB技术适用于2G/3G电路域与LTE的无线网络重叠覆盖的场景，网络结构简单，不需要部署IMS系统，能有效利用现有CS网络投资。
在建设LTE网络初期，如果运营商已经有成熟的UTRAN/GERAN网络，出于对CS投资的保护，结合LTE网络的部署方法，运营商考虑利用已有的CS域语音服务方案来提供语音业务，而LTE网络只处理数据方面的业务。在这种处理情况下，采用CSFB技术，即LTE覆盖下的用户终端在处理语音业务时，终端首先回退到CS（电路域）网络，实现在CS网络下处理语音业务。显然，这样可以重用现有的CS域设备，从而达到为LTE用户提供传统语音业务的目的[1-2]。
对于运营商替换设备的时候能够充分利用现有的网络资源，减少网络组网的投入。CSFB的应用场景主要包括以下两种：（1）2、3、4G网络融合，进行CS语音业务；（2）在4G网络进行短消息收发业务[3]。
2 LTE EPC网络和GPRS网络
在LTE接入场景下，EPC（E-Packet Core，演进的分组核心网）提供了更低的延迟，并允许更多的无线接入系统接入，EPC的核心网元包括MME、SGW、PGW和HSS：
图1给出了整个GPRS网络和EPC网络的各网元直接的接口。其中在SGs接口主要用于MME和MSC/VLR之间进行通讯的接口，用于CSFB功能。
图1 系统引入CSFB和SGs口短消息网元结构图
EPC网络也能支持原来GERAN和UTRAN网络的接入：
UTRAN（UMTS Terrestrial Radio Access Network，统一的陆地无线接入网络）：第三代移动通讯网络（3G）的无线接入网络，为终端的接入提供无线资源。
GERAN（GSM EDGE Radio Access Network，GSM/EDGE无线接入网）：GPRS/EDGE的无线接入网络，为终端的接入提供无线资源。
3 LTE EPC中启用CSFB实现原理
引入CS Fallback功能后，系统需要和MSC/VLR通讯增加SGs口的消息处理流程。这个SGs接口和GPRS/UMTS系统中的Gs接口类似。LTE EPC中启用CSFB，MSC/VLR需要支持SGs接口功能，eNodeB需要支持CSFB的功能。
MME根据TA和LAI的关系，在用户进行联合附着或者联合TAU过程中根据LAI选择不同的MSC/VLR完成用户的位置更新。
3.1 各网元作用
CSFB过程中，需要eNodeB、MME、MSC/VLR、HSS功能完成。
eNodeB完成用户的注册以及与核心网的信令交互，完成寻呼以及和终端的测量以及能力协商；
MME（Mobility Management Entity，移动管理实体）主要完成用户的注册、承载建立和用户的位置更新；
MSC/VLR主要用户完成用户的CS域位置更新、注册以及语音和短消息业务的发起；
HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器）主要完成用户的签约数据插入和管理；
图2 SGs口
3.2 业务流程
（1）MME收到用户的联合附着或者联合TAU消息；（2）MME根据当前的TA和LAI的对应关系，使用LA选择MSC/VLR发送位置更新消息到MSC/VLR完成用户位置更新建立SGs关联；（3）MME继续完成用户的附着或者TAU流程；
根据LTE刚起步、2G/3G网络部署广泛的情况，启用CSFB功能能够充分利用2G/3G网络电路域提供语音、短信、定位、等成熟的电路业务。随着LTE网络的快速建设和基于IMS的业务平台部署，更新终端到网络侧的业务能力配置，从而完全过渡到使用EPC网络的能力变得越来越容易。
4 CSFB方案优势和劣势
4.1 优势
（1）EPC网络只对CS业务提供终端连接状态管理、业务寻呼和终端网络切换控制，对EPC网络实体的功能影响较小。
（2）实际业务的建立和传输发生在原有的CS域网络连接状态下，对EPC网络的资源占用较小。
（3）对于除短信以外的CS域业务处理流程相对统一，降低了网络实体和终端实现的难度。
（4）提供了基于TD-SCDMA/WCDMA/CDMA2000三大网络演进过程中的CS域共存方案，适用于不同网络基础的运营商向EPC平滑地过渡。
（5）与EPC IMS业务的共存可通过MME能力配置简单的实现，也能够通过该方式实现对EPC全业务的快速过渡。
4.2 劣势
（1）相关标准并不完善，如呼叫建立过程中的时延要求并未明确标明。
（2）需要对MSC升级。
（3）在语音呼叫阶段不能使用LTE网络。
CSFB方案仍在完善中，对于CDMA 1X的方案，主要考虑增加CDMA 1X和EV-DO网络的同时切换，而且对语音业务切换时延进行进一步优化。这是3GPP R9阶段的一个重要课题。
5 结束语
CSFB是3GPP R8中CS over PS研究课题的成果之一，它使得用户在LTE网络环境接入下进行语音通话时，用户终端从LTE网络回退到3G/2G网络的CS域，在3G/2G 网络上进行电路域的语音业务。如果进行语音通话时，用户正在进行数据业务，数据业务也要回退到3G/2G网络上。这里使用CSFB有个前提：只有在E-UTRAN与UTRAN/GERAN的重叠覆盖区域，并且用户具有CSFB功能的时候，才能回退电路域。在 LTE 网络部署初期，3GPP 规定的CSFB 是被通信业广泛接受的一种语音解决方案。
参考文献
[1]杨红梅，赵勇.LTE/SAE网络语音业务技术实现及标准研究[J].电信网技术，2010
[2]杨红梅，李文宇，胡泊.TD-LTE电路域回落多模单待手持终端的技术实现[J].电信网技术，2011.
[3]巨敏.EPC网络语音解决方案[J].电子世界，2012.
作者简介：许鹏飞，工程师，工学硕士，IEEE会员，主要从事移动通信教学和研究工作。endprint
