邮电设计技术/2013/03

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收稿日期：2013-01-07

王东洋 1，程 鹏 2，文 博 1，毕 猛 1（1. 中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 100048；2. 中讯邮电咨询设计院有限公司，河南

郑州 450007）Wang Dongyang1，Cheng Peng2，Wen Bo1，Bi Meng1（1. China Information Technology Designing & Consulting Institute Co.，Ltd.，Bei⁃jing 100048，China；2. China Information Technology Designing & Consulting Institute Co.，Ltd.，Zhengzhou 450007，China）

LTE与2G/3G PS业务互操作方案研究

关键词：互操作；重选；重定向；PS切换；CCO

中图分类号：TN929.5

文献标识码：A

文章编号：1007-3043（2013）03-0031-05

摘 要：针对LTE与2G/3G网络PS业务的互操作方案，如重选、PS 切换、重定向等，进行深入

研究；同时对未来LTE网络建设、2G/3G/LTE网络的日常运维给出了指导性建议。

Abstract：It researches inter-RAT operation for PS service between LTE system and the existing 2G/3G networks, such as reselection,

PS handover, redirection, etc. In further, it gives some guidance for network construction and operation of 2G/3G/LTE system

in future.

Keywords：Interworking; Reselection; Redirection; PS handover; CCO

0 前言

根据GSA的预测，到 2014年，全球数据业务吞吐

量将远远超过语音业务吞吐量，以数据业务为主的移

动互联网成为未来移动通信发展的趋势。移动宽带

成为了当前关注的焦点，更便捷的接入、更高的带宽

成为移动宽带的发展趋势。移动宽带的飞速发展，为

移动互联网的发展和普及带来了无限可能。3GPP 从

R8版本开始研究的LTE技术是一种扁平化、全 IP架构

的移动网络无线技术，其目的正是为了迎合未来移动

宽带通信多媒体业务发展的要求，同时保证UMTS网络架构前向兼容平滑演进。LTE作为无线系统发展的

主流方向，获得了全球大多数运营商的支持。

随着近 2年LTE网络商用进程发展的加快，移动

宽带业务将会突飞猛进地发展，并且深入未来生活的

方方面面，尤其是网页、视频、在线游戏、文件共享等业

务将是未来主流的移动数据业务，因此如何平衡其与

现有运营网络的关系及采取的何种互操作方案是摆在

运营商面前的一个重要问题，本文针对 LTE与 2G/3G网络 PS业务的 4种互操作方案（重选、PS切换、重定

向、CCO with/without NACC）分别进行深入研究，并对

各方案的性能进行了对比，最后基于网络性能和业务

质量对未来FDD LTE与2G/3G网络建设和运营方案给

出了指导性建议。

1 LTE与2G/3G网络架构

LTE系统的重要特征是高带宽、高速率、低时延、

网络架构的扁平化、承载 IP化等。LTE无线接入系统

从传统的2层（RNC+NodeB）结构演进到1层（eNodeB）结构，从而降低了接入时延。LTE核心网EPC在一定

Study on Inter-RAT Operation for PSService Between LTE and 2G/3G Networks

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2013/03/DTPT

图1 LTE与2G/3G不共核心网

时期内将向如下方向演进：移动核心网的电路域和分

组域将长期并存；分组域向统一、扁平的架构演进；

IMS是语音和多媒体业务的目标架构；随着LTE网络

覆盖的逐步扩展，部分语音业务逐步迁移至分组网络；

WLAN等非3GPP的异构网络将逐渐融入3GPP网络架

构；随着 IMS、LTE网络的引入，用户数据将逐步向统

一的用户数据中心转变。

在LTE部署初期，LTE系统也可以选择新建核心

网，这样也需要对现网的网元进行升级，以支持LTE与

2G/3G之间的互操作方案，如CS业务的CSFB，PS业务

的 PS Hand Over、重定向、重选等，其中 2G/3G核心网

SGSN 通过 Gn 口与 EPC 中 MME 和 P-GW 进行互操

作。LTE新建核心网时，与现有网络架构的关系如图1所示。该方案的优点就是现网网元只进行软件升级，

风险较低，但是前期投资可能较大，LTE前期建网时可

以采用组网方案。

当然在LTE部署初期，也可以与现有的 2G/3G共

核心网，此时需要对现有核心网网元进行升级，以便支

持LTE系统，其中现网HLR与HSS融合，SGSN与MME合设为一个网元，GGSN与 P-GW合设为一个网元。

LTE与2G/3G共核心网升级简单，节约机房空间，节省

投资，但是现网升级风险较大，其网络架构图如图2所示。该方案适合LTE网络发展较为成熟时期，此时选

用合理的融合策略，统一2G/3G与LTE核心网。

2 LTE与2G/3G互操作方案

为了确保数据业务在LTE与2G/3G系统间的连续

性，提升用户体验，3GPP规范对不同系统间的PS业务

互操作方案进行了完善的规定，主要包括小区间重选、

PS切换、重定向和CCO等，LTE与 2G/3G系统间PS互操作方案见图3所示。

LTE与 2G/3G系统 PS互操作中，一般设置将 2G/3G/LTE 网络的小区优先级由高到低依次为 LTE、WCDMA/HSPA、GSM，也就是终端开机后优先选择

LTE网络，移出LTE网络覆盖后，再优选驻留在WCD⁃

图2 LTE与2G/3G共核心网

图3 LTE与2G/3G系统间PS互操作状态转移示意图

GSM_Idle/GPRSPacket_IdleCCO，Reselection

ReselectionUTRA_Idle

CCO，ReselectionRedirection

CCO with optional NACCRedirection

Redirection GPRS Packettransfer mode

Handover

CELL_PCHURA_PCH

ReselectionE-UTRARRC IDLE

CELL_FACH

CELL_DCH E-UTRARRC CONNECTED

GSM_Connected

Connectionestablishment/release

Connectionestablishment/release Connection

establishment/release

Handover

Redirection

Redirection

应用服务器

SGiP-GWS-GW

BSCRNCSGSN2SGSN12G/3G

PCCPCRF

CGDNS GxS6a

Gr

S11

Gn

S10MME1S1-U

HSS/HLRMME2eNode BLTE

EPCS1-MME

Gn

DRA

S5

SGiP-GWS-GW

PCC PCRF

CGDNS

GxS6a

S11

S10S1-U

HSS/HLReNode BLTE

EPC

S1-MME DRA

S5

应用服务器

BSC RNCIu-PSGr

MME/SGSN2

MME/SGSN1Gr

2G/3G

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邮电设计技术/2013/03

MA/HSPA网络并进行业务；如果终端移出WCDMA/HSPA网络覆盖后再选择GSM网络驻留。具体的互操

作控制方式分为终端自主选择和网络控制 2种方式，

其中终端控制的方式实现比较简单，易于实施，但是互

操作时延较大，用户体验较差，如空闲态小区重选；网

络控制方式能够保持业务的持续性，降低互操作时延，

提升用户体验，其实现机制包括PS切换、重定向、CCO等。

2.1 小区重选

小区重选是指终端自主进行异系统邻区测量和重

选判决过程。LTE与2G/3G系统间互操作中小区重选

的状态转换包括空闲态终端在LTE与2G/3G系统间重

选、Cell-FACH/PCH态的终端从WCDMA/HSPA网络

到 LTE的重选、GPRS-Transfer/Idle态的终端从GPRS到LTE网络的重选等。

在小区重选过程中，基站侧配置终端对主服务小

区、邻区的频点进行测量，终端根据测量结果自行决定

是否驻留本小区还是进入新小区驻留。如果进入新的

小区进行驻留，就需要接收新小区的广播消息，然后发

起新的接入流程，并进行TAU/RAU更新。该方案可以

在 LTE与 2G/3G间进行重选，图 4给出了空闲态终端

从 LTE网络重选到UMTS网络的信令流程，另外 LTE到GRAN重选、UTRAN/GERAN到 LTE重选的流程与

该流程相似。

小区重选实现较为简单，但是重选时延较长，整个

过程大概需要 6～10 s，甚至更长。终端为空闲态时，

或者处于对时延不敏感的业务态时，建议采用该方案。

2.2 重定向

无线连接重定向也是LTE与2G/3G系统间互操作

的方案之一，它包括RRC连接前的重定向和RRC连接

后的重定向，其中RRC连接前重定向是指在RRC建立

过程中，当服务小区负荷较高时，系统可拒绝该RRC连接，此时基站侧向终端发出RRC Reject，并在拒绝消

息中指示终端尝试异系统的信息，如新小区的频点，该

方案一般用于UMTS到LTE的重定向；RRC连接建立

后重定向是指系统向终端发起RRC Release with Redi⁃rection消息，并携带异系统邻区频点，指示终端在该频

点的异系统邻区重新接入，该方案一般用于 LTE到

2G/3G重定向和 2G/3G到LTE的重定向。

终端根据RRC Release携带的指示信息，进行小

区搜索和接入过程，并驻留到新的小区中。图 5给出

了终端从LTE网络重定向到UMTS网络的信令流程，

另外LTE到GERAN重定向、UTRAN/GERAN到LTE重

定向与该流程相似。

无线连接重定向的实现相对简单，但是重选时延

也相对较长，大概需要 4~6 s，对时延相对不敏感的业

务，如网页浏览、Email等业务可以采用该互操作方案。

2.3 PS 切换

PS切换发生在终端处于业务态时，首先系统侧根

图4 空闲态终端从UMTS网络重选到LTE网络

图5 从LTE网络重定向到WCDMA/HSPA网络的信令流程

UE

RAU Complete

RAU AcceptAuthentication/Security

RAU Request

RRC Connection Release（Redirection）RRC（MR：Event B1/B2）

E-UTRANGnGp SGSNRNC

RAU CompleteRAU Accept

Random Access Process

小区搜索、接收系统消息（WCDMA）

UPLINK NAS TRANSPORT（包含TAU Complete）ULInformation Transfer

DLInformation Transfer（包含TAU Accept）

DOWNLINK NAS TRANSPORT

MME间更新UE上下文等

AuthenticationInitial UE message（包含TAU request）

RRCConnectionSetupCom plete

RRC Connection SetupRRC Connection Request

接收广播消息（LTE）判决

测量（SIB）EPCeNBUE

（包含TAU request）

（包含TAU Complete）

（包含TAU Accept）

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据终端的测量报告做出切换判决，但是系统发起切换

命令前，会帮助终端在目标网小区中申请新资源，然后

系统再向终端发出切换指令，终端根据指令中的信息

直接使用新小区给其预留的资源。PS切换的好处就

是进一步减少终端切换失败概率，且同时缩短切换时

延，切换时延一般不大于300 ms，从而保证了业务的连

续性，极大地提高了用户体验度；但是该方案较为复

杂，且需要有足够资源作为保障。

PS切换的最突出特点就是切换时间快，业务中断

时间短，而且该切换对移动通信系统端到端的业务保

障能力提出了更高的要求，对时延敏感，且对QoS级别

要求较高的业务，建议采用PS切换互操作策略。图 6给出了业务态时终端从LTE网络PS 切换到WCDMA/HSPA网络的信令流程，其他PS切换互操作机制的信

令流程与该图相似。

由于PS切换时间持续较短，所以适用于对时延特

别敏感的业务，如在线游戏、金融支付业务等，或者应

用到高优先级用户的业务保障。目前业界对 LTE和

UTRAN间的 PS切换方案普遍支持，而对 LTE与GE⁃

RAN间的PS切换方案不完全支持，其中一个重要原因

是升级GERAN系统风险较大，而且GERAN的数据承

载能力较差，发生PS切换的场景很少。

2.4 其他互操作方案

除了以上典型的互操作方案外，LTE还引入了另

外 3种互操作方案：CCO（Cell change order）with NACC（Network assisted cell change）、CCO without NACC、增强型R9重定向，前种方案用于终端从LTE网络到GE⁃RAN网络的切换。

2.4.1 CCO with/without NACC

在网络或终端不支持切换时，可以采用CCO with/without NACC 的方式来实现 LTE 到 GRAN 的切换，

NACC的好处就是尽量减少业务切换到目标小区的时

延。核心网MME和 SGSN通过Gn口来获取目标小区

的系统消息，并将该消息通知给终端，这样终端就能快

速接到新小区，并使用该小区承载资源来恢复业务。

CCO with/without NACC都是网络控制的切换，终

端根据测量控制上报测量报告，由网络下发切换命令；

但是CCO with NACC过程中，主服务小区所在的网络

增加RIM (Ran Information Management )过程，以获取

GSM/GPRS 邻区的系统信息，然后 Cell Change OrderFrom UTRAN/E-UTRAN的消息中携带这些系统信息，

以加速终端完成切换过程（见图7）。

由于CCO with NACC过程中携带了目标小区系统

信息，所以切换时延较短（300~700 ms），但是该方案涉

及核心网改造，风险相对较大；而 CCO without NACC的切换时延相对较长，大约为 2 s左右，但是基本上不

需要对核心网进行改造，实现简单。

2.4.2 R9增强型重定向

R9增强型重定向是R8版本的升级，它在网络下

发RRC Release消息中可携带多个邻区的频率及邻区

系统广播，以加速终端在目标网络的选择和驻留，该方

图6 从LTE网络PS 切换到WCDMA/HSPA网络的信令流程

图7 CCO with NACC 方案

UE

Release Resources

Complete AcknowledgeForward RelocationComplete NotificationForward Relocation

Relocation CompleteHandover to UTRAN Complete

HOfromE-UTRANCommand

（MobilityFromE-UTRACommand）

Handover CommandForward Relocation

Response

Relocation Request

Forward RelocationRequest

Handover RequiredHandover Initiation

MR（Event B1/B2）

TargetSGSN

SourccMME

TargetRNC

SourceeNodeB

Relocation Request Acknowledge

UTRAN Iu Access Procedures

RAU/TAU Update

RIM SignalingGb/Iu

S3/GnRelaying RIMSingnaling

GERANE-UTRAN

S1

BSS SGSN

eNodeB MMERIM Signaling

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邮电设计技术/2013/03

案可以将LTE到GRAN的重定向时延缩短到2 s左右；

同时也支持LTE到UMTS的增强型重定向功能，此时

重定向时延可以缩短到1 s左右。要实现R9增强型重

定向功能首先需要对现有2G/3G设备升级才能实现该

功能。

由于R9重定向功能时延更加接近于PS切换，而

且网络升级相对简单，基本上能保证业务质量，改善用

户体验，在未来LTE商用中将起到重要作用。

3 结束语

经过前面分析可以知道，在LTE与 2G/3G互操作

方案中，PS切换性能最好，时延最低，在 300 ms以内，

其他方案CCO、重定向、R9增强型重定向、小区重选的

时延依次增加；但是这些方案实现的复杂度和对现有

网络升级的风险随着时延的增加而变低，这也是未来

网络建设和运维决策时需要考虑的问题之一。

随着LTE商用步伐的加快，LTE网络建设和运维与

现有2G/3G网络的运维关系日趋重要，而LTE网络建设

前期应该以数据业务为主，因此PS业务将是其与现网

互操作的重中之中，而CS业务在相当长的一段时间内

将不会是LTE网络的重点业务。所以在未来LTE商用

中，需要基于PS业务类型和特征，尤其对时延、QoS的需求等，结合各种PS业务互操作方案的特点，同时考虑

网络升级风险及成本，来科学地选择合理的与现网2G/3G网络互操作的策略。随着后期LTE网络逐渐完善和

成熟，可以实时引入CS业务的互操作策略。

参考文献：

［1］沈嘉，索士强，全海洋，等. 3GPP LTE长期演进（LTE）技术原理与系

统设计［M］. 北京：人民邮电出版社，2008.［2］赵训威，林辉，张明，等. 3GPP LTE长期演进（LTE）系统架构与技术

规范［M］. 北京：人民邮电出版社，2010.［3］ 3GPP TS 36.321 Medium Access Control (MAC) protocol specification

［S/OL］. ［2012-11-20］. http://d.wanfangdata.com.cn/ExternalRe⁃source-jsjyyyj201110079%5E6.aspx.

［4］ 3GPP TS 36.322 Radio Link Control (RLC) protocol specification［S/OL］.［2012-11-20］. http://www.doc88.com/p-587676414413.html.

［5］ 3GPP TS 36.323 Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specifica⁃tion［S/OL］.［2012-11-20］. http://www.ptsn.net.cn/standard/std_que⁃ry/show.php?source=etsi&id=24997.

［6］ 3GPP TS 36.331 Radio Resource Control (RRC); Protocol specification［S/OL］. ［2012-11-20］. http://www.3gpp.org/ftp/Specs/2011-03/Rel-9/series/.

［7］ 3GPP TS 23.401 General Packet Radio Service(GPRS) enhancementsfor Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN)access［S/OL］.［2012-11-20］. .

［8］ 3GPP TS 36.413 S1 Application Protocol (S1AP) ［S/OL］.［2012-11-20］. http://www.ptsn.net.cn/standard/std_query/show.php?source=etsi&id=27004.

［9］ 3GPP TS 36.423 X2 Application Protocol (X2AP) ［S/OL］.［2012-11-20］. http://bz.ccr100.com/topic.asp?id=54444.

［10］ 3GPP TS 23.060 General Packet Radio Service (GPRS)［S/OL］.［2012-11-20］. http://www.docin.com/p-73115878.html.

作者简介：

王东洋，工程师，硕士，主要从事移动通信新技术跟踪、研究等工作；程鹏，工程师，主要

从事移动通信工程项目管理工作；文博，工程师，硕士，网络技术研究部无线三室主任，

主要从事移动通信新技术跟踪、研究等工作；毕猛，高级工程师，网络技术研究部副总工

程师，主要从事移动通信标准制定、网络规划、新技术跟踪及研究等工作。

诺西与松下移动共获NTT DOCOMO

LTE-A合同：近日，诺西与松下移动通信

公司一起被 NTT DOCOMO选中，为其开

发下一代LTE-A移动宽带网络架构。作

为这份多年期协议的一部分，2家公司将

为 NTT DOCOMO 提供根据LTE-A 要求

进行优化的高容量基站。这些基站最初

将确保网络中的设备具有 300 Mbit/s容

量并支持新的云基础架构和服务。此

外，2家厂商还将提供远程无线前端来部

署小区，以增强LTE-A网络的覆盖范围

和容量。诺西和松下将基于灵动无线架

构共同开发和交付基站硬件和软件，通

过集中和协调处理为异构网络提供更高

的容量和吞吐量。此外，2家厂商还将提

供RRH来部署小区，以增强LTE-A网络

的覆盖范围和容量。 （刘诺）

诺西助E-Plus部署 LTE 网络：近日，德

国 E-Plus 集团选择诺西作为合作伙伴，

为其部署LTE网络。同时，诺西还将帮

助E-Plus对其GSM和HSPA+网络进行

现代化改造和扩展。双方的合作协议还

包括运营商移动接入网络的交付与集成

工作。据悉，E-Plus 已获得 1 800 MHz频谱，可在德国快速高效地部署LTE网

络。根据合同，诺西将扩展E-Plus当前

2 100 MHz频带上的HSPA+容量。作为

合同的一部分，公司将提供其无线接入

网络。同时，诺西也将提供灵动无线网

GSM软件套件。此外，诺西还将扩展其

NetAct网络管理系统的功能，并提供安

装集成、网络优化和建设等各种服务。

（刘诺）

诺西信息

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