WCDMA与GSM系统间互操作浅析.docx

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WCDMA与GSM系统间互操作浅析

WCDMA与GSM系统间互操作浅析

作者：

白雪光

摘要

随着联通3G网络的建设不断完善，目前通辽3G用户已经快速发展。

而新用户对3G概念的陌生，随之而来的用户投诉也呈现上升的趋势。

其中现阶段较频繁的投诉就是“无3G信号”与频繁的占用2G网络。

本文将重点讨论2G至3G的重选与3G至2G的切换。

主要内容如下：

1）3G至2G的切换参数设置；

2）2G至3G的切换场景设置；

3）2G向3G的重选参数设置。

关键词：

切换；重选；压膜。

一、概述

2009年1月份国内3G牌照发放后，三大运营商快速建起了各自的3G网络。

所谓3G是指第三代数字移动通信技术，3G以手机语音功能之外的无线上网、手机电视等数据功能为特色。

3G建设初期,运营商不可能全面建设一张覆盖全国的3G网络，先覆盖一些重要的大中城市，但是运营商也不能不考虑众多县城及农村市场。

对于获得WCDMA3G牌照的中国联通来说，已经拥有覆盖全国各地的GSM/GPRS网络，可以打语音电话、发短消息、彩信和网页浏览等等。

3G网络未实现覆盖全国时，为了在3G覆盖区边缘保持用户业务的连续性,有必要依赖现有的GSM/GPRS网络，异系统间切换技术来实现3G用户无缝漫游。

异系统间切换是指移动台终端从一种接入技术的系统移动到另外一种接入技术的系统时仍保持通信连接的过程。

例如，在WCDMA网中用户打语音电话过程中，移动到WCDMA网络覆盖范围之外或WCDMA网边缘弱覆盖区，语音通信在用户毫无察觉的情况下切换到GSM/GPRS网络中，并且语音通信不掉话。

同样用户在浏览网页或使用分组业务时，即使从WCDMA小区移到GSM/GPRS小区，也能获得连续的数据业务服务。

二、概念介绍

1）小区选择

当手机开机或从盲区进入覆盖区时，手机将寻找PLMN允许的所有频点，并选择合适的小区驻留，这个过程被称为小区选择。

2）小区重选

当用户在空闲状态下从一个小区穿越到另一个小区时，用户就会选择质量较好的另一个小区作为当前服务小区，这个过程就是小区重选。

异系统间小区重选指用户在不同系统间的小区重选，主要有3G到2G系统的小区重选、2G系统到3G的小区重选；

3）切换

指移动通信过程中在保证通信不间断的前提下，把通信的信道从一个无线信道转换到另一个无线信道的功能。

切换类型包括软切换、更软切换、同频硬切换、异频硬切换和异系统间切换。

软切换：

指同一个RNC的不同NodeB之间或不同RNC之间切换。

更软切换：

指同一个NodeB的不同小区之间切换。

同频硬切换：

指目标小区与原小区同频，但是属于不同RNC，而且RNC之间没有Iur接口，从而发生的切换。

异频硬切换：

指不同频率的基站或覆盖小区之间的切换。

异系统间切换：

指不同系统之间切换，例如3G和2G系统之间切换。

WCDMA和GSM系统间切换主要有WCDMA到GSM系统的CS域切换、WCDMA到GPRS系统的PS域切换、GPRS系统到WCDMA系统PS域切换。

三、系统间切换信令消息分析

系统间互操作功能的引入时因为在3G建设初期，WCDMA网络难以做到全国覆盖（事实上也没有必要）。

在这种情况下，有必要利用系统间互操作功能（切换,漫游等）保证用户业务的连续性和可获得性。

3.1WCDMA到GSM的CS域切换

3.1.1流程描述

进行系统间切换时，如果UE只有电路域业务进行，则执行WCDMA到GSM的CS域切换流程。

切换典型过程包括如下阶段：

测量控制—>测量报告－>切换判决—>切换执行。

在测量控制阶段，网络通过发送测量控制消息告诉UE进行测量的参数。

在测量报告阶段，UE给网络发送测量报告消息。

在切换判决阶段，网络根据测量报告做出切换的判断。

在切换执行阶段，UE和网络走信令流程，并根据信令做出相应动作。

对WCDMA向GSM切换，当用户处入WCDMA系统的边缘弱覆盖区域有必要开始系统间切换时，WCDMA系统的RNC设备通知双模UE开始异系统测量，UE进行异系统测量并上报测量结果，RNC根据测量结果判决是否开始系统间切换信令流程。

由于WCDMA的接入方式是码分多址，处于连接状态的UE在所有时间内均在指定频率工作，为了在进行异系统测量的同时继续保持通话，在异系统测量时WCDMA系统和双模UE可能需要启动压缩模式。

WCDMA向GSM切换的信令流程如下：

图1：

UMTS到GSM的MSC之间的系统间切换（电路域）

1）在测量的基础上UTRAN决定进行系统间切换时，SRNC发送RANAP消息“RelocationRequired”给CS-CN，要求对方系统为系统间切换做好准备；

2）WCDMACS-CN转发此需求给GSMCS-CN系统（通过MAP/E消息“PrepareHandover”）；

3）GSMCS-CN向BSC发“HandoverRequest”；

4）GSMBSS为系统间切换准备好资源后，BSC回“HandoverRequestAck”给GSMCS-CN；

5）GSMCS-CN发送MAP/E消息“PrepareHandoverResponse”给WCDMACS-CN；

6）WCDMACS-CN通过发送RANAP消息“RelocationCommand”消息应答SRNC的初始请求；

7）通过已存在的RRC连接，SRNC向UE发送“HandoverFromUtranCommand”消息，要求UE进行从WCDMA到GSM的系统间切换；

8）UE进行从WCDMA向GSM的切换（硬切换），UE发送“HandoverComplete”消息给BSC，通知BSC切换完成，BSC发送“HandoverComplete”消息给GSMCS-CN；

9）当检测到UE在GSM覆盖范围内后，GSMCS-CN发送“SendEndSignalRequest”消息给WCDMACS-CN，通知WCDMACS-CN切换已经完成，可以释放该UE占用的WCDMA网络资源；

10）WCDMACS-CN发“IuReleaseCommand”给RNC，通知以前的SRNC释放相关资源；当WCDMA中相关承载资源释放完成后，WCDMACS-CN给GSMCS-CN回响应，切换信令流程结束。

3.1.2关键节点Counter

1）检测压膜启动的counter：

VS.3gto2gHoDetectionFromFddcell。

2）重定位准备过程中失败的counter：

VS.IuRelocationCmdFailuresCs。

3）执行切换至2G系统中失败的counter：

VS.RrcHoFromUtranFailure。

3.2WCDMA到GSM的PS域切换

3.2.1流程描述

UMTS到GSM的SGSN之间的分组域的系统间切换，执行流程见下图：

图2：

UMTS到GSM的SGSN之间的系统间切换（分组域）

1）UE（UE处于非Cell-DCH状态）或UTRAN（UE处于Cell-DCH状态或者Cell_FACH状态）决定发起分组域的系统间切换。

使UE切换到一个支持GSM的新小区中，同时停止UE与网络间的数据传输。

2）UE向2G-SGSN发起路由区更新请求，更新类型将指明路由区更新或者联合RA/LA更新或者带IUEI附着的联合RA/LA更新，BSS在将消息送到SGSN之前将收到消息中加入所在小区的带RAC和LAC的小区全球标识（CGI）。

3）新2G-SGSN向老的3G-SGSN发送SGSNContextRequest消息获取MMandPDPcontexts，老的3G-SGSN验证UE的PTUEI签名，如果成功则老的SGSN启动一个定时器。

如果老的SGSN不认识该UE，则会回应一个适当的错误原因。

4）如果切换之前UE处在PMM-CONNECTED状态，旧的3G-SGSN向SRNS发送SRNSContextRequest消息，SRNS收到此消息后，开始缓存并且停止向UE发送数据PDU，并向老的3G-SGSN返回SRNSContextResponse。

5）老的3G-SGSN向2G-SGSN发送SGSNContextResponse，其中包含MMandPDPcontexts。

6）执行安全流程。

7）新的2G-SGSN向3G-SGSN发送SGSNContextAcknowledge消息，通知3GSGSN现在2GSGSN可以接受激活的PDP上下文的相关数据PDU。

8）如果手机处于PMM-CONNECTED状态，则老的3G-SGSN向SRNC发送数据转发命令（DataForwardCommand）。

SRNC在收到该命令后启动数据转发定时器，SRNC发送已缓存的数据PDU到老的3GSGSN。

9）如果UE处于PMM-CONNECTED时，3G-SGSN将向RNC发出IuReleaseCommand消息给SRNC，在数据转发定时结束之后SRNC通过IuReleaseComplete消息回应。

10）新2G-SGSN验证UE在新路由区的合法性，如果所有检查成功，2GSGSN给用户组建MM上下文以及PDP上下文，通过2GSGSN在UE和2GSGSN之间建立一条逻辑链路，2GSGSN回应UE一个RouteingAreaUpdateAccept消息。

11）UE通过发送RouteingAreaUpdateComplete消息确认新分配的PTUEI，包括确认在路由区更新发起之前所有成功发送给UE的数据PDU。

12）在2G系统进行GPRS业务连接。

3.2.2关键节点Counter

1）检测压膜启动的counter：

VS.3gto2gHoDetectionFromFddcell。

2）执行切换至2G系统中失败的counter：

VS.IRATHO.FailOutPSUTRAN。

3.32.5G到3G分组域切换

3.3.1流程描述

GSM到UMTS的SGSN之间的分组域系统间切换流程见下图：

图3：

GSM到UMTS的SGSN间的系统间切换（分组域）

1）UE或者BSS决定进行分组域的系统间切换，使UE切入到一个新的WCDMA小区，同时停止UE与网络间的数据传送。

2）UE发送路由区更新请求给新的3G-SGSN。

UpdateType指明是路由区更新或者联合RA/LA更新或者带IUEI附着的联合RA/LA更新。

SRNC在发送用户消息给SGSN之前会加入UE所在区域的RAC和LAC的路由区标识。

3）3G-SGSN通过从UE得到的老路由区标识得到老2G-SGSN地址，然后发送SGSNContextRequest消息给老的2G-SGSN，以期得到该用户的MM上下文和PDP上下文。

老的2G-SGSN验证UE的P-TUEI签名，如果P-TUEI签名有效或者3G-SGSN指示已经对UE进行过鉴权，2G-SGSN启动一个定时器。

4）旧的2G-SGSN通过SGSNContextResponse消息响应，其中包含MMContext和PDPContexts。

5）发起一个安全流程。

6）3G-SGSN发送SGSNContextAcknowledge消息给2G-SGSN，使2G-SGSN知道3G-SGSN可以接受已激活的PDP上下文的相关数据包。

7）2G-SGSN复制并缓存N-PDUs并且开始将数据包发送到3G-SGSN。

在定时器超时之前从GGSN额外收到的N-PDUs将被复制并被发送到3G-SGSN。

在定时器超时后，将不会有N-PDUs发送到3G-SGSN。

8）3G-SGSN发送UpdatePDPContextRequest消息给每一个相关的GGSN。

每个GGSN更新其PDP上下文并且回应UpdatePDPContextResponse消息。

9）3G-SGSN通过发送UpdateGPRSLocation消息通知HLR发生SGSN改变。

10）HLR发送CancelLocation消息给旧的2G-SGSN。

在2G-SGSN定时器超时后，旧的2G-SGSN将会删除MM上下文和PDP上下文。

2G-SGSN发送CancelLocationAck消息回应。

11）HLR发送InsertSubscriberData消息给3G-SGSN。

3G-SGSN建立MM上下文并且回应InsertSubscriberDataAck消息给HLR。

12）HLR确认修改完成，以UpdateGPRSLocationbyreturninganUpdateGPRSLocationAck消息响应3G-SGSN。

13）3G-SGSN在新的路由区中验证UE，如果通过所有检查，3G-SGSN建立用户的MM上下文和PDP上下文。

3G-SGSN发送RouteingAreaUpdateAccept消息给UE。

14）UE通过发送RouteingAreaUpdateComplete消息确认新分配的PTUEI。

15）如果UE有上行的数据或信令，将会发送一个ServiceRequest消息给SGSN。

服务类型指明要求的服务（数据或信令）。

16）如果UE已经发送了服务请求，3G-SGSN发送RABAssignmentRequest消息要求SRNC建立一个无线接入承载。

SRNC发送RadioBearerSetupRequest消息给UE。

UE以RadioBearerSetupComplete响应。

SRNC发送RABAssignmentResponse消息给SGSN。

SRNC将N-PDUs发送到UE。

17）UE在3G网络中连接PS域。

四、2G向3G重选

4.12G向3G重选参数

EN_2G_TO_3G_CELL_RESELECTION：

激活开关参数；

Qsearch_C：

CS切换的门限值，取值范围16种，根据实际需要设定；

Qsearch_I：

CS重选的门限值，取值范围16种，根据实际需要设定；

Qsearch_P：

PS重选的门限值，取值范围16种，根据实际需要设定；

Qsearch_P_PTM：

PS数据传输时的重选门限，取值范围16种，根据实际需要设定；

FDD_Qoffset：

CS重选门限的偏移量，这个参数是用来调整相邻2G小区和3G小区重选的优先级的，取值范围从-28->28，及“Alwaysselect3Gcell”，根据实际需要设定；

FDD_GPRS_Qoffset：

这个参数定义与FDD_Qoffset相同，这两个参数值必须相同；

FDD_Qmin：

这个参数是手机测量3G邻小区的最小重选电平值，取值范围从-6->-20，根据实际需要设定；

FDD_Qmin_Offset：

这个参数是对Qmin的偏移量，算法为：

Qmin－Qmin_Offset，这个为REL-5手机所支持，确保重选的时候3G网络能提供最好的覆盖电平，该参数取值范围从0-14。

4.2实际测试情况

对于激活EN_2G_TO_3G_CELL_RESELECTION的小区，我们在系统消息中可以读到RRSystemInformationType2quarter消息，具体如下图：

图4：

RRSystemInformationType2quarter

其消息内容中包含了UE重选至3G网络的相关参数。

当UE收到此信令后将会自行决定重选操作。

五、2G/3G互操作策略

在中国移动的2G网络中,1800往往是作为热点覆盖,吸收话务量而引入的,这可能导致一些地区900和1800网络之间的切换较为频繁,掉话情况增多,影响了用户的满意度。

另外在GSM网络中,很多切换发生在小区与小区的边缘，即发生切换时源小区的信号已经较弱,同时目标小区的信号也不是很好.这类情况下的切换成功率往往不够理想。

为了减少系统间切换,提高切换成功率,在对WCDMA进行网络规划时,可考虑以下3点：

WCDMA覆盖区内部尽量完成信号连续覆盖,减少信号盲区和弱区,尤其要避免人流较多处的信号盲区和弱区.WCDMA信号在这些地点往往突然衰落，来不及进行系统间的测量和切换，系统切换失败概率可能很高。

解决信号弱区问题还是需要依靠提高WCDMA本身的覆盖来解决这样将系统间切换尽量推向3G覆盖区的边缘,从而减少系统间切换发生的次数。

WCDMA网络的边界应尽可能选择在人流密度小的区域，避免边界发生在人流密度较高的区域，如车站、码头等。

这样既减少了系统间切换的可能，也避免了因处理能力不足，使得信令交互延时/失败，导致切换掉话。

在WCDMA的边界处，GSM的覆盖较好，这样有利于WCDMA向GSM的成功切换。

换言之，GSM的边界和WCDMA的边界不应重叠。

这样可减少因GSM网络信号强度问题，使得异系统测量失败或信令交互失败，从而导致掉话。

鉴于GSM网络连续覆盖和WCDMA网络插花式覆盖的网络状况，为减少对GSM现网的影响，提高切换成功率，避免乒乓切换和小区重选，减少信令交互，建议采用如下系统间互操作策略：

1）语音业务3G到2G系统间单向切换

针对电路业务，支持WCDMA到GSM的切换，不必支持反向切换。

对中国联通来说GSM覆盖已经很好，无需将一个正在GSM系统中进行的通话通过系统间切换的方法切换到WCDMA系统中继续。

这样GSM系统无需升级,可以避免频繁的乒乓切换，也减少了WCDMA和GSM系统间的信令交互：

当双模UE驻留在WCDMA网络，处于连接状态，由GSM/WCDMA共存区移向纯粹GSM覆盖区，当到达WCDMA边界时，WCDMA网络根据测量报告发起WCDMA到GSM的切换。

当双模UE驻留在GSM网络，处于连接状态，由纯粹GSM覆盖区进入GSM/WCDMA共存区时，网络应采取控制措施避免GSM向WCDMA系统间切换的发生（只需要GSM网络不支持GSM->WCDMA的切换，或在GSM的邻区列表中不配置WCDMA邻区即可）。

而当通话结束，UE处于空闲状态的时候，可以通过PLMN重选驻留到WCDMA网络上来。

仅支持WCDMA向GSM网络的单向切换和PLMN重选返回WCDMA网络，GSM网络可以无须升级（见WCDMA向GSM的电路域切换部分）。

2）数据业务双向切换

当双模UE驻留在WCDMA网络，处于连接状态，由GPRS/WCDMA共存区移向纯粹GPRS覆盖区，当到达WCDMA边界时，WCDMA网络进行网络侧发起的小区重选，让双模UE小区重选到GPRS网络。

当双模UE驻留在GPRS网络，处于连接状态，由纯粹GPRS覆盖区移向GPRS/WCDMA共存区，在移动过程中,UE可能通过发起GPRS内部的小区重选,实现分组域的切换.此时也不必要求其切换到WCDMA网络,否则需要GSM接入网部分升级.

3）空闲状态优先驻留3G网络

当UE处于空闲状态时，如果UE驻留在WCDMA网络,当其移动到WCDMA覆盖区的边缘时,可以通过PLMN重选或者小区选择漫游到GSM网络;如果UE目前驻留在GSM网络,并且移动到WCDMA覆盖区（当然也依然处于GSM覆盖之下）,此时UE可以通过周期性的PLMN重选重新驻留到3G网络（如果此时通过小区重选，让UE从GSM驻留到WCDMA网络,需要GSM网络升级）。

具体措施为：

将WCDMA和GSM网络设置为不同PLMN-Id时，在USIM卡中设置WCDMA网络为HPLMN，则此时GSM网络为VPLMN。

则当用户开机后，在PLMN选择时会优先选择WCDMA网络，驻留到WCDMA小区上。

当UE由于切换/小区重选等原因驻留到GSM网络后，因为此时GSM网络为VPLMN，UE会周期性的重选HPLMN，重选周期在USIM卡中设置，从6分钟到8小时，默认周期为1小时。

4）上述策略的评估和补充

上述系统间互操作策略最大的优点是无需现有的GSM/GPRS网络升级,便可以起到利用2G网络拓展3G覆盖,进行业务分流的目的。

同时也不再存在乒乓切换和小区重选问题。

六、结束语

现阶段3G网络正处在发展时期，而3G用户却也快速的增长。

由于3G网络没有2G建设的成熟。

所以这就要求我们需要做好3G&2G互操作，使得3G用户能够得到一个较好的用户感知。

参考文献：

1.[S]3GPP2IS-2002.5,UpperLayer（Layer3）SignalingStandardforcdma2000SpreadSpectrumSystems.

2.[M]曹志刚，钱亚生著，现代通信原理。

北京，北京清华大学出版社，1992。

3.[M]樊昌信，张甫翊著，通信原理。

北京，国防工业出版社，2001。