浅析WCDMA与GSM混合网络的系统间切换策略

http://www.c114.net ( 2008/7/25 14:28 )

1 引言
         第三代移动通信网已在包括我国香港、澳门在内的许多地区成功部署，为数以亿计用户提供网页浏览、流媒体和可视电话等移动数据业务。在3GPP成功推动下，WCDMA已成长为3G标准中技术成熟度和产业发展水平最高的一个，在3G市场中占据着最大份额。

从移动通信市场对数据业务的中短期需求分析，WCDMA的部署初期应考虑只在有明显数据业务需求的城区建设；与此同时，运营商又希望为3G用户提供大范围连续覆盖。对于有成熟且覆盖水平较高GSM/GPRS网络的2G运营商，向3G演进过程中，都希望有效利用现有2G资源，构建WCDMA-GSM混合网络，实现3G初期低投入、高效率部署，为用户提供连续覆盖，同时推动2G-3G网络和业务协调发展，实现网络综合效益最大化。

混合网络中，双模终端和网络间互操作机制的引入是实现网络级融合的关键，互操作便是本文论述的主要内容。本文将针对互操作的关键——系统间切换的功能及实现展开讨论，并进一步讨论实际商用网中的系统间切换策略。

2  实现互操作所面临的关键问题

为实现2G-3G互操作及WCDMA-GSM系统间切换，必须首先解决如下关键问题：

（1）终端驻留策略

降低终端复杂度（成本）和延长续航时间等需求，给终端设计和网络部署都带来了一些制约。例如，终端设计中曾考虑能同时工作的双收发系统方案，但这会使能耗和设备复杂度提高，因而未被纳入标准，规范定义的双模终端只工作在WCDMA或GSM一个系统上。

（2）系统间切换消息的传递

构建混合网络要尽可能小改变G网架构，同时还要降低WCDMA演进开发的复杂度，解决方法是采用“松耦合”策略：系统间不直接调用，而是对发往另一系统的切换消息封装（如图1所示），在系统间接口的核心网和终端实现系统间联系。这就降低了系统间的依赖性和系统设计中额外的复杂度，尽可能小地改变2G网络构架，3G功能实现也得以简化。

系统在WCDMA网络下发向GSM切换的消息时，GSM消息被封装在WCDMA控制消息中并由终端WCDMA模块解调后传到GSM模块，对GSM模块等同于GSM空口收到控制消息，只要系统邻区定义正确，就可顺利切换。GSM向WCDMA的切换采用相同原理。

对GSM到WCDMA的切换还需重点考虑切换消息长度问题。切换消息过长将恶化切换性能，GSM空口比特率低也限制了堆WCDMA切换消息的承载。因此，GSM网络并不是把WCDMA信道配置参数直接发给终端，而是下发一个参数指针，指向预定义WCDMA无线信道配置。预定义配置可作为缺省值预存在终端内，也可通过广播下发。

（3）WCDMA连续模式下的异系统测量

虽然标准终端只在WCDMA或GSM一网驻留，终端仍需在使用一网服务同时对另一网络测量。但WCDMA为连续模式，单收发信机终端无法在WCDMA通信同时对时隙化的GSM测量。因此，WCDMA空口上引入了时隙化的压缩模式。
压缩模式的思想是，在WCDMA空口收/发过程中开辟几毫秒间断来对其它频率上的GSM测量，该方案将WCDMA帧在时域上压缩，但不丢失数据。其帧压缩方式主要有：

◆提高扩频因子；
◆降低高层数据速率；
◆物理层复用过程中采用删除技术降低符号率。
延敏感类业务要求空口比特率恒定，压缩模式中测量时隙前后实际传输比特率必须以a方式增加，以弥补测量时隙造成的数据损失；非时延敏感类业务不要求空口比特率恒定，故通过延迟传输获得测量时隙，相当于采用b。当终端处于非激活状态时，可利用DTX/DRX的时间间隔对GSM测量。

图2为典型a压缩模式的双帧压缩方式。该模式在收/发帧中开辟一个时隙空间，终端可利用其对GSM测量，时隙前后增大扩频因子以提高数据速率弥补测量时隙数据损失。由于对损失的弥补分散到时隙两侧，较单帧压缩方式发射功率增量要求低，因此应用更普遍。

压缩模式时隙速率提高必然影响链路性能，尤其在小区边界；但软切换又一定程度减小了该影响。由于对链路性能影响的分析不是本文主要议题，详细内容参见文献[1]相应章节。

GSM连接状态下对WCDMA的测量，只需考虑怎样实现将测量信息加入GSM消息中。

（4）空闲模式测量

空闲模式下，终端待机时间主要取决于监听公共信道和为小区重选进行测量的时间间隔。由于双模终端要对WCDMA和GSM两网进行监听和测量，因此相对单模终端，待机时间势必缩短。为延长待机时间，可规定终端驻留网络信号质量足以支持终端进行相关网络参数配置时，关闭对驻留网络的测量。此外，与GSM的小区重选相比，标准对混合网络系统间小区重选的测量要求要宽松些，这也一定程度延长了终端待机时间。

3  WCDMA-GSM网络互操作过程分析

下面基于图3所示混合网络组织结构和接口情况，对互操作过程进行分析。

（1）混合网络移动性管理过程

根据判决由谁做出，移动性管理分两种基本模式：终端触发和网络触发。终端触发时，终端通过对一些参数的测量、比较选择连接的小区。网络触发模式，网络根据终端上报测量信息判别，告知终端要选择的小区。混合网络无论在何种模式下，都要同时考虑两网所有小区为备选小区。此外，除无线链路质量外，选择服务小区时还要考虑网间负荷分担等因素。

根据网络能否强制命令终端选择另一系统的某个小区，定义了两种移动性管理过程：系统间切换（终端触发）和小区变更指令（网络触发）。混合网络中，电路域业务采用系统间切换模式，分组域业务采用小区变更指令模式。

（2）WCDMA与GSM间的小区重选

空闲模式或公共信道用于分组业务的连接模式下，系统执行小区重选。若某GSM小区优先级高于任一WCDMA小区（含当前小区），则执行WCDMA到此GSM小区的小区重选。小区优先级算法与GSM中类似，不同在于混合网络会将两网所有小区一起排序。
WCDMA网络下进行小区重选，终端可持续对GSM测量，也可在服务WCDMA小区信道质量降至某门限时再测量；终端只有在服务小区信道质量（信噪比SNR）或接收信号强度小于门限值时才会选择新小区。其中信道质量保证终端正确接收目标小区信息，信号强度指标保证目标小区能收到终端发出的与小区重选相关的信息。

设定门限时需考虑如下两个因素：

◆终端接入时允许最大发射功率；
◆终端最大射频输出功率。

对于频繁的小区重选，可采用惩罚时间或临时偏置等机制避免系统间乒乓。类似的，为避免高速运动中终端重选进入很小的小区范围，可配置较大的上层小区。网络通过在WCDMA小区中广播一些参数来实现这些功能配置。

如图4所示，终端处于WCDMA激活状态且使用分组业务时重选到GSM/GPRS，首先与2G建立无线连接，再触发路由区更新。过程中核心网将从UTRAN取回用户的信息，小区重选完成后用户信息由BSS发给终端，同时终端的WCDMA连接被释放，核心网确认RA更新。

（3）WCDMA到GSM的小区变更指令
终端对GSM小区进行测量，将测量结果上报网络，网络通过指令命令终端选择GSM。过程中测量及压缩模式开启与WCDMA到GSM的切换过程相同。
小区变更指令过程的信令流程与小区重选类似，不同在于这里系统决定目标GSM小区，再通过UTRAN发送包含目标小区信息的小区变更指令。
（4）WCDMA到 GSM的系统间切换

WCDMA到GSM的系统间切换过程如图5。终端在使用电路域业务且接收信号强度降至门限以下，网络将命令终端对GSM测量。典型的，当临近GSM小区信号强度超过设定门限，WCDMA信号质量也不能满足通话要求，终端将上报测量报告。UTRAN接到报告后，若满足切换要求，终端也不使用3G特有业务，就启动系统间切换。接下来UTRAN向目标BSS发送为用户预约资源的请求，目标BSS根据请求准备系统间切换指令，这个GSM消息包含了资源配置的详细信息，它封装在WCDMA消息中由UTRAN发给终端。
终端收到切换指令后，切换到目标小区并根据指令参数建立GSM无线连接。切换完成后，终端向BSS发送切换完成消息，网络收到消息后释放WCDMA连接。

（5）GSM到WCDMA的系统间切换

GSM到WCDMA的系统间切换如图6所示。网络首先向终端发送WCDMA测量参数信息发起测量过程，信息包括了相邻W小区、测量标准及上报要求等。当切至WCDMA的标准满足时，BSS向UTRAN预约资源，终端的WCDMA特性也被封装在预约信息中发出。当WCDMA资源准备就绪，UTRAN发出切换指令，指令包含用户在用业务的特性参数，它通过核心网和BSS透传到终端。终端收到指令后，将调谐到WCDMA频点进行同步。

切换完成后，终端向网络发送“成功切换至UTRAN”的消息，系统收到消息后将释放用户的GSM资源。
（6）利用系统间切换实现网络容量优化

WCDMA建设初期可采用向GSM回切的方式保证其较大范围的覆盖，但这种覆盖上的回切仅仅是运营商实现真正连续覆盖的第一步。

在2G/3G共存、互补的格局走向成熟的过程中，有两个问题需要我们重点关注：

一是通过各种技术手段，尽可能减小系统间切换对用户感知的影响（话音质量下降、数据速率降低等）。话音业务问题可通过系统间切换较好解决；而对数据业务，需要在WCDMA和GSM协议中引入系统间分组数据切换机制等增强功能，将用户使用分组业务的中断时间从几秒降至零点几秒，提升用户使用数据业务的感知度。

二是要考虑如何挖掘两网资源潜力，降低网络建维成本，即系统如何根据终端请求业务类型和服务等级为其选择最适合的网络，实现网络混合业务容量最大化和运营成本最小化。这个问题的考虑同样涉及如何设置GSM和WCDMA网络间切换和选择的条件。

图7表示了系统根据用户请求服务类型，将业务量分摊到不同网络上获得的容量提升，红色和蓝色细线包围区域分别代表GSM/GPRS和WCDMA网络的混合业务支持能力。可见两网对不同类型业务支持特性不同，G网对话音业务支持能力强于数据，而WCDMA优势在数据业务方面。因此混合网络资源分配策略不同，系统整体容量差异较大。极端情况下，数据优先使用WCDMA、语音优先占用GSM将实现混合网络容量最大化（上方粗虚线），反之将造成系统混合业务容量最小化（下方粗实线）。

因此，GSM优先承载话音，WCDMA优先承载数据业务的接入策略，将最大限度发掘系统对混合业务的支持能力，在相同业务量情况下最大限度减少投入。

4   商用网络规划中对系统间切换考虑和建议

上文对双模终端在WCDMA-GSM混合网络中系统间切换概念的提出、网络架构设计构想、功能实现的基本原理以及几种主要互操作过程进行了大致介绍。本节参考已成功部署商用混合网络2G-3G互操作策略，结合下一步国内3G规划设计中要考虑的主要问题，对商用网络部署中系统间切换提出一些建议。

（1）系统间切换策略

基于网络匹配性和侧重性，结合用户发展和网络演进，商用网络推荐系统间切换方案为：电路域考虑3G到2G单向切换（可视电话在3G切换到2G后降级为纯话音通话）；分组域考虑3G-2G间双向切换，网络承载速率自适应调整。这样的策略无需考虑GSM的升级。

（2）用户在系统间驻留策略

用户系统间驻留方案，与系统间切换方案直接相关。语音和分组业务驻留策略不同，一般来说，用户在系统边界时，可选择仍驻留原系统或新系统，而根据用户对业务体验的不同要求及网络连续覆盖的可能性，结合系统间切换方案，商用网络推荐以下用户驻留策略。

对话音业务，终端处于3G通话状态下，由3G-2G同覆盖区移向纯2G覆盖区，到边界时，3G网络根据测量报告发起3G到2G的切换，边界处2G网应支持系统间切换。当终端在2G通话状态下，由纯2G区域进入3G-2G同覆盖区时，网络通过控制避免系统间切换；通话结束后，终端进入空闲状态，通过PLMN重选或小区重选驻留到3G网络。

对数据业务，若用户由2G-3G同覆盖区到纯2G区域，在到达3G覆盖边界时，由3G网络或双模终端发起小区重选，终端重选到2G网络；当双模终端驻留在2G网络，由纯2G区域向2G-3G同覆盖区移动，在到达3G覆盖边界时，双模终端小区重选到3G网络。
（3）网络选择及重选策略

混合网络中不同系统的选择也与系统间切换方案密切相关。从网络负荷角度，优选3G可有效分担2G网络负荷，提高3G网络利用效率。此外，若空闲模式下双模终端优先驻留2G网络，当使用3G特有业务时就需发起2G到3G的重定向，这样一方面会增加接入时延、提高对处理能力的要求，且成功率有待验证；另一方面需对2G网络升级，增加重定向算法和信令处理功能，对2G网络造成一定冲击，现网质量存在风险。

因此，商用3G网络部署建议在初期3G用户少时，3G用户附着在3G网络，即可避免不必要的系统间切换，并使3G有效分担系统话务，避免3G用户对2G网络容量的冲击。

但网络选择策略在上述原则的前提下，还存在3G网络利用率最大化的问题。比如，为达到双模用户优选3G的目的，理想做法是只要3G信号满足最低导频强度要求，立即重选到3G网络，这样可达到3G网络最大化的要求。但由于终端运动的随机性，不能保证持续接收到足够强的导频信号，这就可能出现终端马上又回到2G网络的情况。随着无线信号衰落的变化，在2G/3G间乒乓的可能性增加。这不仅对被叫寻呼成功率有影响，且终端此时发起呼叫会出现接通率低、异常掉话等问题。
为提高系统间切换成功率，有必要根据无线环境在某些地区适当提前启动压缩模式测量和切换执行过程，以避免信号突然衰落导致异常掉话。否则，只有当信号衰减到某绝对门限下才启动切换准备和执行过程，若此时遇到拐角或严重遮挡，容易发生掉话。

5  结论
WCDMA和GSM系统间切换机制，使现有GSM运营商可以在3G建设初期以尽可能低的成本向3G用户提供大范围连续覆盖。为实现2G/3G系统间切换，需解决如下关键问题：

 双模终端设计；
 “松耦合”策略下系统间切换消息的传递；
 WCDMA压缩模式下对GSM的测量；
 WCDMA和GSM网络间的终端驻留和小区重选策略。

根据互操作机制的基本原理、负荷分担策略、3G初期的业务模型，结合已成功部署的商用WCDMA-GSM混合网络中2G-3G互操作策略经验，建议电路域业务采用WCDMA到GSM单向切换，分组业务支持WCDMA与GSM/GPRS的双向小区重选。