基于 LTE 网络的 CSFB 语音业务设计与实现
摘要：针对 LTE 建网初期覆盖不足的现状，提出了基于 LTE 网络的 CSFB 语音业务方案和实现办法。目前，CSFB 回落方案采用 3GPP R8 重定向回落方案，同时要求终端支持缓读 System Information 13 系统消息功能以缩短呼叫建立时延、优化方案性能。总体来说，CSFB 呼叫建立过程包括三个阶段：UE 在 LTE 网络发起呼叫/被叫接收寻呼、UE 在 LTE 网络指引下回落并搜索合适的 W 小区接入、UE 读取 W 小区系统广播消息并建立语音通话。在 CSFB 部署过程中，因参数配置或者设备功能缺陷，将导致 CSFB 呼叫建立过程出现异常情况。解决了被叫语音用户由 4G 网络回落到 3G 网络过程中出现的“被叫关机”问题，对于今后的网络优化具有参考价值。
关键词：LTE；CSFB；被叫关机；MRTF
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0201-03.
0 引言
长期演进（Long Term Evolution，LTE）是由 3GPP组织制定的 UMTS 技术标准的长期演进，于 2004 年 12 月在 3GPP 多伦多会议上正式立项并启动。LTE 系统引入了正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）和多输入多输出（Multi-Input & Multi-Output，MIMO）等关键技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率，支持多种带宽分配及全球主流 2G/3G频段和一些新增频段，因而频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖也显著提升。LTE 系统网络架构更加扁平化、简单化，减少了网络节点和系统复杂度，从而减小了系统时延，也降低了网络部署和维护成本。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。为确保在 LTE 网络上顺利开展高质量的语音业务，各标准组织都积极研究并提出了多种语音业务解决方案。
电路域回落（Circuit Switched Fallback，CSFB）是 3GPP R8中 CS over PS 研究课题的成果之一。该研究课题提出的背景是 LTE 和 CS 双模终端的无线模块是单一无线模式，即具有LTE 和 UTRAN/GERAN 接入能力的双模或者多模终端，在使用 LTE 接入时，无法收/发电路域业务信号。为了使得终端在LTE 接入下能够发起话音等 CS 业务，以及接收到话音等 CS业务的寻呼，并且能够对终端在 LTE 网络中正在进行的 PS业务进行正确地处理，产生了 CSFB 技术。
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 网络的部署策略，运营商可以采用原有的CS域语音方案来提供语音服务，而LTE网络仅处理数据业务(包括IMS数据业务)。
但是CSFB的使用是有前提条件的，那就是只有在E-UTRAN与 UTRAN/GERAN 的重叠覆盖区域，并且用户具有CSFB功能的时候，才能使用电路域回落。CSFB 是 LTE 终端通过回落到 CS 域然后使用语音业务的一种方案。当终端平时驻留在 LTE 网络，使用 LTE 数据业务；当发起语音呼叫或者接收语音呼叫的时候，终端回落到 2G/3G 电路域进行语音呼叫，结束后再返回 LTE。
1 CSFB 语音业务方案
1.1 CSFB 的网络结构
基于 CSFB 的语音业务，是一种在不引入 IMS（IP Multimedia Subsystem）的情况下，利用现有的 GU（GSM /UMTS）网络实现语音通话的一种语音解决方案。该方案在用户进行语音业务时，由 EPS（Evolved Packet System）网络指示用户回落到目标 GSM/UMTS 电路域（CS）网络之后，再发起语音呼叫。
CSFB 语音特性中，最主要的接口是 SGs 接口，如图 1 所示，它是 MME 和 MSC Server 之间的接口，用来处理 EPS 和CS 域之间的移动性管理和语音业务寻呼流程，同时也提供SMS 传输功能（ SMS over SGs ）。SGs 接口类似于 3G 的 Gs接口，通过该接口可以完成联合附着、联合位置更新、IMSI/EPSdetach 功能。
UE 的主叫业务不经过 SGs 接口，因为 MME 收到带有 UE发送的CSFB标识（指示回落）后，直接通过eNodeB指示UE回落到 CS 域。当 UE 有被叫业务时，paging 消息经 CS 发送到 MME，由 MME 发起回落流程。被叫回落流程和主叫回落流程类似。
1.2 CSFB 的基本原理和过程
CSFB 过程大致分为 4 个阶段，如图 2 所示：
图 2 CSFB 基本方案以及回落过程
第一阶段：在空闲模式下，手机通过联合附着，同时附着在4G MME和 3G/2G MSS中，空闲状态下，待机在4G网络中。
第二阶段：用户发起语音业务，根据MME中的配置信息，从 4G 网络中脱离。
第三阶段：用户在 3G/2G网络中注册，然后发起 3G/2G的语音业务。
第四阶段：用户挂机后，返回 4G 网络。
2 实现方案
被叫语音用户在从 4G 网络回落到 3G 网络的过程中，会遇到下列三种情况：
同一 MSS 的同一 LAC；
同一 MSS 的不同 LAC；
不同 MSS 的不同 LAC。
在第三种情况中，当被叫 LTE 用户回落到 3G/2G 网络进行 CSFB 业务时，因为 LTE 用户在 TAC 里面移动，虽然 LA 已经发生变化（出在两个 LAC 的交叠区域），但是没有触发联合的位置更新，导致 HLR 记录用户所在的 MSC 与当前用户实际所在的 MSC 不一致。因此，此时如果从旧的 MSC 发起终结寻呼就会失败，因为在 3G 发起的 CS 业务请求仍在 MSC1下发，但是此时被叫实际上是处于 MSC2 下，寻呼不到被叫，因此提示被叫关机，如图 3 所示。
图 3 异常场景带来呼叫失败
场景三多发生在 MSS 交界边缘。在 MSS 交界处，无线覆盖有重叠，手机在 CSFB 过程中根据信号强弱，选择信号强的基站接入，就会导致场景三的情况出现。
针对网络中存在的这种问题，一般有两种方案解决。一种是 MSS 组 POOL，一般在本地网中所有的 MSS 组成一个POOL,那么在一个本地网中，不会出现被叫无法接通的问题；第二种方案是核心网侧开启 MTRF 或者 MTRR 功能，由于MTRF 功能开启条件相对简单，对核心网的改造量不大，所以绝大多数运营商都采用 MTRF 的方案。下面我们就介绍一下MTRF 工作原理。
移动终端漫游转发（Mobile Terminating Roaming Forwarding，MTRF）可以实现 old MSS（联合位置更新附着的 MSS）和 new MSS（回落的 MSS）之间的呼叫前转，从而让被叫用户成功的接入网络。其具体流程如图 4 所示：
图 4 联合位置更新流程
流程 1：SRI+PRN 流程。主叫 MSS 从归属 HLR/HSS 中取到被叫联合位置更新的交换机（Old MSS）路由。
流程 2：IAM 流程：主叫 MSS 将呼叫路由转到 Old MSS。
流程 3：Paging 流程：Old MSS 通过 SGs 接口到 MME 中寻呼 4G 被叫用户。
流程 4：CSFB流程：被叫手机从 4G网络回落到 3G/2G网络。
流程 5：LAU 流程：被叫手机在 New MSS 中进行位置更新流程。
流程 6：SI 流程：New MSS 到 Old MSS 中读取用户标识和鉴权信息，携带 MTRF 标志，表示 New MSS 支持 MTRF。
流程 7：Update Location 流程：New MSS 到 HLR/HSS 中进行位置更新。
流程 8：Cancel Location 流程：HLR/HSS 删除 Old MSS 用户位置。
流程 9：PRN 流程：Old MSS 到 New MSS 取路由。
流程 10：IAM 流程：Old MSS 将呼叫路由转移到 NewMSS。
核心网开启MTRF功能后，CSFB被叫用户无法正常呼叫的问题就解决了。
3 结语
在 4G LTE 网络建设的初期阶段，由于运营商已经有成熟的 3G 或者 2G 网络，所以一般采用 CSFB 的方式来提供语音业务。引入 CSFB 之后，会带来诸如上文中被叫无法接通等一系列问题，本文仅从联合位置更新失败导致的问题给出一个解决办法，希望可以对将来的网络优化提供一种思路以及方法。 随着 4G 网络的发展，后期运营商完成对网络的改造后，可以采用 VoLTE 的方式来提供语音业务，从而避免 CSFB 过程中产生的一些呼叫问题。
参考文献：
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[3] 3GPP-TS23.402,Architecture enhancements for non-3GPPaccesses, 3GPPTechncial Specification TS23.402, V9.13.0.[S],2014(6).
作者简介：李慧明，男，内蒙古呼和浩特人，工程师，主要从事无线网络优化工作；崔丽珍，女，硕士生导师，副院长，教授，研究方向为宽带无线通信、无线传感器网络。
