几种无线通信系统的局间切换流程比较研究

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摘要　分别分析和比较了在国内无线通信领域占了主流地位的GSM系统和PHS系统、即将投入建设的WCDMA R4网络的局间切换流程，概括了几种系统局间切换流程的本质不同及其根本原因。本文可以作为切换研究、MAP研究、R4与GSM兼容性测试的依据，并供一致性测试作为参考。
1、前言
　　在无线通信系统中，切换就是为了完成无线用户发起的一次业务接入过程或者一次正在进行的通话期间，用户所在的位置由一个小区变更到另一个小区的过程。切换功能的完备性和切换效果直接影响到为用户提供的服务质量水平。切换的类型有多种，例如WCDMA移动系统中除了软切换和更软切换，WCDMA还包括局内RNS内部、MSC内部（包括RNC间、BSC间、RNC与BSC之间）和MSC间的切换（又称局间切换）。由于GSM、PHS系统与WCDMA系统相比，三者的系统结构很类似，因此切换类型上，GSM、PHS系统与WCDMA系统相比只是缺少软切换这种功能类型，其它切换类型都会有。
　　在移动通信系统中，当移动用户在通话过程中由一个服务区切换到另外一个服务区时，如果这个服务区属于另外一个交换局MSC，那么整个切换过程需要两个MSC的参与，而且为了保持通话接续，除了新的接入小区为无线用户提供无线资源以外，还需要在两个MSC间建立一条局间电路供通话使用。PHS系统由于结构上和GSM系统基本相同，因此上述切换过程在PHS系统中相类似，只是完成切换的消息流程及控制机制存在差异，这也就是本文要研究的内容。
　　引起切换的原因有几个可能，例如在GSM或WCDMA系统中当通话中终端越出当前小区，需要进行切换以保证现有通话不中断，或者当通话中的终端改变小区能够避开干扰或“优选小区”拥塞时，终端都会切换到临近小区以保证能够获得可靠的服务质量。但启动切换的条件和纯无线域的切换不是本文章重点研究的内容，所以本文只假设符合了切换条件并研究切换的信令交互流程。
2、切换流程说明
　　2.1　WCDMA网内的切换流程
　　2.1.1　切换描述
　　WCDMA中的局间切换在3GPP MAP协议中有专门的“切换业务”，其中包含了确认型的MAP_PREPARE_HANDOVER和非确认型的MAP_PROCESS_ACCESS_SIGNALLING等多个业务以及各自的原语。
　　MSC间的局间切换包括“基本的MSC间切换”和“后续MSC间切换”两种。基本切换只涉及呼叫从源MSC（MSC-A）至另一个目标MSC（MSC-B）的切换，参见图1流程（在MAP_PREPARE—SUBSEQUENT_HANDOVER之前的部分）；当呼叫从MSC-A切换到MSC-B后如果需要继续连接，可能有必要从MSC-B切换回MSC-A或者到第三个MSC（MSC-B’），则称为后续切换。参见图1流程（在MAP_PREPARE_SUBSEQUENT_HANDOVER之后的部分）。切换流程中所使用到的主要MAP业务见表1。而表1所描述的是切换中主要涉及到的业务类型和原语及重要参数。

图1　WCDMA网络的基本和后续切换流程

表1　MAP中切换业务及原语解释

　　（1）在切换过程中，源MSC利用MAP_PREPARE_HANDOVER将目标RNC ID、ANAPDU、radio resource list等无线信息传递给目标MSC转发给目标RNS，目标RNS对收到的一些参数作出回应，再加上其它RANAP信息一起上传给目标MSC，由目标MSC通过MAP_PROCESS_ACCESS_SIGNALLING消息携带这些无线参数反馈给源MSC，源MSC将这些信息下发给UE/MS以完成后面的切换流程；
　　（2）在切换完成后，源MSC仍然保持对呼叫的控制，因此源MSC还可以通过MAP_FORWARD_ACCESS_SIG NALLING：携带AP-PDU、radio resource list等无线信息传递给目标MSC转发给目标RNS，目标RNS同样对收到的一些参数作出回应，由目标MSC通过MAP_PROCESS_ACCESS_SIGNALLING消息携带这些无线参数反馈给源MSC，起到了源MSC与目标RNS之间的参数协商及控制作用。
　　从上述流程可以看出：
　　（1）WCDMA的局间切换是由用户的当前局（切出局），即控制局触发并控制用户的切换过程，因此Iu接口需要上报用户预切换的目标RNC标识等信息给切出局，切出局根据收到的目标RNC标识分析得出目标交换局，直接与目标交换局进行系列切换过程；
　　（2）切换期间，用户不做位置更新操作，用户数据仍然保持在切出局上，因此话路一直由控制局控制，计费等信息仍然由切出局记录；
　　其中HON切换号码是指当用户在呼叫过程中发生局间切换，由切入交换局为切出交换机分配的并能够使这两个交换局之间能够建立话路的号码，其格式与漫游号码相同；AN-APDU装载有无线接入侧相关信息。
　　2.1.2　MSC-A的切换程序
　　本程序所完成的是在MSC-A中完成的从MSC-A到MSC-B的基本切换，以及到MSC-B’或者回到本MSC-A的后续切换。
　　MSC-A通过MAP_PREPARE_HANDOVER业务请求（request）发出目标RNC标识及由于兼容原因MSC-B分配必要无线资源所需要的所有信息。如果MSC-B接受对话则回送MAP_PREPARE_HANDOVER证实（confirmation），其中包括HON号码和无线侧回应信息给MSC-A。
　　当用户终端与MSC-B成功建立呼叫，MSC-B还要通过MAP_SEND_END_SIGNAL指示（indication）通知MSC_A，MSC_A可以通过这个消息的响应（response）关闭MAP对话。
　　在稳定切换状况下的呼叫过程或者切换之后，MSC-A与MSC-B之间仍然可以通过调用MAP_FOR WARD_ACCESS_SIGNALLING请求（request）和接收MAP_PROCESS_ACCESS_SIGNALLING指示（indication）进行AN-APDU等信息的交互。
　　对于后续切换：MSC-A收到MAP_PREPARE_SU BSEQUENT_HANDOVER请求后就启动后续切换的程序，见图1，表1中MAP_PREPARE_SU BSEQUENT_HANDOVER以下的信令流程；MSC-A当与MSC-B’的切换流程都成功完成后，将向MSC-B发送MAP_SEND_END_SIGNAL确认消息（confirmation）来关闭MAP对话。
　　2.1.3　MSC-B的切换程序
　　本程序所完成的是在MSC-B中完成的从MSC-A请求切换，以及到MSC-B’或者回到主控MSC-A的后续切换。
　　当接收到从MSC-A发过来的MAP_PREPARE_HANDOVER业务请求时，MSC-B请求本VLR提供切换号码HON，并通过响应消息（response）中将HON连同无线部分的回应信息返回给MSC-A。
　　当MSC-A接收到MAP_PREPARE_SUBSEQUENT_HANDOVER时，MSC-B将等待呼叫断开，一旦断连完成，MSC-B将通过MAP_SEND_HANDOVER_REPORT确认（confirmation）来通知本VLR释放分配的切换号码供后续使用。
　　2.2　GSM网内的切换流程
　　整个切换过程用到的MAP业务例如MAP_PREPARE_HANDOVER基本切换业务和MAP_P REPARE_SUBSEQUENT_HANDOVER后续切换业务与WCDMA系统完全一样，包括业务原语。所不同的是MAP业务操作中携带的部分参数不同，例如将“目标RNC ID”换为“目标小区ID”、将“AN-APDU”换为“BSS _APDU”等等。由于纯GSM网内的局间切换信令流程与WCDMA一致，本文不再赘述，参见2.1部分。
　　2.3　WCDMA与GSM网间的切换流程
　　WCDMA与GSM网络之间的切换包括以下4种场景：
　　（1）UMTS_MSC到GSM_MSC系统间的基本切换
　　（2）GSM_MSC到UMTS_MSC系统间的基本切换
　　（3）GSM_MSC到UMTS_MSC又切回GSM_MSC系统的后续切换
　　（4）UMTS_MSC到GSM_MSC又切回UMTS_MSC系统的后续切换
　　切换的过程与同一系统的过程一致，参见2.1部分，但是由于两种系统无线接入所需的信息不同，因此系统间切换时在MAP业务操作中传递的参数会不同，如从UMTS切换到GSM时，需携带“目标CELL ID”，“BSSMAP Service Handover”等，如从GSM切换到UMTS时，需携带“目标RNC ID”，“RANAP Service Handover”等。
　　不同系统间切换的实现关键要满足两点：第一是UMTS系统的MSC要有识别GSM小区的能力，GSM系统MSC要能对UMTS系统的RNC ID进行识别，而且能够根据不同的需要分别构造符合UMTS或GSM协议的消息；第二是MSC要支持UMTS和GSM之间服务质量参数的相互转换，即能够完成GSM系统中描述服务质量的CHANNEL TYPE与UMTS系统中描述服务质量的QoS之间的相互转换和映射，以保证用户在切换后仍能获得同样质量的服务。
　　另外，由于WCDMA和GSM使用的MAP版本会有差异，如WCDMA一般是Version3，而GSM中一般是Version2，因此两系统之间进行切换时，由于MAP版本上的不一致，需要先进行版本协商，协商后统一采用较低版本的MAP业务完成切换过程。
　　2.4　PHS网内的切换流程
　　PHS系统的局间切换流程与ETSI或者3GPP MAP协议中的规定有所不同，它没有专门的“切换业务”，与PHS的正常呼叫处理业务非常相似，也是利用SRI和PRN消息进行交互，只是将入呼局换为切入局，MAP信令消息与呼叫一致，所不同的是在PRN消息中的询问类型（interrogation type）需要指明是向对端局查询切换号码而不是漫游号码。当切入局发出的IAM消息（ISUP消息）被切出局接收并应答后，就完成了用户的跨局切换过程。两局间的TDM通路一直保持至呼叫结束或者用户再次发生切换到其他局。
　　图2中描述的是典型的PHS系统切换流程，也基本上被确定为中国电信不同厂家PHS系统的统一标准，目前部分厂家完全遵照此流程，但也存在某些厂家内部的切换还不完全符合此MAP规范要求。

图2　PHS系统的切换流程

　　该流程中所使用到的主要MAP业务及解释见表2所示。

表2　PHS MAP切换业务及解释

　　注意在PHS系统中并没有专门的HON切换号码，其编号规则和分配方法与MSRN漫游号码是一致的，该号码的传送需要经过HLR的转发，这也是与GSM或WCDMA的切换流程中很大的一处不同。
　　从上述流程可以看出：
　　（1）PHS的局间切换是由目标切入局触发用户的切换请求，由用户的当前局（切出局），即控制局控制用户的切换过程，因此切入局需要借助HLR找寻用户当前拜访的交换局；
　　（2）切换期间，用户不做位置更新操作，用户数据仍然保持在切出局上，因此话路一直由控制局控制，计费等信息仍然由切出局记录。
3、流程异同的比较及原因研究
　　由前面章节的切换流程可以看出：WCDMA由于沿袭了GSM的MAP切换过程，因此两者差异较少，主要差异在于MAP消息传递的参数会有不同，这是因为WCDMA与GSM系统中的无线参数存在差异的缘故；而WCDMA/GSM网络中的局间切换与PHS网络中的局间切换差异较大，它们的主要差异及原因总结如下：
　　（1）切换的触发方式及原理不同
　　GSM/WCDMA网络：无线侧根据移动终端上报的无线指标选择好目标小区后，向核心网交换机（控制该用户的交换机，也称为源交换机）发起切换相关的请求，源交换局根据无线侧上报的目标小区/RNC标识等信息找寻切换的路由，因此切换路由的找寻不需要借助HLR。当源交换局与目标交换局之间通过MAP消息交互，目标BSS/RNS都准备好以后，源交换局开始向无线侧下发切换命令，这时通话暂时中断，直到终端切换到目标RNS/BSS后，通话恢复正常。
　　PHS网络：PHS终端先行切入到目标局，这时通话断开，由目标局去找寻切换的路由，路由的找寻因此需要借助HLR去获取切换号码，最终由目标局向源交换局发起话路建立请求，将话路接入到源交换局，完成切换，通话恢复正常。
　　这种切换方式上的不同，导致了PHS的硬切换造成的通话中断时间要长于GSM/WCDMA切换，用户对切换感觉比较明显。
　　（2）切换路由找寻方式不同
　　GSM/WCDMA网络由源交换局分析无线侧上报的目标小区/RNC标识等信息找寻目标交换局。
　　PHS网络由目标交换局借助HLR找寻源交换局。
　　（3）话路建立的方向不同
　　GSM/WCDMA网络，话路由源交换局发起，建立到目标交换局的通路。
　　PHS网络，话路由目标交换局发起，建立到源交换局的通路。
　　（4）连续切换两次以上的过程不同
　　GSM/WCDMA网络：后续切换发起由前一次的目标局发起，切换过程由源交换局控制，这是因为无线侧的信息由前一次的目标局掌控，而用户的业务由源交换局控制，因此前一次的目标局需要向源交换局发起后续切换请求，由源交换局决定是否进行后续的切换。
　　PHS网络：后续切换流程和第一次的切换过程一致，由目标交换局将切入的话路建立到源交换局上，源交换局释放掉与前一次目标交换局之间的话路，这是因为PHS的切换过程由目标局触发，切换路由统一借助HLR找寻的缘故。
　　（5）无线侧的过程不同
　　GSM/WCDMA网络：手机终端需要测量各小区的信号强度，并将测量结果上报给BSC/RNC，BSC/RNC根据收到的测量结果，选择目标小区，并将目标小区/RNC标识等无线相关信息上报给核心网（源核心网），由源核心网根据目标小区/RNC标识等信息找寻目标网络，当目标网络准备就绪后，源核心网向无线侧发送切换命令，手机终端收到无线侧切换命令后切入到目标网络。
　　PHS网络：终端自行决定切入哪个小区，先切入目标小区，由目标网络找寻并建立与源交换网络的话路。
　　（6）R4网络中，还存在同一MSC SERVER下，两个MGW之间的切换情形，此时，切换的MAP过程没有，核心网侧MSC SERVER只需完成媒体流部分的切换控制，媒体流仍然经由第一个MGW出局，以保持通话第一次建立时与别的MGW的媒体流通路不发生变化。