1、移动通信 2004 年第 12 期 WCDMA 和 GSM/GPRS 移动通信系统间的漫游和切换 李文宇 李 波 信息产业部电信研究院 1 概述 进入 2004 年，随着第三代移动通信系统的逐渐成熟和稳定，其商用化和网络建设也逐 渐开始进入倒计时。作为其核心技术之一的 WCDMA 将成为第二代移动通信系统 GSM/GPRS 的未来主要替代技术之一。出于对成本的考虑，对已经拥有 GSM 网络的运营商， 在网络建设的初期，可能会考虑用 WCDMA 技术对热点和密集市区进行连续覆盖，而原有 的 GSM/GPRS 网络，经过多年的建设和优化，已经达到了对各种地理环境进行的全覆盖。 这样就形成了密集城区
2、双网覆盖，市郊和边远城市以及乡村 GSM 覆盖的混合网络。如何在 这样的混合网络中为用户提供无缝的业务覆盖， 如何在通信网络的重复覆盖的地区优先选择 业务更加丰富的 WCDMA 网络，将成为运营商必须考虑的问题，随之而来的系统间漫游和 切换(以下称为 2G/3G 漫游切换 ) 也成为无缝覆盖的关键。本文从技术角度详细介绍了两种不 同技术间漫游和切换，重点讨论了测试中相互之间的主要流程和关键参数，并对工程实施中 的某些重点问题进行了探讨。 2 漫游 这里所说的 2G/3G 漫游，更准确的说应该叫做 2G/3G 的网络选择，或叫接入技术的选 择。是指未发起业务的用户在两网覆盖的重叠区域，能通过适当
3、机制采用不同的接入技术选 择信号质量更好的网络。这种选择既可以是用户从手机上采用手动模式强制选网，也可是采 用自动模式根据网络信号的质量进行自动选网。自动选网方式，可以满足在网络交界地区的 无缝覆盖要求，给用户提供更满意的服务质量。本文主要探讨的是自动选网方式的主要流程。 2.1 自动选网的条件 能够进行自动选网除需要手机支持两种接入技术外，需要在系统侧进行相关参数的配 置。在两种网络覆盖的交界区，需要在小区的系统广播消息的异系统邻小区列表中配置另一 个网络的小区信息。测试中应能从系统消息中读到接入技术类型（ GSM/WCDMA）、基站识 别码（BSIC）、频点（ ARFCN ）、小区标识（C
4、ell_ID）等信息；手机收到广播消息后，会更 新自己的小区列表；当手机测量到本小区信号低于某个门限或失去网络时，会根据小区列表 移动通信 2004 年第 12 期 搜索相邻小区信息，选择信号更好的另一个网络的小区，进行位置更新或路由区更新。 2G/3G 间的漫游分为 WCDMA CS 域和 GSM 间的漫游，WCDMA PS 域和 GPRS 间的漫 游。以下分别加以说明。 2.2 WCDMA CS 域和 GSM 间的漫游 WCDMA CS 域和 GSM 间的漫游主要涉及手机、两个系统的 MSC 和原系统的 HLR。 通常两个网络的 PLMN 号码是不一样的。当手机接收到另一个系统的小区广播并
5、决定选择 新的网络时，会采用相应的接入技术与新的无线网络建立连接，随后向新的 MSC 发起位置 更新请求。 MSC 向用户登记的 HLR 请求用户的鉴权信息，对用户进行鉴权。鉴权成功后， 新 MSC 会向 HLR 请求位置更新，告知 HLR 用户的最新位置。HLR 登记用户的最新位置并 通知原有 MSC/VLR 删除该用户位置信息后，会向新的 MSC 插入该用户的签约数据，告知 MSC 用户的 MSISDN 和签约业务。当新 MSC 接收到 HLR 发送的位置更新完成消息后，会 向手机发送位置更新接受，告知用户所在的位置区（ LAI）和移动台临时标识 TMSI。更新 流程，也即漫游过程完成。测
6、试中应注意各消息的参数完整性。 从 WCDMA 向 GSM 漫游与从 GSM 向 WCDMA的漫游的基本流程相似，手机和核心 网通信用的非接入层消息也基本相同。不同之处有两点，一是与接入网络建立无线承载时采 用的底层技术和协议不同；二是对用户进行鉴权的机制和算法不同。在向 GSM 网络漫游的 过程中， HLR 把该用户的鉴权三元组（ RAND，SRES，Kc ）发给 MSC，MSC 用这些鉴权 信息对手机进行合法鉴权。而在向WCDMA 网络漫游的过程中， HLR 就会把该用户的鉴权 五元组（RAND，XRES ，CK，IK ，AUTN ）发给 MSC，MSC 用这些鉴权信息对手机进行 合法鉴权
7、。这是在测试中应重点注意的方面。 整个漫游的流程如图 1 所示： 8.TMSI 重分配完成 图 1. 2G_3G 电路域间的漫游 2.3 WCDMA PS 域和 2G GPRS 间的漫游 由于 3GPP Rel.99 的分组域和 2G 的分组域核心网基本相同，因此尽管接入技术不同， 手机与分组域核心网之间的高层信令交互是基本相同的。从高层信令流程上看，手机在 3G 和 2G 系统间漫游与在相同接入技术的 2个 SGSN 之间漫游基本类似，只在某些方面会有一 些区别，测试中应予以重视。 WCDMA PS 域和 2G GPRS 间的漫游主要涉及手机，两个 SGSN 和原系统的 HLR。手 机在原有
8、系统的小区下附着成功后，会在手机和 SGSN 侧建立 MM 上下文，随着手机向小 区边缘移动，信号质量不断恶化，并会接收到另一个系统的小区广播并决定选择新的网络。 和电路域类似，手机会向新的 SGSN 发起路由区更新请求。 SGSN 会根据其路由区标识 RAI， 寻址到手机原来的 SGSN，并通过 SGSN 上下文请求消息把手机原来的 RAI, 原来的 P-TMSI 和 P-TMSI 签名，发给老的 SGSN,查询手机原有的 PDP 上下文和 MM 上下文。原来的 SGSN 将用 SGSN 上下文响应消息响应新的 SGSN，表示接受请求，否则会给出错误原因。新的 SGSN 会用确认消息向原 S
9、GSN 做出响应。由于手机现在1.位置更新请求 2.索要鉴权信息 3.用户鉴权 4.更新用户位置 5.取消用户原来位置 6.插入用户签约数据 7.位置更新接受 UE 原 MSCHLR新 MSC 移动通信 2004 年第 12 期 处在无业务的空闲阶段，其 MM 上 下文更加重要，里面含有用户的鉴权信息、 DRX参数。但是由于 2 个系统一个用的是 2G 的鉴权算法（ 3 元组）、一个是 3G 的鉴权算法（五元组），通常得到的鉴权信息是不可用的。 SGSN 会重新向用户的归属位置寄存器 HLR 索要用户的鉴权信息并对用户鉴权。这个过程 和电路域是类似的。鉴权完成后， SGSN 会向 HLR 发起
10、 GPRS 位置更新请求，告知 HLR 用 户的新位置 SGSN 地址和号码。 HLR 登记用户的最新位置并通知原有 SGSN 删除该用户的 PDP 和 MM 上下文后，会向新的 SGSN 插入该用户的签约数据，告知 SGSN 该用户的 MSISDN 和签约业务。当新 SGSN 接收到 HLR 发送的位置更新完成后，会向手机发送路由区更新接 受，告知用户所在的新路由区标识（ RAI）和移动台临时标示 P-TMSI。得到手机响应后更 新流程完成。 通过和电路域的漫游相比，大家可以看到分组域的漫游增加了两个 SGSN 之间的上下 文传送的流程。因此 3G 到 2G 的 GPRS 漫游和 2G 到
11、3G 的 GPRS 漫游之间的区别，除了电 路域中的 2 点之外，还增加了在 SGSN 上下文请求流程中的区别。第一、在上下文响应消 息中，2G SGSN 发给 3G 的 SGSN 的 MM 上下文中 Security type 为 3，说明所携带的鉴权消 息是用于 GSM/GPRS 鉴权的，是鉴权三元组，而 2G SGSN 发给 3G 的 SGSN 的 MM上下文 中 Security type 为 2 ，说明是给 UMTS 鉴权的，是鉴权五元组。第二，GTP 版本的不同。在 3G 分组域中，是用的 GTP 版本为 1，而 2G GPRS 系统，既可以使用 GTP1，也可以使用 GTP0 的
12、版本。GTP1 向下兼容 GTP0，从而保证了 3G和 2G GPRS 的业务互通。但需要说 明的是， GTP0 是不支持鉴权 5 元组的。 整个漫游的流程如图 2 所示： 3 系统间切换 1.路由区更新请求 2.SGSN 上下文传递 3.索要鉴权信息 4.用户鉴权 5.更新用户 GPRS 位置 6.取消用户原来位置 7.插入用户签约数据 8.路由区更新接受 9.路由区更新完成 图 2. 2G_3G 分组域间的漫游 原 SGSN HLR UE 移动通信 2004 年第 12 期 2G/3G 间的切换是指已经发起业务的用户在两网覆盖的重叠区域， 能通过适当机制选择 另一种接入技术接入到信号质量更
13、好的网络，保证业务的正常进行。这种切换是一种跨 MSC/SGSN 的硬切换技术，切换中间由于不同系统无线链路间的切换，可能会有短暂的业 务停顿。 整个切换的机制是采取手机测量、上报、网络进行判决、手机再来执行的 4 步过程来完 成的。当手机处在一个系统的边缘小区，并和网络建立了电路域或分组域的业务，网络侧会 通过系统广播消息和测量控制消息向手机通知另一个系统的邻小区信息，包括接入技术类 型、基站识别码、广播信道的频点等，以及需要手机上报的测量结果和测量报告的触发准则。 当手机得到这些消息后，会根据自己的能力按照网络的要求启动压缩模式，在数据传输的间 隔中对另外一个系统的下行导频信道进行频间测量
14、，当信号质量满足触发准则时，手机会上 报测量结果。网络经过判决，决定切换后。首先会和另一个系统的核心网进行协商，等待对 端为该手机分配必要的资源，建立相应的信道，然后会通过空中接口高层消息通知手机进行 切换。手机会释放掉原有的无线连接，转入新的系统继续自己的业务。 同样， 3G 电路域和 2G/GSM 之间的切换与 3G 分组域和 2G GPRS 系统之间的切换流程 也是不一致的。 3.1 3G 电路域和 2G/GSM 之间的切换 3G 电路域和 GSM 间的切换是由 3G 的不同接入技术间切换流程和 2G 的切换流程组合 而成的。我们首先来看 3G 电路域到 GSM的切换。 当发起话音业务的
15、手机在 3G 网络中进入边缘小区，除了不断测量自己所用的无线下行 链路质量以外，会根据系统测量控制的要求启动压缩模式进行频间测量和接入技术间测量， 当测量结果满足报告准则就会上报给系统。系统决定手机进行切换后，首先会由RNC 向核 心网请求重定位，核心网 MSC 和 GSM 的 MSC 经过协商同意用户进行切换后，会通知 RNC。 这期间 2G 的 MSC 会通知自己的基站控制器 BSC，为该用户在基站子系统 BSS 中预留无线 资源。 RNC 通过 RRC 消息 Handover_From_UTRAN 通知手机进行切换，需要的话，在消息 里告知手机切换需要的各个参数。手机按照网络侧下发的参数
16、或默认配置进行切换，切到 移动通信 2004 年第 12 期 GSM 系统。 GSM BSC 检测到手机已经切入，会通知 MSC。当手机在 BSS 中建好用户面承 载，完成上下行同步开始继续业务后，会在空口通知 BSC 切换完成，并由 BSC 通知 GSM MSC。GSM MSC 通过 MAP 消息通知 3G MSC 释放原有的 Iu 连接和无线承载，切换过程完 成。原有的话路会从原 MSC 经 GSM MSC 转接送达到手机。测试中应该看到，在通话结束 后，手机会发起一次位置更新，通知 HLR 更新自己的位置信息。这次位置更新流程和前面 提到的网络选择中的位置更新，基本是相似的。 而从 GS
17、M 到 3G 电路域的切换，整个流程和 3G 到 GSM 的切换基本类似，但方向相反。 另外需要说明的一点是，在 3G 系统中，为防止恶意攻击系统和网络，空中接口的控制面上 下行消息都是要进行完整性保护的，这样在 RNC 得到切换完成的消息后，会在空中接口进 行 RRC 安全模式控制，采用完整性保护算法对控制面消息进行保护。整个切换的流程见图 3： 3.2 3G 分组域和 2G/GPRS 之间的切换 相比电路域的切换，分组域的切换有比较大的差别。从切换的发起机制来讲，既可以是 网络侧发起的 CELL_CHANGE_ORDER，也可以是手机主动发起的 CELL_RESELECTION 方式，具体
18、采用哪一种，取决于系统和手机的能力和切换机制。 主要的差别出现在原系统中， 在 CELL_CHANGE_ORDER 方式下，手机听从系统的命令进行切换，而在 CELL_RESELECTION 方式下，手机会根据自己的测量结果，自主的决定是否进行切换。对 于处在 CELL_PCH 或 URA_PCH状态的手机，只能采用 CELL_RESELECTION 的方式进行 切换。而对目标系统，也就是新的 GPRS系统来讲，消息流程是相似的。 我们先看由 3G 分组域到 2G GPRS 的切换。在系统配置和手机测量方面，分组域和电 路域切换是相似的。我们以网络侧发起的 CELL_CHANGE_ORDER
19、方式为例说明整个切换 UE RNC 3G MSC 2G MSC BSC RANAP: 重定位请求 MAP:切换准备 BSSAP:切换准备 RANAP: 重定位命令 RRC: 执行切换 BSSAP: 切换捕获 切换完成 BSSAP: MAP:通知切换完成 切换完成 RANAP:Iu 连接释放 位置更新过程 图 3. 3G CS 域到 GSM 的切换 移动通信 2004 年第 12 期 流程。当系统决定手机进行切换后， 会首先在空中接口发送 RRC 消息 Cell Change Order From UTRAN 给手机，告诉手机切换的目标小区描述，包括接入技术、基站识别码（ BSIC）、频 带标识
20、和小区频点号。手机收到后，会在目标小区用新的接入技术发起无线连接，请求路由 区更新。接下来 2G SGSN 通过 SGSN 上下文请求消息把手机原来的 RAI, 原来的 P-TMSI 和 P-TMSI 签名，发给原来的 SGSN，查询手机原有的 PDP 上下文和 MM 上下文。原来的 SGSN 验证过用户的合法性后，会向手机原来所在的 RNC 发起 SRNS Context Request。RNC 收到后，会主动停止发送下行 PDU，并将 GGSN 发送来的 PDU缓存，并向 SGSN 返回 SRNS Context Response 消息，在消息里说明每个 PDP 上下文的下一个要发送的上下
21、行 GTP 序列 号。如果是无损传送的话，还需要上下行 PDCP 序列号。SGSN 收到 RNC 的响应后，会把手机的 MM 上下文和 PDP 上下文通过 SGSN 上下文响 应消息返回给 2G GPRS。并在 PDP 上下文中注明将要发送给手机的下一个 GTP 序列号和将 要发给 GGSN 的 GTP 序列号。当新的 2G SGSN 收到 SGSN 上下文响应后，由于鉴权算法 不同，会向 HLR 索要鉴权信息（鉴权三元组），随后对手机进行鉴权。鉴权通过后，2G SGSN 会通知 3G SGSN 已经就绪， 3G SGSN 接下来会用数据前转命令通知 RNC，把缓存的 GTP PDU 传送给原
22、来的 SGSN，由原来的 SGSN 通过 GTP 隧道前转给新的 2G SGSN。接下来， 新的 2G SGSN 会向 GGSN 发起 PDP 更新请求，把自己的地址， QoS 协商，GTP 隧道号告 诉 GGSN，供 GGSN 更新PDP 上下文。 2G SGSN 得到确认后，会向 HLR 发起 GPRS 位置 更新。以下的过程，和漫游过程就非常相似了，也是登记新位置，在新的 SGSN 插入签约 数据，取消原来的位置信息和完成路由区更新。在所有控制面过程完成后，分组域业务会在 2G 继续进行。 和到 2G 的电路域切换不同，分组域业务不再需要原来的 SGSN 转发 GTP 分组数据包。 而是
23、直接重定位原来的 GTP 隧道到新的SGSN。 如果是 CELL_RESELECTION 方式的切换，区别在于，不再需要网络发起 Cell_Change_Order_from_UTRAN，而是直接发起路由区更新。另一个区别在于在新的移动通信 2004 年第 12 期 系统 建立无线连接的原因，也会由 Inter_RAT Cell_Change_Order 变成 Inter_RAT Cell_Reselection。 从 2G GPRS 向 3G 分组域的切换过程和 3G 分组域到 2G GPRS 的切换大同小异。在 2G 系统里，只有 CELL_CHANGE_ORDER 方式的切换。而且在 2
24、G SGSN 和 BSC 之间，没有 SRNS 上下文请求的过程。 在路由区完成后，手机会发起业务请求，要求继续业务。尽管这时 PDP 上下文还在， 但在新的网络里还没有给手机分配相应的资源。因此网络会在 Iu 接口为手机分配无线接入 承载 RAB，在无线网络为手机建立无线资源。当控制面和用户面都建立完毕后，手机就可 以继续进行数据业务了。 7 PS 域切换的流程见图 4： 4 小结 在这样的混合网络中为用户提供无缝的业务覆盖，是运营商必须考虑的问题，随之而来 的系统间漫游和切换 (以下称为 2G/3G 漫游切换 ) 也成为无缝覆盖的关键。本文从技术角度出 发。详细介绍了 GSM 和 WCDMA 网络之间进行漫游和切换的详细过程，比较了从 2G 到 3G 的漫游切换流程与反向的异同。特别是在测试中经常会遇到的常见问题，进行了分析和 探讨。 3G SGSN 2G SGSN RNC UE GGSN HLR 路由区更新请求 SGSN 上下文请求 SRNS 上下文传送 SGSN 上下文传送 索要鉴权信息 用户鉴权 SRNS 数据前转命令 更新 PDP 上下文过程 更新手机 GPRS 位置 取消手机原来位置 插入用户签约数据 路由区更新接受 路由区更新完成 分组数据业务续传 图 3. 3G PS 域到 2G GPRS 的切换 移动通信 2004 年第 12 期 8
