1 引言
第三代移動(dòng)通信網(wǎng)已在包括我國香港、澳門(mén)在內的許多地區成功部署，為數以?xún)|計用戶(hù)提供網(wǎng)頁(yè)瀏覽、流媒體和可視電話(huà)等移動(dòng)數據業(yè)務(wù)。在3GPP成功推動(dòng)下，WCDMA已成長(cháng)為3G標準中技術(shù)成熟度和產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平最高的一個(gè)，在3G市場(chǎng)中占據著(zhù)最大份額。
從移動(dòng)通信市場(chǎng)對數據業(yè)務(wù)的中短期需求分析，WCDMA的部署初期應考慮只在有明顯數據業(yè)務(wù)需求的城區建設；與此同時(shí)，運營(yíng)商又希望為3G用戶(hù)提供大范圍連續覆蓋。對于有成熟且覆蓋水平較高GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò )的2G運營(yíng)商，向3G演進(jìn)過(guò)程中，都希望有效利用現有2G資源，構建WCDMA-GSM混合網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現3G初期低投入、高效率部署，為用戶(hù)提供連續覆蓋，同時(shí)推動(dòng)2G-3G網(wǎng)絡(luò )和業(yè)務(wù)協(xié)調發(fā)展，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )綜合效益最大化。
混合網(wǎng)絡(luò )中，雙模終端和網(wǎng)絡(luò )間互操作機制的引入是實(shí)現網(wǎng)絡(luò )級融合的關(guān)鍵，互操作便是本文論述的主要內容。本文將針對互操作的關(guān)鍵——系統間切換的功能及實(shí)現展開(kāi)討論，并進(jìn)一步討論實(shí)際商用網(wǎng)中的系統間切換策略。
2 實(shí)現互操作所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題
為實(shí)現2G-3G互操作及WCDMA-GSM系統間切換，必須首先解決如下關(guān)鍵問(wèn)題：
（1）終端駐留策略
降低終端復雜度（成本）和延長(cháng)續航時(shí)間等需求，給終端設計和網(wǎng)絡(luò )部署都帶來(lái)了一些制約。例如，終端設計中曾考慮能同時(shí)工作的雙收發(fā)系統方案，但這會(huì )使能耗和設備復雜度提高，因而未被納入標準，規范定義的雙模終端只工作在WCDMA或GSM一個(gè)系統上。
（2）系統間切換消息的傳遞
構建混合網(wǎng)絡(luò )要盡可能小改變G網(wǎng)架構，同時(shí)還要降低WCDMA演進(jìn)開(kāi)發(fā)的復雜度，解決方法是采用“松耦合”策略：系統間不直接調用，而是對發(fā)往另一系統的切換消息封裝（如圖1所示），在系統間接口的核心網(wǎng)和終端實(shí)現系統間聯(lián)系。這就降低了系統間的依賴(lài)性和系統設計中額外的復雜度，盡可能小地改變2G網(wǎng)絡(luò )構架，3G功能實(shí)現也得以簡(jiǎn)化。
系統在WCDMA網(wǎng)絡(luò )下發(fā)向GSM切換的消息時(shí)，GSM消息被封裝在WCDMA控制消息中并由終端WCDMA模塊解調后傳到GSM模塊，對GSM模塊等同于GSM空口收到控制消息，只要系統鄰區定義正確，就可順利切換。GSM向WCDMA的切換采用相同原理。
對GSM到WCDMA的切換還需重點(diǎn)考慮切換消息長(cháng)度問(wèn)題。切換消息過(guò)長(cháng)將惡化切換性能，GSM空口比特率低也限制了堆WCDMA切換消息的承載。因此，GSM網(wǎng)絡(luò )并不是把WCDMA信道配置參數直接發(fā)給終端，而是下發(fā)一個(gè)參數指針，指向預定義WCDMA無(wú)線(xiàn)信道配置。預定義配置可作為缺省值預存在終端內，也可通過(guò)廣播下發(fā)。
（3）WCDMA連續模式下的異系統測量
雖然標準終端只在WCDMA或GSM一網(wǎng)駐留，終端仍需在使用一網(wǎng)服務(wù)同時(shí)對另一網(wǎng)絡(luò )測量。但WCDMA為連續模式，單收發(fā)信機終端無(wú)法在WCDMA通信同時(shí)對時(shí)隙化的GSM測量。因此，WCDMA空口上引入了時(shí)隙化的壓縮模式。
壓縮模式的思想是，在WCDMA空口收/發(fā)過(guò)程中開(kāi)辟幾毫秒間斷來(lái)對其它頻率上的GSM測量，該方案將WCDMA幀在時(shí)域上壓縮，但不丟失數據。其幀壓縮方式主要有：
◆提高擴頻因子；
◆降低高層數據速率；
◆物理層復用過(guò)程中采用刪除技術(shù)降低符號率。
延敏感類(lèi)業(yè)務(wù)要求空口比特率恒定，壓縮模式中測量時(shí)隙前后實(shí)際傳輸比特率必須以a方式增加，以彌補測量時(shí)隙造成的數據損失；非時(shí)延敏感類(lèi)業(yè)務(wù)不要求空口比特率恒定，故通過(guò)延遲傳輸獲得測量時(shí)隙，相當于采用b。當終端處于非激活狀態(tài)時(shí)，可利用DTX/DRX的時(shí)間間隔對GSM測量。
圖2為典型a壓縮模式的雙幀壓縮方式。該模式在收/發(fā)幀中開(kāi)辟一個(gè)時(shí)隙空間，終端可利用其對GSM測量，時(shí)隙前后增大擴頻因子以提高數據速率彌補測量時(shí)隙數據損失。由于對損失的彌補分散到時(shí)隙兩側，較單幀壓縮方式發(fā)射功率增量要求低，因此應用更普遍。
壓縮模式時(shí)隙速率提高必然影響鏈路性能，尤其在小區邊界；但軟切換又一定程度減小了該影響。由于對鏈路性能影響的分析不是本文主要議題，詳細內容參見(jiàn)文獻[1]相應章節。
GSM連接狀態(tài)下對WCDMA的測量，只需考慮怎樣實(shí)現將測量信息加入GSM消息中。
（4）空閑模式測量
空閑模式下，終端待機時(shí)間主要取決于監聽(tīng)公共信道和為小區重選進(jìn)行測量的時(shí)間間隔。由于雙模終端要對WCDMA和GSM兩網(wǎng)進(jìn)行監聽(tīng)和測量，因此相對單模終端，待機時(shí)間勢必縮短。為延長(cháng)待機時(shí)間，可規定終端駐留網(wǎng)絡(luò )信號質(zhì)量足以支持終端進(jìn)行相關(guān)網(wǎng)絡(luò )參數配置時(shí)，關(guān)閉對駐留網(wǎng)絡(luò )的測量。此外，與GSM的小區重選相比，標準對混合網(wǎng)絡(luò )系統間小區重選的測量要求要寬松些，這也一定程度延長(cháng)了終端待機時(shí)間。
3 WCDMA-GSM網(wǎng)絡(luò )互操作過(guò)程分析
下面基于圖3所示混合網(wǎng)絡(luò )組織結構和接口情況，對互操作過(guò)程進(jìn)行分析。
（1）混合網(wǎng)絡(luò )移動(dòng)性管理過(guò)程
根據判決由誰(shuí)做出，移動(dòng)性管理分兩種基本模式：終端觸發(fā)和網(wǎng)絡(luò )觸發(fā)。終端觸發(fā)時(shí)，終端通過(guò)對一些參數的測量、比較選擇連接的小區。網(wǎng)絡(luò )觸發(fā)模式，網(wǎng)絡(luò )根據終端上報測量信息判別，告知終端要選擇的小區?；旌暇W(wǎng)絡(luò )無(wú)論在何種模式下，都要同時(shí)考慮兩網(wǎng)所有小區為備選小區。此外，除無(wú)線(xiàn)鏈路質(zhì)量外，選擇服務(wù)小區時(shí)還要考慮網(wǎng)間負荷分擔等因素。
根據網(wǎng)絡(luò )能否強制命令終端選擇另一系統的某個(gè)小區，定義了兩種移動(dòng)性管理過(guò)程：系統間切換（終端觸發(fā)）和小區變更指令（網(wǎng)絡(luò )觸發(fā)）?；旌暇W(wǎng)絡(luò )中，電路域業(yè)務(wù)采用系統間切換模式，分組域業(yè)務(wù)采用小區變更指令模式。
（2）WCDMA與GSM間的小區重選
空閑模式或公共信道用于分組業(yè)務(wù)的連接模式下，系統執行小區重選。若某GSM小區優(yōu)先級高于任一WCDMA小區（含當前小區），則執行WCDMA到此GSM小區的小區重選。小區優(yōu)先級算法與GSM中類(lèi)似，不同在于混合網(wǎng)絡(luò )會(huì )將兩網(wǎng)所有小區一起排序。
WCDMA網(wǎng)絡(luò )下進(jìn)行小區重選，終端可持續對GSM測量，也可在服務(wù)WCDMA小區信道質(zhì)量降至某門(mén)限時(shí)再測量；終端只有在服務(wù)小區信道質(zhì)量（信噪比SNR）或接收信號強度小于門(mén)限值時(shí)才會(huì )選擇新小區。其中信道質(zhì)量保證終端正確接收目標小區信息，信號強度指標保證目標小區能收到終端發(fā)出的與小區重選相關(guān)的信息。
設定門(mén)限時(shí)需考慮如下兩個(gè)因素：
◆終端接入時(shí)允許最大發(fā)射功率；
◆終端最大射頻輸出功率。
對于頻繁的小區重選，可采用懲罰時(shí)間或臨時(shí)偏置等機制避免系統間乒乓。類(lèi)似的，為避免高速運動(dòng)中終端重選進(jìn)入很小的小區范圍，可配置較大的上層小區。網(wǎng)絡(luò )通過(guò)在WCDMA小區中廣播一些參數來(lái)實(shí)現這些功能配置。
如圖4所示，終端處于WCDMA激活狀態(tài)且使用分組業(yè)務(wù)時(shí)重選到GSM/GPRS，首先與2G建立無(wú)線(xiàn)連接，再觸發(fā)路由區更新。過(guò)程中核心網(wǎng)將從UTRAN取回用戶(hù)的信息，小區重選完成后用戶(hù)信息由BSS發(fā)給終端，同時(shí)終端的WCDMA連接被釋放，核心網(wǎng)確認RA更新。
（3）WCDMA到GSM的小區變更指令
終端對GSM小區進(jìn)行測量，將測量結果上報網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )通過(guò)指令命令終端選擇GSM。過(guò)程中測量及壓縮模式開(kāi)啟與WCDMA到GSM的切換過(guò)程相同。
小區變更指令過(guò)程的信令流程與小區重選類(lèi)似，不同在于這里系統決定目標GSM小區，再通過(guò)UTRAN發(fā)送包含目標小區信息的小區變更指令。
（4）WCDMA到 GSM的系統間切換
WCDMA到GSM的系統間切換過(guò)程如圖5。終端在使用電路域業(yè)務(wù)且接收信號強度降至門(mén)限以下，網(wǎng)絡(luò )將命令終端對GSM測量。典型的，當臨近GSM小區信號強度超過(guò)設定門(mén)限，WCDMA信號質(zhì)量也不能滿(mǎn)足通話(huà)要求，終端將上報測量報告。UTRAN接到報告后，若滿(mǎn)足切換要求，終端也不使用3G特有業(yè)務(wù)，就啟動(dòng)系統間切換。接下來(lái)UTRAN向目標BSS發(fā)送為用戶(hù)預約資源的請求，目標BSS根據請求準備系統間切換指令，這個(gè)GSM消息包含了資源配置的詳細信息，它封裝在WCDMA消息中由UTRAN發(fā)給終端。
終端收到切換指令后，切換到目標小區并根據指令參數建立GSM無(wú)線(xiàn)連接。切換完成后，終端向BSS發(fā)送切換完成消息，網(wǎng)絡(luò )收到消息后釋放WCDMA連接。
（5）GSM到WCDMA的系統間切換
GSM到WCDMA的系統間切換如圖6所示。網(wǎng)絡(luò )首先向終端發(fā)送WCDMA測量參數信息發(fā)起測量過(guò)程，信息包括了相鄰W小區、測量標準及上報要求等。當切至WCDMA的標準滿(mǎn)足時(shí)，BSS向UTRAN預約資源，終端的WCDMA特性也被封裝在預約信息中發(fā)出。當WCDMA資源準備就緒，UTRAN發(fā)出切換指令，指令包含用戶(hù)在用業(yè)務(wù)的特性參數，它通過(guò)核心網(wǎng)和BSS透傳到終端。終端收到指令后，將調諧到WCDMA頻點(diǎn)進(jìn)行同步。
切換完成后，終端向網(wǎng)絡(luò )發(fā)送“成功切換至UTRAN”的消息，系統收到消息后將釋放用戶(hù)的GSM資源。
（6）利用系統間切換實(shí)現網(wǎng)絡(luò )容量?jì)?yōu)化
WCDMA建設初期可采用向GSM回切的方式保證其較大范圍的覆蓋，但這種覆蓋上的回切僅僅是運營(yíng)商實(shí)現真正連續覆蓋的第一步。
在2G/3G共存、互補的格局走向成熟的過(guò)程中，有兩個(gè)問(wèn)題需要我們重點(diǎn)關(guān)注：
一是通過(guò)各種技術(shù)手段，盡可能減小系統間切換對用戶(hù)感知的影響（話(huà)音質(zhì)量下降、數據速率降低等）。話(huà)音業(yè)務(wù)問(wèn)題可通過(guò)系統間切換較好解決；而對數據業(yè)務(wù)，需要在WCDMA和GSM協(xié)議中引入系統間分組數據切換機制等增強功能，將用戶(hù)使用分組業(yè)務(wù)的中斷時(shí)間從幾秒降至零點(diǎn)幾秒，提升用戶(hù)使用數據業(yè)務(wù)的感知度。
二是要考慮如何挖掘兩網(wǎng)資源潛力，降低網(wǎng)絡(luò )建維成本，即系統如何根據終端請求業(yè)務(wù)類(lèi)型和服務(wù)等級為其選擇最適合的網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )混合業(yè)務(wù)容量最大化和運營(yíng)成本最小化。這個(gè)問(wèn)題的考慮同樣涉及如何設置GSM和WCDMA網(wǎng)絡(luò )間切換和選擇的條件。
圖7表示了系統根據用戶(hù)請求服務(wù)類(lèi)型，將業(yè)務(wù)量分攤到不同網(wǎng)絡(luò )上獲得的容量提升，紅色和藍色細線(xiàn)包圍區域分別代表GSM/GPRS和WCDMA網(wǎng)絡(luò )的混合業(yè)務(wù)支持能力?？梢?jiàn)兩網(wǎng)對不同類(lèi)型業(yè)務(wù)支持特性不同，G網(wǎng)對話(huà)音業(yè)務(wù)支持能力強于數據，而WCDMA優(yōu)勢在數據業(yè)務(wù)方面。因此混合網(wǎng)絡(luò )資源分配策略不同，系統整體容量差異較大。極端情況下，數據優(yōu)先使用WCDMA、語(yǔ)音優(yōu)先占用GSM將實(shí)現混合網(wǎng)絡(luò )容量最大化（上方粗虛線(xiàn)），反之將造成系統混合業(yè)務(wù)容量最小化（下方粗實(shí)線(xiàn)）。
因此，GSM優(yōu)先承載話(huà)音，WCDMA優(yōu)先承載數據業(yè)務(wù)的接入策略，將最大限度發(fā)掘系統對混合業(yè)務(wù)的支持能力，在相同業(yè)務(wù)量情況下最大限度減少投入。
4 商用網(wǎng)絡(luò )規劃中對系統間切換考慮和建議
上文對雙模終端在WCDMA-GSM混合網(wǎng)絡(luò )中系統間切換概念的提出、網(wǎng)絡(luò )架構設計構想、功能實(shí)現的基本原理以及幾種主要互操作過(guò)程進(jìn)行了大致介紹。本節參考已成功部署商用混合網(wǎng)絡(luò )2G-3G互操作策略，結合下一步國內3G規劃設計中要考慮的主要問(wèn)題，對商用網(wǎng)絡(luò )部署中系統間切換提出一些建議。
（1）系統間切換策略
基于網(wǎng)絡(luò )匹配性和側重性，結合用戶(hù)發(fā)展和網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)，商用網(wǎng)絡(luò )推薦系統間切換方案為：電路域考慮3G到2G單向切換（可視電話(huà)在3G切換到2G后降級為純話(huà)音通話(huà)）；分組域考慮3G-2G間雙向切換，網(wǎng)絡(luò )承載速率自適應調整。這樣的策略無(wú)需考慮GSM的升級。
（2）用戶(hù)在系統間駐留策略
用戶(hù)系統間駐留方案，與系統間切換方案直接相關(guān)。語(yǔ)音和分組業(yè)務(wù)駐留策略不同，一般來(lái)說(shuō)，用戶(hù)在系統邊界時(shí)，可選擇仍駐留原系統或新系統，而根據用戶(hù)對業(yè)務(wù)體驗的不同要求及網(wǎng)絡(luò )連續覆蓋的可能性，結合系統間切換方案，商用網(wǎng)絡(luò )推薦以下用戶(hù)駐留策略。
對話(huà)音業(yè)務(wù)，終端處于3G通話(huà)狀態(tài)下，由3G-2G同覆蓋區移向純2G覆蓋區，到邊界時(shí)，3G網(wǎng)絡(luò )根據測量報告發(fā)起3G到2G的切換，邊界處2G網(wǎng)應支持系統間切換。當終端在2G通話(huà)狀態(tài)下，由純2G區域進(jìn)入3G-2G同覆蓋區時(shí)，網(wǎng)絡(luò )通過(guò)控制避免系統間切換；通話(huà)結束后，終端進(jìn)入空閑狀態(tài)，通過(guò)PLMN重選或小區重選駐留到3G網(wǎng)絡(luò )。
對數據業(yè)務(wù)，若用戶(hù)由2G-3G同覆蓋區到純2G區域，在到達3G覆蓋邊界時(shí)，由3G網(wǎng)絡(luò )或雙模終端發(fā)起小區重選，終端重選到2G網(wǎng)絡(luò )；當雙模終端駐留在2G網(wǎng)絡(luò )，由純2G區域向2G-3G同覆蓋區移動(dòng)，在到達3G覆蓋邊界時(shí)，雙模終端小區重選到3G網(wǎng)絡(luò )。
（3）網(wǎng)絡(luò )選擇及重選策略
混合網(wǎng)絡(luò )中不同系統的選擇也與系統間切換方案密切相關(guān)。從網(wǎng)絡(luò )負荷角度，優(yōu)選3G可有效分擔2G網(wǎng)絡(luò )負荷，提高3G網(wǎng)絡(luò )利用效率。此外，若空閑模式下雙模終端優(yōu)先駐留2G網(wǎng)絡(luò )，當使用3G特有業(yè)務(wù)時(shí)就需發(fā)起2G到3G的重定向，這樣一方面會(huì )增加接入時(shí)延、提高對處理能力的要求，且成功率有待驗證；另一方面需對2G網(wǎng)絡(luò )升級，增加重定向算法和信令處理功能，對2G網(wǎng)絡(luò )造成一定沖擊，現網(wǎng)質(zhì)量存在風(fēng)險。
因此，商用3G網(wǎng)絡(luò )部署建議在初期3G用戶(hù)少時(shí)，3G用戶(hù)附著(zhù)在3G網(wǎng)絡(luò )，即可避免不必要的系統間切換，并使3G有效分擔系統話(huà)務(wù)，避免3G用戶(hù)對2G網(wǎng)絡(luò )容量的沖擊。
但網(wǎng)絡(luò )選擇策略在上述原則的前提下，還存在3G網(wǎng)絡(luò )利用率最大化的問(wèn)題。比如，為達到雙模用戶(hù)優(yōu)選3G的目的，理想做法是只要3G信號滿(mǎn)足最低導頻強度要求，立即重選到3G網(wǎng)絡(luò )，這樣可達到3G網(wǎng)絡(luò )最大化的要求。但由于終端運動(dòng)的隨機性，不能保證持續接收到足夠強的導頻信號，這就可能出現終端馬上又回到2G網(wǎng)絡(luò )的情況。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)信號衰落的變化，在2G/3G間乒乓的可能性增加。這不僅對被叫尋呼成功率有影響，且終端此時(shí)發(fā)起呼叫會(huì )出現接通率低、異常掉話(huà)等問(wèn)題。
為提高系統間切換成功率，有必要根據無(wú)線(xiàn)環(huán)境在某些地區適當提前啟動(dòng)壓縮模式測量和切換執行過(guò)程，以避免信號突然衰落導致異常掉話(huà)。否則，只有當信號衰減到某絕對門(mén)限下才啟動(dòng)切換準備和執行過(guò)程，若此時(shí)遇到拐角或嚴重遮擋，容易發(fā)生掉話(huà)。
5 結論
WCDMA和GSM系統間切換機制，使現有GSM運營(yíng)商可以在3G建設初期以盡可能低的成本向3G用戶(hù)提供大范圍連續覆蓋。為實(shí)現2G/3G系統間切換，需解決如下關(guān)鍵問(wèn)題：
雙模終端設計；
“松耦合”策略下系統間切換消息的傳遞；
WCDMA壓縮模式下對GSM的測量；
WCDMA和GSM網(wǎng)絡(luò )間的終端駐留和小區重選策略。
根據互操作機制的基本原理、負荷分擔策略、3G初期的業(yè)務(wù)模型，結合已成功部署的商用WCDMA-GSM混合網(wǎng)絡(luò )中2G-3G互操作策略經(jīng)驗，建議電路域業(yè)務(wù)采用WCDMA到GSM單向切換，分組業(yè)務(wù)支持WCDMA與GSM/GPRS的雙向小區重選。
