2/3G与LTE的互操作分析

使用4G的童鞋在上网的时候，可能经常会发现这么一个现象：手机网络会在LTE和2/3G之间发生切换，当LTE信号不佳时会自动切换到2/3G网络上；反之则又会从2/3G切回LTE。那么在这个切换的过程中，手机的数据在移动网中发生了什么？下面我们就以LTE->3G的情况来分析一下整个切换的流程。

切换分为两个阶段：准备阶段和执行阶段。

（1）准备阶段

图来自参考文档3GPP 23.401。

1  源ENB决定要发起一个系统间切换到目的接入网——UTARN IU模式。这时候上下行数据仍在UE, 源ENB，SGW,PGW之间传输。

2  源ENB发一个handover required包（包含S1AP Cause, Target RNC Identifier, CSG ID, CSG access mode, Source eNodeB Identifier, Source to Target Transparent Container）给源MME，请求核心网在目的RNC, SGSN,SGW上建立相应的资源。

S1mme接口，通过s1apid关联到流

3  源MME从Target RNC Identifier IE中获取handover类型为到UTRAN的IRAT handover。源MME通过发送一个forward Relocation Request消息给目的SGSN（包含IMSI,Target Identification, CSG ID, CSG Membership Indication, MM Context, PDN Connections, MME Tunnel Endpoint Identifier for Control Plane, MME Address for Control plane, Source to Target Transparent Container, RAN Cause, MS Info Change Reporting Action, CSG Information Reporting Action , UE Time Zone, ISR Supported)，向SGSN发起handover资源申请。

S3接口，基于GTP-C协议，此消息包含IMSI，可通过IMSI关联到LTE s1mme接口建的流，且包含了S3接口的MME控制面隧道信息（teid+ip），可用做S3接口建流关联用。

4  目的SGSN决定SGW是否要重定位（由于PLMN切换的关系）。如果要重定位，目的SGSN选择目的SGW，并发送一个Create Session Req消息（包含IMSI, SGSN Tunnel Endpoint Identifier for Control Plane, SGSN Address for Control plane, PDN GW address(es) for user plane, PDN GW UL TEID(s) for user plane, PDN GW address(es) for control plane, and PDN GW TEID(s) for control plane, the Protocol Type over S5/S8, Serving Network）给目的SGW。

S4接口，控制面GTP-C（v2），数据面GTP-U。此消息也包含IMSI，可以根据IMSI关联到LTE的流；并包含了S4接口的SGSN 的控制面隧道，PGW的控制面+数据面隧道信息，可用作S4接口建流关联。S4接口的数据面隧道，在执行阶段步骤7中分配。

问题：切换尚未完成，SGSN如何知道PGW端的控制面，数据面隧道信息？

4a  目的SGW分配本地资源，并返回一个Create Session Resp（包含Serving GW address(es) for user plane, Serving GW UL TEID(s) for user plane, Serving GW Address for control plane, Serving GW TEID for control plane）给目的SGSN。

S4接口，控制面GTP-C（v2），数据面GTP-U。此消息包含了S4接口的SGW的控制面隧道和数据面隧道。

5   目的SGSN通过发送Realocation Request消息（包含UE Identifier, Cause, CN Domain Indicator, Integrity protection information (i.e. IK and allowed Integrity Protection algorithms), Encryption information (i.e. CK and allowed Ciphering algorithms), RAB to be setup list, CSG ID, CSG Membership Indication, Source RNC to Target RNC Transparent Container, Service Handover related information），请求目的RNC建立无线网资源（RAB）。消息中对于每一个要建立的RAB，都包含RAB ID, RAB参数，传输层地址，Iu Transport Association等。传输层地址就是用户面的SGW地址（direct tunnel），或者SGSN地址（非direct tunnel），Iu Transport Association对应SGW或SGSN的上行TEID.

IUPS接口，控制面是SCCP+RANAP, 数据面是GTPU。这里的UE identifier里面会包含IMSI信息，可以关联到流。此信息包含了上行的数据面隧道信息，可用作建流关联。

5a  目的RNC分配对应的资源，并回复一个message Relocation Request Acknowledge消息（包含Target RNC to Source RNC Transparent Container, RABs setup list, RABs failed to setup list）

发送完这个消息，目标RNC就准备好接收下行的GTP PDU了。每个建立好的ERAB都通过一个传输层地址，下行的TEID等标识。

IUPS接口，此信息包含了下行的数据面隧道信息，可用作建流关联。

6  如果非直接转发，且SGW重定位了，且是Direct Tunnel的情况，目的SGSN发送Create Indirect Data Forwarding Tunnel Request message (Target RNC Address and TEID(s) for DL data forwarding) 给SGW；否则，目的SGSN发送Create Indirect Data Forwarding Tunnel Request message (SGSN Address and TEID(s) for DL data forwarding) 给serving SGW.

S4接口，包含了下行的RNC(直接隧道)或SGSN（间接隧道）的数据面隧道信息。

6a  SGW返回一个 Create Indirect Data Forwarding Tunnel Response (Cause, Serving GW Address(es) and Serving GW DL TEID(s) for data forwarding)消息给目的SGSN。

S4接口，包含了上行的SGW的数据面隧道信息。

问题： 第四步和第六步的区别是什么？6a和4a中的信息相同吗？

7  目的SGSN发送message Forward Relocation Response (包含Cause, SGSN Tunnel Endpoint Identifier for Control Plane, SGSN Address for Control Plane, Target to Source Transparent Container, Cause, RAB Setup Information, Additional RAB Setup Information, Address(es) and TEID(s) for User Traffic Data Forwarding, Serving GW change indication) 给源MME。Serving GW change indication 标识选择了新的SGW。

'Address(es) and TEID(s) for User Traffic Data Forwarding' IE标识了目的系统中使用的隧道信息，说明如下：

 

如果是直接发送，或非直接发送且SGW无重定位且使用了直接隧道的情况，这个IE包含步骤5a中收到的到RNC的GTPU隧道信息。

如果非直接发送且SGW重定位了，这个IE包含了步骤6分配的下行的发给SGW的GTPU隧道信息，这与是否使用了直接隧道无关。

如果非直接发送且没有使用直接隧道且SGW没有重定位，这个IE包含了给目的SGSN的下行的GTPU隧道。

S3接口，消息包含了SGSN控制面隧道及下行方向数据面隧道信息。S3接口的隧道信息已经全部拿到。

这里SGSN通知MME下行方向的数据面隧道信息，是为了后面第8步创建非直接发送隧道使用。

8  如果使用了"Indirect Forwarding" ，源MME发送message Create Indirect Data Forwarding Tunnel Request (Address(es) and TEID(s) for Data Forwarding (received in step 7))给Serving GW 用作indirect forwarding.

8a SGW返回一个Create Indirect Data Forwarding Tunnel Response (Cause, Serving GW Address(es) and TEID(s) for Data Forwarding). 

S11接口，如果是非直接转发，MME和SGW之间会发送这两个消息，建立非直接转发隧道。

说明：direct forwarding/indirect forwarding

直接转发：切换发生时，上下行数据直接在源ENB/RNC和目的ENB/RNC之间传递；

非直接转发：切换发生时，上下行的数据通过源和目的SGW在源ENB/RNC和目的ENB/RNC之间传递

（2） 执行阶段

1 源MME完成上一节准备阶段工作后，发送handover command消息（包含Target to Source Transparent Container, E-RABs to Release List, Bearers Subject to Data Forwarding List）给ENB。消息中"Bearers Subject to Data forwarding list" IE包含了目的端的数据面的隧道信息（直接转发对应步骤7收到的，非直接转发对应步骤8a收到的）列表。ENB根据隧道信息发起数据传输。数据可以直接走目的RNC（direct forwarding,准备阶段步骤7）或者通过SGW传输（indirect forwarding,准备阶段步骤8）。

S1MME接口，包含了数据面隧道信息。

2  ENB给UE发一个指令，指示它切换到目的接入网。UE收到HO消息后，会暂停上行数据的发送。

3. Void.

4. UE移动到目的接入网UTRAN IU（3G）系统。并执行handover。

   这时候，如图中虚线所示，上下行的数据传输分两种情况：

   直接转发: 数据直接在ENB和RNC之间传递

      非直接转发: 数据到达源ENB，源ENB发给源SGW，通过源SGW发给目的SGW，然后再通过SGSN发给RNC。

5.  RNC发送relocation complete消息给目的SGSN。RNC用这个消息来表示从E-UTRAN切换到RNC完成。SGSN接收到这个消息时，应该准备好从RNC接收数据了。SGSN收到的每个上行的N-PDU，都直接发送给SGW。

IUPS接口。通过准备阶段建立的IUPS承载信息关联。

6. 这时目的SGSN知道UE已经切换好，目的SGSN发送Forward Relocation Complete Notification通知源MME。源MME会启动一个定时器，源ENB和源SGW上的资源会在定时器到时候释放。

S3接口，通过准备阶段建立的S3接口承载关联。

7. 目的SGSN会通知SGW，目的SGSN已经接管了UE的EPS承载。对应的消息是Modify Bearer Request (包含SGSN Tunnel Endpoint Identifier for Control Plane, NSAPI(s), SGSN Address for Control Plane, SGSN Address(es) and TEID(s) for User Traffic for the accepted EPS bearers (if Direct Tunnel is not used) or RNC Address(es) and TEID(s) for User Traffic for the accepted EPS bearers (if Direct Tunnel is used) and RAT type, ISR Activated) 。

S4接口，消息包括下行的SGSN控制面和数据面信息，可用作建流关联

8  SGW会发送Modify Bearer Request给PGW，通知PGW，例如SGW 重定位。重定位的情况下，SGW会重新分配S5/S8接口上，下行的TEID 信息。PGW回复Modify Bearer Response（包含charging ID, MSISDN等）消息给SGW。

S5接口，基于GTPV2，此过程分配S5的隧道信息

9  SGW返回Modify Bearer Response（包含Cause, Serving GW Tunnel Endpoint Identifier for Control Plane, Serving GW Address for Control Plane, Protocol Configuration Options）给SGSN ，数据面切换到SGSN完成。到此为止，数据面通道已经在UE , RNC, SGSN（direct tunnel就是SGW），及PGW之间建立起来了。

S4接口，消息包括上行的SGW控制面信息，可用作建流关联

8.  如果UE认出当前的路由区没有注册，或者UE的TIN码指示为GUTI，UE会发起路由区更新流程，通知UE已经在新的路由区。

9.  如果步骤6中的定时器到时，源MME发送一个Release Resources 消息给源ENB。源ENB释放UE相关资源。

10.  如果使用的非直接传输模式，定时器到时候，MME发送Delete Indirect Data Forwarding Tunnel Request message 给SGW删除SGW上的临时资源。

11.  如果非直接传输且SGW重定位了，定时器到时之后SGSN发送Delete Indirect Data Forwarding Tunnel Request message给目的SGSN，删除目的SGSN上的临时资源。