CSFB : Call Switch FallBack (1)

Bien qu’aillant déjà consacré 2 articles sur le CSFB (http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2014/03/14/technologie-de-transport-de-la-voix-en-4g-csfb/ et http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2014/03/20/technologie-de-transport-de-la-voix-en-4g-csfb-part-2/) je vous propose d’expliquer à nouveau l’interet du CSFB et le fonctionnement de celui-ci via des call flow. Je finirai par presenter plusieurs techniques pour réduire le temps de basculement du réseau 4G vers le réseau 3G.

Le CSFB est un mécanisme permettant aux téléphones couvert par le 4G de se replier sur le réseau 2G/3G (plutot 3G) pour pouvoir passer un appel : La 4G étant un réseau tout IP, la voix est vue comme un service réseau, nécessitant la mise en place de l’IMS Mobile pour permettre la voix sur LTE dénommée VoLTE (qui fera l’objet d’un autre article). La VoLTE arrivera en septembre chez Orange et Bouygues, et fera prochainement l’objet de plusieurs articles.

Lorsque vous êtes couvert par la 4G, pour savoir si la fonctionnalité CSFB ou si le VoLTE est activé, regardez l’icône réseau. Normalement vous devriez voir le symbole 4G. Passez un appel, si vous voyez apparaitre le symbole 3G (ou 3G+ ou H+), alors votre téléphone est passé en 3G, si le symbole est 4G alors vous êtes en VoLTE.

CSFB (Circuit Switched Fallback):- est une fonctionnalité spécifiée par le 3GPP pour fournir à l’UE les services à commutation de circuit traditionnel (comme la voix, les SMS..) lorsque ce dernier est attaché au réseau de voix 4G.

Les fonctionnalités CSFB doivent être implementées au niveau de l’UE, du MME, du MSC/VLR, et du HSS : lorsque l’UE s’attache au PLMN, il effectue un attachement combine sur le MME et le VLR. Une nouvelle interface, nommée SG, est aussi créée entre le MME et le VLR.

CSFB_principe

Pourquoi un attachement combine – IMSI Attach, EPS Attach ?

On suppose que le mobile est attaché au réseau 4G uniquement. Un appel arrive dans le domaine CS, la demande est soumise au GMSC qui interroge le HLR/HSS. Pour ce dernier, l’UE n’est pas connecté au réseau 2G/3G (rattaché à aucun VLR), l’appel est donc renvoyé à la messagerie

Comment est réalisé l’attachement conjoint?

Pour plus d’information, se référer au document 3GPP TS 23.272

Combined_attach

La question qui se pose maintenant est comment le MME peut dériver le VLR? N’y a t’il pas conflit de localisation?

Revenons sur l’article Pool MME (http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2015/05/16/pool-de-mme/), le MME gère plusieurs TA (Tracking Area), mais lorsque l’UE est en mode connecté le MME sait précisément sur quelle TA il se trouve. Le MSC quant à lui localise l’UE sur  une LA (Location Area). La couverture d’une TA est plus petite qu’une LA pour avoir de bonnes conditions radios et assurer un SNR minimum compatible avec le debit espéré. Donc plusieurs TA sont regroupées dans une LA. Il suffit à l’opérateur d’éviter tout chevauchement de TA sur deux LA pour qu’il n’y ait pas ambiguïté.

Donc, une LA est découpée en plusieurs TA et aucune TA chevauche deux LA. Il n’y a donc plus de conflit de derivation de VLR, une TA n’appartenant qu’à une seule LA.

DoCoMo_MME1_database

Fonctionnement présenté dans le cas d’un MTC

On suppose maintenant pour l’UE A, le double attachement EPS Attach et IMSI Attach. L’utilisateur B appelle l’UE A. Le GMSC transfère l’appel au MSC/VLR lequel, via l’interface SG, informe le MME du’un appel en cours (Paging). Le MME va rediriger l’UE du réseau LTE vers le réseau 3G.

CSFB_callflow

L’UE perd sa connexion au réseau LTE, le mobile cherche les informations SIB sur sa nouvelle cellule pour se rattacher au Nb. Une fois connecté au réseau 3G, la procédure de paging est transmise du MSC vers le Nb et l’UE demande une connexion au réseau CS. Lorsque l’appel est terminé, l’UE retourne sur le réseau 4G.

Technologie de transport de la voix en 4G : CSFB (part 2)

Gestion de la mobilité entre le réeau 2G/3G et LTE

Comme nous l’avons entrevu dans le précédent article, un réseau doit en permanence savoir localiser un mobile afin de fournir les services à l’ayant droit. La procédure de localisation se nomme « Mobility Management », c’est-à-dire Gestion de la mobilité.

Pour terminer un appel via la fonction CS Fallback, le domain CS doit connaitre la position du mobile en se référant à la localisation fournie par le réseau LTE, c’est-à-dire en se basant sur l’aire d’enregistrement du mobile indiquée par le MME. Le MME a donc la charge d’informer la VLR de la zone de localisation du mobile sur le réseau 4G.

Le cœur de réseau 3G possède déjà la fonction permettant de gérer simultanément la mobilité sur le réseau en commutation de circuit (CS) et en commutation de paquets(PS), chaque mobile étant géré sur une zone nommée LA (Location Area) pour la partie CS et RA (Routage Area) pour la partie PS.

Afin de réduire le trafic de signalisation sur les réseaux mobiles 2G/3G et 4G, l’enregistrement de localisation du mobile sur le réseau SGSN par la VLR est ré-utilisé par la technologie CS FallBack : Concernant les informations de localisation du mobile sur le réseau 4G (TA : Tracking Area), le MSC/VLR exploite donc la même logique que pour le réseau PS en 3G, c’est-à-dire la VLR demande les données d’enregistrement du mobile sur le réseau 4G et les exploite de manière identiques aux données d’enregistrement de localisation fournies par les requêtes venant du SGSN.

 DoCoMo_MME1_database

Cela permet d’une part d’éviter une mise à jour trop fastidieuse des MSC pour prendre en compte les requêtes de localisation sur le réseau 4G pour la voix.

Il faut également se rappeler qu’un terminal sur le réseau 4G ne peut être sur le réseau 2G/3G en même temps. Ceci implique que le MME, qui contient la zone d’enregistrement du mobile sur le réseau LTE (TA) doit être en mesure d’identifier vers quel VLR il doit envoyer ses messages de gestion de mobilité. Le MME contient donc une base de données de localisation permettant d’avoir la correspondance entre la zone de localisation du réseau 4G (TA) avec la zone de localisation du mobile sur la VLR (LA). Cette base de données permet donc de déterminer quel MSC/VLR doit être contacté pour l’enregistrement de la localisation du mobile.

La figure 2 détaille l’échange d’information entre le MME et la VLR : La VLR a identifié le MME sur lequel était géré le mobile et le MME connait la VLR et le LA associé à la position du mobile si ce dernier est sur le réseau 3G CS. A l’inverse, la VLR connait l’équipement MME associé.

 

DoCoMo_MME_database

Figure 2 : Mise à jour des données de localization sur la VLR et le MME

 

Si nous reprenons la figure précédente, le call flow est le suivant :

  1. L’UE envoie une requête Tracking Area Update (TAU) vers le MME indiquant la position actuelle (TA) du mobile
  2. Le MME accomplie la mise à jour de la position du mobile vers le HSS via une procédure Location Update
  3. Le MME exploite la base de correspondance TA/LA pour identifier d’une part la zone de localisation LA du mobile correspondant au réseau de CS 2G/3G et la VLR correspondant, c’est-à-dire celui qui gère cette zone (LA). Via l’interface SGs, le MME envoie une requête LAU (Location Area Update) au MSC/VLR avec la valeur du LA correspondante.
  4. La VLR qui reçoit la demande de mise à jour de localisation enregistre la correspondance de l’identité du MME ayant fait la requête de mise à jour (comme c’est le cas avec le SGSN) et l’identité unique du mobile (IMSI). Cela permet au VLR de savoir sur quel MME (comme c’est le cas avec le SGSN) le UE est actuellement connecté, ce qui est nécessaire pour un appel à destination d’un mobile connecté sur le réseau 4G.
  5. La VLR lance une procédure d’enregistrement vers le HSS permettant à ce dernier de savoir sur quel VLR est maintenant enregistré le UE, et informe le MME du numéro TMSI affecté au mobile (Temporary Mobile Subscriber Identity).
  6. Le MME informe le mobile de son identité TMSI et de sa localisation LA.