LTE-Circuit Switched Fallback (CS FallBack)

Circuit Switched Fallback introduction
什麼是CS Fallback，他在LTE之中扮演了什麼腳色。因為LTE是Packet Only的網路，所以並不會有傳統2G、3G專用的語音通道，一般這種語音通道就叫Circuit Switched，這Ccircuit switched的好處是當你的通話建立之後，就會有固定的保留通道，以確保通話品質，所以如果需要做語音通話的時候，LTE便無法提供Circuit  Switched的功能。所以可以藉由3G網路來達成語音通話的功能，並且使用LTE的signaling去呼叫UE，告訴UE有Voice call，並告知UE handover到3G的基地台，這種技術就叫CS Fallback，實際上若要在LTE達到通話的功能，還有VoLTE的方式，這個以後有機會再談。
以下圖片引用自NTT DOCOMA Technical Journal Vol 11 No.3


乍看之下是很簡單的事情，感覺是UE同時註冊上LTE與3G、2G的網路就可以達到的功能。但是實際上對於UE及網路端有相當多額外的需求才能平順地達到這個功能(特別是網路端)。如何同步3G跟LTE的Tracking Area、Location Area，因為要這樣才能正確的讓LTE及3G的網路同時能掌握到UE的行蹤，而不會等需要paging時才重新找尋，這個功能叫做Mobility Management。
UE 需求

• 同時能夠連上LTE及2G、3G的網路
• 能夠做Combined attach(同時做EPS及IMSI attach)
• 使用CS fallback傳送 SMS

Combined Tracking Area and Location Area Update Procedure


因為LTE及3G網路要同時能掌握UE的動向，故維護Tracking Area(LTE)及Location Area(3G)這兩個數值，並在兩個network之間同步。可以看到下圖MME會有UE的TA，MSC/VLR會有UE的LA，MME中會有一個Mapping Table去讓MME可以知道 TA跟LA之間的關係，這樣MME因為CSFB要paging時才會知道要叫UE去找哪一個MSC/VLR，進而去連接。並且可以不用同時對3G及LTE都進行Location Update。

我們這邊就介紹一下TA跟 LA同時update 的方式及流程，其實這個流程跟先前文章提到的ISR(Idle signaling Reduction)很像，但實際上是不一樣的東西，ISR是TA跟Routing Area (RA)做同步，所以是由MME跟SGSN做同步，現在是由MSC及MME做同步。實際上MSC在3G時代就已經跟SGSN在做同步，因為SGSN在UMTS中是負責Packet-Switched，使用Routing Area，而MSC是負責Circuit-Switched，使用Location Area，兩者已經有實做了同步的功能，所以在MSC上接受MME的Tracking Area資訊並不是一件困難的事情。

流程就上面就看圖說故事，

1. 當UE要進行Tracking Area Update，會對MME傳送TAU的指令。
2. MME會對HSS進行Location regitration的指令，讓HSS知道現在UE在哪，也就是HSS資料庫可以儲存UE走過的地點!
3. MME會使用上述的對應表格對MSC進行LA 註冊，因為有了表格，MME才知道要找哪一個MSC註冊，等於代替UE去註冊LA。所以UE就不用去跟MSC 做LA update了
4. MSC收到 update之後，會將此用戶的IMSI及用戶所在的MME記錄下來，這是為了方便到時候MSC要反向找MME所使用。
5. MSC也會跟HSS進行通報，讓HSS知道UE在3G網路的LA
6. 對MME回應LA註冊成功，
7. 再由MME回應給UE目前所在的LA。

可以看的出來在這個階段UE是不需要對3G基地台進行存取，這個部份的設計大幅節省空中資源。並且完成了LA及TA同時的update。
Circuit Switched Fallback Procedure - Mobile Originating Call:
MO call 一樣看圖說故事

1. UE向MME發起通話需求
2. MME回覆UE，請UE handover到3G系統
3. UE handover到3G系統
4. 建立voice call(注意:這邊隱含了一些重點，一個是UE在做TAU update，MME會順便回覆LA，所以UE才知道要找哪一個MSC。另一個是Data call仍然是在LTE中做傳輸

Circuit Switched Fallback Procedure - Mobile Terminating Call:


MT call 一樣看圖說故事，不過比MO複雜些

1. 1. 從3G網路來的的MT call，由別的MSC傳到UE所在的MSC。
   2. MSC會查詢此UE對應的LTE的MME位置
   3. 查到MME之後，會傳送paging請求給LTE的MME
   4. MME對UE做 paging，但paging會帶Circuit Switched 訊息，讓UE知道其實是CS網路在做paging
   5. UE收到CS paging之後會發送CS service request，請求MME給予CS資源
   6. MME這時候會指示UE handover至3G網路到特定的MSC
   7. UE進行handover
   8. UE在進行handover後會回覆paging response給MSC。(注意不是回給MME)
   9. 當MSC收到paging response後MSC就會將MT call傳送給UE，準備進行通話

這個CS Fallback方案是很適合在系統過渡到VoLTE之前的一個好方案，但有個缺點，就是在進行語音通話的時候，會感覺延遲時間變長，畢竟跟LTE做完協調之後才跟3G做連接，一般使用者經驗是五秒到十秒，目前看到的資料是香港已經在線上使用。實際上使用者是會感受到的