TD-SCDMA/GSM雙模終端異系統(tǒng)切換的研究

周 亮，李貴勇

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

1 引言

小區(qū)切換是移動臺重要的移動性功能之一，同樣也是不同無線通信系統(tǒng)間的主要互操作行為之一。切換包括系統(tǒng)內(nèi)的切換和系統(tǒng)間的切換，所謂系統(tǒng)內(nèi)的切換是指在一種無線接入技術(shù)內(nèi)同頻或異頻小區(qū)間的切換，而系統(tǒng)間的切換是指兩種無線接入技術(shù)間不同小區(qū)的切換。

為了向用戶提供無縫的通信服務(wù)而采用的系統(tǒng)間切換，是雙模終端研究必須關(guān)心的重要問題之一。雙模系統(tǒng)間切換的分析和研究，對于雙模終端結(jié)構(gòu)和協(xié)議棧接口的實現(xiàn)具有顯著的指導(dǎo)作用。同時，切換的觸發(fā)和測量密不可分，可以說測量結(jié)果是觸發(fā)切換的主要判斷依據(jù)[1]。因此，筆者將首先對雙模單待終端系統(tǒng)間切換的測量過程和切換過程進行研究，然后對雙模單待終端系統(tǒng)間切換進行設(shè)計與實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)間切換的過程描述

系統(tǒng)間切換包括系統(tǒng)間的電路域業(yè)務(wù)切換，RAT間的分組域業(yè)務(wù)切換以及系統(tǒng)間并發(fā)業(yè)務(wù)的切換。鑒于篇幅的原因，以系統(tǒng)間的電路域業(yè)務(wù)切換為例進行研究與實現(xiàn)。

2.1 TD-SCDMA至GSM的切換過程

在TD-SCDMA系統(tǒng)中，陸地?zé)o線接入網(wǎng)（UTRAN）可以通過系統(tǒng)消息廣播或發(fā)送測量控制消息來控制終端中的測量。連接模式下測量過程基本包含測量控制和測量報告。在獲取測量參數(shù)后，終端根據(jù)測量控制消息控制物理層進行持續(xù)的測量。無線資源控制子層（RRC）讀取物理層的原始測量值，進行相應(yīng)的平滑處理，形成測量結(jié)果。當(dāng)報告的標準滿足時，終端發(fā)送測量報告給UTRAN[2]。

UTRAN根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)情況做出切換判決，發(fā)送命令HANDOVER FROM UTRAN COMMAND，要求終端從當(dāng)前的TD小區(qū)切換到滿足切換要求的GSM小區(qū)。該消息包括無線承載（RB）信元和異系統(tǒng)（inter RAT）信息。inter RAT信息包含一個信元“systemType”，可指示另一個標準所規(guī)定的消息，并攜帶與其他無線接入技術(shù)相關(guān)的目標小區(qū)標識和無線參數(shù)。另外，也有可能在終端并沒有對目標GSM小區(qū)進行測量的情況下，UTRAN根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的資源分配和終端的業(yè)務(wù)情況要求終端切換到GSM小區(qū)。

終端接收HANDOVER FROM UTRAN COMMAND消息后，如果處于CELL_DCH狀態(tài)，將進行系統(tǒng)間切換。如果切換成功，終端檢查是否有電路交換域初始直傳消息或上行直傳消息的遞交沒有被無線鏈路控制子層（RLC）成功確認。如果存在這樣的非接入層（NAS）消息，將在新建立的GSM連接上重傳給網(wǎng)絡(luò)。一旦離開TDD_LCR模式，終端將清除或設(shè)置其變量。如果切換失敗，終端將恢復(fù)UTRAN配置，建立原有的UTRAN連接，然后發(fā)送HANDOVER FROM UTRAN FAILURE消息給網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)收到HANDOVER FROM UTRAN FAILURE消息后，將釋放在目標無線接入技術(shù)GSM中的資源。

2.2 GSM至TD-SCDMA的切換過程

要進行GSM連接模式下對TD-SCDMA小區(qū)的測量，終端首先需要從網(wǎng)絡(luò)獲得用于測量的相關(guān)參數(shù)，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)要求，判斷服務(wù)小區(qū)的接收信號強度指示（RSSI）是否低于或高于Qsearch_C，若滿足條件，則物理層開啟GSM連接模式下的TD測量[3]。物理層在完成測量后，就會把TD小區(qū)的測量結(jié)果上報無線資源管理（RRM），RRM在對測量結(jié)果進行整理后形成測量報告，通過上行的慢速隨路控制信道（SACCH）有規(guī)律地向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送測量報告消息。

終端處于連接狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)測量報告，觸發(fā)到異系統(tǒng)小區(qū)的切換過程。此時網(wǎng)絡(luò)將發(fā)送HANDOVER TO UTRAN COMMAND消息到終端。在此消息中，除了包含信元“U_RNTI”外，UTRAN可以給終端配置完整的無線承載、傳輸信道和物理信道信息，或者使用在終端中存儲的預(yù)定義或缺省無線配置。另外，即使沒有預(yù)先對目標UTRAN小區(qū)及頻率進行測量，終端也能接收HANDOVER TO UTRAN COMMAND消息來執(zhí)行系統(tǒng)間切換。

終端接收到HANDOVER TO UTRAN COMMAND消息后，執(zhí)行系統(tǒng)間切換過程。終端將維護已建立的信令連接，按照網(wǎng)絡(luò)的配置消息配置無線承載、傳輸信道和物理信道。若終端成功地建立了與UTRAN的連接，應(yīng)在上行DCCH上發(fā)送HANDOVER TO UTRAN COMPLETE消息。當(dāng)收到HANDOVER TO UTRAN COMPLETE消息后，UTRAN將認為系統(tǒng)間切換過程成功。如果終端接收到的HANDOVER TO UTRAN COMMAND消息無效或者無法成功切換，將恢復(fù)使用切換前的連接，并向網(wǎng)絡(luò)指示切換失敗[4]。

3 雙模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鑒于GSM協(xié)議棧已經(jīng)相對成熟，TD-SCDMA協(xié)議棧也已經(jīng)商用化，在本文中，雙模單待終端協(xié)議棧的實現(xiàn)思路是，采用TD-SCDMA協(xié)議棧結(jié)合GSM/GPRS協(xié)議棧的方法，在TD-SCDMA協(xié)議棧軟件模塊和GSM/GPRS協(xié)議棧模塊的基礎(chǔ)上，對其進行必要修改，添加交互接口，以實現(xiàn)高性能的雙模協(xié)議棧軟件。

雙模NAS層由TD-SCDMA的NAS層修改而成，用于控制接入技術(shù)和公共陸地移動網(wǎng)絡(luò)（PLMN）的選擇；在RRM與RRC間設(shè)置接口，支持雙模工作，以實現(xiàn)模式間切換的控制；L1U和L1G間設(shè)置接口，主要用于支持系統(tǒng)間測量，避免不同系統(tǒng)間底層與上層的交互。在單模的情況下，RRC與RRM支持以前的接口進行信息的傳遞。同時對于電路交換域，RRC與移動性管理子層（MM）、RLC、MAC和L1U層增加接口原語，RRM與MM、數(shù)據(jù)鏈路層（DL）和L1G層增加接口原語，便于實現(xiàn)在雙模系統(tǒng)間切換時無線資源對各個層次之間的控制功能。相應(yīng)的雙模協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，圖中未提及模塊的詳細內(nèi)容可以參考TD-SCDMA和GSM的相關(guān)協(xié)議[3-4]，在此不再詳述。

4 系統(tǒng)間切換流程設(shè)計

以TD-SCDMA至GSM的話音切換為例給出系統(tǒng)間切換流程的設(shè)計與實現(xiàn)。

4.1 收到切換消息3G模的處理流程

具體處理流程為：

1）網(wǎng)絡(luò)收到測量報告后，根據(jù)測量報告的內(nèi)容，作出需要進行切換的決策，并向終端發(fā)送HANDOVER FROM UTRAN COMMAND消息。

2）RLC通過原語RLC_AM_DATA_IND把網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的HANDOVER FROM UTRAN COMMAND消息發(fā)送給RRC，要求RRC進行系統(tǒng)間切換。

3）RRC通過原語URRC_HO_START_IND向MM指示開始系統(tǒng)間的切換過程，RRC將停止所有活動。

4）RRC通知L1C和MAC進行系統(tǒng)間的切換，同時向RLC發(fā)送原語CRLC_SUSPEND_REQ，請求RLC掛起正在進行的業(yè)務(wù)。

5）系統(tǒng)間切換開始，RRC向RRM發(fā)送原語RR_HO_REQ，命令RRM切換到所要求的GSM小區(qū)上，原語里包含HANDOVER COMMAND消息，該消息包括信元目標小區(qū)標識、信道參數(shù)、同步指示等。

6）RRM接收到RRC發(fā)送過來的切換命令后，根據(jù)HANDOVER COMMAND消息里面的信元進行配置。

7）切換到GSM成功后，RRM向RRC發(fā)送原語RR_HO_CNF，通知RRC該2G模已經(jīng)配置成功，終端接入到指定的GSM小區(qū)上。

8）RRC通過原語 CMAC_DEACT_REQ和 CRLC_DEACT_REQ對MAC/RLC進行去激活。

9）RRC向RRM發(fā)送信號RR_VSD_IND，通知RRM關(guān)于MM，CC，SS層消息的發(fā)送狀態(tài)變量值。

10）RRC通過原語URRC_HO_COMPLETE_IND向MM指示系統(tǒng)間切換完成。RRC跳進NULL狀態(tài)。

11）系統(tǒng)間切換成功后，MM向CC指示新信道的信道模式和信道速率等。

4.2 收到切換消息2G模的處理流程

具體處理流程為：

1）當(dāng)RRM在NULL狀態(tài)接收到RRC發(fā)送過來的RR_HO_REQ命令后，根據(jù)切換命令中攜帶的HANDOVER COMMAND消息來進行切換。

2）RRM向DL發(fā)送請求DL_CONNECT_REQ（SAPI0），來初始化DL的實體和消息隊列。

3）RRM向L1G發(fā)送原語MPH_DEDICATED_REQ，請求L1G進入專用模式。RRM此時從NULL狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到異步切換狀態(tài)。

4）L1G向DL發(fā)送原語MPH_DATA_IND，原語中包含PHYSICAL INFORMATION消息，指示了定時提前量，DL再通過原語DL_UNIT_DATA_IND向RRM指示。

5）RRM向L1G發(fā)送原語MPH_HO_END_REQ，原語中包含IE定時提前量。此時終端和所切換的GSM小區(qū)處于同步狀態(tài)。

6）RRM向DL發(fā)送原語DL_ESTABLISH_REQ，請求DL建立確認模式的數(shù)據(jù)鏈路。RRM從異步切換狀態(tài)跳進異步切換觸發(fā)狀態(tài)。

7）DL超幀模式建立成功后，則通過原語DL_ESTABLISH_CNF向RRM指示。

8）RRM接收到DL發(fā)送的超幀模式已建立成功的原語后，向MM發(fā)送原語RR_SYNC_IND，指示RRM和MM間同步。同時GSM的L1G請求L1U停止所有活動，回到初始狀態(tài)。

9）RRM通過原語RR_HO_CNF，通知RRC系統(tǒng)間切換成功。

10）RRC則通過原語RR_VSD_INFO通知RRM關(guān)于MM，CC和SS層消息的發(fā)送狀態(tài)變量值。RRM從異步切換觸發(fā)AHT狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到專有ES0狀態(tài)（ES0狀態(tài)是建立SAPI0連接后的狀態(tài)）。

5 SDL與TTCN協(xié)仿真測試

在仿真測試時，采用Telelogic AB Tau的樹表結(jié)合表示法（TTCN）編寫測試例，通過SDL and TTCN Suite 4.0提供的規(guī)范描述語言（SDL）和TTCN的協(xié)仿真功能來進行TD-SCDMA至GSM的話音切換流程測試，完成錯誤的修改。限于篇幅，這里只截取了該測試用例測試消息序列流圖（MSC）的重要相關(guān)部分，如圖2所示。

6 小結(jié)

在TD-SCDMA建設(shè)的初期，其覆蓋率很難達到GSM系統(tǒng)的覆蓋水平，因此有必要實現(xiàn)TD-SCDMA和GSM之間的平滑切換。筆者從技術(shù)研發(fā)角度出發(fā)，詳細研究了雙模單待終端進行系統(tǒng)間切換的過程及與之相關(guān)的測量過程，并重點對雙模單待終端系統(tǒng)間話音切換進行了設(shè)計與實現(xiàn)，這對TD建網(wǎng)初期保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性并提高通信質(zhì)量具有重要意義。

[1]李小文.TD-SCDMA第三代移動通信系統(tǒng)、信令及實現(xiàn)[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[2]張娟，李貴勇.雙模單待終端自動重選[J].廣東通信技術(shù)，2008，28（2）：54-56.

[3]3GPP TS 45.008 V7.9.0，3rd generation partnership project;technical specification group GSM/EDGE radio accessnetwork：radio subsystem link control[S].2007.

[4]3GPPTS 44.018 V7.10.0，3rd generation partnership project； technical specification group GSM/EDGE radio access network； mobile radio interface layer 3 specification， radio resource control（RRC）protocol[S].2007.