LTE系統(tǒng)切換過程的實(shí)現(xiàn)*

王財(cái)香，張?zhí)拈Γ钚∥?/p>

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

責(zé)任編輯:孫 卓

1 引言

LTE項(xiàng)目是3G的演進(jìn)，它改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接口技術(shù)在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mbit/s與上行50 Mbit/s的峰值速率[1]，相比之前技術(shù)，在速度方面有了提高而對(duì)切換高質(zhì)量提出了挑戰(zhàn)。以LTE為接入技術(shù)的移動(dòng)通信包含了終端設(shè)備、無(wú)線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信，在移動(dòng)通信中的切換是最復(fù)雜、最重要的流程之一，它負(fù)責(zé)讓終端設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)保持連接的持續(xù)性，涉及了多個(gè)網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)的信息交互，切換效果的好壞直接影響到為用戶提供的服務(wù)質(zhì)量，然而對(duì)LTE系統(tǒng)切換過程的研究必然要對(duì)其協(xié)議的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，但是由于各種原因，國(guó)內(nèi)至今還缺乏對(duì)各種通信系統(tǒng)移動(dòng)臺(tái)端核心技術(shù)-協(xié)議棧的軟件開發(fā)，所以開發(fā)LTE系統(tǒng)的切換過程必須研究在LTE系統(tǒng)切換過程的協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

2 LTE系統(tǒng)協(xié)議棧

2.1 LTE空中接口協(xié)議棧

E-UTRAN（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network）空中接口是指 UE（User Equipment）和 E_UTRAN之間的接口。空中接口協(xié)議可以分為控制平面和用戶平面。其中，控制平面負(fù)責(zé)無(wú)線連接的建立、用戶無(wú)線資源的管理、業(yè)務(wù)的質(zhì)量保證和最終的資源釋放；用戶平面主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的正常傳輸。

LTE用戶面的協(xié)議棧主要分為MAC（Media Access Control），RLC （Radio Link Control），PDCP(Packet Data Converge Protocol)等子層。其中MAC子層主要負(fù)責(zé)從邏輯信道到傳輸信道的映射；RLC子層主要負(fù)責(zé)傳輸信道到邏輯信道的映射；PDCP層主要負(fù)責(zé)從無(wú)線承載到傳輸模式的映射[2-4]，如圖1所示。

圖1 空中接口用戶面協(xié)議結(jié)構(gòu)

LTE控制平面的底層協(xié)議和用戶平面相似，而RRC子層和非接入子層NAS（Non-Access Stratum）是控制平面最重要的部分。在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，UE既可能處于空閑狀態(tài)，也可能處于業(yè)務(wù)傳輸（連接）狀態(tài)。對(duì)UE的不同狀態(tài)，RRC和NAS子層有不同的協(xié)議狀態(tài)與之對(duì)應(yīng)，從而對(duì)不同活動(dòng)狀態(tài)下的UE進(jìn)行管理。E-UTRAN的RRC子層主要承擔(dān)廣播、無(wú)線承載控制、無(wú)線接口尋呼、RRC連接管理、UE測(cè)量上報(bào)和控制、移動(dòng)性管理等功能[5]，如圖2所示。

圖2 空中接口控制面協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

2.2 LTE協(xié)議棧RRC子層

LTE協(xié)議棧RRC子層是整個(gè)接入層的控制中心，包括對(duì)每一個(gè)接入層模塊的控制，同時(shí)RRC子層還為非接入層提供接口。在協(xié)議棧層間是通過信號(hào)來通信，信號(hào)包括了信號(hào)頭和信號(hào)內(nèi)容，例如CMAC_ACC_STATUS_IND。與TD的協(xié)議棧RRC子層的4個(gè)狀態(tài)不同，LTE協(xié)議棧RRC子層分為2個(gè)狀態(tài):RRC連接狀態(tài)（RRC_CONNECTED）和RRC空閑狀態(tài)（RRC_IDLE），這樣LTE系統(tǒng)RRC子層對(duì)流程的處理也就與之前TD不同了，它簡(jiǎn)化了狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，有利于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)RRC子層的功能，筆者介紹的切換進(jìn)程是發(fā)生在RRC子層的連接狀態(tài)。

LTE協(xié)議棧RRC子層的功能由RRC實(shí)體實(shí)現(xiàn)，主要功能為:對(duì)與非接入層NAS相關(guān)的系統(tǒng)消息的廣播（這個(gè)是網(wǎng)絡(luò)端的RRC子層功能）；對(duì)與接入層AS相關(guān)的系統(tǒng)消息的廣播、尋呼；對(duì)UE和E-UTRAN之間的RRC連接的建立、維持和釋放，包括密鑰管理的安全性功能；對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線承載的建立、配置、維持和釋放，包括切換在內(nèi)的移動(dòng)性功能管理，UE測(cè)量報(bào)告和報(bào)告的控制；對(duì)NAS直接消息的傳輸[6]（直接消息的意思是此非接入層信息對(duì)于RRC子層是透明傳輸?shù)模?/p>

3 LTE系統(tǒng)切換過程

在LTE系統(tǒng)中，對(duì)于正在通信的移動(dòng)終端，當(dāng)它從一個(gè)區(qū)域移動(dòng)到另一個(gè)區(qū)域，為了保持連續(xù)性，網(wǎng)絡(luò)端會(huì)根據(jù)切換判斷策略來控制終端啟動(dòng)切換過程[7]，它是呼叫期間處理的關(guān)鍵過程，必須快而準(zhǔn)確，目標(biāo)小區(qū)的選擇必須是最佳，要使用戶察覺不到。筆者根據(jù)3GPP 36系列的協(xié)議研究可以得出LTE系統(tǒng)的切換流程，可分為3個(gè)過程:測(cè)量過程、判決過程和執(zhí)行過程，如圖3所示。

圖3 LTE系統(tǒng)切換總體過程

測(cè)量過程主要是根據(jù)系統(tǒng)信息中的SIB1（System Information Blocks 1），SIB2和重配置消息提供的鄰近小區(qū)信息來進(jìn)行測(cè)量，移動(dòng)臺(tái)（UE）根據(jù)接收到的信息搜索本小區(qū)和周圍小區(qū)基站的測(cè)量量，結(jié)果可以通過事件或周期性上報(bào)給網(wǎng)絡(luò)側(cè)，供網(wǎng)絡(luò)端參考來判決[8]。同時(shí)基站也不斷測(cè)量UE的上行鏈路信號(hào)，網(wǎng)絡(luò)單元此時(shí)進(jìn)入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)判決階段。判決過程是網(wǎng)絡(luò)端的一個(gè)重要功能，對(duì)UE上報(bào)的事件和內(nèi)容進(jìn)行判決，如果不滿足門限和條件，則不予理會(huì)，如果滿足給定的條件，選擇好要切換的目標(biāo)小區(qū)，下發(fā)物理信道重配置消息給UE，啟動(dòng)切換過程。在網(wǎng)絡(luò)端給UE發(fā)送重配置消息之前，需要對(duì)目標(biāo)小區(qū)進(jìn)行無(wú)線鏈路的建立配置，當(dāng)配置完成之后再下發(fā)消息。此消息里含有目標(biāo)小區(qū)的ID、安全性相關(guān)信息、移動(dòng)控制信息、載波頻率以及接入層各子層的新配置信息等。理想切換流程如圖4所示。

具體各個(gè)步驟的解析為:

1）Source eNodeB根據(jù)區(qū)域限制信息配置UE的測(cè)量過程，并通過RRC重配置消息發(fā)送測(cè)量控制信息給UE。

2）UE按照eNodeB下發(fā)的測(cè)量控制在UE的RRC協(xié)議端進(jìn)行測(cè)量配置，并向eNodeB發(fā)送RRC Connection Reconfiguration Complete消息表示測(cè)量配置完成。

3）UE按照測(cè)量配置向eNodeB上報(bào)測(cè)量報(bào)告。

4）Source eNodeB基于測(cè)量報(bào)告和無(wú)線資源管理信息作出UE切換的判決。當(dāng)Source eNodeB認(rèn)為切換有必要，就確定一個(gè)合適的目標(biāo)小區(qū)（假定為L(zhǎng)TE小區(qū)），請(qǐng)求接入控制目標(biāo)小區(qū)的Source eNodeB。

5）為了在目標(biāo)側(cè)準(zhǔn)備切換，Source eNodeB向Target eNodeB發(fā)送Handover Request信息，并傳送必要的信息。

6）目標(biāo)小區(qū)進(jìn)行資源準(zhǔn)入，為UE的接入分配空口資源和業(yè)務(wù)的SAE（System Architecture Evolution）承載資源。

7）目標(biāo)小區(qū)資源準(zhǔn)入成功后，向Source eNodeB發(fā)送Handover Request Acknowledge消息，指示切換準(zhǔn)備工作完成。

8）TargeteNodeB接收切換請(qǐng)求，并向Source eNodeB提供切換執(zhí)行時(shí)UE接入目標(biāo)小區(qū)所需的參數(shù)，這些參數(shù)包括小區(qū)ID、載波頻率和分配的上下行資源。Source eNodeB生成RRC信息執(zhí)行切換RRC Connection Reconfiguration消息包含的MobilityControlInfo，由Source eNodeB發(fā)送到 UE[6]。

9）UE接收到包含MobilityControlInfo的RRC重配置消息后，中斷與Source eNodeB的無(wú)線連接，并開始同Target eNodeB建立新的無(wú)線連接，在這段時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸被中斷。這其中包括下行同步建立、定時(shí)提前、數(shù)據(jù)發(fā)送等步驟。當(dāng)UE成功接入到目標(biāo)小區(qū)，UE發(fā)送RRC連接重配置完成信息到TargeteNodeB去指示切換進(jìn)程對(duì)于UE已完成，當(dāng)UE接收到應(yīng)答切換命令，就認(rèn)為切換過程結(jié)束。

4 LTE切換過程在接入層中的協(xié)議實(shí)現(xiàn)

為了對(duì)各個(gè)進(jìn)程描述清楚，可以把RRC分成圖5所示的6個(gè)狀態(tài)。

圖5 RRC子狀態(tài)間的躍遷

1）空狀態(tài)（NULL）。剛開機(jī)或者找不到任何可以駐留小區(qū)時(shí)進(jìn)入該狀態(tài)，收到非接入層的指令也進(jìn)入該狀態(tài)。

2）選擇（SEL）。包含PLMN和小區(qū)選擇。為了找到一個(gè)合適的小區(qū)進(jìn)行駐留，需要在指定頻點(diǎn)（帶BA表）或全頻段進(jìn)行搜索，尋找可用的PLMN，并在選擇的PLMN上選擇合適的小區(qū)駐留，進(jìn)入IDLE狀態(tài)。

3）空閑狀態(tài)（IDL）。正常的小區(qū)駐留狀態(tài)，在收到尋呼或是高層發(fā)起呼叫之前，UE一直處于該狀態(tài)，UE與E-UTRAN之間沒有任何上行物理信道連接。UE在該狀態(tài)監(jiān)聽廣播信道，維護(hù)更新服務(wù)小區(qū)的系統(tǒng)信息，執(zhí)行鄰近小區(qū)的測(cè)量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)更好的小區(qū)或滿足小區(qū)重選標(biāo)準(zhǔn)時(shí)就進(jìn)行小區(qū)重選。

4）隨機(jī)接入（ACC）。當(dāng)UE接收到高層配置的連接，建立請(qǐng)求消息，根據(jù)連接建立原因判斷小區(qū)是否被禁止。若小區(qū)不被禁止，UE的RRC負(fù)責(zé)配置無(wú)線資源和無(wú)線信道，通過原語(yǔ)通知MAC初始隨機(jī)接入進(jìn)程，建立上行同步。

5）正常連接狀態(tài)（CON）。初始安全性激活，配置AS密鑰和相關(guān)參數(shù)，并配置低層進(jìn)行加密和完整性保護(hù)所需要的相關(guān)密鑰和參數(shù)。負(fù)責(zé)連接重配置，建立SRB2和DRBs，完成UE和E-UTRAN之間的無(wú)線鏈路建立。

6）切換（HO）。執(zhí)行同頻、異頻小區(qū)間的切換，主要是通過重配置消息里的MobilityControlInfo來實(shí)現(xiàn)。

結(jié)合圖5，圍繞切換過程對(duì)RRC子狀態(tài)間躍進(jìn)行解析，“…”表示其他過程。

當(dāng)收到CMAC_ACC_STATUS_IND后，MAC子層通知RRC子層隨機(jī)接入已經(jīng)完成，RRC子層從HO狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到CON狀態(tài)，這也是切換成功的情況。當(dāng)重配置失敗（切換失敗），MAC子層通過 CMAC_ACC_STATUS_IND通知RRC子層接入失敗，啟動(dòng)重建過程（重建SRB1和恢復(fù)數(shù)據(jù)的傳輸），在重建前都有一個(gè)小區(qū)選擇過程，所以RRC子層從HO狀態(tài)先跳轉(zhuǎn)到SEL狀態(tài)，選擇到一個(gè)合適小區(qū)后進(jìn)入IDL狀態(tài)，然后重建SRB1，恢復(fù)數(shù)據(jù)的傳輸，此時(shí)RRC子層跳轉(zhuǎn)到ACC狀態(tài)，如果接入成功進(jìn)入CON狀態(tài)，否則進(jìn)入SEL狀態(tài)繼續(xù)小區(qū)選擇。當(dāng)T304定時(shí)器超時(shí) （在設(shè)計(jì)中這個(gè)定時(shí)器在收到重配置消息的時(shí)候開啟，在RRC子層收到MAC子層的隨機(jī)接入成功停止），首先恢復(fù)使用在原小區(qū)的配置，再啟動(dòng)重建過程。

當(dāng)UE接收RRC Connection Reconfiguration消息里面包含MobilityControlInfo message時(shí)候，UE執(zhí)行切換，如果成功，在UE端協(xié)議棧中以RRC子層為中心的各層對(duì)此消息的處理流程如圖6所示。

1）從網(wǎng)絡(luò)端收到的重配置消息，此消息包含移動(dòng)控制信息（指示終端執(zhí)行切換）。

圖6 連接重配置消息里包含MobilityControlInfo消息

2）RRC子層收到此消息后，開啟定時(shí)器T304并對(duì)它進(jìn)行解析，并通過RR_DATA_IND把消息里包含的dedicatedinfoNASlist信息傳到非接入層。

3）重置MAC子層并根據(jù)重配置消息中的信息重建MAC，RLC和PDCP各子層。

4）RRC子層要求MAC子層發(fā)起隨機(jī)接入。

5）MAC子層向RRC子層指示隨機(jī)接入響應(yīng)已成功，RRC子層收到此信息就停止T304定時(shí)器。

6）物理層隨機(jī)接入過程。

7）在RRC子層進(jìn)入CON狀態(tài)并根據(jù)專有配置來配置各層，進(jìn)而對(duì)接入層進(jìn)行加密和完整性保護(hù)。

8）對(duì)非接入層進(jìn)行加密。

9）使用加密和完整性保護(hù)后的底層來傳輸重配置完成消息。

在對(duì)切換過程中其他情況的設(shè)計(jì)也是根據(jù)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)分析、信息元素的處理、子層相關(guān)的處理思路。

5 小結(jié)

雖然近年來已經(jīng)提出不少解決切換所面臨的技術(shù)問題，但都不能很好地解決，新的系統(tǒng)又對(duì)切換的質(zhì)量提出不一樣的要求，這樣網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化也面臨難題。切換的策略隨著接入技術(shù)的改變也隨之變化[9]。在現(xiàn)在已經(jīng)制定的標(biāo)準(zhǔn)中，LTE系統(tǒng)除了對(duì)系統(tǒng)內(nèi)切換有比較詳細(xì)的介紹外，對(duì)不同頻率和不同系統(tǒng)（如其他3GPP系統(tǒng)、WLAN系統(tǒng)等）間切換制定的相關(guān)協(xié)議比較少，所以對(duì)各大通信廠商和科研機(jī)構(gòu)來說，提前跟蹤LTE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)研和開發(fā)，對(duì)于保持競(jìng)爭(zhēng)力和及時(shí)推出新品都是至關(guān)重要的。在今后的工作中，除了對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)的切換流程進(jìn)行測(cè)試外，還要進(jìn)一步調(diào)研實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的切換協(xié)議，并完成LTE切換過程各種異常情況的研究。

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