LTE HeNB的X2切換控制面的研究與應用

姚思泉+張臨+陳智存

【摘要】首先簡要介紹LTE切換的分類；然后通過對LTE HeNB協議棧中的X2切換的研究，詳細分析了X2切換的控制面，并基于HeNB協議棧的研發環境，對X2切換不同時期進行了模塊化設計，提出了一種X2切換的控制面信令流程處理方案；最后驗證了該方案的可行性，在HeNB協議棧上可以滿足3GPP對X2切換控制面的有關規定。

【關鍵詞】HeNB協議棧X2切換控制面信令

中圖分類號：TN929.5文獻標識碼：A文章編號：1006-1010(2014)-08-0036-06

Research and Application of X2 Handover Control Plane of LTE HeNB

YAO Si-quan, ZHANG Lin, CHEN Zhi-cun, XIONG Lian

(1. School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China;

2. Chongqing Chongyou Information Technology Co., Ltd., Chongqing 401121, China)

[Abstract] First LTE handover classificationis briefly introduced.Secondly, by the research on X2 handover in LTE HeNB protocol stack, the control plane of X2 handover is analyzed in detail and the modular design is carried on X2 handover in different periods based on the research and development environment of HeNB protocol stack.Asignaling flow processing solution of X2 handover control planeis proposed. Finally, this solution is verifiedandcan meet the related 3GPP rules for X2 handover control plane in HeNB protocol stack.

[Key words]HeNBprotocol stackX2 handovercontrol planesignaling

1 引言

3GPP在LTE發展的初期提出了家庭式基站（HeNB，Home eNodeB）的概念和技術，HeNB的概念一經推出，就受到來自移動運營商的追捧。借助家庭基站，移動運營商可以進入原來被固定網絡和Wi-Fi網絡控制的家庭及辦公場所市場。因此，開發家庭基站協議棧的工作迫在眉睫，其中切換功能的開發又是整個協議棧開發中必不可少的一個功能模塊。3GPP對X2切換的規定主要包括X2切換的控制面和用戶面。本文詳細研究了協議棧中有關切換的部分，并結合家庭基站協議棧的研發項目，對X2切換的控制面做了詳細的研究與設計，適用于當宏基站向HeNB切換或者HeNB到宏基站的切換，以及按照最新協議標準X2切換可以完成HeNB之間的切換。

2 X2中的切換

2.1切換的分類

切換是指當移動臺在通話過程中從一個基站覆蓋區移動到另一個基站覆蓋區，或者由于外界干擾而造成通話質量下降時，必須改變原有的話音信道而轉接到一條新的空閑話音信道上去，以繼續保持通話、通信、質量的移動性管理過程。

按照切換控制方式，切換可以分為：移動臺控制切換（MCHO）、網絡控制切換（NCHO）和移動臺輔助切換（MAHO）；另外，從切換時的連接方式上一般可分為硬切換和軟切換兩種。又根據用于移動設備和網絡之間交換切換有關信息的資源，存在兩類切換連接的建立，即前向切換和后向切換。如果從物理實體上看，根據切換過程中各個網絡實體的不同，LTE切換分為網內切換和網間切換，而網內切換根據MME/S-GW是否重選又分為四種情況。其中MME不變的兩種情況下根據網絡側HeNB間存在X2連接分為X2切換和S1切換，不同方法導致不同連接建立方式和不同切換信令過程。下面將詳細介紹X2切換的控制面部分。

2.2協議棧中的X2切換控制面

X2控制面主要是通過一系列的信令流程控制X2切換過程，使其能在整個切換過程中根據不同的網絡環境配置相應的網絡參數，包括信令無線承載（SRB）和數據無線承載（DRB）等，來實現各信令以及所攜帶的參數正確傳輸。信令主要傳輸過程如圖1所示。

3 X2切換控制面的設計

3.1功能模塊設計

X2切換模塊與其它模塊的輸入輸出關系如圖2所示。

◆HO模塊與定時器模塊的接口

定時器模塊向切換準備模塊提供開啟與關閉定時器接口；定時器模塊向HO執行模塊提供關閉定時器接口；定時器模塊向HO完成模塊提供關閉定時器接口；HO取消模塊向定時器模塊提供HO取消發送接口。

◆RRM模塊與HO模塊的接口

HO模塊向RRM模塊提供HO信令接收處理接口。

◆HO模塊與核心數據結構的接口

核心數據結構向HO模塊信令發送函數提供相應信元，如填寫UE報文信息；HO模塊信令接收函數向核心數據結構提供相應數據，如保存UE報文信息。

◆HO模塊與X2/S1信令收發模塊的接口

X2/S1信令收發模塊向HO準備模塊提供X2信令收發接口；X2/S1信令收發模塊向HO執行模塊提供X2信令收發接口；X2/S1信令收發模塊向HO完成模塊提供X2/S1信令收發接口。

◆HO模塊與ASN編解碼模塊的接口

ASN編解碼模塊向HO準備模塊提供信令編解碼接口，實現信令的收發、對RRC Context信元切換準備消息的編解碼以及目標基站到源基站的Transparent Container的編碼；ASN編解碼模塊向HO執行模塊提供信令編解碼；ASN編解碼模塊向HO完成模塊提供信令編解碼。

◆HO模塊與E-RAB建立/釋放模塊的接口

E-RAB建立/釋放模塊向HO準備模塊提供E-RAB建立/釋放接口；E-RAB建立/釋放模塊向HO完成模塊提供E-RAB釋放接口。

◆HO模塊與RRC信令收發模塊的接口

RRC信令收發模塊向HO執行模塊提供信令發送接口，實現RRC連接重配置信令的透傳和RRC重建立請求的接收。

◆HO模塊與PDCP RB實體模塊的接口

PDCP RB實體模塊向HO執行模塊提供Receive Status Of UL PDCP SDUs、UL COUNT Value以及DL COUNT Value；HO執行模塊向PDCP RB實體模塊提供Receive Status Of UL PDCP SDUs、UL COUNT Value以及DL COUNT Value。

◆HO模塊與RRC Re-establishment模塊的接口

RRC Re-establishment模塊向HO執行模塊提供RRC Re-establishment功能；HO取消模塊向RRC Re-establishment模塊提供Handover Cancel發送接口。

3.2模塊結構劃分與設計

為了保證切換信令能在整個協議棧中正確工作，根據功能模塊的設計和切換的三個過程，設計出各個模塊的結構和功能。

在HO準備模塊中，首先源基站調用Handover Request發送模塊，目標基站接收到Handover Request后，調用Handover Request接收模塊；若成功建立UE資源，Handover Request接收模塊調用Handover Request ACK發送模塊，否則調用Handover Preparation Failure發送模塊；若源基站接收到Handover Request ACK，則調用Handover Request ACK接收模塊，若接收到Handover Preparation Failure，則調用Handover Preparation Failure接收模塊。具體如圖3所示。

在HO執行模塊中，首先源基站調用RRC Connection Reconfiguration發送模塊；若存在RLC AM模式業務，調用SN Status Transfer發送模塊，目標基站接收到SN Status Transfer后，調用SN Status Transfer接收模塊；若目標基站接收到RRC Connection Reconfiguration Complete，調用RRC Connection Reconfiguration Complete接收模塊；若目標基站接收到RRC Re-establishment Request，調用RRC Re-establishment接收模塊。具體如圖4所示。

在HO完成模塊中（見圖5），若成功處理RRC Connection Reconfiguration Complete，目標基站調用Path Switch Request發送模塊；若目標基站接收到Path Switch Request ACK，調用Path Switch Request ACK接收模塊，釋放E-RAB To Be Released List信元中E-RAB，調用UE Context Release發送模塊；若目標基站接收到Path Switch Request Failure，調用Path Switch Request Failure接收模塊，隨后RRM向UE發送RRC Connection Release，釋放RRC Connection；若源基站接收到UE Context Release，調用UE Context Release接收模塊，關閉定時器TX2RELOCoverall，隨后RRM向MME發送UE Context Release Request，請求MME釋放UE資源。

在HO取消模塊中，包括Handover Cancel發送模塊和Handover Cancel接收模塊以及切換數據恢復模塊，目標基站接收到Handover Cancel后，釋放UE資源。具體如圖6所示。

3.3切換異常情況處理

在空口切換，由于各種原因導致切換失敗（如目標基站的信號質量突然下降），則調用切換數據進行系統信息回滾使其達到切換前的狀態。具體處理流程如圖7所示。

4 運行結果與分析

基于HeNB協議棧的研發環境對設計好的切換功能模塊進行代碼編寫，并且在Linux操作系統開發環境對整個協議棧運行得出如下結果，對主要信令截圖如圖8—12所示。

通過對整個協議棧的運行情況可以看出，上文設計的X2切換的控制面能成功實現對切換流程的控制。

5 總結

本文主要通過對LTE HeNB協議棧中的切換控制面進行研究，設計了切換控制面的功能模塊，在基于HeNB協議棧的研發環境中，并對其進行相應的編碼實現了X2切換的控制面功能。這不僅證明了家庭基站切換具有理論價值，而且進一步驗證了其可行性和實用性。

參考文獻：

[1] Stefania Sesia, Lssam Toufik, Matthew Baker. LTE-UMTS長期演進理論與實踐[M]. 馬霓,鄔鋼,張曉博,等譯. 北京: 人民郵電出版社, 2009.

[2]3GPP TS 36.300 V9.6.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)-Overall Description[S]. 2011.

[3] 3GPP TS 36.331 V9.5.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)-Radio Resource Control(RRC) Protocol Specification[S]. 2010.

[4] 3GPP TS 36.201 V9.1.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)-LTE Physical Layer: General Description[S]. 2010.

[5] 3GPP TS 36.413 V9.5.1. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)-S1 Application Protocol(S1AP)[S]. 2010.

[6] 3GPP TS 36.423 V9.5.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)-X2 Application Protocol(X2AP)[S]. 2011.

[7] 3GPP TS 23.401 V9.10.0. General Packet Radio Service(GPRS) Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN) Access[S]. 2011.★

作者簡介

姚思泉：碩士就讀于重慶郵電大學通信與信息工程學院，研究方向：無線通信技術。

張臨：碩士就讀于重慶郵電大學通信與信息工程學院，研究方向：無線通信技術。

陳智存：碩士就讀于重慶郵電大學通信與信息工程學院，研究方向：無線通信技術。

◆HO模塊與RRC Re-establishment模塊的接口

RRC Re-establishment模塊向HO執行模塊提供RRC Re-establishment功能；HO取消模塊向RRC Re-establishment模塊提供Handover Cancel發送接口。

3.2模塊結構劃分與設計

為了保證切換信令能在整個協議棧中正確工作，根據功能模塊的設計和切換的三個過程，設計出各個模塊的結構和功能。

在HO準備模塊中，首先源基站調用Handover Request發送模塊，目標基站接收到Handover Request后，調用Handover Request接收模塊；若成功建立UE資源，Handover Request接收模塊調用Handover Request ACK發送模塊，否則調用Handover Preparation Failure發送模塊；若源基站接收到Handover Request ACK，則調用Handover Request ACK接收模塊，若接收到Handover Preparation Failure，則調用Handover Preparation Failure接收模塊。具體如圖3所示。

在HO執行模塊中，首先源基站調用RRC Connection Reconfiguration發送模塊；若存在RLC AM模式業務，調用SN Status Transfer發送模塊，目標基站接收到SN Status Transfer后，調用SN Status Transfer接收模塊；若目標基站接收到RRC Connection Reconfiguration Complete，調用RRC Connection Reconfiguration Complete接收模塊；若目標基站接收到RRC Re-establishment Request，調用RRC Re-establishment接收模塊。具體如圖4所示。

在HO完成模塊中（見圖5），若成功處理RRC Connection Reconfiguration Complete，目標基站調用Path Switch Request發送模塊；若目標基站接收到Path Switch Request ACK，調用Path Switch Request ACK接收模塊，釋放E-RAB To Be Released List信元中E-RAB，調用UE Context Release發送模塊；若目標基站接收到Path Switch Request Failure，調用Path Switch Request Failure接收模塊，隨后RRM向UE發送RRC Connection Release，釋放RRC Connection；若源基站接收到UE Context Release，調用UE Context Release接收模塊，關閉定時器TX2RELOCoverall，隨后RRM向MME發送UE Context Release Request，請求MME釋放UE資源。

在HO取消模塊中，包括Handover Cancel發送模塊和Handover Cancel接收模塊以及切換數據恢復模塊，目標基站接收到Handover Cancel后，釋放UE資源。具體如圖6所示。

3.3切換異常情況處理

在空口切換，由于各種原因導致切換失敗（如目標基站的信號質量突然下降），則調用切換數據進行系統信息回滾使其達到切換前的狀態。具體處理流程如圖7所示。

4 運行結果與分析

基于HeNB協議棧的研發環境對設計好的切換功能模塊進行代碼編寫，并且在Linux操作系統開發環境對整個協議棧運行得出如下結果，對主要信令截圖如圖8—12所示。

通過對整個協議棧的運行情況可以看出，上文設計的X2切換的控制面能成功實現對切換流程的控制。

5 總結

本文主要通過對LTE HeNB協議棧中的切換控制面進行研究，設計了切換控制面的功能模塊，在基于HeNB協議棧的研發環境中，并對其進行相應的編碼實現了X2切換的控制面功能。這不僅證明了家庭基站切換具有理論價值，而且進一步驗證了其可行性和實用性。

參考文獻：

[1] Stefania Sesia, Lssam Toufik, Matthew Baker. LTE-UMTS長期演進理論與實踐[M]. 馬霓,鄔鋼,張曉博,等譯. 北京: 人民郵電出版社, 2009.

[2]3GPP TS 36.300 V9.6.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)-Overall Description[S]. 2011.

[3] 3GPP TS 36.331 V9.5.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)-Radio Resource Control(RRC) Protocol Specification[S]. 2010.

[4] 3GPP TS 36.201 V9.1.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)-LTE Physical Layer: General Description[S]. 2010.

[5] 3GPP TS 36.413 V9.5.1. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)-S1 Application Protocol(S1AP)[S]. 2010.

[6] 3GPP TS 36.423 V9.5.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)-X2 Application Protocol(X2AP)[S]. 2011.

[7] 3GPP TS 23.401 V9.10.0. General Packet Radio Service(GPRS) Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN) Access[S]. 2011.★

作者簡介

姚思泉：碩士就讀于重慶郵電大學通信與信息工程學院，研究方向：無線通信技術。

張臨：碩士就讀于重慶郵電大學通信與信息工程學院，研究方向：無線通信技術。

陳智存：碩士就讀于重慶郵電大學通信與信息工程學院，研究方向：無線通信技術。

◆HO模塊與RRC Re-establishment模塊的接口

RRC Re-establishment模塊向HO執行模塊提供RRC Re-establishment功能；HO取消模塊向RRC Re-establishment模塊提供Handover Cancel發送接口。

3.2模塊結構劃分與設計

為了保證切換信令能在整個協議棧中正確工作，根據功能模塊的設計和切換的三個過程，設計出各個模塊的結構和功能。

在HO準備模塊中，首先源基站調用Handover Request發送模塊，目標基站接收到Handover Request后，調用Handover Request接收模塊；若成功建立UE資源，Handover Request接收模塊調用Handover Request ACK發送模塊，否則調用Handover Preparation Failure發送模塊；若源基站接收到Handover Request ACK，則調用Handover Request ACK接收模塊，若接收到Handover Preparation Failure，則調用Handover Preparation Failure接收模塊。具體如圖3所示。

在HO執行模塊中，首先源基站調用RRC Connection Reconfiguration發送模塊；若存在RLC AM模式業務，調用SN Status Transfer發送模塊，目標基站接收到SN Status Transfer后，調用SN Status Transfer接收模塊；若目標基站接收到RRC Connection Reconfiguration Complete，調用RRC Connection Reconfiguration Complete接收模塊；若目標基站接收到RRC Re-establishment Request，調用RRC Re-establishment接收模塊。具體如圖4所示。

在HO完成模塊中（見圖5），若成功處理RRC Connection Reconfiguration Complete，目標基站調用Path Switch Request發送模塊；若目標基站接收到Path Switch Request ACK，調用Path Switch Request ACK接收模塊，釋放E-RAB To Be Released List信元中E-RAB，調用UE Context Release發送模塊；若目標基站接收到Path Switch Request Failure，調用Path Switch Request Failure接收模塊，隨后RRM向UE發送RRC Connection Release，釋放RRC Connection；若源基站接收到UE Context Release，調用UE Context Release接收模塊，關閉定時器TX2RELOCoverall，隨后RRM向MME發送UE Context Release Request，請求MME釋放UE資源。

在HO取消模塊中，包括Handover Cancel發送模塊和Handover Cancel接收模塊以及切換數據恢復模塊，目標基站接收到Handover Cancel后，釋放UE資源。具體如圖6所示。

3.3切換異常情況處理

在空口切換，由于各種原因導致切換失敗（如目標基站的信號質量突然下降），則調用切換數據進行系統信息回滾使其達到切換前的狀態。具體處理流程如圖7所示。

4 運行結果與分析

基于HeNB協議棧的研發環境對設計好的切換功能模塊進行代碼編寫，并且在Linux操作系統開發環境對整個協議棧運行得出如下結果，對主要信令截圖如圖8—12所示。

通過對整個協議棧的運行情況可以看出，上文設計的X2切換的控制面能成功實現對切換流程的控制。

5 總結

本文主要通過對LTE HeNB協議棧中的切換控制面進行研究，設計了切換控制面的功能模塊，在基于HeNB協議棧的研發環境中，并對其進行相應的編碼實現了X2切換的控制面功能。這不僅證明了家庭基站切換具有理論價值，而且進一步驗證了其可行性和實用性。

參考文獻：

[1] Stefania Sesia, Lssam Toufik, Matthew Baker. LTE-UMTS長期演進理論與實踐[M]. 馬霓,鄔鋼,張曉博,等譯. 北京: 人民郵電出版社, 2009.

[2]3GPP TS 36.300 V9.6.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)-Overall Description[S]. 2011.

[3] 3GPP TS 36.331 V9.5.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)-Radio Resource Control(RRC) Protocol Specification[S]. 2010.

[4] 3GPP TS 36.201 V9.1.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)-LTE Physical Layer: General Description[S]. 2010.

[5] 3GPP TS 36.413 V9.5.1. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)-S1 Application Protocol(S1AP)[S]. 2010.

[6] 3GPP TS 36.423 V9.5.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)-X2 Application Protocol(X2AP)[S]. 2011.

[7] 3GPP TS 23.401 V9.10.0. General Packet Radio Service(GPRS) Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN) Access[S]. 2011.★

作者簡介

姚思泉：碩士就讀于重慶郵電大學通信與信息工程學院，研究方向：無線通信技術。

張臨：碩士就讀于重慶郵電大學通信與信息工程學院，研究方向：無線通信技術。

陳智存：碩士就讀于重慶郵電大學通信與信息工程學院，研究方向：無線通信技術。