LTE-A異構網中雙連接技術的切換流程設計與實現

張德民，田鳳仙，李培林

(重慶郵電大學　移動通信重慶市重點實驗室，重慶 400065)

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LTE-A異構網中雙連接技術的切換流程設計與實現

張德民，田鳳仙，李培林

(重慶郵電大學移動通信重慶市重點實驗室，重慶 400065)

3GPP在LTE-A異構網絡中提出雙連接技術是為了增強型小小區，終端同時連接到MeNB(MastereNB)和SeNB(SecondaryeNB)可以提高單個用戶的吞吐量和移動的強健性，用戶吞吐量的提升是通過聚合至少兩個基站的無線資源實現的。其中MeNB主要負責信令的傳輸和移動性管理，SeNB主要實現的是對數據的分流。提供了雙連接技術的應用場景，在架構上實現了用戶平面和控制平面的分離，設計了雙連接場景下的切換流程以及搭建了基于TTCN-3(TestingandTestControlNotationversion3)測試系統的終端無線資源管理(RadioResourceManagement，RRM)一致性測試平臺，并對流程設計進行了驗證。

增強型小小區；雙連接；用戶平面；控制平面；一致性測試

以LTE-A為例的新的通信技術的應用勢必會帶來4G用戶的高速增長，而新移動設備的增多和移動互聯網的飛速發展帶來了移動數據爆炸式的增長，因此這對于網絡容量的提升也是一個不小的挑戰。有預測表明，在未來的10年間，大部分移動數據都將發生在室內，且數據速率會達到目前數據速率的1 000倍以上[1]。密集小區部署的提出極大地提升了網絡的吞吐量，典型的應用場景是增大宏小區的覆蓋范圍，而通過部署小小區可以實現卸載部分數據流量的功能。但這種場景會帶來功率不均衡和頻繁切換等問題，導致信令負載過大，因此在3GPPRel-12中，高層的增強型技術引入了雙連接的概念，即在宏基站的覆蓋下，把小小區部署在較高的頻段，終端可以同時利用宏基站和小基站的無線資源。

1　雙連接技術的介紹

當UE處于MeNB和SeNB的覆蓋下，終端為提升用戶吞吐性能而同時利用兩個或多個eNB的無線資源。早在Rel-10/11的研究階段，3GPP就提出了通過聚合多個載波來達到更大的帶寬，進而提供更高的數據傳輸速率。雙連接技術與載波聚合技術最大的不同之處就是載波聚合是應用于理想回程鏈路而雙連接技術應用于非理想回程鏈路[2]，并且相比于在載波聚合技術中只有一個基站管理宏小區和小小區，雙連接技術中是兩個基站分別管理宏小區和小小區，其中管理宏小區的基站成為宏基站(MeNB)，管理小小區的基站成為小基站(SeNB)。宏基站主要功能是負責管理移動性，提供無線資源管理(RRM)和系統消息的廣播，且支持VoIP等實時性業務，而小基站的主要功能就是實現數據業務的分流[3]。

1.1控制平面的選擇

雙連接技術的實現主要集中在用戶平面和控制平面的設計，針對控制平面的網絡架構，3GPP給出了圖1中的兩種備選方案。

圖1　雙連接控制面架構

方案1：從圖中的架構設計中可以看到SeNB沒有對等的RRC(RadioResourceControl)實體。eNB的RRC功能只在MeNB上實現。MeNB和SeNB進行無線資源管理(RRM)協商之后，由MeNB把RRC信令發給UE(UserEquipment)，UE收到RRC信令后只需把RRC響應信令發給MeNB。

方案2：MeNB和SeNB中都有RRC實體，但是二者存在主輔關系[4]。MeNB和SeNB進行無線資源管理協商后，都會生成RRC信令。兩者分別將RRC信令發送給UE，UE端可以區分接收到的信令來自哪一個eNB，并對接收到的信令分別予以應答。

通過兩種方案相比較可以看出，這兩種控制平面的設計各有利弊。就RRC信令配置時延方面而言，方案1的時延明顯大于方案2；從用戶復雜度而言，方案2明顯地增大了用戶側的復雜度，這是由于UE要向兩個用戶發送準確的確認信息。3GPP綜合考慮了RRC信令的流程、傳輸的魯棒性、UE和網絡端的復雜性，最終確定采用方案1為控制平面的架構。

1.2控制平面的選擇

雙連接用戶平面的架構設計主要考慮到承載路由的選擇和協議棧的實現這兩個方面[5]。本文提供了3種可行的方案,如圖2所示。

圖2　用戶平面架構設計

Option1的EPS(EvolvedPacketSystem)承載的分割是在核心網進行，即核心網將多個EPS承載分割在不同的接入網基站中，針對單個EPS承載不進行分割。此時，SeNB需要完整的協議棧。由于EPSBearer#2獨立于MeNB，所以SeNB的切換流程是由核心網控制，而不是MeNB。

Option2方案中，EPS承載的分流在MeNB側進行，MeNB會將部分承載分流到SeNB進行傳輸。該方案中的SeNB協議棧架構設計可以分為4種情況：SeNB有完整的用戶平面協議棧；PDCP(PacketDataConvergenceProtocol)層在SeNB和MeNB的協議棧架構是主從關系；SeNB不具備PDCP層，L2中保留了RLC(RadioLinkControl)和MAC(MediumAccessControl)的協議棧架構；SeNB不具備完整的協議棧架構，MeNB和SeNB的RLC是主從關系。該方案中的切換流程由MeNB管理。

Option3方案的協議棧架構設計和切換流程的處理和Option2一樣。不同之處就是該方案的MeNB具有EPS分割功能，即一個EPS承載的一部分可以通過MeNB發送給UE，另外一部分可以通過SeNB發送給UE。

2　切換過程設計

3GPPTR36.839在研究異構網絡的移動性增強的項目中發現，相比于只有宏小區的同構網，其切換性能要差。因為小基站要受到高功率的宏基站的干擾，經常會出現切換信令的錯誤，影響切換性能。由于小小區的密集部署，頻繁的切換就會增加無線鏈路失敗的可能性[6]，無線網絡和核心網的信令負載也隨之增大。傳統的切換過程中，用戶平面和控制平面都終結于一個eNB。這種結構有一定的好處，同時也帶來了一系列的問題，當UE移動到小小區，需要重新配置與該核心網相關的信令。這個問題的解決可以通過UE同時處于宏小區和小小區的覆蓋下解決，即用戶面終止于MeNB，而小小區只用于容量的提升。一旦UE的雙連接模式打開，如果有合適的小小區，首先要考慮的就是SeNB的添加。本文模擬的切換場景是T-SeNB和S-SeNB位于源MeNB中。其協議棧用戶平面應用選擇Option1。雙連接的切換流程如圖3所示。

圖3　雙連接的切換流程

本文的應用場景是T-SeNB和S-SeNB都位于源MeNB中，UE與MeNB的連接一直存在，其間的切換僅僅是SeNB之間的更改。MeNB通過發送包含測量配置信息的RRCConnectionReconfiguration消息要求RRC對服務小區和鄰小區進行測量，UE根據測量的結果配置測量報告并把它發給MeNB。MeNB根據自己的切換算法決定是否進行切換，如果同意切換就向T-SeNB發送增加指示。如果T-SeNB同意增加到SeNB列表，就把增加請求發送給MeNB。MeNB收到T-SeNB的請求后就要求釋放原來連接的SeNB以更改和T-SeNB的連接。當MeNB同意更改T-SeNB，就發送一個確認消息，同時再給MeNB回復一個添加到MeNB的確認。如果UE和SeNB之間的切換完成則需要向SGW發送一個路徑更改的指示以把新的路徑信息存儲起來。

在結束雙連接模式通信的時候，小小區的釋放可以由MeNB觸發，也可以由SeNB觸發。本文選擇的是SeNB觸發流程。

3　測試方案

基于TTCN-3的LTE-A系統終端的RRM雙連接切換過程的平臺搭建主要由安裝了TTCN-3的PC，分別模擬3個小區的測試儀表1、測試儀表2以及測試儀表3，信道模擬設備，開關箱以及被測體等七大部分組成。在測試過程中，通過比較TTCN-3收到的UE消息與期望收到的消息內容的匹配程度來判斷RRC層是否滿足RRM的一致性測試要求[7]。具體測試架構如圖4所示。

由圖4可以看出，測試整體架構由被測系統和測試終端構成。PC通過Ttworkbench平臺來實現協議棧的NAS和RRC層的主要功能[8]。SS(SystemSimulator)由MC(MainController)與TD-LTE系統處理單元(TD-LTEProcessingUnit，TDPU)組成。TDPU實現RRC子層以下的功能，MC負責PC與TDPU之間的數據轉發和一些常用參數的顯示。

圖4測試平臺架構圖

通過測試流程圖(圖5)可以看出，該流程的測試過程是基于消息的，開始部分描述了RRC雙連接切換之前的流程。其消息測試和設計流程也是一致的，測試流程符合RRC協議描述，且最終測試結果為“success”。該測試結果滿足RRM一致性測試的要求，故認為此流程的設計是可行的[9]。

圖5　測試具體流程圖(截圖)

4　小結

本文介紹了雙連接技術的基本原理，對于雙連接用戶平面和數據平面進行了深入的分析，并按照3GPPRel-12標準設計了在雙連接狀態下的切換流程并且用TTCN-3對所設計的流程進行了驗證。在今后的工作中，還需要對雙連接技術的各個應用場景進行更加深入的研究。

[1]杜忠達.雙連接關鍵技術和發展前景分析[J].電信網技術，2014(11)：12-17.

[2]李先棟，于翠波，勾學榮.LTE-Advanced移動通信系統雙連接技術[J].現代電信科技，2014，4(9)：17-23.

[3]DAHLMANE，PARKVALLS，SKOLDJ.4GLTE/LTE-advancedformobliebroadband[M].[S.l.]：AcademicPressPublications，2011.

[4]焦慧穎.異構網絡中的雙連接帶來的機遇和挑戰[J].現代電信科技，2013，43(8)：1-3.

[5]3GPP.TS36.331V12.6.0，Evolveduniversalterrestrial

radioaccess(E-UTRA)：radioresourcecontrol(RRC)[S].2015.

[6]余翔，張麗，王蓉.LTE-A中異構網絡的切換分析[J].電訊技術，2014，54(1)：89-96.

[7]董宏成，張寧，李小文.TTCN-3在RRC協議一致性測試中的應用[J].電子技術應用，2013，39(7)：117-120.

[8]陳發堂，吳中華，張有緣，等.多模終端測試平臺的搭建及仿真實現[J].電訊技術，2015，55(9)：1042-1046.

[9]曹晶圭，羅佳，張治中.TD-LTE終端協議一致性測試編解碼方案研究[J].現代電信科學，2013(3)：15-19.

張德民(1955— )，教授，研究員，研究生導師，長期從事TD-SCDMA移動通信系統開發，目前主要從事TD-LTE系統開發；

田鳳仙(1988— )，女，碩士生，主研TD-LTE系統協議棧開發、RRM一致性測試儀表開發；

李培林(1991— )，碩士生，主研TD-LTE系統協議棧開發、RRM一致性測試儀表開發。

責任編輯：許盈

DesignandimplementationofdualconnectivityprocessinheterogeneousnetworkbasedonLTE-A

ZHANGDemin,TIANFengxian,LIPeilin

(Chongqing Key Lab of Mobile Communications Protocol,Chongqing University of Posts and Telecommunications (CQUPT), Chongqing 400065，China)

3GPPhavaproposeddualconnectivitytechniqueinLTE-Aheterogeneousnetworkforenhancedsmallcell,theterminalconnectedtotheMeNBandSeNBsimultaneouslyper-user’sthroughputandthemobilityrobustness,per-userthroughputisobtainedbyconnectingtotwoeNBsatleasttoaggregateradioresources.MeNB,whichismainlyresponsibleforthetransmissionofsignalingsandmobilitymanagement,SeNBmainachievementissplit-data.Thisarticleprovidesscenariosdualconnectiontechnologyonarchitectureenablesseparationofuseranddataplanes,thedesignofdualconnectivityscenariosisbuiltradioresourcemanagement(RRM)conformancetestingplatformwhichisbasedonterminalTTCN-3,andtesttheprocess.

enhancedsmallcell;dualconnectivity;user-plane;control-plane;protocolconformancetesting

TP929.5

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.08.010

國家科技重大專項課題(2012ZX03001024)

2016-01-21

文獻引用格式：張德民，田鳳仙，李培林.LTE-A異構網中雙連接技術的切換流程設計與實現[J].電視技術，2016，40(8)：52-56.

ZHANGDM，TIANFX，LIPL.DesignandimplementationofdualconnectivityprocessinheterogeneousnetworkbasedonLTE-A[J].Videoengineering，2016，40(8)：52-56.