LTE系统切换过程的实现*

王财香，张棠棣，李小文

（重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065）

责任编辑:孙 卓

1 引言

LTE项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接口技术在20 MHz频谱带宽下能够提供下行100 Mbit/s与上行50 Mbit/s的峰值速率[1]，相比之前技术，在速度方面有了提高而对切换高质量提出了挑战。以LTE为接入技术的移动通信包含了终端设备、无线接入网、核心网等网络节点之间的通信，在移动通信中的切换是最复杂、最重要的流程之一，它负责让终端设备在网络内保持连接的持续性，涉及了多个网元节点的信息交互，切换效果的好坏直接影响到为用户提供的服务质量，然而对LTE系统切换过程的研究必然要对其协议的实现进行研究，但是由于各种原因，国内至今还缺乏对各种通信系统移动台端核心技术-协议栈的软件开发，所以开发LTE系统的切换过程必须研究在LTE系统切换过程的协议实现。

2 LTE系统协议栈

2.1 LTE空中接口协议栈

E-UTRAN（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network）空中接口是指 UE（User Equipment）和 E_UTRAN之间的接口。空中接口协议可以分为控制平面和用户平面。其中，控制平面负责无线连接的建立、用户无线资源的管理、业务的质量保证和最终的资源释放；用户平面主要负责数据的正常传输。

LTE用户面的协议栈主要分为MAC（Media Access Control），RLC （Radio Link Control），PDCP(Packet Data Converge Protocol)等子层。其中MAC子层主要负责从逻辑信道到传输信道的映射；RLC子层主要负责传输信道到逻辑信道的映射；PDCP层主要负责从无线承载到传输模式的映射[2-4]，如图1所示。

图1 空中接口用户面协议结构

LTE控制平面的底层协议和用户平面相似，而RRC子层和非接入子层NAS（Non-Access Stratum）是控制平面最重要的部分。在真实网络中，UE既可能处于空闲状态，也可能处于业务传输（连接）状态。对UE的不同状态，RRC和NAS子层有不同的协议状态与之对应，从而对不同活动状态下的UE进行管理。E-UTRAN的RRC子层主要承担广播、无线承载控制、无线接口寻呼、RRC连接管理、UE测量上报和控制、移动性管理等功能[5]，如图2所示。

图2 空中接口控制面协议栈结构

2.2 LTE协议栈RRC子层

LTE协议栈RRC子层是整个接入层的控制中心，包括对每一个接入层模块的控制，同时RRC子层还为非接入层提供接口。在协议栈层间是通过信号来通信，信号包括了信号头和信号内容，例如CMAC_ACC_STATUS_IND。与TD的协议栈RRC子层的4个状态不同，LTE协议栈RRC子层分为2个状态:RRC连接状态（RRC_CONNECTED）和RRC空闲状态（RRC_IDLE），这样LTE系统RRC子层对流程的处理也就与之前TD不同了，它简化了状态之间的转换，有利于设计和实现RRC子层的功能，笔者介绍的切换进程是发生在RRC子层的连接状态。

LTE协议栈RRC子层的功能由RRC实体实现，主要功能为:对与非接入层NAS相关的系统消息的广播（这个是网络端的RRC子层功能）；对与接入层AS相关的系统消息的广播、寻呼；对UE和E-UTRAN之间的RRC连接的建立、维持和释放，包括密钥管理的安全性功能；对点对点无线承载的建立、配置、维持和释放，包括切换在内的移动性功能管理，UE测量报告和报告的控制；对NAS直接消息的传输[6]（直接消息的意思是此非接入层信息对于RRC子层是透明传输的）。

3 LTE系统切换过程

在LTE系统中，对于正在通信的移动终端，当它从一个区域移动到另一个区域，为了保持连续性，网络端会根据切换判断策略来控制终端启动切换过程[7]，它是呼叫期间处理的关键过程，必须快而准确，目标小区的选择必须是最佳，要使用户察觉不到。笔者根据3GPP 36系列的协议研究可以得出LTE系统的切换流程，可分为3个过程:测量过程、判决过程和执行过程，如图3所示。

图3 LTE系统切换总体过程

测量过程主要是根据系统信息中的SIB1（System Information Blocks 1），SIB2和重配置消息提供的邻近小区信息来进行测量，移动台（UE）根据接收到的信息搜索本小区和周围小区基站的测量量，结果可以通过事件或周期性上报给网络侧，供网络端参考来判决[8]。同时基站也不断测量UE的上行链路信号，网络单元此时进入相应的网络判决阶段。判决过程是网络端的一个重要功能，对UE上报的事件和内容进行判决，如果不满足门限和条件，则不予理会，如果满足给定的条件，选择好要切换的目标小区，下发物理信道重配置消息给UE，启动切换过程。在网络端给UE发送重配置消息之前，需要对目标小区进行无线链路的建立配置，当配置完成之后再下发消息。此消息里含有目标小区的ID、安全性相关信息、移动控制信息、载波频率以及接入层各子层的新配置信息等。理想切换流程如图4所示。

具体各个步骤的解析为:

1）Source eNodeB根据区域限制信息配置UE的测量过程，并通过RRC重配置消息发送测量控制信息给UE。

2）UE按照eNodeB下发的测量控制在UE的RRC协议端进行测量配置，并向eNodeB发送RRC Connection Reconfiguration Complete消息表示测量配置完成。

3）UE按照测量配置向eNodeB上报测量报告。

4）Source eNodeB基于测量报告和无线资源管理信息作出UE切换的判决。当Source eNodeB认为切换有必要，就确定一个合适的目标小区（假定为LTE小区），请求接入控制目标小区的Source eNodeB。

5）为了在目标侧准备切换，Source eNodeB向Target eNodeB发送Handover Request信息，并传送必要的信息。

6）目标小区进行资源准入，为UE的接入分配空口资源和业务的SAE（System Architecture Evolution）承载资源。

7）目标小区资源准入成功后，向Source eNodeB发送Handover Request Acknowledge消息，指示切换准备工作完成。

8）TargeteNodeB接收切换请求，并向Source eNodeB提供切换执行时UE接入目标小区所需的参数，这些参数包括小区ID、载波频率和分配的上下行资源。Source eNodeB生成RRC信息执行切换RRC Connection Reconfiguration消息包含的MobilityControlInfo，由Source eNodeB发送到 UE[6]。

9）UE接收到包含MobilityControlInfo的RRC重配置消息后，中断与Source eNodeB的无线连接，并开始同Target eNodeB建立新的无线连接，在这段时间内，数据传输被中断。这其中包括下行同步建立、定时提前、数据发送等步骤。当UE成功接入到目标小区，UE发送RRC连接重配置完成信息到TargeteNodeB去指示切换进程对于UE已完成，当UE接收到应答切换命令，就认为切换过程结束。

4 LTE切换过程在接入层中的协议实现

为了对各个进程描述清楚，可以把RRC分成图5所示的6个状态。

图5 RRC子状态间的跃迁

1）空状态（NULL）。刚开机或者找不到任何可以驻留小区时进入该状态，收到非接入层的指令也进入该状态。

2）选择（SEL）。包含PLMN和小区选择。为了找到一个合适的小区进行驻留，需要在指定频点（带BA表）或全频段进行搜索，寻找可用的PLMN，并在选择的PLMN上选择合适的小区驻留，进入IDLE状态。

3）空闲状态（IDL）。正常的小区驻留状态，在收到寻呼或是高层发起呼叫之前，UE一直处于该状态，UE与E-UTRAN之间没有任何上行物理信道连接。UE在该状态监听广播信道，维护更新服务小区的系统信息，执行邻近小区的测量，当发现一个更好的小区或满足小区重选标准时就进行小区重选。

4）随机接入（ACC）。当UE接收到高层配置的连接，建立请求消息，根据连接建立原因判断小区是否被禁止。若小区不被禁止，UE的RRC负责配置无线资源和无线信道，通过原语通知MAC初始随机接入进程，建立上行同步。

5）正常连接状态（CON）。初始安全性激活，配置AS密钥和相关参数，并配置低层进行加密和完整性保护所需要的相关密钥和参数。负责连接重配置，建立SRB2和DRBs，完成UE和E-UTRAN之间的无线链路建立。

6）切换（HO）。执行同频、异频小区间的切换，主要是通过重配置消息里的MobilityControlInfo来实现。

结合图5，围绕切换过程对RRC子状态间跃进行解析，“…”表示其他过程。

当收到CMAC_ACC_STATUS_IND后，MAC子层通知RRC子层随机接入已经完成，RRC子层从HO状态跳转到CON状态，这也是切换成功的情况。当重配置失败（切换失败），MAC子层通过 CMAC_ACC_STATUS_IND通知RRC子层接入失败，启动重建过程（重建SRB1和恢复数据的传输），在重建前都有一个小区选择过程，所以RRC子层从HO状态先跳转到SEL状态，选择到一个合适小区后进入IDL状态，然后重建SRB1，恢复数据的传输，此时RRC子层跳转到ACC状态，如果接入成功进入CON状态，否则进入SEL状态继续小区选择。当T304定时器超时 （在设计中这个定时器在收到重配置消息的时候开启，在RRC子层收到MAC子层的随机接入成功停止），首先恢复使用在原小区的配置，再启动重建过程。

当UE接收RRC Connection Reconfiguration消息里面包含MobilityControlInfo message时候，UE执行切换，如果成功，在UE端协议栈中以RRC子层为中心的各层对此消息的处理流程如图6所示。

1）从网络端收到的重配置消息，此消息包含移动控制信息（指示终端执行切换）。

图6 连接重配置消息里包含MobilityControlInfo消息

2）RRC子层收到此消息后，开启定时器T304并对它进行解析，并通过RR_DATA_IND把消息里包含的dedicatedinfoNASlist信息传到非接入层。

3）重置MAC子层并根据重配置消息中的信息重建MAC，RLC和PDCP各子层。

4）RRC子层要求MAC子层发起随机接入。

5）MAC子层向RRC子层指示随机接入响应已成功，RRC子层收到此信息就停止T304定时器。

6）物理层随机接入过程。

7）在RRC子层进入CON状态并根据专有配置来配置各层，进而对接入层进行加密和完整性保护。

8）对非接入层进行加密。

9）使用加密和完整性保护后的底层来传输重配置完成消息。

在对切换过程中其他情况的设计也是根据状态跳转分析、信息元素的处理、子层相关的处理思路。

5 小结

虽然近年来已经提出不少解决切换所面临的技术问题，但都不能很好地解决，新的系统又对切换的质量提出不一样的要求，这样网络的优化也面临难题。切换的策略随着接入技术的改变也随之变化[9]。在现在已经制定的标准中，LTE系统除了对系统内切换有比较详细的介绍外，对不同频率和不同系统（如其他3GPP系统、WLAN系统等）间切换制定的相关协议比较少，所以对各大通信厂商和科研机构来说，提前跟踪LTE标准进行预研和开发，对于保持竞争力和及时推出新品都是至关重要的。在今后的工作中，除了对已经设计的切换流程进行测试外，还要进一步调研实现不同系统间的切换协议，并完成LTE切换过程各种异常情况的研究。

[1]BERKMANN J， CARBONELLI C， DIETRICH F， et al.On 3G LTE terminal implementation-standard，algorithms，complexities and challenges[C]//Proc.2008 Wireless Communications and Mobile Computing Conference.Crete Island，Greece:IEEE Press，2008:970-975.

[2]3GPP TS 36.321， Evolved Universal Terrestrial Radio Access（EUTRA）；Medium Access Control（MAC）protocol specification[S].version 9.2009.

[3]3GPP TS 36.322， Evolved Universal Terrestrial Radio Access（EUTRA）；Radio Link Control（RLC）protocol specification[S].version 9.2010.

[4]3GPP TS 36.323， Evolved Universal Terrestrial Radio Access（EUTRA）；Packet Data Convergence Protocol（PDCP）specification[S].version 9.2010.

[5]3GPP TS 36.300， Evolved Universal Terrestrial Radio Access（EUTRA）and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network（E-UTRAN）；overall description[S].version9.0.0.2009.

[6]3GPP TS 36.331， Evolved Universal Terrestrial Radio Access （EUTRA）；Radio Resource Control（RRC）protocol specification[S].version 9.2009.

[7]BAJZIK L， HORVATH P， KOROSSY L， et al.Impact of Intra-LTE handover with forwarding on the user connections[C]//Proc.2007 Mobile and Wireless Communications Summit.Budapest，Hungary:IEEE Press，2007:1-5.

[8]AMIRIJOO M， FRENGER P， GUNNARSSON F， et al.Neighbor cell relation list and measured cell identity management in LTE，network operations and management symposium[C]//Proc.2008 Network Operations and Management Symposium.Salvador，Brazil:IEEE Press，2008:152-159.

[9]包东智.LTE的技术特征及发展趋势[EB/OL].[2010-03-09].http://dev.10086.cn/news/technologyproduct/2710.html.