UMTS网络中SRNS重定位机制的研究

王强强

（东莞理工学院 城市学院，广东 东莞 523106）

和2G（2nd Generation）网络面向语音服务不同，3G （Third Generation）网络以面向数据为主。受电磁波传播特性的限制，3G移动通信蜂窝网络中的蜂窝比2G的要小得多。因此，用户在使用3G网络时，发生切换的概率和频率要更大。笔者从通用移动通信系统UMTS（Universal Mobile Telecommunication System）网络的服务无线网络子系统SRNS（Serving Radio Network System）重定位入手，对用户UMTS网络中发生的切换进行了分析和研究，提出了一种新的SRNS重定位机制，并对其进行了仿真验证。

1 UMTS网络架构

在国际电信联盟 ITU（International Telecommunication Union）通过的4个3G标准中，以WCDMA的应用最为广泛。UMTS网络使用了WCDMA技术作为接入手段，已经在世界上许多地区和国家部署。图1是UMTS网络结构。

一个UMTS网络主要由核心网CN（Core Network）、接入网 UTRAN （UMTS Terrestrial Radio Access Network）和用户设备 UE （User Equipment）3 部分组成：

1）核心网CN的主要作用是为用户业务提供交换、路由和转发服务；同时也包含了数据库和网络管理功能；

2）接入网UTRAN支持用户数据的发送、接收、编码、无线资源管理、功率控制和切换控制等功能；

图1 UMTS网络架构Fig.1 Architecture of UMTS

3）用户设备UE除了为用户接入到UMTS网络提供了可能性之外，还支持用户鉴权等安全功能。

2 切换和传统SRNS重定位

越区切换指的是在专用模式下，移动台改变了当前小区，使用了一条专用信道[1]。UMTS网络中的切换可以分为以下几类[2]。

硬切换是指不同频率的基站或扇区之间的切换。在切换过程中，移动台必须在指定时间内，先中断与原基站的联系，调谐到新的频率上，再与新基站取得联系。因此，硬切换是“先断开，后切换”。切换时，要在原话音信道上送切换指令，移动台需要暂时停止通话，然后调谐到新的信道频率上。

软切换是指同一频率不同基站之间的切换。在切换过程中，移动台同时与原基站和新基站都保持着通信链路，一直到进入新基站并测量到新基站的传输质量满足指标要求后，才断开与原基站的连接。因此，软切换是“先切换，后断开”。在切换过程中，移动台并不中断与原基站的联系，真正实现了“无缝”切换。

更软切换是指移动台在同一基站小区中不同扇区间的软切换。

UMTS网络中硬切换会导致SRNS的发生，同时由于硬切换是先断后连，切换过程中势必造成用户数据分组的丢失。

在UMTS网络中，SRNS重定位属于移动性管理范畴。它指的是 UE的SRNS从一个无线网络控制器 RNC（Radio Network Controller）变成另一个RNC的过程，这意味着控制层面和用户层面都移动到了新的RNC。图2是传统的SRNS重定位消息交换过程的描述。

图2 传统SRNS重定位消息交换过程Fig.2 Message flows of classic SRNS relocation

传统的重定位操作是由源RNC发起的[3]，过程如下：

1）源RNC发出“要求重定位”的消息给核心网部分的GPRS服务支持节点 SGSN （Serving GPRS Support Node），并且启动了计时器TRELOCprep；

2）SGSN发出“重定位请求”给目标RNC，为目标RNC预留资源；“重定位请求”消息中包含建立用户平面承载RAB（Radio Access Bearer）时的所有必要信息，这些信息必须和重定位前的相符；SGSN发出“重定位请求”消息，启动计时器TRELOCalloc；

3）目标RNC在收到“重定位请求”后，就马上分配资源；等所有资源都准备好之后，就发出“重定位请求确认”消息给SGSN；

4）资源调配完毕后，SGSN发出“重定位命令”给源RNC，并且启动计时器TRELOCcomplet；

5）源RNC将复制的数据分组通过Iur接口转发给目标RNC；

6）在收到 “重定位命令”后，源RNC停止计时器TRELOCprep，并启动计时器Tdatafwd。至此，重定位准备阶段结束了，重定位过程开始。源RNC发送“重定位提交”给目标RNC；

7）目标RNC收到“重定位命令”后，发出“重定位发现”消息给SGSN，开始重定位操作；

8）当重定位操作完成后，目标RNC发出“重定位结束”给SGSN。至此，移动台顺利地接入了新的小区。图3为传统的重定位过程中下行业务流程图。

图3 传统重定位过程中的下行业务流程图Fig.3 Diagram on downlink in classic relocation procedure

3 分组数据汇聚协议PDCP和SRNS重定位

分组数据汇聚协议PDCP（PacketDataConvergenceProtocol）层位于无线链路控制RLC（Radio Link Control）层之上，仅存在于用户平面，用于处理分组业务。PDCP层除了可以用来传输用户数据外，还支持互联网协议IP（Internet Protocol）数据流的首部压缩和无损SRNS重定位[4]。

在SRNS重定位的情况下，上层指示PDCP对某一RAB的所有压缩实体执行重新初始化。只有当无线链路控制层RLC（Radio Link Control）被配置为按序传输及确认模式时，才使用无损SRNS重定位。由上层来配置“支持无损SRNS重定位”。为了支持无损SRNS重定位，PDCP需维护 PDCP SDU （PDCP Service Data Unit）的序列号，介于 0～65 535 间。在PDCP发送方和接收方之间，这些序列号被同步。当执行一个无损SRNS重定位时，UE和UMTS无线接入网UTRAN（UMTS Terrestrial Radio Access Network）之间通过交换序列号来证实那些已被发送但尚未为被接收端确认的PDCP SDU。重定位完毕后，数据分组的转发将从第一个未被确认的PDCP SDU开始。

在一次无损SRNS重定位中，UTRAN应向移动台发出下一个UL_Receive PDCP序号；移动台应向UTRAN发出下一个DL_Receive PDCP序号。当上层要求RAB连接配置成支持无损SRNS定位时，源RNC中的PDCP子层应该向目标RNC发送：

1）移动台即将发出的下一个PDCP SDU的UL_Receive序号；

2）已经发出但是未确认的第一个PDCP SDU的DL_Send序号；

3）与已经发出但是未确认的PDCP SDU序号

4）尚未发送的PDCP SDU。

4 实时性业务的SRNS重定位

实时性业务对传输时延非常敏感，因此对上述重定位过程进行修改，使得移动台尽可能地完成SRNS重定位和切换过程，减少数据分组地丢失[5]。为了尽快地使移动台接入到新的小区，引入了“SGSN Bicasting”操作。 在“SGSN Bicasting”一开始，移动台就进行切换操作，并且切换在重定位完成之前就完成了。图4是我们提出新方案的描述。

图4 实时性业务的SRNS重定位Fig.4 SRNS relocation operation of real time service

新方案与传统的SRNS重定位不同之处有：

1）在重定位准备阶段，SGSN在下行链路上进行双播Bicasting，数据分组的复制发生在SGSN处，而非源RNC处，使得切换可以提前开始；

2）SGSN向源RNC和目标RNC进行Bicasting操作；

3）在重定位完成时，目标RNC通知SGSN停止双播Bicasting操作。

可以看出，传统重定位方案中，移动台只能在重定位的最后阶段（在所有资源被预留好之后）才能接入到新的小区；新方案中，移动台在SGSN开始双播Bicasting后，就可以更换小区，比传统的重定位方案要早得多。图5是采用新方案的重定位过程中的下行业务流程图。

5 系统建模和仿真

在仿真过程中，选用Web服务进行考察。移动台在移动中浏览Web网页，从一个小区进入到了新的小区，触发了SRNS重定位。并且假设：

图5 新方案下行业务流程图Fig.5 Diagram on downlink in proposed scheme

1）到达目标RNC的分组服从泊松过程；

2）每次会话产生的网页数量Npage是几何分布方差μNpage的变量；

3）一次会话中浏览连续两个网页间的浏览时间Dpage是几何分布方差μDpage的变量；

4）会话中每个网页产生的分组数量Npack是几何分布方差μNpack的变量；

5）连续两个分组到达的时间间隔Dd是几何分布方差μDd的变量

对于以上参数的确定，参考了文献[3]GPP TR101.112中推荐的值 （见表 1）。

表1 文献[3]GPP TR101.112的推荐值Tab.1 [3]GPP TR101.112 recommended values

仿真流程图如图6所示。

图6 仿真流程图Fig.6 Diagram of simulation procedure

整个过程中，数据分组的处理遵循先进先出FIFO（First In First Out）原则[6]。将图6中的流程和图3的SRNS重定位过程一一对应。主要的仿真参数见表2。

表2 主要仿真参数Tab.2 The main simulation parameters

将传统的SRNS重定位机制和新的SRNS重定位机制的性能进行了对比。图7是两种方案下，分组丢失率和移动台移动速度的关系。横坐标是移动台[7]的移动速度，纵坐标是切换过程中的分组丢失率。可以看出，新的方案在同样的移动速度下，分组丢失率比传统的SRNS重定位要小些，改善了15%左右。

图7 两种方案性能对比Fig.7 Result comparison of two schemes

6 结 论

本文对UMTS网络中，由于硬切换引起的SRNS重定位机制进行了研究和分析；并针对传统的SRNS重定位过程所花时间过长的缺陷，提出了一种新的SRNS重定位机制。仿真结果显示，新方案在分组丢失率方面比传统的机制要减少了15%左右。

[1]3rd Generation Partnership Project.3GPP TS 04.08 V7.20.0，Technical Specification Group Core Network；Mobile radio interface layer 3 specification （Release 1998）[S].2003.

[2]霍尔马.HSDPA/HSUPA技术与系统设计——第三代移动通信系统宽带无线接入[M].叶银法，等译.北京：机械工业出版社，2007.

[3]3rd Generation Partnership Project.Manifestations of Handover and SRNS Relocation （Release 4）[S].2001.

[4]3rd Generation Partnership Project.Packet Data Convergence Protocol（PDCP）specification （Release 8）[S].2009.

[5]3rd Generation Partnership Project.Handovers for real-time services from PS domain （Release 4）[S].2002.

[6]3rd Generation Partnership Project.Selection procedures for the choice of radio transmission technologies of the UMTS[S].1998.

[7]方拥军.智能天线系统中基于载干比的动态信道分配[J].现代电子技术，2010(16):67－71.

FANG Yong－jun.Dynamic channel allocation based on carrier interference ratio for smart antenna system[J].Modern Electronics Technique，2010(16):67－71.