LTE HeNB的X2切换控制面的研究与应用

姚思泉+张临+陈智存

【摘要】首先简要介绍LTE切换的分类；然后通过对LTE HeNB协议栈中的X2切换的研究，详细分析了X2切换的控制面，并基于HeNB协议栈的研发环境，对X2切换不同时期进行了模块化设计，提出了一种X2切换的控制面信令流程处理方案；最后验证了该方案的可行性，在HeNB协议栈上可以满足3GPP对X2切换控制面的有关规定。

【关键词】HeNB协议栈X2切换控制面信令

中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：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发展的初期提出了家庭式基站（HeNB，Home eNodeB）的概念和技术，HeNB的概念一经推出，就受到来自移动运营商的追捧。借助家庭基站，移动运营商可以进入原来被固定网络和Wi-Fi网络控制的家庭及办公场所市场。因此，开发家庭基站协议栈的工作迫在眉睫，其中切换功能的开发又是整个协议栈开发中必不可少的一个功能模块。3GPP对X2切换的规定主要包括X2切换的控制面和用户面。本文详细研究了协议栈中有关切换的部分，并结合家庭基站协议栈的研发项目，对X2切换的控制面做了详细的研究与设计，适用于当宏基站向HeNB切换或者HeNB到宏基站的切换，以及按照最新协议标准X2切换可以完成HeNB之间的切换。

2 X2中的切换

2.1切换的分类

切换是指当移动台在通话过程中从一个基站覆盖区移动到另一个基站覆盖区，或者由于外界干扰而造成通话质量下降时，必须改变原有的话音信道而转接到一条新的空闲话音信道上去，以继续保持通话、通信、质量的移动性管理过程。

按照切换控制方式，切换可以分为：移动台控制切换（MCHO）、网络控制切换（NCHO）和移动台辅助切换（MAHO）；另外，从切换时的连接方式上一般可分为硬切换和软切换两种。又根据用于移动设备和网络之间交换切换有关信息的资源，存在两类切换连接的建立，即前向切换和后向切换。如果从物理实体上看，根据切换过程中各个网络实体的不同，LTE切换分为网内切换和网间切换，而网内切换根据MME/S-GW是否重选又分为四种情况。其中MME不变的两种情况下根据网络侧HeNB间存在X2连接分为X2切换和S1切换，不同方法导致不同连接建立方式和不同切换信令过程。下面将详细介绍X2切换的控制面部分。

2.2协议栈中的X2切换控制面

X2控制面主要是通过一系列的信令流程控制X2切换过程，使其能在整个切换过程中根据不同的网络环境配置相应的网络参数，包括信令无线承载（SRB）和数据无线承载（DRB）等，来实现各信令以及所携带的参数正确传输。信令主要传输过程如图1所示。

3 X2切换控制面的设计

3.1功能模块设计

X2切换模块与其它模块的输入输出关系如图2所示。

◆HO模块与定时器模块的接口

定时器模块向切换准备模块提供开启与关闭定时器接口；定时器模块向HO执行模块提供关闭定时器接口；定时器模块向HO完成模块提供关闭定时器接口；HO取消模块向定时器模块提供HO取消发送接口。

◆RRM模块与HO模块的接口

HO模块向RRM模块提供HO信令接收处理接口。

◆HO模块与核心数据结构的接口

核心数据结构向HO模块信令发送函数提供相应信元，如填写UE报文信息；HO模块信令接收函数向核心数据结构提供相应数据，如保存UE报文信息。

◆HO模块与X2/S1信令收发模块的接口

X2/S1信令收发模块向HO准备模块提供X2信令收发接口；X2/S1信令收发模块向HO执行模块提供X2信令收发接口；X2/S1信令收发模块向HO完成模块提供X2/S1信令收发接口。

◆HO模块与ASN编解码模块的接口

ASN编解码模块向HO准备模块提供信令编解码接口，实现信令的收发、对RRC Context信元切换准备消息的编解码以及目标基站到源基站的Transparent Container的编码；ASN编解码模块向HO执行模块提供信令编解码；ASN编解码模块向HO完成模块提供信令编解码。

◆HO模块与E-RAB建立/释放模块的接口

E-RAB建立/释放模块向HO准备模块提供E-RAB建立/释放接口；E-RAB建立/释放模块向HO完成模块提供E-RAB释放接口。

◆HO模块与RRC信令收发模块的接口

RRC信令收发模块向HO执行模块提供信令发送接口，实现RRC连接重配置信令的透传和RRC重建立请求的接收。

◆HO模块与PDCP RB实体模块的接口

PDCP RB实体模块向HO执行模块提供Receive Status Of UL PDCP SDUs、UL COUNT Value以及DL COUNT Value；HO执行模块向PDCP RB实体模块提供Receive Status Of UL PDCP SDUs、UL COUNT Value以及DL COUNT Value。

◆HO模块与RRC Re-establishment模块的接口

RRC Re-establishment模块向HO执行模块提供RRC Re-establishment功能；HO取消模块向RRC Re-establishment模块提供Handover Cancel发送接口。

3.2模块结构划分与设计

为了保证切换信令能在整个协议栈中正确工作，根据功能模块的设计和切换的三个过程，设计出各个模块的结构和功能。

在HO准备模块中，首先源基站调用Handover Request发送模块，目标基站接收到Handover Request后，调用Handover Request接收模块；若成功建立UE资源，Handover Request接收模块调用Handover Request ACK发送模块，否则调用Handover Preparation Failure发送模块；若源基站接收到Handover Request ACK，则调用Handover Request ACK接收模块，若接收到Handover Preparation Failure，则调用Handover Preparation Failure接收模块。具体如图3所示。

在HO执行模块中，首先源基站调用RRC Connection Reconfiguration发送模块；若存在RLC AM模式业务，调用SN Status Transfer发送模块，目标基站接收到SN Status Transfer后，调用SN Status Transfer接收模块；若目标基站接收到RRC Connection Reconfiguration Complete，调用RRC Connection Reconfiguration Complete接收模块；若目标基站接收到RRC Re-establishment Request，调用RRC Re-establishment接收模块。具体如图4所示。

在HO完成模块中（见图5），若成功处理RRC Connection Reconfiguration Complete，目标基站调用Path Switch Request发送模块；若目标基站接收到Path Switch Request ACK，调用Path Switch Request ACK接收模块，释放E-RAB To Be Released List信元中E-RAB，调用UE Context Release发送模块；若目标基站接收到Path Switch Request Failure，调用Path Switch Request Failure接收模块，随后RRM向UE发送RRC Connection Release，释放RRC Connection；若源基站接收到UE Context Release，调用UE Context Release接收模块，关闭定时器TX2RELOCoverall，随后RRM向MME发送UE Context Release Request，请求MME释放UE资源。

在HO取消模块中，包括Handover Cancel发送模块和Handover Cancel接收模块以及切换数据恢复模块，目标基站接收到Handover Cancel后，释放UE资源。具体如图6所示。

3.3切换异常情况处理

在空口切换，由于各种原因导致切换失败（如目标基站的信号质量突然下降），则调用切换数据进行系统信息回滚使其达到切换前的状态。具体处理流程如图7所示。

4 运行结果与分析

基于HeNB协议栈的研发环境对设计好的切换功能模块进行代码编写，并且在Linux操作系统开发环境对整个协议栈运行得出如下结果，对主要信令截图如图8—12所示。

通过对整个协议栈的运行情况可以看出，上文设计的X2切换的控制面能成功实现对切换流程的控制。

5 总结

本文主要通过对LTE HeNB协议栈中的切换控制面进行研究，设计了切换控制面的功能模块，在基于HeNB协议栈的研发环境中，并对其进行相应的编码实现了X2切换的控制面功能。这不仅证明了家庭基站切换具有理论价值，而且进一步验证了其可行性和实用性。

参考文献：

[1] Stefania Sesia, Lssam Toufik, Matthew Baker. LTE-UMTS长期演进理论与实践[M]. 马霓,邬钢,张晓博,等译. 北京: 人民邮电出版社, 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.★

作者简介

姚思泉：硕士就读于重庆邮电大学通信与信息工程学院，研究方向：无线通信技术。

张临：硕士就读于重庆邮电大学通信与信息工程学院，研究方向：无线通信技术。

陈智存：硕士就读于重庆邮电大学通信与信息工程学院，研究方向：无线通信技术。

◆HO模块与RRC Re-establishment模块的接口

RRC Re-establishment模块向HO执行模块提供RRC Re-establishment功能；HO取消模块向RRC Re-establishment模块提供Handover Cancel发送接口。

3.2模块结构划分与设计

为了保证切换信令能在整个协议栈中正确工作，根据功能模块的设计和切换的三个过程，设计出各个模块的结构和功能。

在HO准备模块中，首先源基站调用Handover Request发送模块，目标基站接收到Handover Request后，调用Handover Request接收模块；若成功建立UE资源，Handover Request接收模块调用Handover Request ACK发送模块，否则调用Handover Preparation Failure发送模块；若源基站接收到Handover Request ACK，则调用Handover Request ACK接收模块，若接收到Handover Preparation Failure，则调用Handover Preparation Failure接收模块。具体如图3所示。

在HO执行模块中，首先源基站调用RRC Connection Reconfiguration发送模块；若存在RLC AM模式业务，调用SN Status Transfer发送模块，目标基站接收到SN Status Transfer后，调用SN Status Transfer接收模块；若目标基站接收到RRC Connection Reconfiguration Complete，调用RRC Connection Reconfiguration Complete接收模块；若目标基站接收到RRC Re-establishment Request，调用RRC Re-establishment接收模块。具体如图4所示。

在HO完成模块中（见图5），若成功处理RRC Connection Reconfiguration Complete，目标基站调用Path Switch Request发送模块；若目标基站接收到Path Switch Request ACK，调用Path Switch Request ACK接收模块，释放E-RAB To Be Released List信元中E-RAB，调用UE Context Release发送模块；若目标基站接收到Path Switch Request Failure，调用Path Switch Request Failure接收模块，随后RRM向UE发送RRC Connection Release，释放RRC Connection；若源基站接收到UE Context Release，调用UE Context Release接收模块，关闭定时器TX2RELOCoverall，随后RRM向MME发送UE Context Release Request，请求MME释放UE资源。

在HO取消模块中，包括Handover Cancel发送模块和Handover Cancel接收模块以及切换数据恢复模块，目标基站接收到Handover Cancel后，释放UE资源。具体如图6所示。

3.3切换异常情况处理

在空口切换，由于各种原因导致切换失败（如目标基站的信号质量突然下降），则调用切换数据进行系统信息回滚使其达到切换前的状态。具体处理流程如图7所示。

4 运行结果与分析

基于HeNB协议栈的研发环境对设计好的切换功能模块进行代码编写，并且在Linux操作系统开发环境对整个协议栈运行得出如下结果，对主要信令截图如图8—12所示。

通过对整个协议栈的运行情况可以看出，上文设计的X2切换的控制面能成功实现对切换流程的控制。

5 总结

本文主要通过对LTE HeNB协议栈中的切换控制面进行研究，设计了切换控制面的功能模块，在基于HeNB协议栈的研发环境中，并对其进行相应的编码实现了X2切换的控制面功能。这不仅证明了家庭基站切换具有理论价值，而且进一步验证了其可行性和实用性。

参考文献：

[1] Stefania Sesia, Lssam Toufik, Matthew Baker. LTE-UMTS长期演进理论与实践[M]. 马霓,邬钢,张晓博,等译. 北京: 人民邮电出版社, 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.★

作者简介

姚思泉：硕士就读于重庆邮电大学通信与信息工程学院，研究方向：无线通信技术。

张临：硕士就读于重庆邮电大学通信与信息工程学院，研究方向：无线通信技术。

陈智存：硕士就读于重庆邮电大学通信与信息工程学院，研究方向：无线通信技术。

◆HO模块与RRC Re-establishment模块的接口

RRC Re-establishment模块向HO执行模块提供RRC Re-establishment功能；HO取消模块向RRC Re-establishment模块提供Handover Cancel发送接口。

3.2模块结构划分与设计

为了保证切换信令能在整个协议栈中正确工作，根据功能模块的设计和切换的三个过程，设计出各个模块的结构和功能。

在HO准备模块中，首先源基站调用Handover Request发送模块，目标基站接收到Handover Request后，调用Handover Request接收模块；若成功建立UE资源，Handover Request接收模块调用Handover Request ACK发送模块，否则调用Handover Preparation Failure发送模块；若源基站接收到Handover Request ACK，则调用Handover Request ACK接收模块，若接收到Handover Preparation Failure，则调用Handover Preparation Failure接收模块。具体如图3所示。

在HO执行模块中，首先源基站调用RRC Connection Reconfiguration发送模块；若存在RLC AM模式业务，调用SN Status Transfer发送模块，目标基站接收到SN Status Transfer后，调用SN Status Transfer接收模块；若目标基站接收到RRC Connection Reconfiguration Complete，调用RRC Connection Reconfiguration Complete接收模块；若目标基站接收到RRC Re-establishment Request，调用RRC Re-establishment接收模块。具体如图4所示。

在HO完成模块中（见图5），若成功处理RRC Connection Reconfiguration Complete，目标基站调用Path Switch Request发送模块；若目标基站接收到Path Switch Request ACK，调用Path Switch Request ACK接收模块，释放E-RAB To Be Released List信元中E-RAB，调用UE Context Release发送模块；若目标基站接收到Path Switch Request Failure，调用Path Switch Request Failure接收模块，随后RRM向UE发送RRC Connection Release，释放RRC Connection；若源基站接收到UE Context Release，调用UE Context Release接收模块，关闭定时器TX2RELOCoverall，随后RRM向MME发送UE Context Release Request，请求MME释放UE资源。

在HO取消模块中，包括Handover Cancel发送模块和Handover Cancel接收模块以及切换数据恢复模块，目标基站接收到Handover Cancel后，释放UE资源。具体如图6所示。

3.3切换异常情况处理

在空口切换，由于各种原因导致切换失败（如目标基站的信号质量突然下降），则调用切换数据进行系统信息回滚使其达到切换前的状态。具体处理流程如图7所示。

4 运行结果与分析

基于HeNB协议栈的研发环境对设计好的切换功能模块进行代码编写，并且在Linux操作系统开发环境对整个协议栈运行得出如下结果，对主要信令截图如图8—12所示。

通过对整个协议栈的运行情况可以看出，上文设计的X2切换的控制面能成功实现对切换流程的控制。

5 总结

本文主要通过对LTE HeNB协议栈中的切换控制面进行研究，设计了切换控制面的功能模块，在基于HeNB协议栈的研发环境中，并对其进行相应的编码实现了X2切换的控制面功能。这不仅证明了家庭基站切换具有理论价值，而且进一步验证了其可行性和实用性。

参考文献：

[1] Stefania Sesia, Lssam Toufik, Matthew Baker. LTE-UMTS长期演进理论与实践[M]. 马霓,邬钢,张晓博,等译. 北京: 人民邮电出版社, 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.★

作者简介

姚思泉：硕士就读于重庆邮电大学通信与信息工程学院，研究方向：无线通信技术。

张临：硕士就读于重庆邮电大学通信与信息工程学院，研究方向：无线通信技术。

陈智存：硕士就读于重庆邮电大学通信与信息工程学院，研究方向：无线通信技术。