4G下切3G定位算法策略研究

胡晓丹

摘 要： 定位技术是无线传感器网络的支撑技术之一，针对无线传感器网络低成本、低能耗的要求，在继承DV?Hop定位算法优点的基础上，提出根据跳数来调节节点定位过程中的数据包接收量即LDV?Hop定位算法。传感器网络是计算机科学技术的一个新的研究领域，节点定位技术是传感器网络关键技术之一，传感器节点采集到的数据必须结合其位置信息才有意义，没有位置信息的数据几乎没有利用价值。

关键词： 4G； 3G； 定位算法； 信令交互过程

中图分类号： TN916.9?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）11?0016?04

Research on localization algorithm of 4G mode switching to 3G mode

HU Xiao?dan

（Jiangmen Branch Office， China Mobile Communications Corporation， Jiangmen 529000， China）

Abstract： Localization technology is one of the supporting technologies of wireless sensor network. Since the low cost and low energy consumption demands of wireless sensor network， the LDV?Hop localization algorithm is proposed based on inheriting the advantage of DV?Hop， which is according to hop?count to regulate the receiving quantities of data package in node localization process. Sensor network is a new research field of computer science and technology， node localization technology is one of the key technologies of the sensor network. It is significant that the date collected from sensor node must combine with its location information， while data without location information is valueless.

Keywords： 4G； 3G； localization algorithm； signaling interaction process

0 引 言

与有线通信不同，移动通信系统中的无线资源非常匮乏，而这些无线资源成为限制系统性能的主要方面。因此，需要在移动通信系统中，对这些无线资源进行合理的分配，为系统用户上的不同业务进行服务，从而使系统中的资源能够得到有效的利用。优化的资源分配方案可以有效提高移动通信系统的性能，无线资源分配的目标是在满足用户对应业务的服务质量的前提下，尽可能有效地利用这些有限的无线资源达到更高的系统频谱效率以及系统容量等其他性能，同时还需要保证用户的最大满意度和用户之间的公平性。

在第一代（First Generation，1G）和第二代（Second Generation，2G）移动通信系统中，主要是以传统的话音业务为主，系统中无线的频谱资源用于服务此类业务的用户，所以需要在系统中进行无线频谱规划。在第三代（Third Generation，3G）宽带移动通信系统中，由于分组数据业务的发展，使得系统中同时存在话音业务和数据业务，所以在第三代移动通信系统中，需要对无线资源进行合理调配来同时满足用户的话音和数据业务的性能需求。而“超三代”和第四代（Beyond3G/Forth Generation，B3G/4G）移动通信系统是以正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiple，OFDM）为基础的宽带系统。在此类系统中，系统容量和整体性能都是干扰受限的，由于OFDM技术能保证小区内的资源正交，小区间的同频干扰将是限制并影响这类系统性能的主要因素，所以在未来移动通信系统进行资源分配时，需要考虑如何协调系统的干扰，使得系统性能得到最好的发挥。目前移动通信的业务趋向于多样化，在一个系统中同时存在多种业务的混合。而每一种业务都有相应的性能需求：普通的无时延需求的数据业务的性能指标是系统吞吐量和用户公平性；而流媒体等业务也有不同的最低性能需求，即服务质量（Quality of Service，QoS）需求；基于IP的话音业务对时延要求也很严格。此外，B3G/4G系统的目的是为移动终端提供高速的数据业务，所以在混合业务的系统中如何合理分配资源来满足不同业务的需求尤为重要。

1 相关综述

1.1 3G概述

3G（第三代移动通信技术）是指支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术，能同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。目前3G存在四种标准：CDMA2000，WCDMA，TD?SCDMA，WiMAX。国际电联确定的三个无线接口标准分别是美国CDMA2000，欧洲WCDMA（宽带码分多址），中国TD?SCDMA（时分同步码分多址）。TD?SCDMA为中国自主研发的3G标准，已被国际电信联盟接受，业界将WCDMA技术作为3G的主流技术。国内支持的三个无线接口标准分别是中国移动的TD?SCDMA，中国电信的CDMA2000，中国联通的WCDMA。中国是全球惟一运营所有以上三种制式的国家。3G系统致力于为用户提供更好的语音、文本和数据服务。3G技术的优点是能极大地增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率。此外利用在不同网络间的无缝漫游技术，可将无线通信系统和Internet连接起来，从而可对移动终端用户提供更多更高级的服务。

1.2 4G概述

随着对带宽需求的增加，通信技术的发展一度出现2.5G和2.75G的中间过渡代。当3G移动业务刚刚迈出脚步，就出现了支持语音、数据和视频三种格式的传输技术高速下行链路分组接入技术。与此同时，真正意义上的宽带数据速率标准4G概念也开始出现，它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统、互操作的广播网络和卫星系统等，将是多功能集成的宽带移动通信系统，可以提供的数据传输速率高达100 Mb/s甚至更高，也是宽带接入IP系统。

4G也称为广带接入和分布网络。具有超过2 Mb/s的非对称数据传输能力，对高速移动用户能提供150 Mb/s的高质量影像服务，并首次实现三维图像的高质量传输。它包括广带无线固定接入、广带无线局域网。移动广带系统和互操作的广播网络（基于地面和卫星系统），是集多种无线技术和无线LAN 系统为一体的综合系统，也是宽带IP接入系统。在这个系统上，移动用户可以实现全球无缝漫游，为了进一步提高其利用率，满足高速率、大容量的业务需求，该系统同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落和多径干扰等众多优势。简单而言，4G是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路。这种新网络可使电话用户以无线形式实现全方位虚拟连接。4G最突出的特点之一，就是网路传输速率达到了前所未有的100 Mb/s，完全能够满足用户的上网需求。

2 4G下切3G定位算法

2.1 切换相关的RRC信令交互过程

RRC连接态的UE在E?UTRAN中进行移动的一般原则如下：在E?UTRAN中，网络控制RRC连接态UE的移动，即网络来决定UE应该进入哪个小区、哪个频点或哪个RAT。根据无线条件或负载情况等，网络会触发切换过程。为了实施切换，网络可以配置UE的测量参数，要求UE进行测量并提供测量报告；网络还可以发起盲切换，即在没有UE测量报告的情况下实施切换。在给UE发送切换消息之前，源eNodeB为切换准备一个或多个目标eNodeB。目标eNodeB生成用于进行切换的消息，消息中包括目标小区中的接入层详细配置信息，源eNodeB把该消息透传给UE。等到合适的时间，源eNodeB发起DRB的转发。接收到切换消息后，UE在第一个可用的RACH时刻就开始尝试接入到目标小区，也就是说，切换是异步的。因此如果目标小区为这个随机接入分配了一个专用前缀（Preamble），应该确保其在UE第一个可能的RACH时刻就可用。一旦完成切换，UE给目标eNodeB发一个切换完成确认消息。在成功完成切换后，对于使用RLC?AM模式的DRB，目标eNodeB可能会重传PDCP的SDU，这时原SN和HFN也会保留下来继续使用；对于使用非RLC?AM模式（UM和TM模式）的DRB，SN和HFN会被重新设置。UE在切换过程中不用理会网络方面采用哪种切换模式（基于X2的切换和基于S1的切换）。源eNodeB中会保留UE的上下文一段时间，以防UE切换失败而返回。检测到切换失败后，UE会尝试在源小区或另一个也做好了切换准备的小区使用RRC连接重建立过程，重新发起RRC连接。

2.1.1 切换到E?UTRAN的切换过程

当UE在其他RAZ的接入网（如GERAN或UTRAN）中已经建立了SRB和DRB（或只建立了SRB）时，如果UE移动进入E?UTRAN，就可以发起跨RAT的切换，把UE同其他RAT接入网的连接转移到E?UTRAN上来，如图1所示。

网络侧，其他RA7接入网发起切换到E?UTRA的过程，通过EPC通知E?UTRAN。在E?UTRAN这边，eNodeB首先激活加密算法（如果原RAT中没有使用加密功能，则使用“空算法”），然后建立SRB1，SRB2以及一个或多个DRB（至少要激活和默认EPS承载关联的DRB）。准备工作完成后，eNodeB通过其他RAT的接入网向UE发RRC连接重配置消息。

在UE侧，如果UE能够满足RRC重配置要求，则开始配置E?UTRAN的各种物理层参数。

（1） 应用默认物理信道配置。

（2） 应用默认半静态调度配置。

（3） 应用默认MAC主配置。

（4） 开启计时器T304。

（5） 进行目标小区下行同步。

（6） 应用目标小区上行下行带宽、载波频率、物理小区标识ID以及UE在目标小区中的C?RNTI。

（7） 进行无线资源配置过程。

（8） 把nas?Security Param To EUTRA信元转发给高层。

（9） 导出密钥KeNB，存储next Hop Chaining Count值，根据指定算法导出KRRCint，KRRCenc和KUPenc。

（10） 对低层进行配置，启用完整性保护算法和相应密钥以及加密算法和相应密钥，即在接下来的所有上行和下行消息（包括指示本过程成功完成的消息）中开始进行完整性保护和加密。

（11） 如果RRC连接重配置消息中包括了measConfig信元，则要进行测量配置过程。

（12） 发送RRC连接重配置完成消息。

（13） 启动计时器T310和T311。

（14） 如果MAC成功完成随机接入过程，则停止计时器T304，有一些测量和无线资源配置需要在UE捕获了目标小区的SFN后才能进行，如测量间隔、周期性CQI报告、调度请求配置、测量RS配置等。因此UE可以先进行部分无需目标小区SFN就能进行的配置，在捕获目标小区的SFN后，再进行剩余的配置。配置过程结束后，UE进入E?UTRA RRC连接态。

2.1.2 从E?UTRAN到其他RA7的移动

如图2所示，当UE在E?UTRAN中已经建立了SRB和DRB时，或仅建立了SRB时，eNodeB可以发起本过程，把这个处于RRC连接态的UE从E?UTRAN移动到其他RAT，如GERAN， UTRAN或CDMA2000系统。从E?UTRA移动到其他RAT包括：从E?UTRAN到UTRAN或CDMA2000的“切换”，即目标小区要为UE的切换分配好无线资源；从E?UTRAN到GERAN的“小区更改命令”，即只为UE的切换提供接入GERAN目标小区、建立连接的一些辅助信息，如系统信息等。

在E?UTRAN网络侧，E?UTRAN通过向UE发送离开E?UTRA的命令消息，发起离开E?UTRA的过程。E?UTRA仅在接入层安全功能被激活时才发起本过程。在UE侧，进行如下操作。

（1） 如果E?UTRAN的消息中给出的移动目的是“切换”，UE根据目标RAT的规范，使用己经为UE分配好的目标小区资源，接入到目标小区，如果目标小区RAZ为GERAN，UE根据消息中提供的系统信息接入目标 GERAN小区。

（2） 如果E?UTRAN的消息中给出的移动目的是“小区更改命令”，这意味着肯定是移动到GERAN系统，UE根据消息中提供的系统信息接入目标GERAN小区，建立和目标小区的连接。

2.2 切换相关的SIAP信令交互过程

在描述本过程时假设：MME没有重定位且目标小区也在E?UTRAN中，通过S1接口进行切换，如图3所示。

（1） 源eNodeB向服务MME发切换请求消息，并开启一个计时器TS 1 RELOCprep，切换请求消息中主要包括Source eNB to Target eNB Transparent Container信元，该信元要通过MME透传给目标eNodeB，如果该信元中的DLforwarding信元被设为“建议DL转发”，表示源eNodeB建议对下行数据进行数据转发。如果存在从源eNodeB到目标eNodeB的直传路径，则切换请求消息中可以放入一个Direct Forwarding Path Availability信元。如果需要进行SRVCC操作，则切换请求消息中应该放入SRVCC HO Indication信元。

E?UTRAN中的SIAP过程

（2） MME向目标eNodeB发切换请求消息。如果切换请求消息中包括切换限制列表，目标eNodeB把这个列表添加到UE上下文中，表示UE在某些区域接入受限。如果切换请求消息没有切换限制列表，目标eNodeB认为UE没有任何接入限制。一旦接收到切换请求消息，目标eNodeB把接收到的UE安全能力信息写入UE上下文，目标eNodeB将根据它来配置和UE相关的各种接入层安全配置；目标eNodeB把接收到的安全上下文添加到UE上下文中，并用它导出各种安全配置。

（3） 一旦目标eNodeB为所有可以接纳的E?RAB保留好了必须的资源，目标eNodeB生成一个切换请求确认消息，消息中包含两个列表：所有目标eNodeB接纳的E?RAB列表和所有目标eNodeB不能接纳的E?RAB列表。对于目标eNodeB接纳的E?RAB，如果需要进行数据转发，则目标eNodeB要为这些E?RAB分配TEID和下行传输层地址（即eNodeB的传输地址），并附在切换请求确认消息中回复给MME。

（4） 源eNodeB收到服务MME发切换命令消息，则停止计时器TS 1 RELOCprep，开启另一个计时器TS 1 RELOCOverall。切换命令消息中主要包括Target to Source Transparent Container信元，该信元是由目标eNodeB通过MME透传给源eNodeB的。如果eNodeB不能接纳某个E?RAB，目标eNodeB会把该E?RAB列入E?RA.Bs to List信元中。如果切换命令消息中包含了为某个需要进行数据转发的E?RAB分配的GTP TEID和传输层地址，则表示目标eNodeB接收源eNodeB提出的对该E?RAB的数据转发要求。

（5） 在LTE内部的S1切换中，eNodeB状态转移是把每个具有PDCP?SN和I?IFN状态保留功能的E?RAB的上行PDCP?SN和HFIvT接收状态以及下行PDCP?SN和HFN发射状态从源eNodeB通过MME转移到目标eNodeB。eNodeB在它认为合适的发射和接收停止时刻，停止为下行PDCP SDU分配PDCP序列号，并向服务MME发eNodeB状态转移消息。消息中包括所有具有PDCP?SN和HFN状态保留功能的E?RAB列表以及每个E?RAB的上下行PDCP?SN和HSFN参数。上行PDCP?SN和HFN是第一个丢失的上行PDCP SDU的PDCP?SN和HFN，相当于为目标eNodeB保留上行PDCP的一个断点，目标eNodeB可以根据断点要求UE重传；下行PDCP?SN和HFN是要求目标eNodeB为从服务网关接收到的第一个PDCP SDU分配的PDCP?SN和HFN号。

（6） MME使用MME状态转移消息把源eNodeB的“eNodeB状态”传给目标eNodeB。目标eNodeB不会上传任何PDCP序列号小于消息中给出的上行PDCP序列号的PDCP SDU；同时目标eNodeB会根据消息中给出的下行PDCP序列号为下行PDCP SDU分配PDCP序列号。

（7） 当UE已经切换到目标小区后，如果目标eNodeB和服务MME之间的连接已经建立，目标eNodeB向服务MME发切换通报消息，通知MME基于S1的切换成功完成。

3 结 语

3G/4G多模终端的可操作性技术，不仅对三网融合有极大的推动作用，而且还能使通信设备制造商在未来的4G市场占有重要的一席之地，现在的研究热潮是越来越高。

从LTE发展角度来讲，在初期网络融合不完善，跨小区和跨制式切换不一定能够时时成功建立连接，具有3G/4G多模可操作性的芯片终端还不够成熟，推出多模数据卡，是一个很不错的发展方向。这种LTE多模数据卡可以做成单独的卡，也可以广泛集成到平板电脑、上网本、笔记本电脑、摄像机、车载GPS中去，将LTE以及TD等移动网络做成这些产品上网的可选网络之一。这些设备可以通过网线、WiFi，LTE，TD，GSM等去访IG网络。

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