LTE系统的切换技术分析详解

网络 4G/5G
作为TD-SCDMA演进技术的TD-LTE系统,可以采用快速硬切换方法实现不同频段之间以及各系统间的切换,从而更好地实现地域覆盖和无缝切换,并且实现与现有3GPP和非3GPP的兼容。

LTE系统的切换技术分析详解

一.TD-LTE系统的切换技术

 

1. TD-LTE切换概述

作为TD-SCDMA演进技术的TD-LTE系统,可以采用快速硬切换方法实现不同频段之间以及各系统间的切换,从而更好地实现地域覆盖和无缝切换,并且实现与现有3GPP和非3GPP的兼容。软切换由于设备复杂度高、定时难度大,会带来较高处理能力的需求,因而未被采用。核心网的设计也发生了相应的改变,增加了系统架构演进(SAE)和3GPP模块,实现了LTE系统与3GPP和非3GPP系统切换的兼容。

切换过程都会被分为4个步骤:测量、上报、判决和执行。接收功率、误比特率和链路距离都能够作为测量标准从而进行理论上的估计和相应的处理。TD-LTE系统的切换是UE辅助的硬切换,他和FDD-LTE硬切换的***区别在于:在TD-LTE中导频信号是在一个特殊的时隙上进行传输,而FDD-LTE系统中导频信道则占用一整个帧长度,所以基于导频信道的测量标准对于TD-LTE来说并不是那么精确。所以对于TD-LTE的测量,还需要结合信道质量、UE的位置和导频信号强度来进行。

2. 切换类型

在连接模式下的E-UTRAN内切换是终端辅助网络控制的切换。切换主要分成切换准备、切换执行和切换完成3个部分,详细说明见后。其中eNB包括以下几种切换:

a.基于无线质量的切换

通常进行此类切换的原因是:UE的测量报告显示出存在比当前服务小区信道质量更好的邻小区。

b.基于无线接入技术覆盖的切换

此类切换是在UE丢失当前无线接入技术(RAT)覆盖从而连接到其他RAT的情况下产生的。例如,一个UE远离了城市区域从而丢失TD-LTE覆盖,网络就会切换到UE检测到的质量次好的RAT,如通用移动通信系统(UMTS)或者全球移动通信系统(GSM)。

c.基于负载情况的切换

此类切换用于当一个给定小区过载时,尽量平衡属于同一操作者的不同RAT间的负载状况。例如,如果当一个TD-LTE小区非常拥挤,一些用户就需要转移到相邻TD-LTE小区或是相邻UMTS小区中。

3. 切换过程

a.切换准备:源eNB根据漫游限制配置UE的测量报告,UE根据预定的测量规则发送报告;源eNB根据报告及RRM信息决定UE是否需要切换。当需要切换时,源eNB向目标eNB发送切换请求;目标eNB根据收到的QoS信息执行接纳控制,并返回至ACK。

b.切换执行:源eNB向UE发送切换指令,UE接到后进行切换并同步到目标eNB;网络对同步进行响应,当UE成功接入目标eNB后,向目标eNB发送切换确认消息。

c.切换完成:MME向S-GW发送用户面更新请求,用户面切换下行路径到目标侧;目标eNB通知源eNB释放原先占用的资源。切换过程完成。

4. 切换判决标准

切换测量在切换算法中占有着重要的地位,UE的测量报告对eNB的切换决策具有关键作用,在LTE标准中定义的切换测量和判决的相应标准为:

a.参考信号接收功率(RSRP):即对于需要考虑的小区,在需要考虑的测量频带上,承载小区专属参考信号的电磁波干扰(RE)功率贡献(以W为单位)的线性平均值。

b.切换滞后差值(HOM):即当前服务小区与相邻小区的RSRP差值,该值可根据通信环境不同而自行设定,其大小决定了切换时延长短。

c.触发时长(TTT):即在此段时间内必须持续满足某一HOM条件才能进行切换判决,TTT可以有效防止切换中“乒乓效应”的发生。

下面介绍LTE中的切换算法

UE监测所有被测小区经过滤波器后的RSRP,并给服务小区的eNB发送测量报告。当下面的条件在给定的TTT内持续被满足时,eNB将对UE进行切换。UE根据他的速度来设定TTT参数。RSRPT是目标小区的参考信号接收功率,而RSRPS是服务小区的参考信号接收功率。

RSRPT>RSRPS+HOM

下图描述了该切换算法的一个重要实例:

在接收到测量报告之后,当前服务的eNB使用网络内部程序开始准备将UE切换到新的目标小区。假设目标小区总有足够的资源给将要切换过来的UE。准备时间被建模为一个常数协议延迟,在图中表示为P。准备完成之后,服务小区在下行向UE发送切换命令消息。#p#

二.TD-LTE系统的切换流程

 

 

下面对上图的具体流程进行介绍。

步骤1:源eNode B对UE进行测量配置,UE的测量结果将用于辅助源eNode B进行切换判决。

步骤2:UE根据测量配置,进行测量上报。

步骤3:源eNode B参考UE的测量上报结果,根据自身的切换算法,进行切换判决。

步骤4:源eNode B向目标eNode B发送切换请求消息,该消息包含切换准备的相关信息,主要有UE的X2和S1信令上下文参考、目标小区标识、密钥KeNode B*、RRC上下文、AS配置、E-UTRAN无线接入承载(E-RAB,E-UTRAN Radio Access Bearer)上下文等。同时也包含源小区物理层标识和消息鉴权验证码,用于可能的切换失败后的恢复过程。UE的X2和S1信令上下文参考可以帮助目标eNode B找到源eNode B的位置。E-RAB上下文包括必要的无线网络层(RLN,Radio Network Layer)和传输层(TNL,Transport Network Layrer寻址信息以及E-RAB的服务质量(QoS,Quality of Service)信息等。切换准备信息有一部分是包含于接口消息本身的(例如目标小区标识),另一部分存在于接口消息的RRC容器(RRC container)中(例如RRC上下文)。

步骤5:目标eNode B根据收到的E-RAB QoS信息进行接纳控制,以提高切换的成功率。接纳控制要考虑预留相应的资源、C-RNTI以及分配专用随机接入Preamble码等。目标小区所使用的AS配置可以是完全独立于源小区的完全配置,也可以是在源小区基础之上的增量配置(增量配置是指对相同的部分不进行配置,只通过信令重配不同的部分,UE对于没有收到的配置,将继续使用原配置)。

步骤6:目标eNode B进行L1/L2的切换准备,同时向源eNode B发送切换请求ACK消息。该消息中包含一个RRC container,具体内容是触发UE进行切换的切换命令。源eNode B切换命令采用透传的方式(不做任何修改),发送给UE。切换命令中包含新的C-RNTI、目标eNode B的案例算法标识,有可能还携带随机接入专用Preamble码、接入参数、系统信息等。如果有必要,切换请求ACK消息中还有可能携带RNL/TNL信息,用于数据前转。当源eNode B收到切换请求ACK消息或者是向UE转发了切换命令之后,就可以开始数据前转了。

步骤7:切换命令(携带了移动性控制信息的RRC连接重配置消息)是由目标eNode B生成的,通过源eNode B将其透传给UE。源eNode B对这条消息进行必要的加密和完整性保护。当UE收到该消息之后,就会利用该消息中的相关参数发起切换过程。UE不需要等待低层向源eNode B发送的混合自动重传请求(HARQ,Hybrid Automatic Repeat reQuest)/自动重传请求(ARQ,Automatic Repeat reQuest)响应,就可以发起切换过程。

步骤8:源eNode B发送序列号(SN,Sequence Number)状态传输消息到目标eNode B,传送E-RAB(仅那些需要保留PDCP状态的E-RAB需要执行SN状态的转发,对应于RLC AM模式)的上行PDCP SN接收状态和下行PDCP SN发送状态。上行PDCP SN接收状态至少包含了按序接收的***一个上行SDU的PDCP SN,也可能包含以比特映射的形式表示的那些造成接收乱序的丢失的上行SDU的SN(如果有这样的SDU的话,这些SDU可能需要UE在目标小区进行重传)。下午PDCP SN发送状态指示了在目标eNode B应该分配的下一个SDU序号。如果没有E-RAB需要传送PDCP的状态报告,源eNode B可以省略这条消息。

步骤9:UE收到切换命令以后,执行与目标小区的同步,如果在切换命令中配置了随机接入专用Preamble码,则使用非竞争随机接入流程接入目标小区,如果没有配置专用Preamble码,则使用竞争随机接入流程接入目标小区。UE计算在目标eNode B所需使用的密钥并配置网络选择好的在目标eNode B使用的安全算法,用于切换成功之后与目标eNode B进行通信。

步骤10:网络回复上行资源分配指示和定时提前。

步骤11:当UE成功接入目标小区后,UE发送RRC连接重配置完成消息,向目标eNode B确认切换过程完成。如果资源允许,该消息也可能伴随着一个上行缓存状态报告(BSR,Buffer Status Report)的改善。目标eNode B通过接收RRC连接重配置完成消息,确认切换成功。至此,目标eNode B可以开始向UE发送数据。

步骤12:目标eNode B向MME发送一个路径转换请求消息来告知UE更换了小区。此时空口的切换已经成功完成。

步骤13:MME向S-GW发送用户平面更新请求消息。

步骤14:S-GW将下行数据路径切换到目标eNode B侧。S-GW在旧路径上发送一个或多个“end marker包”到源eNode B,然后就可以释放源eNode B的用户平面资源。

步骤15:S-GW向MME发送用户平面更新响应消息。

步骤16:MME向目标eNode B发送路径转换请求ACK消息。步骤12~16就完成了路径转换过程,该过程的目的是将用户平面的数据路径从源eNode B转到目标eNode B。在S-GW转换了下行路径以后,前转路径和新路径的下行包在目标eNode B可能会交替到达。目标eNode B应该首先传递所有的前转数据包给UE,然后再传递从新路径接收的包。在目标eNode B使用这一方法可以强制性保证正确的传输顺序。为了辅助在目标eNode B的重排功能,S-GW在E-RAB转换路径以后,立即在旧路径发送一个或者多个“end marker包”。“end marker 包”内不含用户数据,由GTP头指示。在完成发送含有标志符的包以后,S-GW不应该在旧路径发送任何数据包。在收到“end marker包”以后,如果前转对这个承载是激活的,源eNode B应该将此包发送给目标eNode B。在察觉了“end marker包”以后,目标eNode B应该丢弃“end marker包”并发起任何必要的流程来维持用户的按序递交,这些数据是通过X2口前转的或者路径转换以后从S-GW通过S1口接收的。

步骤17:目标eNode B向源eNode B发送UE上下文释放消息,通知源eNode B切换的成功并触发源eNode B的资源释放。目标eNode B在收到从MME发回的路径转换ACK消息以后发送这条消息。

步骤18:收到UE上下文释放消息之后,源eNode B可以释放无线承载和与UE上下文相关的控制平面资源。任何正在进行的数据前转将继续进行。

责任编辑:林琳 来源: CSDN
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