LTE-TD雙模終端切換過程的ERRC研究與實(shí)現(xiàn)

彭大芹，張文英，鄧 江

(1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065;2.重慶重郵信科通信技術(shù)有限公司，重慶 400065)

0 引言

面對(duì)巨大的市場(chǎng)需求和世界通信技術(shù)演進(jìn)的必然趨勢(shì)、時(shí)分同步碼分多址(time division-synchronous code division multiple access，TD-SCDMA)技術(shù)的廣泛應(yīng)用、長期演進(jìn)(long term evolution，LTE)技術(shù)的研究與商用前景的日趨成熟，通信網(wǎng)絡(luò)投資巨大，在時(shí)分雙工(time division duplex，TDD)模式的LTE系統(tǒng)(TD-LTE)演進(jìn)的過程中，如何挖掘和利用已有TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)平滑演進(jìn)，如何實(shí)現(xiàn)多制式共存，保護(hù)運(yùn)營商投資是需要業(yè)界研究的課題。這就要求設(shè)備能夠在平滑演進(jìn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)兩網(wǎng)共模組網(wǎng)，即用一套設(shè)備同時(shí)支持TD-SCDMA和TD-LTE 2種制式，運(yùn)營商現(xiàn)在在TD-SCDMA和TD-LTE網(wǎng)絡(luò)上的投資就能在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中實(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化。TD-SCDMA/TD-LTE(本文中稱為 LTE-TD)雙模終端的研究與發(fā)展不但符合電信運(yùn)營發(fā)展的規(guī)律，有利于運(yùn)營商對(duì)資源的充分利用，而且能夠使用戶平滑過渡到TD-LTE網(wǎng)絡(luò)。

本文根據(jù)第3代合作伙伴計(jì)劃(3rd generation partnership project，3GPP)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對(duì)LTE-TD雙模終端切換過程的LTE側(cè)無線資源控制(radio resource control，RRC)(本文中稱為ERRC)子層進(jìn)行了深入研究;設(shè)計(jì)了ERRC狀態(tài)機(jī)和層間交互接口原語;通過規(guī)范和描述語言(specification and description language，SDL)/樹表結(jié)合表示法(tree and tabular combined notation，TTCN)協(xié)仿真測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)驗(yàn)證了雙模切換過程的ERRC的實(shí)現(xiàn)符合3GPP一致性協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

1 TD-SCDMA與TD-LTE的結(jié)構(gòu)簡介

1.1 TD-SCDMA與TD-LTE的接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)

TD-SCDMA與ID-LTE的接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

圖1 接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)Frg.1 Access network structure

TD-SCDMA系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完全遵循3GPP指定的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(mobile telecommunications system，UMTS)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由核心網(wǎng)(core network，CN)和UMTS陸地?zé)o線接入網(wǎng)(universal terestrial radio access network，UTRAN)通過Iu接口連接組成［1］。其中，UTRAN由多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)控制器(radio network controller，RNC)和RNC所控制的NodeB構(gòu)成，每個(gè)RNC控制多個(gè)NodeB。NodeB負(fù)責(zé)接收和發(fā)送用戶終端(user equipment，UE)的無線信號(hào)。RNC負(fù)責(zé)控制無線資源，包括頻率、擾碼、擴(kuò)頻碼、功率等。

LTE系統(tǒng)由核心網(wǎng)部分移動(dòng)性管理實(shí)體(mobile management entity，MME)/服務(wù)網(wǎng)關(guān)(servicegateway，S-GW)和接入網(wǎng)演進(jìn)型 UTRAN(evolved UTRAN，E-UTRAN)構(gòu)成。其中E-UTRAN由眾多相互通過X2接口相連的演進(jìn)型NodeB(evolved node B，eNB)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，同時(shí)eNB通過S1接口與核心網(wǎng)相連［2］，其主要功能為無線資源的管理、尋呼和系統(tǒng)消息的調(diào)度與傳輸?shù)取?/p>

E-UTRAN采用扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，只包含eNB一個(gè)功能實(shí)體，簡化了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和降低了時(shí)延，使得無線接入網(wǎng)協(xié)議層之間的交互更加緊密，減少了反應(yīng)事件，提高了流程之間的效率。

1.2 LTE系統(tǒng)控制平面協(xié)議棧架構(gòu)

LTE控制平面協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。非接入層(non-access stratum，NAS)和RRC層是控制平面最重要的部分，而RRC層是整個(gè)接入層的控制中心，同時(shí)為非接入層提供接口。RRC層主要承擔(dān)廣播、尋呼、RRC連接、移動(dòng)性、UE測(cè)量控制和上報(bào)管理等功能。

圖2 LTE控制平面協(xié)議棧架構(gòu)Frg.2 LTE protocol stack architecture

2 切換過程研究

2.1 E-UTRAN的系統(tǒng)間切換原理

1)系統(tǒng)間(inter-radio access technology，inter-RAT)切換是網(wǎng)絡(luò)端通過源端接入系統(tǒng)控制。源端接入系統(tǒng)給目標(biāo)系統(tǒng)準(zhǔn)備和提供符合目標(biāo)系統(tǒng)格式命令要求的必要信息，即由源端系統(tǒng)來適應(yīng)目標(biāo)系統(tǒng)。實(shí)際的切換執(zhí)行是由源端系統(tǒng)決定［3］。

2)系統(tǒng)間切換也就是后向切換，即在源端3GPP接入系統(tǒng)命令UE切換到目標(biāo)3GPP接入系統(tǒng)前，目標(biāo)3GPP接入系統(tǒng)已準(zhǔn)備好無線資源。

3)為了能夠與E-UTRAN進(jìn)行系統(tǒng)間切換，并且在接入網(wǎng)端接口不可用的同時(shí)，在服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)(serving GPRS support node，SGSN)和相應(yīng)的MME/S-GW間存在一個(gè)控制接口。

4)目標(biāo)接入系統(tǒng)將給UE精確地指出怎樣在目標(biāo)接入系統(tǒng)中進(jìn)行無線接入(包括無線資源配置，目標(biāo)小區(qū)系統(tǒng)信息等)，在切換準(zhǔn)備階段提供這些信息，并且通過源端接入系統(tǒng)將這些信息完全透明傳輸給UE。

5)避免和減少丟失用戶數(shù)據(jù)(如發(fā)送)的機(jī)制可使用直到3GPP Anchor決定將下行鏈路用戶平面數(shù)據(jù)直接發(fā)送到目標(biāo)系統(tǒng)。

6)由于數(shù)據(jù)是在目標(biāo)系統(tǒng)中開始循環(huán)，切換過程不需要任何UE到CN的信令序列。在切換過程中，需要在源端和目標(biāo)系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)傳輸安全上下文信息、UE能力上下文信息和服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)上下文信息。

7)即使目標(biāo)小區(qū)/頻率沒有執(zhí)行優(yōu)先的UE測(cè)量，仍支持網(wǎng)絡(luò)控制移動(dòng)性終端，即支持“盲切換”。

2.2 測(cè)量過程

對(duì)于E-UTRAN至UTRAN的RAT間切換，UE收到來自網(wǎng)絡(luò)的 RRCConnectionReconfiguration消息，ERRC根據(jù)該消息中的測(cè)量配置信息進(jìn)行測(cè)量參數(shù)配置或更新，包括測(cè)量目標(biāo)小區(qū)頻點(diǎn)信息、測(cè)量量和報(bào)告準(zhǔn)則等信息;然后將部分配置參數(shù)發(fā)送給物理層，指示物理層進(jìn)行測(cè)量;物理層將測(cè)量結(jié)果上報(bào)給ERRC，在ERRC子層進(jìn)行測(cè)量結(jié)果評(píng)估，滿足觸發(fā)準(zhǔn)則就向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送測(cè)量報(bào)告;網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)收到的測(cè)量報(bào)告內(nèi)容作出是否觸發(fā)切換過程的判決。

2.3 LTE-TD的切換過程

如果網(wǎng)絡(luò)判斷滿足系統(tǒng)間切換觸發(fā)條件，EUTRAN就會(huì)向處在RRC_CONNECTED狀態(tài)的UE發(fā)送MobilityFromEUTRACommand消息，觸發(fā)E-UTRAN到UTRAN的切換。僅當(dāng)接入層(access stratum，AS)安全已經(jīng)被激活，并且建立了至少攜帶一個(gè)數(shù)據(jù)無線承載(data radio bearer，DRB)的信令，且該信令無線承載2(signalling radio bearer，SRB2)沒有被掛起時(shí)才會(huì)發(fā)起LTE到TD的系統(tǒng)間切換流程［4］。

UE接收MobilityFromEUTRACommand消息，UE將進(jìn)行以下操作。

1)如果T310定時(shí)器處于開啟狀態(tài)，就停止正在運(yùn)行的T310定時(shí)器，該定時(shí)器用于評(píng)估無線鏈路失敗，在切換時(shí)無需對(duì)服務(wù)小區(qū)無線鏈路進(jìn)行評(píng)估，因此，需將已開啟的T310定時(shí)器關(guān)閉;

2)MobilityFromEUTRACommand消息包括的purpose設(shè)置為‘handover’，設(shè)置 targetRAT-Type為‘utra’，表示向UTRAN發(fā)起RAT間切換，并向NAS層傳輸包含用于激活TD-SCDMA模式下安全性密鑰參數(shù)的nas-SecurityParamFromEUTRA，按照規(guī)范，接入U(xiǎn)TRAN目標(biāo)小區(qū)［5］。

在成功完成切換后，UE將離開 RRC_CONNECTED狀態(tài)，進(jìn)行以下操作。

1)重置媒體接入控制(medio access control，MAC)，使MAC的相關(guān)狀態(tài)變量和定時(shí)器復(fù)位;

2)停止所有正在運(yùn)行的定時(shí)器，除了T320定時(shí)器;

3)釋放所有的無線資源，對(duì)于所有建立的無線承載而言，包括無線鏈路控制(radio link control，RLC)實(shí)體、MAC配置以及相關(guān)的報(bào)文數(shù)據(jù)匯集協(xié)議(packet data convergence protocol，PDCP)實(shí)體的釋放;

4)向上層指示RRC連接的釋放，其釋放原因?yàn)椤畂ther’。

3 切換過程實(shí)現(xiàn)

3.1 ERRC有限狀態(tài)機(jī)與接口信號(hào)設(shè)計(jì)

為了將各個(gè)進(jìn)程描述清楚，分別將LTE系統(tǒng)協(xié)議棧各個(gè)子層設(shè)計(jì)為一個(gè)獨(dú)立的有限狀態(tài)機(jī)(finite state machine，F(xiàn)SM)，各個(gè)狀態(tài)機(jī)間通過接口信號(hào)進(jìn)行通信。

1)接口信號(hào)設(shè)計(jì)。接口信號(hào)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 接口信號(hào)設(shè)計(jì)Frg.3 Design of signal interface

2)有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)。在實(shí)現(xiàn)過程中，根據(jù)ERRC在雙模系統(tǒng)中的功能和系統(tǒng)間切換需求，將ERRC涉及的狀態(tài)劃分為 RATHO，INACTIVE，DCH，SEL，RES。其中，RATHO為ERRC指示URRC進(jìn)行切換后的過渡狀態(tài);INACTIVE為ERRC收到URRC切換成功指示釋放LTE資源后的去激活狀態(tài);DCH為連接狀態(tài)，在此狀態(tài)下UE可以與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行正常的信令、數(shù)據(jù)交互;SEL為小區(qū)選擇狀態(tài)，在此狀態(tài)下UE嘗試選擇一個(gè)合適小區(qū)或可接受小區(qū)進(jìn)行駐留［6］，此時(shí)，不使用任何頻率或接入技術(shù)優(yōu)先級(jí)信息;RES為重選狀態(tài)，在空閑狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)更適合駐留的小區(qū)，UE將進(jìn)入該狀態(tài)嘗試駐留到新發(fā)現(xiàn)的小區(qū)上，如果當(dāng)前服務(wù)小區(qū)已經(jīng)不滿足駐留條件或RRC連接釋放，UE進(jìn)入該狀態(tài)下嘗試尋找一個(gè)合適小區(qū)進(jìn)行駐留。

ERRC狀態(tài)機(jī)在運(yùn)行過程中可以在這些狀態(tài)中跳轉(zhuǎn)，圖4為這些狀態(tài)間的跳轉(zhuǎn)關(guān)系以及典型觸發(fā)信號(hào)。

圖4 狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)移Frg.4 Transformation of state machine

3.2 LTE-TD雙模終端切換成功流程設(shè)計(jì)

LTE-TD雙模終端切換成功流程如圖5所示。

圖5 LTE-TD雙模終端切換成功流程Frg.5 Success handover procedure of LTE-TD dual-mode terminals

圖5流程中的ERRC子層進(jìn)行以下操作。

1)UE收到網(wǎng)絡(luò)的RRCConnectionReconfiguration消息，ERRC根據(jù)該消息中的測(cè)量配置信息進(jìn)行測(cè)量參數(shù)配置或更新，并給 EMAC發(fā)送原語 a:CMAC_DCH_MEAS_REQ_LTE，要求EMAC通知物理層根據(jù)配置信息進(jìn)行TD小區(qū)的相關(guān)測(cè)量。

2)ERRC接收到EMAC發(fā)送的攜帶測(cè)量結(jié)果的原語b:CMAC_DCH_MEAS_IND_LTE后，ERRC對(duì)測(cè)量上報(bào)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，滿足觸發(fā)準(zhǔn)則就向E-UTRAN發(fā)送測(cè)量報(bào)告。網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)收到的測(cè)量報(bào)告內(nèi)容作出是否觸發(fā)切換過程的判決。

3)如果網(wǎng)絡(luò)判斷滿足系統(tǒng)間切換觸發(fā)條件，將向UE發(fā)送異系統(tǒng)切換命令—MobilityFromEUTRACommand，UE底層正確收到該消息后通過原語c:CPDCP_DATA_IND指示給ERRC子層;收到此消息后，首先對(duì)該消息進(jìn)行ASN.1解碼操作，如果UE判斷該消息合法，保存相關(guān)配置信息，準(zhǔn)備發(fā)起系統(tǒng)間切換過程，否則忽略該消息。

4)ERRC通過原語d:CMAC_IRAT_DEACT_REQ_LTE通知 EMAC層去激活 LTE的 DSP。EMAC層在收到該原語后通過原語e:EL1_IRAT_INACTIVE_REQ立即通知DSP進(jìn)行去激活。DSP去激活完成后通過原語k:EL1_IRAT_INACTIVE_CNF告知EMAC去激活完成。

5)ERRC通過原語f:ERR_IRAT_HO_START_IND來通知MMC模塊LTE到TD的切換開始，并通過原語h:ERR_IRAT_HO_DATA_IND將Mobility-FromEUTRACommand消息中用于提取LTE系統(tǒng)安全性密鑰的數(shù)據(jù)(nas-SecurityParamFromEUTRA)傳遞給MMC，MMC進(jìn)行安全性參數(shù)更新。MMC安全性參數(shù)更新完畢后通過原語i:URR_NEW_PARAM_REQ通知URRC新的安全性參數(shù)。

6)ERRC通過原語g:URRC_HO_REQ通知URRC進(jìn)行切換，在該原語中包含了TD系統(tǒng)切換時(shí)所需要的消息數(shù)據(jù)。URRC在收到切換請(qǐng)求后會(huì)指示UMAC層進(jìn)行切換。

7)ERRC將狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到RATHO狀態(tài)，等待URRC切換結(jié)果指示，在該狀態(tài)下除了URRC的切換結(jié)果指示原語ERRC不處理任何原語。

8)URRC向UMAC層發(fā)送原語j:CMAC_DCH_CONFIG_REQ進(jìn)行配置，UMAC層在通過EMAC的回調(diào)函數(shù)查詢到LTE模塊的DSP去激活完成后才會(huì)發(fā)起TD目標(biāo)小區(qū)的隨機(jī)接入過程。

9)當(dāng)ERRC處于RATHO狀態(tài)下收到URRC的原語l:URRC_HO_CNF后，認(rèn)為LTE到TD系統(tǒng)的切換成功，ERRC將釋放LTE的系統(tǒng)資源。

10)ERRC通過原語m:ERR_IRAT_HO_COMPLETE_IND通知MMC切換完成。

11)ERRC發(fā)送原語n:CMAC_DEACT_REQ_LTE給EMAC，由于EMAC在收到HL1的原語EL1_IRAT_DEACT_CNF后已經(jīng)將狀態(tài)跳轉(zhuǎn)為IRAT狀態(tài)，在收到該原語后EMAC不做操作。

12)根據(jù)ERRC側(cè)保存的RB配置，通過原語o:CRLC_DEACT_REQ_LTE釋放RLC層的除SRB0外的所有RB實(shí)體。通過原語p:CPDCP_RELEASE_REQ_LTE釋放PDCP層除SRB0外的所有RB實(shí)體。

13)對(duì)ERRC連接下保存無線資源的結(jié)果變量進(jìn)行清除，并將ERRC狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到INACTIVE。

在TD側(cè)的隨機(jī)接入過程失敗會(huì)導(dǎo)致LTE到TD的系統(tǒng)間切換失敗，由于篇幅原因，在這里不對(duì)此異常流程進(jìn)行描述。

4 切換過程測(cè)試與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)LTE-TD雙模切換過程的ERRC設(shè)計(jì)的正確性，以SDL/TTCN為測(cè)試平臺(tái)利用協(xié)仿真方式對(duì)ERRC子層進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，如圖6所示。其中，用SDL來模擬ERRC子層的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)和信號(hào)收發(fā)過程，在TTCN中根據(jù)3GPP提供的一致性測(cè)試協(xié)議36.523描述編寫相應(yīng)的測(cè)試用例［7］;通過SDL/TTCN協(xié)仿真的方式來進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

圖6 ERRC測(cè)試?yán)鼺rg.6 Test case of ERRC

待SDL模擬的ERRC狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)和信號(hào)收發(fā)過程與TTCN中編寫的測(cè)試?yán)艹晒幾g通過，生成可執(zhí)行文件后，通過SDL/TTCN協(xié)仿真方式對(duì)實(shí)現(xiàn)的ERRC進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，最終測(cè)試?yán)ㄟ^的流程如圖7所示。

圖7的ERRC子層SDL/TTCN協(xié)仿真測(cè)試結(jié)果，其流程與3.2節(jié)中設(shè)計(jì)的流程一致，驗(yàn)證通過［8］。

圖7 ERRC的驗(yàn)證結(jié)果Frg.7 Verification results of ERRC

5 總結(jié)

本文通過SDL/TTCN仿真測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)的測(cè)試?yán)\(yùn)行結(jié)果，驗(yàn)證了雙模切換的ERRC的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)符合3GPP協(xié)議規(guī)范。在今后的工作中，將進(jìn)一步對(duì)LTE-TD的雙模終端其他切換方向與異常情況進(jìn)行研究。

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