LTE網(wǎng)絡(luò)的切換過(guò)程解析

1、第一章 介紹第一章 介紹 1.1研究背景1.1.1移動(dòng)通信的演進(jìn)現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展始于上世紀(jì)20年代，大致經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段1。第一階段從上世紀(jì)20年代至40年代，為早期發(fā)展階段。在這期間，首先在短波幾個(gè)頻段上開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用移動(dòng)通信系統(tǒng)，其代表是美國(guó)底特律市警察使用的車(chē)載無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作頻率為2MHz，到40年代提高到3040MHz,可以認(rèn)為這個(gè)階段是現(xiàn)代移動(dòng)通信的起步階段，特點(diǎn)是專(zhuān)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，工作頻率較低。 第二階段從上世紀(jì)40年代中期至60年代初期。在此期間內(nèi)，公用移動(dòng)通信業(yè)務(wù)開(kāi)始問(wèn)世。1946年，根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的計(jì)劃，貝爾系統(tǒng)在圣路易斯城建立了世界上第一個(gè)公用汽車(chē)

2、電話(huà)網(wǎng)，稱(chēng)為“城市系統(tǒng)”。當(dāng)時(shí)使用三個(gè)頻道，間隔為120kHz，通信方式為單工。第三階段從上世紀(jì)60年代中期至70年代中期。在此期間，美國(guó)推出了改進(jìn)型移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)(IMTS)，使用150MHz和450MHz頻段，采用大區(qū)制、中小容量，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)頻道自動(dòng)選擇并能夠自動(dòng)接續(xù)到公用電話(huà)網(wǎng)。第四階段從上世紀(jì)70年代中期至80年代中期。這是移動(dòng)通信蓬勃發(fā)展時(shí)期。1978年底，美國(guó)貝爾試驗(yàn)室研制成功先進(jìn)的移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)(AMPS)，建成了蜂窩狀移動(dòng)通信網(wǎng)，大大提高了系統(tǒng)容量。 第一代移動(dòng)通信模擬蜂窩網(wǎng)雖然取得了很大成功，但也暴露了一些問(wèn)題，比如容量有限、制式太多、互不兼容、通話(huà)質(zhì)量不高、不能提供數(shù)

3、據(jù)業(yè)務(wù)、不能提供自動(dòng)漫游、頻譜利用率低、移動(dòng)設(shè)備復(fù)雜、費(fèi)用較貴以及通話(huà)易被竊聽(tīng)等，最主要的問(wèn)題是其容量已不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的移動(dòng)用戶(hù)需求。第五階段從上世紀(jì)80年代中期開(kāi)始。這是數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展和成熟時(shí)期。 該階段可以再分為2G、2.5G、3G、4G等。2G主要采用的是數(shù)字的時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)和碼分多址(CDMA)技術(shù)，與之對(duì)應(yīng)的是全球主要有GSM和CDMA兩種體制。GSM技術(shù)用的是窄帶TDMA，允許在一個(gè)射頻(即蜂窩)同時(shí)進(jìn)行8組通話(huà)。它是根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)而確定的頻率范圍在9001800MHz之間的數(shù)字移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)，頻率為1800MHz的系統(tǒng)也被美國(guó)采納。GSM是1991年開(kāi)始投入使用的。

4、到1997年底，已經(jīng)在100多個(gè)國(guó)家運(yùn)營(yíng)，成為歐洲和亞洲實(shí)際上的標(biāo)準(zhǔn)。GSM數(shù)字網(wǎng)也具有較強(qiáng)的保密性和抗干擾性，音質(zhì)清晰，通話(huà)穩(wěn)定，并具備容量大，頻率資源利用率高，接口開(kāi)放，功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。 CDMA的意思就是Code Division Multiple Access（碼分多址），這種通信系統(tǒng)的容量大，通信質(zhì)量高，抗干擾，但是技術(shù)上稍微復(fù)雜些。CDMA就是說(shuō)，系統(tǒng)給每個(gè)用戶(hù)分配了一個(gè)“Code（代碼）”，系統(tǒng)根據(jù)不同的代碼來(lái)識(shí)別不同的用戶(hù)，而所有的用戶(hù)共用相同的頻率。CDMA系統(tǒng)的容量理論上是無(wú)限的，但是由于物理硬件及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上的限制等，系統(tǒng)的容量總是有限的，但是一般來(lái)說(shuō)，是TDMA

5、容量的6倍以上。  針對(duì)GSM通信出現(xiàn)的缺陷，人們?cè)?000年又推出了一種新的通信技術(shù)GPRS，該技術(shù)是在GSM的基礎(chǔ)上的一種過(guò)渡技術(shù)。GPRS的推出標(biāo)志著人們?cè)贕SM的發(fā)展史上邁出了意義最重大的一步，GPRS在移動(dòng)用戶(hù)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給移動(dòng)用戶(hù)提供高速無(wú)線(xiàn)IP和X.25分組數(shù)據(jù)接入服務(wù)。 在這之后，通信運(yùn)營(yíng)商們又推出EDGE技術(shù)，這種通信技術(shù)是一種介于2G和3G之間的過(guò)渡技術(shù)，因此也有人稱(chēng)它為“2.5G”技術(shù)，它有效提高了GPRS信道編碼效率的高速移動(dòng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，它允許高達(dá)384KbPs的數(shù)據(jù)傳輸速 率，可以充分滿(mǎn)足未來(lái)無(wú)線(xiàn)多媒體應(yīng)用的帶寬需求。3G技術(shù)目前全球

6、有三大標(biāo)準(zhǔn)，分別是歐洲提出的WCDMA、美國(guó)提出的CDMA2000和我國(guó)提出的TD-SCDMA。與之前的1G和2G相比，3G擁有更寬的帶寬，其傳輸速度最低為384K，最高為2M，帶寬可達(dá) 5MHz以上。不僅能傳輸話(huà)音，還能傳輸數(shù)據(jù)，從而提供快捷、方便的無(wú)線(xiàn)應(yīng)用，如無(wú)線(xiàn)接入Internet。能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和寬帶多媒體服務(wù)是第三代移動(dòng)通信的一個(gè)主要特點(diǎn)。第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的提供便是希望能滿(mǎn)足提供更大的頻寬需求，滿(mǎn)足第三代移動(dòng)通信尚不能達(dá)到的在覆蓋、質(zhì)量、造價(jià)上支持的高速數(shù)據(jù)和高分辨率多媒體服務(wù)的需要。4G是集3G與WLAN于一體，并能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像，它的圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上

7、下。4G系統(tǒng)能夠以100Mbps的速度下載，比撥號(hào)上網(wǎng)快2000倍，上傳的速度也能達(dá)到50Mbps，并能夠滿(mǎn)足幾乎所有用戶(hù)對(duì)于無(wú)線(xiàn)服務(wù)的要求。1.1.2 LTE系統(tǒng)研究背景為了應(yīng)對(duì)寬帶接入技術(shù)的挑戰(zhàn),同時(shí)為了滿(mǎn)足新型業(yè)務(wù)需求,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP在2004年底啟動(dòng)了其長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。希望達(dá)到以下幾個(gè)主要目標(biāo)：保持3GPP在移動(dòng)通信領(lǐng)域的技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)勢(shì)；填補(bǔ)第3 代移動(dòng)通信系統(tǒng)和第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)之間存在的巨大技術(shù)差距；希望使用已分配給第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜，保持無(wú)線(xiàn)頻譜資源的優(yōu)勢(shì)；解決第3 代移動(dòng)通信系統(tǒng)存在的專(zhuān)利過(guò)分集中問(wèn)題。由我國(guó)主導(dǎo)的TD-LTE作為我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)

8、權(quán)的新一代寬帶無(wú)線(xiàn)技術(shù)，從發(fā)展之初就受到了高度重視。據(jù)悉，中國(guó)移動(dòng)作為主導(dǎo)運(yùn)營(yíng)商有望近日在政府的統(tǒng)一部署下開(kāi)展TD-LTE規(guī)模試驗(yàn)，同時(shí)也通過(guò)規(guī)劃試驗(yàn)終端用專(zhuān)項(xiàng)資金及加大研發(fā)創(chuàng)新投入帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展。LTE的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要集中在幾個(gè)方面2：1、靈活的頻譜帶寬配置,支持1.25MHz、1.6MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz 和20 MHz 的帶寬設(shè)置，從技術(shù)上保證3GPP LTE系統(tǒng)可以使用第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜。2、通過(guò)頻分多址和小區(qū)間干擾抑制技術(shù)實(shí)現(xiàn)，提高小區(qū)邊緣傳輸速率，改善用戶(hù)在小區(qū)邊緣的體驗(yàn)，增強(qiáng)3GPP LTE系統(tǒng)的覆蓋性能。3、在數(shù)據(jù)率和頻譜利用率方面

9、，實(shí)現(xiàn)下行峰值速率100 Mb/s，上行峰值速率50 Mb/s ；頻譜利用率為HSPA的24 倍，用戶(hù)平均吞吐量為HSPA的24倍。為保證3GPP LTE系統(tǒng)在頻譜利用率方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主要通過(guò)多天線(xiàn)技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)制與編碼和基于信道質(zhì)量的頻率選擇性調(diào)度實(shí)現(xiàn)。4、提供低時(shí)延，使用戶(hù)平面內(nèi)部單向傳輸時(shí)延低于5 ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時(shí)間低于50 ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時(shí)間小于100 ms，以增強(qiáng)對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的支持。5、通過(guò)物理層幀結(jié)構(gòu)、層2 的信道結(jié)構(gòu)和高層的無(wú)線(xiàn)資源管理實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)多媒體廣播和多播業(yè)務(wù)的支持，滿(mǎn)足廣播業(yè)務(wù)、多播業(yè)務(wù)和單播業(yè)務(wù)融合的需求。6、全分組的

10、包交換取消電路交換，采用基于全分組的包交換，從而提高系統(tǒng)頻譜利用率。1.1.3 LTE切換過(guò)程研究背景為了保證在各種復(fù)雜的地形環(huán)境下，用戶(hù)在移動(dòng)的同時(shí)能夠獲得良好的信號(hào)質(zhì)量，保證業(yè)務(wù)的暢通進(jìn)行，LTE系統(tǒng)中連接下的切換是必不可少的保障。對(duì)于移動(dòng)終端而言，切換性能的好壞直接關(guān)系到終端的穩(wěn)定性，比如說(shuō)會(huì)增大用戶(hù)掉話(huà)率，降低用戶(hù)的通話(huà)質(zhì)量，由此可見(jiàn)小區(qū)切換過(guò)程是移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信的一項(xiàng)重要的特性。諾基亞西門(mén)子通信在2009年10月28日通過(guò)使用商用基站和標(biāo)準(zhǔn)軟件完成了全球首個(gè)LTE切換測(cè)試，該項(xiàng)測(cè)試完全符合3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)。在這初步測(cè)試中，切換在諾基亞西門(mén)子公司的LTE小區(qū)間進(jìn)行，移動(dòng)終端在呼叫過(guò)程中

11、穿過(guò)LTE小區(qū)，完成了小區(qū)間的無(wú)縫連接。 2010年8月，諾西順利通過(guò)工信部制定的TD-LTE完整集測(cè)試，并與三星完成全球首例TD-LTE高清視頻呼叫切換。諾基亞西門(mén)子通信的切換測(cè)試不僅使LTE在商業(yè)部署上又邁進(jìn)了一步，也為L(zhǎng)TE小區(qū)切換提供了可靠的測(cè)試方案。在LTE系統(tǒng)中，對(duì)于切換性能有了更高的要求，也提供一些更好的解決方案。下面介紹一下LTE系統(tǒng)小區(qū)切換的幾個(gè)特點(diǎn)3：1、在LTE系統(tǒng)中切換的方式屬于終端協(xié)助網(wǎng)絡(luò)控制，即終端提供可靠的服務(wù)小區(qū)和鄰近小區(qū)測(cè)量值，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)終端報(bào)告的測(cè)量值參數(shù)決定是否進(jìn)行切換和切換到哪個(gè)小區(qū)。2、在切換前的測(cè)量控制上LTE不僅采用了可以簡(jiǎn)化底層測(cè)量規(guī)劃方

12、案，也為協(xié)議層的測(cè)量評(píng)估和報(bào)告提供了更加準(zhǔn)確的判決和觸發(fā)機(jī)制，但是這也增加了實(shí)現(xiàn)時(shí)的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。3、LTE小區(qū)切換方式上采用的是硬切換的方式，這樣可以減少系統(tǒng)資源的占用，加快切換的速度；由于LTE協(xié)議層結(jié)構(gòu)相對(duì)清晰簡(jiǎn)潔，而且采取了可靠的接入機(jī)制和有效的連接恢復(fù)技術(shù)機(jī)制，從一定程度上減少了硬切換高掉話(huà)率的缺點(diǎn)。4、由于在LTE系統(tǒng)中的安全性構(gòu)架的特點(diǎn)，對(duì)于接入層安全性參數(shù)的改變會(huì)通過(guò)小區(qū)內(nèi)切換的方式進(jìn)行改變，這是以前系統(tǒng)中所沒(méi)有的，也是需要和正常的小區(qū)切換相區(qū)別的。在LTE系統(tǒng)內(nèi)的每次小區(qū)間切換也都會(huì)更新接入層的密鑰，這樣增強(qiáng)了用戶(hù)通信的安全性。5、由于LTE系統(tǒng)中接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化，缺少了集中控制

13、單元，網(wǎng)絡(luò)必須將UE相關(guān)的所有信息和緩存數(shù)據(jù)從源eNodeB傳遞到目的eNodeB。在UE端為保證切換時(shí)數(shù)據(jù)的完整性也需要通過(guò)PDCP和RLC層重建的方式進(jìn)行處理。1.2論文的研究?jī)?nèi)容和意義1.2.1研究?jī)?nèi)容本論文主要對(duì)終端在小區(qū)切換過(guò)程中協(xié)議層的各個(gè)環(huán)節(jié)操作進(jìn)行分析和研究，并在研究成果的基礎(chǔ)上對(duì)協(xié)議棧的切換過(guò)程進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。由于在LTE系統(tǒng)的協(xié)議棧層次，對(duì)于LTE系統(tǒng)的FDD和TDD制式區(qū)別不大，我們對(duì)協(xié)議棧軟件的設(shè)計(jì)目標(biāo)是支持FDD和TDD兩種模式?；?.1.3節(jié)所介紹的LTE系統(tǒng)中切換過(guò)程的特點(diǎn)，在論文中對(duì)切換過(guò)程主要分為五個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究和實(shí)現(xiàn)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)切換過(guò)程進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)

14、：1、對(duì)終端的測(cè)量過(guò)程進(jìn)行研究和實(shí)現(xiàn)，主要對(duì)測(cè)量的配置過(guò)程、測(cè)量的執(zhí)行和測(cè)量結(jié)果的評(píng)估上報(bào)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并給出設(shè)計(jì)方案。在本部分設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于測(cè)量執(zhí)行的規(guī)劃和測(cè)量結(jié)果評(píng)估過(guò)程中的準(zhǔn)確性及系統(tǒng)資源的利用效率。2、對(duì)切換過(guò)程中安全性參數(shù)的更新過(guò)程進(jìn)行協(xié)議分析和研究，對(duì)安全性參數(shù)更新的整體流程進(jìn)行規(guī)劃和方案設(shè)計(jì)。在本部分的方案實(shí)現(xiàn)中主要關(guān)心不同場(chǎng)景下對(duì)于AS密鑰更新操作的不同，并規(guī)劃各個(gè)場(chǎng)景下終端的具體操作。3、對(duì)切換過(guò)程中數(shù)據(jù)鏈路層未確認(rèn)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程進(jìn)行分析和研究，在整理清楚切換過(guò)程中各個(gè)層之間以及UE和基站之間對(duì)于數(shù)據(jù)處理的角色和任務(wù)時(shí)，對(duì)切換過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理的整體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并給出具體

15、的實(shí)現(xiàn)方案。在該部分中涉及到任務(wù)的規(guī)劃和協(xié)議?？傮w設(shè)計(jì)的考慮，對(duì)協(xié)議理解和協(xié)議棧軟件的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的掌握有較高的要求。 4、對(duì)切換過(guò)程中完成目標(biāo)小區(qū)上行同步的隨機(jī)接入過(guò)程進(jìn)行分析和研究，整理相關(guān)流程和場(chǎng)景，完成隨機(jī)接入過(guò)程在終端的實(shí)現(xiàn)。由于隨機(jī)接入過(guò)程主要涉及到和物理層過(guò)程相關(guān)流程的交互，在實(shí)現(xiàn)中需要結(jié)合相應(yīng)的平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。5、對(duì)切換失敗后的處理環(huán)節(jié)重建過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的協(xié)議研究和流程分析，并給出重建過(guò)程的具體設(shè)計(jì)方案。在本部分中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題是如何進(jìn)行重建過(guò)程中小區(qū)選擇以增加重建過(guò)程成功的概率。在對(duì)以上具體環(huán)節(jié)進(jìn)行研究并給出具體的設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，將各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行整合，對(duì)切換過(guò)程的整體流

16、程進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。給出了切換過(guò)程具體的實(shí)現(xiàn)方案后，在論文中對(duì)協(xié)議棧軟件的一致性測(cè)試方法進(jìn)行了介紹，并選取了切換過(guò)程具有代表性的測(cè)試用例對(duì)切換過(guò)程的一致性測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析和介紹。在文章的最后對(duì)論文的整體工作進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)論文的下一步工作進(jìn)行了展望。1.2.2論文的意義實(shí)現(xiàn)終端芯片和系統(tǒng)的互操作是對(duì)啟動(dòng)規(guī)模試驗(yàn)影響最大的環(huán)節(jié)。實(shí)際上產(chǎn)業(yè)鏈中，終端的發(fā)展速度往往落后于系統(tǒng)設(shè)備。聯(lián)想到TD-SCDMA，終端匱乏成為一直困擾其發(fā)展的一大難題。在TD-LTE發(fā)展伊始，中國(guó)移動(dòng)便強(qiáng)調(diào)TD-LTE的發(fā)展要做到端到端，芯片產(chǎn)業(yè)要盡早發(fā)展壯大，但是目前TD_LTE終端芯片的研發(fā)存在投資大而且收益慢的現(xiàn)實(shí)，致使國(guó)內(nèi)

17、的TD_LTE終端芯片的研發(fā)仍處于一個(gè)相對(duì)滯后的狀況。我所實(shí)習(xí)的重郵信科公司作為國(guó)內(nèi)的終端芯片企業(yè)，為了促進(jìn)TD_LTE產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，在業(yè)界很早就展開(kāi)了TD_LTE終端芯片的研發(fā)工作，目前已完成了第一款TD_LTE終端通信芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和功能測(cè)試，樹(shù)立了在行業(yè)的領(lǐng)先地位。我所參與開(kāi)發(fā)的LTE終端協(xié)議棧軟件先后通過(guò)了公司內(nèi)部進(jìn)行一致性測(cè)試，和系統(tǒng)廠(chǎng)商的聯(lián)合測(cè)試，以及近階段和兩家系統(tǒng)設(shè)備的IOT測(cè)試。由于切換過(guò)程對(duì)于終端和基站間的互操作性測(cè)試的要求較高，而且對(duì)LTE系統(tǒng)的成熟發(fā)展起著相當(dāng)重要的作用，因此在畢業(yè)論文選題過(guò)程中選擇了終端的切換過(guò)程作為自己研究的題目。并希望此論文的成果能夠?yàn)閵^斗在LT

18、E產(chǎn)業(yè)化戰(zhàn)線(xiàn)上的戰(zhàn)友提供有價(jià)值的借鑒，為L(zhǎng)TE事業(yè)的快速發(fā)展做出自己的貢獻(xiàn)。第二章 LTE終端切換過(guò)程的研究2.1 LTE協(xié)議棧總體架構(gòu)介紹2.1.1 LTE系統(tǒng)架構(gòu)1) LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由上一章LTE相關(guān)技術(shù)和背景介紹我們可知，相對(duì)先前的通信系統(tǒng)， LTE系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)僅僅支持分組交換，并且支持UE和PDN網(wǎng)絡(luò)的無(wú)差錯(cuò)連接。LTE特定的設(shè)計(jì)目標(biāo)使LTE系統(tǒng)在接入網(wǎng)和核心網(wǎng)架構(gòu)上必須做出一定程度的演進(jìn)。圖2.1為L(zhǎng)TE的系統(tǒng)構(gòu)架圖。LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由虛線(xiàn)左邊的接入網(wǎng)（E-UTAN）和右邊核心網(wǎng)（EPC）構(gòu)成。接入網(wǎng)僅僅有eNodeB一種邏輯節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，而核心網(wǎng)由MME、HSS等多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。在L

19、TE網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)間都會(huì)通過(guò)一定的接口進(jìn)行連接，這些接口都被3GPP標(biāo)準(zhǔn)化，便于不同運(yùn)營(yíng)商的開(kāi)發(fā)和兼容4。 圖2.1 LTE系統(tǒng)架構(gòu)圖2) 接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)和第三代通信系統(tǒng)相比較，LTE系統(tǒng)中的核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)在功能節(jié)點(diǎn)方面沒(méi)有太大的變化，NAS過(guò)程也基本和第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的過(guò)程大致相同。在LTE系統(tǒng)中的接入網(wǎng)較先前有了比較大的改動(dòng)。圖2.2為接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，由圖可知接入網(wǎng)是一個(gè)由eNodeBs構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中沒(méi)有單獨(dú)對(duì)無(wú)線(xiàn)資源進(jìn)行控制的單元，因此該種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也可以稱(chēng)為扁平狀網(wǎng)絡(luò)4。圖2.2 接入網(wǎng)架構(gòu)圖LTE系統(tǒng)的接入網(wǎng)部分，其由眾多通過(guò)X2接口相連的eNodeB節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，同時(shí)eN

20、odeB通過(guò)S1接口與核心網(wǎng)相連4。接入網(wǎng)的主要功能是對(duì)無(wú)線(xiàn)資源的管理，包括和無(wú)線(xiàn)承載相關(guān)的一些功能，例如：無(wú)線(xiàn)承載控制、無(wú)線(xiàn)接入控制、無(wú)線(xiàn)移動(dòng)控制、調(diào)度和UE上下行資源的動(dòng)態(tài)分配。在E-UTRAN中，將無(wú)線(xiàn)資源的控制功能整合在eNodeB中，這樣將使無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)各協(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。LTE接入網(wǎng)的這種結(jié)構(gòu)決定了在系統(tǒng)中不需要高速和高穩(wěn)定性處理器單獨(dú)處理無(wú)線(xiàn)資源的控制，一定程度上降低了網(wǎng)絡(luò)成本。由于LTE系統(tǒng)中不支持軟切換，所以網(wǎng)絡(luò)不需要支持集中的數(shù)據(jù)聯(lián)合功能。也正是由于缺少了集中控制節(jié)點(diǎn)，也給LTE系統(tǒng)帶來(lái)了一定的缺憾，當(dāng)UE進(jìn)行移動(dòng)時(shí)為了避免數(shù)據(jù)的

21、丟失，網(wǎng)絡(luò)必須將UE相關(guān)的所有信息和緩存數(shù)據(jù)從源eNodeB傳遞到目的eNodeB。2.1.2協(xié)議棧架構(gòu)介紹圖2.3 協(xié)議棧層次架構(gòu)圖圖2.3為協(xié)議棧層次架構(gòu)圖，其中，NAS層的主要功能為EPS承載管理、鑒權(quán)、UE空閑模式下的移動(dòng)性管理、安全性控制、尋呼處理等，其終止與網(wǎng)絡(luò)側(cè)的MME節(jié)點(diǎn)5。RRC層的主要功能為廣播、尋呼、RRC連接、移動(dòng)性、測(cè)量的管理等；PDCP層的主要功能為頭壓縮、安全性（加密和完整性保護(hù)）、數(shù)據(jù)包的處理等；RLC層的主要功能為數(shù)據(jù)包的分段、重組、傳輸和重傳（ARQ），以及協(xié)議錯(cuò)誤的檢測(cè)與處理；MAC層的主要功能為邏輯信道與傳輸信道的映射、HARQ、邏輯信道優(yōu)先級(jí)管理、MA

22、C頭填充等。這幾層稱(chēng)為接入層，終止于網(wǎng)絡(luò)側(cè)的eNodeB節(jié)點(diǎn)。PDCP、RLC和MAC層既可以傳輸控制平面的數(shù)據(jù)，也可以對(duì)用戶(hù)平面IP包進(jìn)行傳輸。對(duì)于控制平面的數(shù)據(jù)在RRC層進(jìn)行組裝后，通過(guò)各層的處理和傳輸后到達(dá)網(wǎng)絡(luò)側(cè)的對(duì)等層。在UE端的用戶(hù)數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)組裝IP報(bào)后，將數(shù)據(jù)傳送到PDCP進(jìn)行頭壓縮和加密處理，緊接著數(shù)據(jù)在RLC層進(jìn)行分段或者重組處理，在獲得上行資源后通過(guò)MAC層和物理層的處理通過(guò)UU接口發(fā)送到eNodeB，eNodeB在經(jīng)過(guò)逆向處理后將原始的IP包通過(guò)S1-U接口發(fā)送到服務(wù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳輸。2.1.3切換中各子層功能介紹1) NAS層介紹NAS層是在UE和MME側(cè)控制平面的高層，有E

23、MM和ESM兩個(gè)子層構(gòu)成。NAS層的主要功能由這兩個(gè)子層來(lái)控制，EMM主要負(fù)責(zé)UE的移動(dòng)性管理，ESM主要負(fù)責(zé)在UE和PDN Gateway之間建立和維護(hù)IP連接的會(huì)話(huà)管理。當(dāng)LTE發(fā)生小區(qū)切換時(shí)，如果目的小區(qū)和源小區(qū)不屬于同一個(gè)Trace Area（跟蹤區(qū)），且目的小區(qū)的TA不在UE維護(hù)的TA列表中時(shí)，切換完成后UE的NAS層EMM子層就會(huì)發(fā)起一個(gè)TAU過(guò)程向網(wǎng)絡(luò)做位置區(qū)更新。2) RRC層介紹Ø 協(xié)議狀態(tài)劃分：當(dāng)RRC連接已經(jīng)被建立時(shí)，RRC層處于CONNECT狀態(tài)，即連接狀態(tài)；未建立RRC連接時(shí)RRC處于IDLE狀態(tài)，即空閑狀態(tài)6。Ø IDLE狀態(tài)功能：a. 讀取系統(tǒng)

24、消息；b. 收取尋呼消息；c. 進(jìn)行IDLE下鄰近小區(qū)的測(cè)量；d. 空閑下移動(dòng)性管理，進(jìn)行小區(qū)重選。Ø CONNECT狀態(tài)功能：a. 通過(guò)尋呼檢測(cè)系統(tǒng)消息的改變，讀取系統(tǒng)消息；b. 進(jìn)行CONNECT下鄰近小區(qū)的測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行評(píng)估和上報(bào)；c. AS層安全上下文的管理；d. 連接下無(wú)線(xiàn)鏈路質(zhì)量的檢測(cè)；e. 連接移動(dòng)性過(guò)程的控制和管理。Ø 切換過(guò)程的支持：在切換過(guò)程的主要控制和配置的任務(wù)是由RRC層來(lái)完成，在連接下當(dāng)RRC層收到網(wǎng)絡(luò)來(lái)的切換命令后，會(huì)將切換命令中各層的配置進(jìn)行更新并對(duì)底層進(jìn)行配置，觸發(fā)底層進(jìn)行下行同步和目標(biāo)小區(qū)的隨機(jī)接入。當(dāng)接入到目標(biāo)小區(qū)成功后，會(huì)讀取系

25、統(tǒng)消息，并將NAS層的信息傳遞給NAS層，NAS層判斷是否要進(jìn)行TAU過(guò)程。3) PDCP層介紹Ø PDCP層結(jié)構(gòu)：如圖2.4所示PDCP層是由若干個(gè)PDCP entity構(gòu)成，每個(gè)實(shí)體將對(duì)應(yīng)一個(gè)具體的RB，并且是PDCP功能的執(zhí)行體。PDCP-SAP接口為PDCP層和應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)接口，通過(guò)該接口PDCP完成和應(yīng)用之間用戶(hù)數(shù)據(jù)的傳輸。C-SAP為PDCP和RRC層之間的控制接口，通過(guò)該接口RRC完成對(duì)PDCP的控制7。圖2.4 PDCP層結(jié)構(gòu)圖Ø PDCP層功能：a. 對(duì)控制平面和用戶(hù)平面的數(shù)據(jù)進(jìn)行頭壓縮和解頭壓縮；b. 對(duì)控制和用戶(hù)平面的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，并對(duì)控制平面

26、數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性保護(hù)；c. 由于傳輸超時(shí)上行SDU丟棄的控制。 Ø 切換的支持：當(dāng)發(fā)生切換時(shí)，是由PDCP層保證AM數(shù)據(jù)的不丟失。RRC會(huì)通過(guò)C-SAP接口對(duì)所有的PDCP實(shí)體進(jìn)行重建，當(dāng)PDCP收到RRC層的重建指示后，會(huì)通過(guò)PDCP實(shí)體的重建相關(guān)操作來(lái)完成對(duì)切換中PDCP實(shí)體數(shù)據(jù)的處理，包括：數(shù)據(jù)的重排序和AM數(shù)據(jù)完整的保證。4) RLC層介紹Ø RLC層結(jié)構(gòu)：圖2.5為RLC層在整個(gè)系統(tǒng)中的位置和結(jié)構(gòu)圖，RLC層位于MAC和PDCP之間，通過(guò)和上層的接口，完成數(shù)據(jù)的傳輸和使RRC完成對(duì)其的控制，通過(guò)邏輯信道完成和MAC層的數(shù)據(jù)傳輸。在RLC層存在若干個(gè)RLC層實(shí)體，每個(gè)

27、實(shí)體都具有特定的傳輸模式。在RLC層傳輸模式總共分三種，分別為T(mén)M模式、UM模式和AM模式。TM傳輸模式的承載數(shù)據(jù)在RLC層不做任何處理，UM模式傳輸會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重排序，但不保證數(shù)據(jù)不丟失，AM模式傳輸數(shù)據(jù)既要保證數(shù)據(jù)的按序接收，又需要保證數(shù)據(jù)完整的傳輸和接收8。圖2.5 RLC層結(jié)構(gòu)圖Ø RLC層功能：a. 傳輸高層的數(shù)據(jù)PDU；b. 通過(guò)ARQ機(jī)制對(duì)AM數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)處理；c. 對(duì)AM和UM的RLC SDUs進(jìn)行分段和級(jí)聯(lián)，以適應(yīng)底層授權(quán)資源的大小，組裝RLC SDU傳輸給高層；d. 對(duì)于UM和AM模式的RLC數(shù)據(jù)PDU進(jìn)行重排序，并對(duì)冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)；e. 對(duì)RLC實(shí)體進(jìn)行重建相

28、關(guān)操作。Ø 切換過(guò)程的支持： 當(dāng)發(fā)生切換時(shí)，RLC會(huì)將所有實(shí)體的狀態(tài)變量復(fù)位，便于和網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)同步。RRC層會(huì)指示RLC層所有實(shí)體進(jìn)行重建操作，RLC層對(duì)于TM實(shí)體會(huì)刪除所有的RLC SDU；對(duì)于UM傳輸實(shí)體會(huì)刪除所有的RLC SDU，UM接收實(shí)體會(huì)將目前收到PDU進(jìn)行RLC層處理后生成RLC SDU并傳遞給高層，盡可能的減少UM數(shù)據(jù)的丟失；對(duì)AM實(shí)體，會(huì)將接收側(cè)的RLC PDU進(jìn)行RLC層的處理后，將得到的RLC SDU數(shù)據(jù)遞交給高層，將傳輸側(cè)的RLC SDU全部進(jìn)行丟棄。將RLC所有實(shí)體的變量和定時(shí)器進(jìn)行復(fù)位。5) MAC層介紹Ø MAC層結(jié)構(gòu)：如圖2.6所示，MAC層

29、主要由復(fù)用和解復(fù)用功能模塊、HARQ功能模塊和總體控制模塊構(gòu)成?？傮w控制模塊包括對(duì)DRX、調(diào)度、隨機(jī)接入功能和時(shí)間提前量功能的控制9。圖2.6 功能結(jié)構(gòu)圖Ø MAC層功能：a. 對(duì)傳輸信道和邏輯信道的映射；b. 對(duì)MAC PDU的復(fù)用和解復(fù)用；c. 對(duì)資源動(dòng)態(tài)調(diào)度的控制；d. 對(duì)隨機(jī)接入過(guò)程的控制；e. 通過(guò)HARQ功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)和重傳；f. 對(duì)上行數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中邏輯信道優(yōu)先級(jí)的控制；g. 通過(guò)DRX機(jī)制，控制UE端的省電。Ø 切換過(guò)程的支持：在切換過(guò)程中，RRC會(huì)指示MAC層做復(fù)位操作，該操作會(huì)將MAC層所有的狀態(tài)變量和定時(shí)器復(fù)位到MAC層初始狀態(tài)。在RRC完成

30、了對(duì)MAC配置的更新后，MAC層會(huì)通過(guò)隨機(jī)接入功能塊發(fā)起到目標(biāo)小區(qū)的隨機(jī)接入。2.2 LTE終端切換過(guò)程概述2.2.1 LTE系統(tǒng)切換流程介紹在LTE系統(tǒng)連接模式下存在兩種類(lèi)型的切換，一種為切換時(shí)在兩個(gè)eNodeB之間存在X2接口，并且能夠通過(guò)X2接口執(zhí)行切換的過(guò)程，被稱(chēng)為X2切換；另一種涉及到MME改變或者不存在X2接口的切換過(guò)程被稱(chēng)為S1切換5。圖2.7的切換交互流程是基于X2接口發(fā)生的切換，不涉及到MME和服務(wù)網(wǎng)關(guān)的改變，切換準(zhǔn)備消息的交互直接通過(guò)X2接口在源eNodeB和目的eNodeB之間進(jìn)行。當(dāng)進(jìn)行MME改變的切換會(huì)涉及到源MME和目的MME間的信令交互來(lái)交換UE的上下文信息，由于

31、這種切換過(guò)程復(fù)雜，在此不做介紹。圖2.7 LTE系統(tǒng)切換流程圖Ø 控制平面流程說(shuō)明：1、源eNodeB通過(guò)向UE配置測(cè)量控制信息，使UE進(jìn)行測(cè)量來(lái)協(xié)助eNodeB控制連接下的移動(dòng)性功能。2、UE按照網(wǎng)絡(luò)配置的頻點(diǎn)信息進(jìn)行測(cè)量，并按照配置的測(cè)量報(bào)告準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)估后向eNodeB進(jìn)行測(cè)量上報(bào)。3、源eNodeB根據(jù)UE測(cè)量上報(bào)的結(jié)果和自身維護(hù)的一些信息作出切換判決。4、源eNodeB通過(guò)Handover Request消息傳遞必要的信息給目的eNodeB用于目的eNodeB側(cè)的切換準(zhǔn)備，該消息中包含的信息有：在源eNode端UE-X2接口信令上下文參數(shù)、UE-S1接口信令上下文參數(shù)、目標(biāo)小

32、區(qū)Id、在源eNodeB端的RRC上下文、AS配置、E-RAB上下文、源小區(qū)的物理Id、Kenb*和無(wú)線(xiàn)鏈路失敗恢復(fù)的MAC-I。5、在目的eNodeB端在為了增加切換成功的概率會(huì)依靠E-RAB上下文中的Qos信息進(jìn)行接入允許判決，判決是否可以進(jìn)行資源分配；判決成功的話(huà)源eNodeB會(huì)按照Qos中的信息為該UE分配在該eNodeB中的資源，并為該UE保留切換前使用的C_RNTI和一個(gè)可選的RACH前導(dǎo)。在目的eNodeB端也應(yīng)該給出具體的AS配置。6、目的eNodeB回復(fù)一個(gè)Handover Ack消息給源eNodeB，在該消息中包含一個(gè)對(duì)源eNodeB透明的用于執(zhí)行切換的數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包被包

33、含在源eNodeB的RRC消息中發(fā)送給UE。那個(gè)數(shù)據(jù)包含有：一個(gè)新的C-RNTI、目標(biāo)eNodeB的安全算法標(biāo)識(shí)、專(zhuān)有的RACH前導(dǎo)和其他的一些公共和專(zhuān)有的配置參數(shù)。7、目的eNodeB產(chǎn)生RRC消息執(zhí)行切換，即通過(guò)產(chǎn)生帶有移動(dòng)性信息的重配消息并由源eNodeB發(fā)送到UE通知其執(zhí)行切換。8、為了傳遞上行PDCP SN接收端狀態(tài)和下行PDCP SN發(fā)送端狀態(tài)，源eNodeB發(fā)送SN STATUS TRANSFER消息給目的eNodeB（針對(duì)RLC模式為AM的DRB）。在上行PDCP SN接收端狀態(tài)中應(yīng)該包括第一個(gè)沒(méi)有被確認(rèn)接收到的PDCP SDU的SN和在目的小區(qū)UE需要重傳的上行亂序SDU的b

34、it Map信息。在下行PDCP SN發(fā)送端狀態(tài)中應(yīng)該標(biāo)識(shí)為下個(gè)新的SDU應(yīng)該分配的SN。如果在E-RAB信息中沒(méi)有一個(gè)AM的承載，該消息可以被忽略。9、在收到帶有移動(dòng)性信息的重配消息后，UE提取和應(yīng)用目標(biāo)小區(qū)配置的安全算法，并根據(jù)移動(dòng)性信息利用競(jìng)爭(zhēng)或非競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過(guò)程接入到目標(biāo)小區(qū)。10、目的eNodeB對(duì)上行鏈路進(jìn)行分配和時(shí)間提前量校正。11、當(dāng)UE成功接入到目標(biāo)小區(qū)后，UE發(fā)送重配置完成消息給目標(biāo)eNodeB確認(rèn)切換的完成。這時(shí)在eNodeB和UE間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。12、目的eNodeB通過(guò)PATH SWITCH REQUEST消息告知MME UE已經(jīng)改變了小區(qū)。13、MME發(fā)送U

35、PDATE USER PLANE REQUEST消息給服務(wù)網(wǎng)關(guān)。14、服務(wù)網(wǎng)關(guān)將UE的數(shù)據(jù)鏈路切換到目標(biāo)eNodeB這一側(cè)，在源eNodeB舊的鏈路上發(fā)送結(jié)束標(biāo)識(shí)并釋放分配給源eNodeB側(cè)的鏈路資源。15、服務(wù)網(wǎng)關(guān)發(fā)送UPDATE USER PLANE RESPONSE消息給MME。16、MME發(fā)送PATH SWITCH ACKNOWLEDGE消息給目的eNodeB。 17、目標(biāo)eNodeB在收到MME的PATH SWITCH ACKNOWLEDGE消息后，通過(guò)UE CONTEXT RELEASE消息通知源eNodeB切換的成功，并觸發(fā)其釋放源eNodeB的資源。18、在收到UE CONTE

36、XT RELEASE消息后，源eNodeB應(yīng)該先釋放控制平面的相關(guān)資源，在數(shù)據(jù)平面的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)該繼續(xù)Ø 數(shù)據(jù)平面流程說(shuō)明：1、切換準(zhǔn)備階段：在源eNodeB和目的eNodeB之間會(huì)建立數(shù)據(jù)平面的通道。對(duì)每個(gè)E-RAB的上行和下行數(shù)據(jù)傳輸都會(huì)建立一個(gè)數(shù)據(jù)通道，用于在切換完成前傳遞來(lái)自源eNodeB的數(shù)據(jù)。目的eNodeB端在切換完成前會(huì)對(duì)來(lái)自源eNodeB端的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。2、切換執(zhí)行階段：源eNodeB從EPC收到數(shù)據(jù)或者其數(shù)據(jù)緩存不為空，下行的用戶(hù)數(shù)據(jù)就需要通過(guò)源eNodeB和目的eNodeB之間的數(shù)據(jù)通道傳遞給目標(biāo)eNodeB。3、 切換完成階段：目的eNodeB通過(guò)PATH S

37、WITCH REQUEST消息通知MME UE已經(jīng)獲得了接入，MME通過(guò)消息UPDATE USER PLANE REQUEST通知服務(wù)網(wǎng)關(guān)將UE的數(shù)據(jù)鏈路從源eNodeB切換到目的eNodeB；服務(wù)網(wǎng)關(guān)向源eNodeB發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)識(shí)后，將數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行改變。2.1.2終端切換處理流程介紹 UE端發(fā)生切換的前提條件：1、接入網(wǎng)的安全性保護(hù)功能已被激活；2、SRB2和至少一個(gè)DRB已被建立。UE端的RRC模塊收到帶有mobilityControlInfo元素的重配消息時(shí)，認(rèn)為接收到網(wǎng)絡(luò)的切換指示，UE做如下流程處理：1、如果T310定時(shí)器開(kāi)啟，將該定時(shí)器關(guān)閉。T310定時(shí)器為評(píng)定無(wú)線(xiàn)鏈路失敗的定時(shí)

38、器，切換時(shí)對(duì)服務(wù)小區(qū)無(wú)線(xiàn)鏈路不需要進(jìn)行評(píng)估。2、開(kāi)啟T304定時(shí)器。T304定時(shí)器為限制切換時(shí)間的定時(shí)器，該定時(shí)器超時(shí)認(rèn)為切換失敗。3、如果移動(dòng)性信息中包括了載頻信息，則認(rèn)為目標(biāo)小區(qū)為移動(dòng)性信息中標(biāo)識(shí)的小區(qū)；否則目標(biāo)小區(qū)為服務(wù)頻點(diǎn)上被targetPhysCellId標(biāo)識(shí)的小區(qū)。UE同步到目標(biāo)小區(qū)的下行鏈路。4、復(fù)位MAC層，該操作將MAC層的相關(guān)狀態(tài)變量和定時(shí)器進(jìn)行復(fù)位。5、重建所有RB的PDCP和RLC實(shí)體，該操作用于處理切換執(zhí)行時(shí)在層2的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)要求的特性。6、應(yīng)用在移動(dòng)性信息中攜帶的新的C-RNTI的值，將無(wú)線(xiàn)資源公共配置中的信息對(duì)底層進(jìn)行配置。7、如果重配置消息中包含radioR

39、esourceConfigDedicated信息，將該元素中無(wú)線(xiàn)資源專(zhuān)有配置對(duì)底層進(jìn)行配置。8、根據(jù)目前UE的安全上下文和重配置消息中攜帶的安全性參數(shù)，對(duì)AS的密鑰進(jìn)行提取和更新。UE的安全性構(gòu)架和密鑰的提取過(guò)程分析見(jiàn)2.3.2描述。9、執(zhí)行測(cè)量相關(guān)行為，調(diào)整和處理測(cè)量列表及測(cè)量報(bào)告項(xiàng)。10、如果在重配置消息中包含measConfig元素，對(duì)測(cè)量進(jìn)行配置。11、將重配置完成消息發(fā)送到底層進(jìn)行傳輸。12、MAC隨機(jī)接入完成后，UE端的切換完成。2.3切換相關(guān)子過(guò)程研究2.3.1終端測(cè)量研究2.3.1.1 LTE測(cè)量介紹在LTE系統(tǒng)中的切換采用終端協(xié)助網(wǎng)絡(luò)控制的方式。為了保證切換的準(zhǔn)確性，在連接下

40、的終端必須周期性的對(duì)周?chē)臒o(wú)線(xiàn)環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)某種事件的評(píng)估準(zhǔn)則向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送測(cè)量報(bào)告，以使網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確的做出切換決定。網(wǎng)絡(luò)根據(jù)終端發(fā)送的測(cè)量報(bào)告決定UE是否要進(jìn)行切換以及切換到那個(gè)小區(qū)。LTE的切換機(jī)制就決定了在連接下UE端測(cè)量機(jī)制的重要性。而測(cè)量的準(zhǔn)確性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：測(cè)量的執(zhí)行和測(cè)量評(píng)估。測(cè)量的執(zhí)行主要是對(duì)測(cè)量規(guī)劃和采樣方案的要求，這個(gè)主要取決于物理層的采樣方案和協(xié)議棧的測(cè)量規(guī)劃。對(duì)于協(xié)議層而言，處理測(cè)量結(jié)果的好與壞也會(huì)直接影響到網(wǎng)絡(luò)的切換決定。連接狀態(tài)下終端主要通過(guò)測(cè)量報(bào)告向網(wǎng)絡(luò)提供切換的參考值，測(cè)量結(jié)果的評(píng)估是終端發(fā)送測(cè)量報(bào)告的先決條件。測(cè)量報(bào)告的觸發(fā)類(lèi)型主要分為事件觸發(fā)和周期性

41、觸發(fā)，在用于LTE系統(tǒng)的切換情況下，終端測(cè)量評(píng)估主要依據(jù)評(píng)估事件A3來(lái)完成對(duì)測(cè)量結(jié)果的評(píng)估4。2.3.1.2 LTE測(cè)量配置和結(jié)構(gòu)LTE系統(tǒng)中的測(cè)量由測(cè)量配置、測(cè)量執(zhí)行、測(cè)量報(bào)告觸發(fā)和測(cè)量上報(bào)幾個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。在RRC層測(cè)量控制是通過(guò)下列幾個(gè)元素來(lái)組織的：Measurement objects：該元素定義了UE執(zhí)行測(cè)量的對(duì)象。對(duì)于頻內(nèi)和頻間測(cè)量，一個(gè)Measurement object就是一個(gè)LTE載頻。和這個(gè)載頻相關(guān)聯(lián)的，UE會(huì)配置小區(qū)詳細(xì)列表和黑名單小區(qū)列表。Reporting configurations：該元素定義了測(cè)量時(shí)的一些報(bào)告配置，其中包括報(bào)告準(zhǔn)則和報(bào)告格式。報(bào)告準(zhǔn)則定義了觸發(fā)UE發(fā)

42、送一個(gè)報(bào)告的準(zhǔn)則，報(bào)告格式則定義了UE應(yīng)該報(bào)告那些測(cè)量量給網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于每一個(gè)測(cè)量報(bào)告配置中都會(huì)配置需要報(bào)告的測(cè)量量、進(jìn)行評(píng)估所用的測(cè)量量、需要報(bào)告的小區(qū)個(gè)數(shù)和需要報(bào)告的次數(shù)。其中每一個(gè)事件報(bào)告配置都會(huì)配置一個(gè)TTT定時(shí)器，該定時(shí)器用來(lái)限定評(píng)估測(cè)量的時(shí)間。Measurement identities：該元素表示一個(gè)測(cè)量標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)把一個(gè)Measurement objects和一個(gè)Reporting configurations聯(lián)系在一起，構(gòu)成了一個(gè)測(cè)量項(xiàng)。在本文中我們簡(jiǎn)稱(chēng)measId。Quantity configurations：配置了用于層3過(guò)率的參數(shù)。Measurement gaps：UE用

43、于執(zhí)行異頻異系統(tǒng)測(cè)量的時(shí)間間隙，在該時(shí)間段內(nèi)不可以進(jìn)行任何上下行數(shù)據(jù)的傳輸。圖2.8描述了測(cè)量各個(gè)配置之間的關(guān)系： 圖2.8 測(cè)量配置關(guān)系圖如圖2.8所示，在UE端的測(cè)量配置中，我們可以把每一項(xiàng)測(cè)量比做一個(gè)項(xiàng)目，Measurement identity就是這個(gè)項(xiàng)目的標(biāo)識(shí)，這個(gè)項(xiàng)目的資源都得從Reporting configurations和Measurement objects列表這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取，而這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)都是為所有項(xiàng)目的公用。每個(gè)測(cè)量項(xiàng)目的建立更新和刪除都是通過(guò)測(cè)量配置來(lái)執(zhí)行的，因?yàn)闇y(cè)量配置會(huì)更新UE所維護(hù)的三個(gè)列表。測(cè)量配置除了對(duì)這三個(gè)列表進(jìn)行更新外，還會(huì)對(duì)測(cè)量間隙和測(cè)量量進(jìn)行配置

44、。2.3.1.3 LTE測(cè)量執(zhí)行LTE系統(tǒng)的測(cè)量從規(guī)劃的角度而言主要分為：同頻測(cè)量和異頻異系統(tǒng)測(cè)量。由于在本文中沒(méi)有涉及異系統(tǒng)的切換，所以在此對(duì)異系統(tǒng)測(cè)量不做介紹。1) 需要的測(cè)量：在進(jìn)入連接狀態(tài)后，網(wǎng)絡(luò)會(huì)通過(guò)重配置消息將測(cè)量信息配置給UE，其中measObject列表中包含了UE所要測(cè)量的頻點(diǎn)信息。在網(wǎng)絡(luò)配置的每個(gè)measObject信息中會(huì)包含一個(gè)該頻點(diǎn)要測(cè)的小區(qū)列表和黑名單列表，黑名單列表在測(cè)量評(píng)估和上報(bào)時(shí)不需要被考慮。每個(gè)頻點(diǎn)信息中要測(cè)小區(qū)列表中的小區(qū)稱(chēng)為被列小區(qū)。在連接下網(wǎng)絡(luò)配置給UE的小區(qū)列表中沒(méi)有包含該頻點(diǎn)上所有的小區(qū)信息，這需要UE要周期性的對(duì)該頻點(diǎn)的小區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，這個(gè)過(guò)程中被

45、檢測(cè)出的小區(qū)被稱(chēng)為被標(biāo)識(shí)小區(qū)。在連接模式下的UE需要對(duì)服務(wù)小區(qū)、各個(gè)頻點(diǎn)的被列小區(qū)和被標(biāo)識(shí)小區(qū)進(jìn)行測(cè)量。2) 可用的測(cè)量機(jī)會(huì)：同頻測(cè)量就是對(duì)服務(wù)頻點(diǎn)上的被列小區(qū)和被標(biāo)識(shí)小區(qū)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于TD_LTE而言，每一個(gè)下行子幀都會(huì)帶有服務(wù)頻點(diǎn)的參考信號(hào)，這就決定了UE在任何下行子幀都可以進(jìn)行同頻小區(qū)的測(cè)量。對(duì)于異頻測(cè)量而言，終端需要同步到異頻的臨近小區(qū)，并測(cè)量這些小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量，在可能的情況下也會(huì)監(jiān)測(cè)該小區(qū)的其他屬性（例如小區(qū)的質(zhì)量）。然而對(duì)于單接受能力的UE，終端不可能在進(jìn)行服務(wù)小區(qū)業(yè)務(wù)的同時(shí)，來(lái)做其他頻率的臨近小區(qū)的測(cè)量。這就決定了系統(tǒng)必須規(guī)劃出一段時(shí)間間隙來(lái)進(jìn)行異頻異系統(tǒng)的測(cè)量任務(wù)，這段用于異頻

46、異系統(tǒng)測(cè)量時(shí)間間隙就是本文中介紹的測(cè)量Gap10。2.3.1.4 LTE測(cè)量報(bào)告的評(píng)估和上報(bào)當(dāng)?shù)讓舆f交上來(lái)測(cè)量結(jié)果后，要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。測(cè)量報(bào)告的評(píng)估有兩種觸發(fā)方式：事件觸發(fā)和周期性觸發(fā)。本節(jié)主要對(duì)事件觸發(fā)的測(cè)量報(bào)告進(jìn)行介紹， 事件觸發(fā)在LTE系統(tǒng)內(nèi)中有A1A5五種事件類(lèi)型，每種事件都會(huì)規(guī)定進(jìn)入條件和離開(kāi)條件的限制。在這五種事件觸發(fā)類(lèi)型中A3事件主要用于切換的參考。事件觸發(fā)類(lèi)型評(píng)估時(shí)只有當(dāng)某一個(gè)或者多個(gè)小區(qū)在被配置定時(shí)器限定時(shí)間內(nèi)一直滿(mǎn)足進(jìn)入條件時(shí)，才會(huì)為該事件發(fā)送測(cè)量報(bào)告，且按網(wǎng)絡(luò)規(guī)定的發(fā)送次數(shù)進(jìn)行周期性的發(fā)送。當(dāng)有新的小區(qū)再次滿(mǎn)足進(jìn)入條件一段時(shí)間后，將測(cè)量報(bào)告的上報(bào)次數(shù)清零并再次發(fā)送測(cè)

47、量報(bào)告。周期性出發(fā)類(lèi)型是一旦有小區(qū)測(cè)量結(jié)果可用就會(huì)立即發(fā)送測(cè)量報(bào)告。1) 事件觸發(fā)評(píng)估與一個(gè)measId相關(guān)聯(lián)的報(bào)告配置如果觸發(fā)類(lèi)型為事件觸發(fā)時(shí)，對(duì)物理層傳遞上來(lái)的測(cè)量結(jié)果在經(jīng)過(guò)層三過(guò)濾后，會(huì)依據(jù)相關(guān)規(guī)則對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行事件評(píng)估。層三過(guò)濾是將上次的測(cè)量結(jié)果和本次的測(cè)量值取一定的比例進(jìn)行平滑。在事件評(píng)估的條件中會(huì)包含兩種條件：進(jìn)入條件和離開(kāi)條件。由于本文基于切換過(guò)程為背景介紹測(cè)量，在此以用于切換參考的A3事件為例進(jìn)行介紹：A3事件的進(jìn)入條件為鄰近小區(qū)的質(zhì)量比服務(wù)小區(qū)的質(zhì)量高出一個(gè)偏移值，離開(kāi)條件為鄰近小區(qū)的質(zhì)量比服務(wù)小區(qū)的質(zhì)量低出一個(gè)偏移值，該偏移值由網(wǎng)絡(luò)配置。對(duì)于事件觸發(fā)的測(cè)量報(bào)告發(fā)起有4種情況

48、：1、當(dāng)該measId對(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果中第一次存在一個(gè)或多個(gè)小區(qū)在TTT定時(shí)器一直滿(mǎn)足進(jìn)入條件，在UE側(cè)為該measId創(chuàng)建一個(gè)測(cè)量報(bào)告的條目，在該條目中包含該measId、報(bào)告已發(fā)送的次數(shù)和被觸發(fā)小區(qū)列表；初始化發(fā)送次數(shù)為0，將滿(mǎn)足進(jìn)入條件的小區(qū)放入被觸發(fā)小區(qū)的列表中，并組裝測(cè)量報(bào)告進(jìn)行發(fā)送。2、當(dāng)該measId在UE側(cè)存在對(duì)應(yīng)的測(cè)量報(bào)告項(xiàng)，有一個(gè)或多個(gè)不在被觸發(fā)列表中的小區(qū)在TTT定時(shí)器時(shí)間內(nèi)一直滿(mǎn)足進(jìn)入條件，初始化發(fā)送次數(shù)為0，將滿(mǎn)足進(jìn)入條件的小區(qū)放入被觸發(fā)小區(qū)的列表中，并為被觸發(fā)列表中的小區(qū)組裝測(cè)量報(bào)告進(jìn)行發(fā)送。3、對(duì)事件類(lèi)型為A3事件，當(dāng)該measId在UE側(cè)存在對(duì)應(yīng)的測(cè)量報(bào)告項(xiàng)，對(duì)在

49、被觸發(fā)列表中的小區(qū)在TTT定時(shí)器內(nèi)一直滿(mǎn)足離開(kāi)條件，且配置為小區(qū)離開(kāi)需進(jìn)行測(cè)量報(bào)告時(shí)，將滿(mǎn)足離開(kāi)條件的小區(qū)從被觸發(fā)列表中移除，并對(duì)被觸發(fā)列表的小區(qū)進(jìn)行測(cè)量報(bào)告組裝和發(fā)送。4、當(dāng)該測(cè)量measId對(duì)應(yīng)的報(bào)告配置中的報(bào)告次數(shù)大于1時(shí)，在第一次測(cè)量報(bào)告完成后會(huì)對(duì)為該measId開(kāi)啟周期性報(bào)告定時(shí)器，并將已發(fā)送次數(shù)加一。當(dāng)定時(shí)器超時(shí)再次為該measId發(fā)送測(cè)量報(bào)告，此過(guò)程循環(huán)進(jìn)行，直到報(bào)告次數(shù)達(dá)到最大次數(shù)。2) 測(cè)量結(jié)果上報(bào)當(dāng)在測(cè)量評(píng)估確定要進(jìn)行測(cè)量報(bào)告后，對(duì)于事件觸發(fā)類(lèi)型的measId，會(huì)將該measId對(duì)應(yīng)的被觸發(fā)列表中的小區(qū)按照評(píng)估時(shí)參考測(cè)量量遞減的順序進(jìn)行排序，并按照網(wǎng)絡(luò)配置的最大報(bào)告小區(qū)數(shù)組

50、裝入測(cè)量報(bào)告的鄰近小區(qū)列表中。當(dāng)測(cè)量報(bào)告發(fā)送后，會(huì)判斷已發(fā)送的測(cè)量報(bào)告數(shù)來(lái)確定是否為該measId開(kāi)啟周期性定時(shí)器。當(dāng)周期性定時(shí)器超時(shí)會(huì)再次根據(jù)被觸發(fā)列表的小區(qū)組裝并發(fā)送測(cè)量報(bào)告。2.3.2 切換過(guò)程安全性參數(shù)更新2.3.2.1 LTE安全性架構(gòu)和配置1) LTE安全構(gòu)架介紹LTE的安全性架構(gòu)主要功能是在UE和網(wǎng)絡(luò)間建立一個(gè)安全的場(chǎng)景（EPS security context）， 包括UE和網(wǎng)絡(luò)間在安全方面所需要的密鑰產(chǎn)生和維護(hù)更新。并且在該安全場(chǎng)景下投入使用，建立一個(gè)NAS和AS消息安全交互的場(chǎng)景，保護(hù)UE和網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)及信令交互的安全性和可靠性。安全場(chǎng)景主要是通過(guò)AKA健全、NAS SMC

51、和AS SMC 過(guò)程來(lái)建立。其中AKA過(guò)程通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞的信息和UE端USIM卡中的安全參數(shù)來(lái)提取公共的密鑰。NAS SMC通過(guò)配置相應(yīng)的加密和完整性算法啟用NAS安全性保護(hù)。AS SMC過(guò)程通過(guò)配置接入層安全性算法提取接入層密鑰，啟用接入層的安全保護(hù)11。2) LTE接入網(wǎng)密鑰產(chǎn)生在所有的3GPP無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)中，安全性一直是一個(gè)重要的特性。在LTE系統(tǒng)中采用了和3G和GSM相類(lèi)似的框架。對(duì)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)安全性主要提供兩個(gè)功能：對(duì)SRB與DRB的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，對(duì)SRB的數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性保護(hù)和完整性檢驗(yàn)。加密主要為了防止數(shù)據(jù)信息被第三方獲得，完整性保護(hù)主要防止數(shù)據(jù)被篡改和被偽造。RRC總是在連接建

52、立后通過(guò)SMC過(guò)程對(duì)接入層的安全性進(jìn)行激活。圖2.11 密鑰生成等級(jí)圖圖2.11為L(zhǎng)TE系統(tǒng)中接入網(wǎng)密鑰產(chǎn)生的過(guò)程圖，在整個(gè)密鑰的提取過(guò)程中是基于一個(gè)公共的密鑰Kasme ，該密鑰在HSS和UE端的USIM 中提取。在網(wǎng)絡(luò)HSS的健全模塊中會(huì)使用KASME和一個(gè)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生Kenb和健全驗(yàn)證碼。密鑰Kenb、驗(yàn)證碼以及隨機(jī)數(shù)都會(huì)發(fā)送到MME，MME在和NAS層的AKA過(guò)程中將隨機(jī)數(shù)和健全驗(yàn)證碼發(fā)送到UE，并將Kenb發(fā)送到eNodeB進(jìn)行接入層密鑰的提取。UE從USIM中讀取信息后產(chǎn)生Kasme并通過(guò)健全過(guò)程中的隨機(jī)數(shù)和驗(yàn)證碼進(jìn)行健全過(guò)程的驗(yàn)證。在健全過(guò)程成功后，UE通過(guò)Kasme產(chǎn)生Kenb，

53、并在接入層的SMC過(guò)程中利用Kenb和網(wǎng)絡(luò)配置的算法提取接入層的安全性密鑰。 在連接模式下UE發(fā)生切換時(shí)，會(huì)改變接入層的算法，并通過(guò)相關(guān)參數(shù)提取新的Kenb，使得Kenb和網(wǎng)絡(luò)側(cè)同步。利用新的算法和Kenb提取接入層新的密鑰。2.3.2.2切換中安全性參數(shù)同步技術(shù)1) 安全參數(shù)改變場(chǎng)景介紹從目前切換的目的而言，存在兩種切換場(chǎng)景：由于終端網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化而發(fā)生的切換和用于改變AS安全上下文的小區(qū)內(nèi)切換。對(duì)于前者而言切換都會(huì)通過(guò)源小區(qū)和目的小區(qū)的安全上下文交互來(lái)完成網(wǎng)絡(luò)側(cè)的安全上下文的傳遞。對(duì)于后者而言，當(dāng)由于網(wǎng)絡(luò)的策略通過(guò)NAS層的AKA和NAS SMC過(guò)程修改了UE的安全上下文中Kasme和NA

54、S安全上下文時(shí)，MME會(huì)相應(yīng)的發(fā)起一個(gè)小區(qū)內(nèi)切換過(guò)程來(lái)重新激活A(yù)S的安全上下文。UE通過(guò)網(wǎng)絡(luò)端的配置參數(shù)來(lái)區(qū)分是否屬于小區(qū)內(nèi)切換。小區(qū)內(nèi)切換時(shí)UE需要做的是利用新的Kasme來(lái)提取臨時(shí)Kenb，并用臨時(shí)Kenb作為輸入產(chǎn)生Kenb*作為新的Kenb使用。2) 接入層密鑰同步 在LTE系統(tǒng)中，從一個(gè)小區(qū)切換到另一個(gè)小區(qū)，總會(huì)伴隨著AS層密鑰的改變。在UE端改變算法和密鑰時(shí)如何才能做到和網(wǎng)絡(luò)端保持密鑰的同步是切換過(guò)程中要解決的問(wèn)題之一11。圖2.12 密鑰同步示意圖圖2.12為切換過(guò)程中，密鑰同步的一個(gè)總體流程。在UE和eNodeB AS層安全上下文初始建立的時(shí)候，UE和MME都會(huì)提取一個(gè)Kenb

55、和NH。其中Kenb對(duì)應(yīng)一個(gè)值為0的Ncc，NH對(duì)應(yīng)一個(gè)值為1的Ncc。eNodeB會(huì)通過(guò)AS SMC過(guò)程觸發(fā)UE啟動(dòng)AS層的安全保護(hù)。在安全性保護(hù)啟動(dòng)后發(fā)生的每一次切換UE都會(huì)更新算法和密鑰，保持和網(wǎng)絡(luò)的同步。在UE和eNodeB端，切換時(shí)是通過(guò)提取一個(gè)臨時(shí)的Kenb*作為新的Kenb，并用新的Kenb作為輸入產(chǎn)生加密和完整性密鑰來(lái)保證切換安全同步。如上圖所示當(dāng)Kenb*通過(guò)目前使用Kenb作為輸入產(chǎn)生時(shí)，稱(chēng)為橫向的密鑰提取。當(dāng)Kenb*通過(guò)目前使用NH作為輸入產(chǎn)生時(shí)，我們稱(chēng)為縱向密鑰提取。當(dāng)發(fā)生切換時(shí)，eNodeB在切換命令中會(huì)攜帶一個(gè)NCC和eKSI參數(shù)。當(dāng)UE收到該參數(shù)后通過(guò)eKSI參

56、數(shù)判斷是不是由于NAS SMC過(guò)程后引起的接入層安全上下文更新；通過(guò)NCC參數(shù)來(lái)更新UE端的Kenb參數(shù)，進(jìn)而提取新的安全性參數(shù)。當(dāng)UE收到NCC和目前Kenb相聯(lián)系的NCC相等時(shí)則啟用橫向密鑰提取來(lái)生成新的Kenb*作為新的Kenb使用，并提取相應(yīng)的加密和完整性保護(hù)密鑰。當(dāng)收到的NCC和目前Kenb相聯(lián)系的NCC不等時(shí)，則按照縱向密鑰提取將NH首先同步到和收到的NCC一致的層次，即利用產(chǎn)生密鑰的KDF函數(shù)，以目前的NH為輸入，產(chǎn)生新的NH，并將產(chǎn)生的NH的NCC設(shè)為輸入NH對(duì)應(yīng)NCC加一，依次計(jì)算，直到生成的NH對(duì)應(yīng)的NCC和收到的NCC相等為止。當(dāng)新產(chǎn)生的NH對(duì)應(yīng)的NCC和收到的NCC相等

57、時(shí)，則將最新的NH作為目前使用的NH,并且作為輸入產(chǎn)生Kenb*，將Kenb*作為新的Kenb使用。2.3.3切換過(guò)程中數(shù)據(jù)完整的保證2.3.3.1切換中數(shù)據(jù)處理介紹當(dāng)UE從一個(gè)小區(qū)切換到另一個(gè)小區(qū)時(shí)，對(duì)于UE和eNodeB都會(huì)存在一些未進(jìn)行傳出和正在接收的數(shù)據(jù)緩存在數(shù)據(jù)鏈路RLC和PDCP層，對(duì)于這部分?jǐn)?shù)據(jù)如果不進(jìn)行特殊處理將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失或者亂序。不同的業(yè)務(wù)承載由于Qos要求不盡相同，因而對(duì)于切換中這部分?jǐn)?shù)據(jù)的關(guān)注點(diǎn)也不同。在業(yè)務(wù)承載中對(duì)數(shù)據(jù)的要求主要分為兩類(lèi)：一種為對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)延的要求較高，如語(yǔ)音業(yè)務(wù)；一種為關(guān)心數(shù)據(jù)的完整，對(duì)時(shí)延要求不高，如文件數(shù)據(jù)的下載業(yè)務(wù)。下面的討論我們分別稱(chēng)為：低

58、完整性數(shù)據(jù)和高完整性數(shù)據(jù)12 13。2.3.3.2低完整性數(shù)據(jù)處理流程低時(shí)延數(shù)據(jù)主要應(yīng)用在映射模式為RLC UM模式的DRB承載和用于信令傳輸?shù)腟RB上。對(duì)于此類(lèi)承載上的數(shù)據(jù)相對(duì)于完整性而言要更關(guān)心數(shù)據(jù)的延遲。這種類(lèi)型數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)在于減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)的延遲，但不可避免的會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。在切換時(shí)，對(duì)于低時(shí)延數(shù)據(jù)要求的無(wú)線(xiàn)承載，對(duì)應(yīng)的PDCP實(shí)體應(yīng)該將頭壓縮上下文復(fù)位。由于在切換過(guò)程中新的密鑰總會(huì)產(chǎn)生，因此在安全性的角度沒(méi)有必要對(duì)用于加密的COUNT值進(jìn)行保留。在切換過(guò)程執(zhí)行中應(yīng)該保證在UE端沒(méi)有開(kāi)始傳輸?shù)腜DCP SDU在切換完成后能夠傳輸?shù)侥康膃NodeB。在eNodeB端沒(méi)有開(kāi)始傳輸?shù)腜DCP SDU能夠通過(guò)X2接口傳輸?shù)侥康膃Node