LTE网络的切换过程解析

第一章 介绍

第一章 介绍

1.1研究背景

1.1.1移动通信的演进

现代移动通信技术的发展始于上世纪20年代，大致经历了五个发展阶段[1]。 第一阶段从上世纪20年代至40年代，为早期发展阶段。在这期间，首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。该系统工作频率为2MHz，到40年代提高到30～40MHz,可以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系统开发，工作频率较低。

第二阶段从上世纪40年代中期至60年代初期。在此期间内，公用移动通信业务开始问世。1946年，根据美国联邦通信委员会(FCC)的计划，贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。当时使用三个频道，间隔为120kHz，通信方式为单工。

第三阶段从上世纪60年代中期至70年代中期。在此期间，美国推出了改进型移动电话系统(IMTS)，使用150MHz和450MHz频段，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。

第四阶段从上世纪70年代中期至80年代中期。这是移动通信蓬勃发展时期。1978年底，美国贝尔试验室研制成功先进的移动电话系统(AMPS)，建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。

第一代移动通信模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题，比如容量有限、制式太多、互不兼容、通话质量不高、不能提供数据业务、不能提供自动漫游、频谱利用率低、移动设备复杂、费用较贵以及通话易被窃听等，最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户需求。

第五阶段从上世纪80年代中期开始。这是数字移动通信系统发展和成熟时期。 该阶段可以再分为2G、2.5G、3G、4G等。

2G主要采用的是数字的时分多址(TDMA)技术和码分多址(CDMA)技术，与之对应的是全球主要有GSM和CDMA两种体制。

GSM技术用的是窄带TDMA，允许在一个射频(即?蜂窝?)同时进行8组通话。它是根据欧洲标准而确定的频率范围在900～1800MHz之间的数字移动电话系统，频率为1800MHz的系统也被美国采纳。GSM是1991年开始投入使用的。到1997年底，已经在100多个国家运营，成为欧洲和亚洲实际上的标准。GSM数字网也具

第一章 介绍

有较强的保密性和抗干扰性，音质清晰，通话稳定，并具备容量大，频率资源利用率高，接口开放，功能强大等优点。

CDMA的意思就是Code Division Multiple Access（码分多址），这种通信系统的容量大，通信质量高，抗干扰，但是技术上稍微复杂些。CDMA就是说，系统给每个用户分配了一个“Code（代码）”，系统根据不同的代码来识别不同的用户，而所有的用户共用相同的频率。CDMA系统的容量理论上是无限的，但是由于物理硬件及系统实现上的限制等，系统的容量总是有限的，但是一般来说，是TDMA容量的6倍以上。

针对GSM通信出现的缺陷，人们在2000年又推出了一种新的通信技术GPRS，该技术是在GSM的基础上的一种过渡技术。GPRS的推出标志着人们在GSM的发展史上迈出了意义最重大的一步，GPRS在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP和X.25分组数据接入服务。

在这之后，通信运营商们又推出EDGE技术，这种通信技术是一种介于2G和3G之间的过渡技术，因此也有人称它为“2.5G”技术，它有效提高了GPRS信道编码效率的高速移动数据标准，它允许高达384KbPs的数据传输速 率，可以充分满足未来无线多媒体应用的带宽需求。

3G技术目前全球有三大标准，分别是欧洲提出的WCDMA、美国提出的CDMA2000和我国提出的TD-SCDMA。与之前的1G和2G相比，3G拥有更宽的带宽，其传输速度最低为384K，最高为2M，带宽可达 5MHz以上。不仅能传输话音，还能传输数据，从而提供快捷、方便的无线应用，如无线接入Internet。能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务是第三代移动通信的一个主要特点。

第四代移动通信系统的提供便是希望能满足提供更大的频宽需求，满足第三代移动通信尚不能达到的在覆盖、质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。4G是集3G与WLAN于一体，并能够传输高质量视频图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到50Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。

1.1.2 LTE系统研究背景

为了应对宽带接入技术的挑战,同时为了满足新型业务需求,国际标准化组织3GPP在2004年底启动了其长期演进(LTE)技术的标准化工作。希望达到以下几个主要目标：保持3GPP在移动通信领域的技术及标准优势；填补第3 代移动通信系统和第4代移动通信系统之间存在的巨大技术差距；希望使用已分配给第3代移动

第一章 介绍

通信系统的频谱，保持无线频谱资源的优势；解决第3 代移动通信系统存在的专利过分集中问题。

由我国主导的TD-LTE作为我国自主知识产权的新一代宽带无线技术，从发展之初就受到了高度重视。据悉，中国移动作为主导运营商有望近日在政府的统一部署下开展TD-LTE规模试验，同时也通过规划试验终端用专项资金及加大研发创新投入带动产业加快发展。

LTE的技术优势主要集中在几个方面[2]：

1、灵活的频谱带宽配置,支持1.25MHz、1.6MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz 和20 MHz 的带宽设置，从技术上保证3GPP LTE系统可以使用第3代移动通信系统的频谱。

2、通过频分多址和小区间干扰抑制技术实现，提高小区边缘传输速率，改善用户在小区边缘的体验，增强3GPP LTE系统的覆盖性能。

3、在数据率和频谱利用率方面，实现下行峰值速率100 Mb/s，上行峰值速率50 Mb/s ；频谱利用率为HSPA的2～4 倍，用户平均吞吐量为HSPA的2～4倍。为保证3GPP LTE系统在频谱利用率方面的技术优势，主要通过多天线技术、自适应调制与编码和基于信道质量的频率选择性调度实现。

4、提供低时延，使用户平面内部单向传输时延低于5 ms，控制平面从睡眠状态到激活状态的迁移时间低于50 ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100 ms，以增强对实时业务的支持。

5、通过物理层帧结构、层2 的信道结构和高层的无线资源管理实现，进一步增强对多媒体广播和多播业务的支持，满足广播业务、多播业务和单播业务融合的需求。

6、全分组的包交换取消电路交换，采用基于全分组的包交换，从而提高系统频谱利用率。

1.1.3 LTE切换过程研究背景

为了保证在各种复杂的地形环境下，用户在移动的同时能够获得良好的信号质量，保证业务的畅通进行，LTE系统中连接下的切换是必不可少的保障。对于移动终端而言，切换性能的好坏直接关系到终端的稳定性，比如说会增大用户掉话率，降低用户的通话质量，由此可见小区切换过程是移动无线通信的一项重要的特性。

诺基亚西门子通信在2009年10月28日通过使用商用基站和标准软件完成了全球首个LTE切换测试，该项测试完全符合3GPP LTE标准。在这初步测试中，切换在诺基亚西门子公司的LTE小区间进行，移动终端在呼叫过程中穿过LTE小区，

第一章 介绍

完成了小区间的无缝连接。 2010年8月，诺西顺利通过工信部制定的TD-LTE完整集测试，并与三星完成全球首例TD-LTE高清视频呼叫切换。诺基亚西门子通信的切换测试不仅使LTE在商业部署上又迈进了一步，也为LTE小区切换提供了可靠的测试方案。

在LTE系统中，对于切换性能有了更高的要求，也提供一些更好的解决方案。下面介绍一下LTE系统小区切换的几个特点[3]：

1、在LTE系统中切换的方式属于终端协助网络控制，即终端提供可靠的服务小区和邻近小区测量值，网络根据终端报告的测量值参数决定是否进行切换和切换到哪个小区。

2、在切换前的测量控制上LTE不仅采用了可以简化底层测量规划方案，也为协议层的测量评估和报告提供了更加准确的判决和触发机制，但是这也增加了实现时的系统开销。

3、LTE小区切换方式上采用的是硬切换的方式，这样可以减少系统资源的占用，加快切换的速度；由于LTE协议层结构相对清晰简洁，而且采取了可靠的接入机制和有效的连接恢复技术机制，从一定程度上减少了硬切换高掉话率的缺点。

4、由于在LTE系统中的安全性构架的特点，对于接入层安全性参数的改变会通过小区内切换的方式进行改变，这是以前系统中所没有的，也是需要和正常的小区切换相区别的。在LTE系统内的每次小区间切换也都会更新接入层的密钥，这样增强了用户通信的安全性。

5、由于LTE系统中接入网结构的变化，缺少了集中控制单元，网络必须将UE相关的所有信息和缓存数据从源eNodeB传递到目的eNodeB。在UE端为保证切换时数据的完整性也需要通过PDCP和RLC层重建的方式进行处理。

1.2论文的研究内容和意义

1.2.1研究内容

本论文主要对终端在小区切换过程中协议层的各个环节操作进行分析和研究，并在研究成果的基础上对协议栈的切换过程进行了设计和实现。由于在LTE系统的协议栈层次，对于LTE系统的FDD和TDD制式区别不大，我们对协议栈软件的设计目标是支持FDD和TDD两种模式。

基于1.1.3节所介绍的LTE系统中切换过程的特点，在论文中对切换过程主要分为五个环节进行研究和实现，并在此基础上对切换过程进行规划和设计：

第一章 介绍

1、对终端的测量过程进行研究和实现，主要对测量的配置过程、测量的执行和测量结果的评估上报进行了详细的分析，并给出设计方案。在本部分设计的难点在于测量执行的规划和测量结果评估过程中的准确性及系统资源的利用效率。

2、对切换过程中安全性参数的更新过程进行协议分析和研究，对安全性参数更新的整体流程进行规划和方案设计。在本部分的方案实现中主要关心不同场景下对于AS密钥更新操作的不同，并规划各个场景下终端的具体操作。

3、对切换过程中数据链路层未确认数据的处理过程进行分析和研究，在整理清楚切换过程中各个层之间以及UE和基站之间对于数据处理的角色和任务时，对切换过程中的数据处理的整体方案进行设计，并给出具体的实现方案。在该部分中涉及到任务的规划和协议栈总体设计的考虑，对协议理解和协议栈软件的实现平台的掌握有较高的要求。

4、对切换过程中完成目标小区上行同步的随机接入过程进行分析和研究，整理相关流程和场景，完成随机接入过程在终端的实现。由于随机接入过程主要涉及到和物理层过程相关流程的交互，在实现中需要结合相应的平台架构进行设计和实现。

5、对切换失败后的处理环节重建过程进行详细的协议研究和流程分析，并给出重建过程的具体设计方案。在本部分中需要重点解决的问题是如何进行重建过程中小区选择以增加重建过程成功的概率。

在对以上具体环节进行研究并给出具体的设计方案的基础上，将各个环节进行整合，对切换过程的整体流程进行设计和实现。

给出了切换过程具体的实现方案后，在论文中对协议栈软件的一致性测试方法进行了介绍，并选取了切换过程具有代表性的测试用例对切换过程的一致性测试结果进行分析和介绍。在文章的最后对论文的整体工作进行了总结，对论文的下一步工作进行了展望。

1.2.2论文的意义

实现终端芯片和系统的互操作是对启动规模试验影响最大的环节。实际上产业链中，终端的发展速度往往落后于系统设备。联想到TD-SCDMA，终端匮乏成为一直困扰其发展的一大难题。在TD-LTE发展伊始，中国移动便强调TD-LTE的发展要做到端到端，芯片产业要尽早发展壮大，但是目前TD_LTE终端芯片的研发存在投资大而且收益慢的现实，致使国内的TD_LTE终端芯片的研发仍处于一个相对滞后的状况。

第一章 介绍

我所实习的重邮信科公司作为国内的终端芯片企业，为了促进TD_LTE产业链的快速发展，在业界很早就展开了TD_LTE终端芯片的研发工作，目前已完成了第一款TD_LTE终端通信芯片设计开发和功能测试，树立了在行业的领先地位。我所参与开发的LTE终端协议栈软件先后通过了公司内部进行一致性测试，和系统厂商的联合测试，以及近阶段和两家系统设备的IOT测试。

由于切换过程对于终端和基站间的互操作性测试的要求较高，而且对LTE系统的成熟发展起着相当重要的作用，因此在毕业论文选题过程中选择了终端的切换过程作为自己研究的题目。并希望此论文的成果能够为奋斗在LTE产业化战线上的战友提供有价值的借鉴，为LTE事业的快速发展做出自己的贡献。

第二章 LTE终端切换过程的研究

2.1 LTE协议栈总体架构介绍

2.1.1 LTE系统架构

1) LTE网络结构

由上一章LTE相关技术和背景介绍我们可知，相对先前的通信系统， LTE系统架构的设计仅仅支持分组交换，并且支持UE和PDN网络的无差错连接。LTE特定的设计目标使LTE系统在接入网和核心网架构上必须做出一定程度的演进。图2.1为LTE的系统构架图。LTE网络架构由虚线左边的接入网（E-UTAN）和右边核心网（EPC）构成。接入网仅仅有eNodeB一种逻辑节点构成，而核心网由MME、HSS等多个逻辑节点构成。在LTE网络中的各个逻辑节点间都会通过一定的接口进行连接，这些接口都被3GPP标准化，便于不同运营商的开发和兼容[4]。

S6aHSSS1-MMEMMES11PCRFRxGxUELTE-UueNodeBS1-UServeringGatewayS5/S8PDNGatewaySGiOperator IP serverice(e.g IMS ，PSS) 图2.1 LTE系统架构图 2) 接入网结构

和第三代通信系统相比较，LTE系统中的核心网结构在功能节点方面没有太大的变化，NAS过程也基本和第三代移动通信系统中的过程大致相同。在LTE系统中的接入网较先前有了比较大的改动。图2.2为接入网的结构，由图可知接入网是一个由eNodeBs构成的网络结构，在该网络结构中没有单独对无线资源进行控制的单元，因此该种网络结构也可以称为扁平状网络[4]。

MME / S-GWMME / S-GWX2eNBeNBS1eNBX2LTE系统的接入网部分，其由众多通过X2接口相连的eNodeB节点构成，同时eNodeB通过S1接口与核心网相连[4]。接入网的主要功能是对无线资源的管理，包括和无线承载相关的一些功能，例如：无线承载控制、无线接入控制、无线移动控制、调度和UE上下行资源的动态分配。

在E-UTRAN中，将无线资源的控制功能整合在eNodeB中，这样将使无线接入网各协议层之间的交互更加紧密，减少了反应事件，提高了流程之间的效率。LTE接入网的这种结构决定了在系统中不需要高速和高稳定性处理器单独处理无线资源的控制，一定程度上降低了网络成本。由于LTE系统中不支持软切换，所以网络不需要支持集中的数据联合功能。也正是由于缺少了集中控制节点，也给LTE系统带来了一定的缺憾，当UE进行移动时为了避免数据的丢失，网络必须将UE相关的所有信息和缓存数据从源eNodeB传递到目的eNodeB。

S1S1X2图2.2 接入网架构图

S1E-UTRAN

2.1.2协议栈架构介绍

UENASRRCPDCPRLCMACPHYRRCPDCPRLCMACPHYservingGatewayeNBMMENAS 图2.3 协议栈层次架构图

图2.3为协议栈层次架构图，其中，NAS层的主要功能为EPS承载管理、鉴权、UE空闲模式下的移动性管理、安全性控制、寻呼处理等，其终止与网络侧的MME节点[5]。

RRC层的主要功能为广播、寻呼、RRC连接、移动性、测量的管理等；PDCP层的主要功能为头压缩、安全性（加密和完整性保护）、数据包的处理等；RLC层的主要功能为数据包的分段、重组、传输和重传（ARQ），以及协议错误的检测与处理；MAC层的主要功能为逻辑信道与传输信道的映射、HARQ、逻辑信道优先级管理、MAC头填充等。这几层称为接入层，终止于网络侧的eNodeB节点。

PDCP、RLC和MAC层既可以传输控制平面的数据，也可以对用户平面IP包进行传输。对于控制平面的数据在RRC层进行组装后，通过各层的处理和传输后到达网络侧的对等层。在UE端的用户数据在经过组装IP报后，将数据传送到PDCP进行头压缩和加密处理，紧接着数据在RLC层进行分段或者重组处理，在获得上行资源后通过MAC层和物理层的处理通过UU接口发送到eNodeB，eNodeB在经过逆向处理后将原始的IP包通过S1-U接口发送到服务网关进行传输。

2.1.3切换中各子层功能介绍

1) NAS层介绍

NAS层是在UE和MME侧控制平面的高层，有EMM和ESM两个子层构成。NAS层的主要功能由这两个子层来控制，EMM主要负责UE的移动性管理，ESM主要负责在UE和PDN Gateway之间建立和维护IP连接的会话管理。

当LTE发生小区切换时，如果目的小区和源小区不属于同一个Trace Area（跟踪区），且目的小区的TA不在UE维护的TA列表中时，切换完成后UE的NAS层EMM子层就会发起一个TAU过程向网络做位置区更新。 2) RRC层介绍 ? 协议状态划分：

当RRC连接已经被建立时，RRC层处于CONNECT状态，即连接状态；未建立RRC连接时RRC处于IDLE状态，即空闲状态[6]。 ? IDLE状态功能：

a. 读取系统消息；b. 收取寻呼消息；c. 进行IDLE下邻近小区的测量；d. 空闲下移动性管理，进行小区重选。 ? CONNECT状态功能：

a. 通过寻呼检测系统消息的改变，读取系统消息；b. 进行CONNECT下邻近小区的测量，并对测量结果进行评估和上报；c. AS层安全上下文的管理；d. 连接

1、切换准备阶段：在源eNodeB和目的eNodeB之间会建立数据平面的通道。对每个E-RAB的上行和下行数据传输都会建立一个数据通道，用于在切换完成前传递来自源eNodeB的数据。目的eNodeB端在切换完成前会对来自源eNodeB端的数据进行缓存。

2、切换执行阶段：源eNodeB从EPC收到数据或者其数据缓存不为空，下行的用户数据就需要通过源eNodeB和目的eNodeB之间的数据通道传递给目标eNodeB。

3、 切换完成阶段：目的eNodeB通过PATH SWITCH REQUEST消息通知MME UE已经获得了接入，MME通过消息UPDATE USER PLANE REQUEST通知服务网关将UE的数据链路从源eNodeB切换到目的eNodeB；服务网关向源eNodeB发送数据结束标识后，将数据链路进行改变。

2.1.2终端切换处理流程介绍

UE端发生切换的前提条件：

1、接入网的安全性保护功能已被激活； 2、SRB2和至少一个DRB已被建立。

UE端的RRC模块收到带有mobilityControlInfo元素的重配消息时，认为接收到网络的切换指示，UE做如下流程处理：

1、如果T310定时器开启，将该定时器关闭。T310定时器为评定无线链路失败的定时器，切换时对服务小区无线链路不需要进行评估。

2、开启T304定时器。T304定时器为限制切换时间的定时器，该定时器超时认为切换失败。

3、如果移动性信息中包括了载频信息，则认为目标小区为移动性信息中标识的小区；否则目标小区为服务频点上被targetPhysCellId标识的小区。UE同步到目标小区的下行链路。

4、复位MAC层，该操作将MAC层的相关状态变量和定时器进行复位。 5、重建所有RB的PDCP和RLC实体，该操作用于处理切换执行时在层2的数据，保证数据要求的特性。

6、应用在移动性信息中携带的新的C-RNTI的值，将无线资源公共配置中的信息对底层进行配置。

7、如果重配置消息中包含radioResourceConfigDedicated信息，将该元素中无线资源专有配置对底层进行配置。

8、根据目前UE的安全上下文和重配置消息中携带的安全性参数，对AS的密

钥进行提取和更新。UE的安全性构架和密钥的提取过程分析见2.3.2描述。

9、执行测量相关行为，调整和处理测量列表及测量报告项。 10、如果在重配置消息中包含measConfig元素，对测量进行配置。 11、将重配置完成消息发送到底层进行传输。 12、MAC随机接入完成后，UE端的切换完成。

2.3切换相关子过程研究

2.3.1终端测量研究

2.3.1.1 LTE测量介绍

在LTE系统中的切换采用终端协助网络控制的方式。为了保证切换的准确性，在连接下的终端必须周期性的对周围的无线环境进行测量，并通过某种事件的评估准则向网络发送测量报告，以使网络能够准确的做出切换决定。网络根据终端发送的测量报告决定UE是否要进行切换以及切换到那个小区。

LTE的切换机制就决定了在连接下UE端测量机制的重要性。而测量的准确性主要体现在两个方面：测量的执行和测量评估。测量的执行主要是对测量规划和采样方案的要求，这个主要取决于物理层的采样方案和协议栈的测量规划。对于协议层而言，处理测量结果的好与坏也会直接影响到网络的切换决定。

连接状态下终端主要通过测量报告向网络提供切换的参考值，测量结果的评估是终端发送测量报告的先决条件。测量报告的触发类型主要分为事件触发和周期性触发，在用于LTE系统的切换情况下，终端测量评估主要依据评估事件A3来完成对测量结果的评估[4]。 2.3.1.2 LTE测量配置和结构

LTE系统中的测量由测量配置、测量执行、测量报告触发和测量上报几个环节构成。

在RRC层测量控制是通过下列几个元素来组织的：

Measurement objects：该元素定义了UE执行测量的对象。对于频内和频间测量，一个Measurement object就是一个LTE载频。和这个载频相关联的，UE会配置小区详细列表和黑名单小区列表。

Reporting configurations：该元素定义了测量时的一些报告配置，其中包括报告准则和报告格式。报告准则定义了触发UE发送一个报告的准则，报告格式则定义了UE应该报告那些测量量给网络。对于每一个测量报告配置中都会配置需要报告

的测量量、进行评估所用的测量量、需要报告的小区个数和需要报告的次数。其中每一个事件报告配置都会配置一个TTT定时器，该定时器用来限定评估测量的时间。

Measurement identities：该元素表示一个测量标识，该标识把一个Measurement objects和一个Reporting configurations联系在一起，构成了一个测量项。在本文中我们简称measId。

Quantity configurations：配置了用于层3过率的参数。

Measurement gaps：UE用于执行异频异系统测量的时间间隙，在该时间段内不可以进行任何上下行数据的传输。

图2.8描述了测量各个配置之间的关系：

Measure Object LTE carrier frequency 1 Object ID1 Object ID1 Measure ID Report ID11 Report ID1 Report ConfigurationEVENT A1LTE carrier frequency 222222EVENT A2REPORT STRONGEST CELLEVENT A3LTE carrier frequency 333333LTE carrier frequency 444434554 图2.8 测量配置关系图

如图2.8所示，在UE端的测量配置中，我们可以把每一项测量比做一个项目，Measurement identity就是这个项目的标识，这个项目的资源都得从Reporting configurations和Measurement objects列表这两个数据库中提取，而这两个数据库都是为所有项目的公用。每个测量项目的建立更新和删除都是通过测量配置来执行的，因为测量配置会更新UE所维护的三个列表。测量配置除了对这三个列表进行更新外，还会对测量间隙和测量量进行配置。 2.3.1.3 LTE测量执行

LTE系统的测量从规划的角度而言主要分为：同频测量和异频异系统测量。由于在本文中没有涉及异系统的切换，所以在此对异系统测量不做介绍。 1) 需要的测量：

在进入连接状态后，网络会通过重配置消息将测量信息配置给UE，其中measObject列表中包含了UE所要测量的频点信息。在网络配置的每个measObject信息中会包含一个该频点要测的小区列表和黑名单列表，黑名单列表在测量评估和上报时不需要被考虑。每个频点信息中要测小区列表中的小区称为被列小区。

在连接下网络配置给UE的小区列表中没有包含该频点上所有的小区信息，这需要UE要周期性的对该频点的小区进行检测，这个过程中被检测出的小区被称为被标识小区。

在连接模式下的UE需要对服务小区、各个频点的被列小区和被标识小区进行测量。

2) 可用的测量机会：

同频测量就是对服务频点上的被列小区和被标识小区进行测量。对于TD_LTE而言，每一个下行子帧都会带有服务频点的参考信号，这就决定了UE在任何下行子帧都可以进行同频小区的测量。

对于异频测量而言，终端需要同步到异频的临近小区，并测量这些小区的信号质量，在可能的情况下也会监测该小区的其他属性（例如小区的质量）。然而对于单接受能力的UE，终端不可能在进行服务小区业务的同时，来做其他频率的临近小区的测量。这就决定了系统必须规划出一段时间间隙来进行异频异系统的测量任务，这段用于异频异系统测量时间间隙就是本文中介绍的测量Gap[10]。 2.3.1.4 LTE测量报告的评估和上报

当底层递交上来测量结果后，要对测量结果进行评估。测量报告的评估有两种触发方式：事件触发和周期性触发。本节主要对事件触发的测量报告进行介绍， 事件触发在LTE系统内中有A1~A5五种事件类型，每种事件都会规定进入条件和离开条件的限制。在这五种事件触发类型中A3事件主要用于切换的参考。

事件触发类型评估时只有当某一个或者多个小区在被配置定时器限定时间内一直满足进入条件时，才会为该事件发送测量报告，且按网络规定的发送次数进行周期性的发送。当有新的小区再次满足进入条件一段时间后，将测量报告的上报次数清零并再次发送测量报告。周期性出发类型是一旦有小区测量结果可用就会立即发送测量报告。 1) 事件触发评估

与一个measId相关联的报告配置如果触发类型为事件触发时，对物理层传递上来的测量结果在经过层三过滤后，会依据相关规则对测量结果进行事件评估。层三过滤是将上次的测量结果和本次的测量值取一定的比例进行平滑。

在事件评估的条件中会包含两种条件：进入条件和离开条件。由于本文基于切换过程为背景介绍测量，在此以用于切换参考的A3事件为例进行介绍：A3事件的进入条件为邻近小区的质量比服务小区的质量高出一个偏移值，离开条件为邻近小区的质量比服务小区的质量低出一个偏移值，该偏移值由网络配置。 对于事件触发的测量报告发起有4种情况：

1、当该measId对应的测量结果中第一次存在一个或多个小区在TTT定时器一直满足进入条件，在UE侧为该measId创建一个测量报告的条目，在该条目中包含该measId、报告已发送的次数和被触发小区列表；初始化发送次数为0，将满足进入条件的小区放入被触发小区的列表中，并组装测量报告进行发送。

2、当该measId在UE侧存在对应的测量报告项，有一个或多个不在被触发列表中的小区在TTT定时器时间内一直满足进入条件，初始化发送次数为0，将满足进入条件的小区放入被触发小区的列表中，并为被触发列表中的小区组装测量报告进行发送。

3、对事件类型为A3事件，当该measId在UE侧存在对应的测量报告项，对在被触发列表中的小区在TTT定时器内一直满足离开条件，且配置为小区离开需进行测量报告时，将满足离开条件的小区从被触发列表中移除，并对被触发列表的小区进行测量报告组装和发送。

4、当该测量measId对应的报告配置中的报告次数大于1时，在第一次测量报告完成后会对为该measId开启周期性报告定时器，并将已发送次数加一。当定时器超时再次为该measId发送测量报告，此过程循环进行，直到报告次数达到最大次数。

2) 测量结果上报

当在测量评估确定要进行测量报告后，对于事件触发类型的measId，会将该measId对应的被触发列表中的小区按照评估时参考测量量递减的顺序进行排序，并按照网络配置的最大报告小区数组装入测量报告的邻近小区列表中。

当测量报告发送后，会判断已发送的测量报告数来确定是否为该measId开启周期性定时器。当周期性定时器超时会再次根据被触发列表的小区组装并发送测量报告。

2.3.2 切换过程安全性参数更新

2.3.2.1 LTE安全性架构和配置 1) LTE安全构架介绍

LTE的安全性架构主要功能是在UE和网络间建立一个安全的场景（EPS security context）， 包括UE和网络间在安全方面所需要的密钥产生和维护更新。并且在该安全场景下投入使用，建立一个NAS和AS消息安全交互的场景，保护UE和网络间的数据及信令交互的安全性和可靠性。

安全场景主要是通过AKA健全、NAS SMC和AS SMC 过程来建立。其中AKA过程通过网络传递的信息和UE端USIM卡中的安全参数来提取公共的密钥。NAS

应承载的配置）后，目的eNodeB会删除已确认的PDCP SDU，并将删除的SDU告知RLC层，避免由于RLC状态报告的错误导致的没必要的重传。 3) AM数据处理流程：

切换时，UE会通过重建RLC层将RLC层缓存的RLC PDU组装成PDCP PDU传递给PDCP层。PDCP层在处理了由于底层重建递交上来的PDU后，会组装一个PDCP状态报告，该报告中描述了有哪些PDCP SDU没有被收到，以便于减少切换后目的小区由于状态报告的错误无谓的重传。该PDCP状态报告在切换完成后作为第一个上行数据包进行传输。当UE的PDCP层收到3号SDU后，会将3和4号PDCP SDU一块传输给高层。

由于RRC层控制切换的流程，在切换过程中需要发起到RLC AM模式实例和PDCP相应实例的重建。对AM数据的保证措施由PDCP来完成，RLC实例只负责将已收到的RLC SDU进行上传和相应状态变量的复位。

PDCP层收到重建指示后：

1、对于上行数据传输而言，PDCP需要复位头压缩的相关配置；应用上层配置新的安全性密钥和算法；组装PDCP状态报告，发送给底层进行传输，该PDU在切换完成后作为第一个数据传输给目的eNodeB；对不小于第一个没有被确认的PDCP SDU SN号的所有SDUs应用新的PDCP配置进行传输，该部分数据在切换完成前会缓存在RLC层的AM实例中，切换完成并获得资源后进行传输。

2、对于下行数据传输，PDCP实例需要处理由于底层重建递交上来的数据，将收到的有序数据应用旧的安全性配置进行解密后传输给高层；复位下行数据传输的头压缩配置；应用上层配置的新安全性密钥和算法。

2.3.4 切换中的随机接入

2.3.4.1随机接入过程介绍

随机接入在切换过程中负责完成到目标小区的上行接入，当UE同步到目标小区的下行链路后，需要完成到目标小区的上行接入才可以恢复上下行数据的传输。鉴于随机接入过程的重要性，本节从LTE系统的角度对随机接入过程进行了详细的介绍。

在LTE系统中的终端，仅仅当上行传输时隙同步后才能够进行上行数据的调度和传输。上行随机接入过程进行上行的时隙同步，主要由RACH信道来完成。在WCDMA系统中RACH信道被用于初始的接入过程，并且可以进行少量的消息传输。在LTE系统中像WCDMA一样也被用于初始的接入过程中，但是在RACH信道上不能够传输任何数据，数据只能通过PUSCH信道进行传输。在LTE中的RACH

信道也被用来为没有进行上行同步或者已经丢失上行同步的UE获取上行同步，进而使eNodeB能够为该UE调度正交的上行传输资源[9][15]。上行随机接入相关的应用场景如下：

1、连接状态的UE上行处于失步状态，此时需要传输信令或者用户数据，例如用于传输事件触发的测量报告。

2、连接状态的UE上行处于失步状态，此时需要接收新的下行数据，并且利用上行信道传输下行数据的反馈。

3、连接状态的UE从目前的服务小区切换到目的小区。

4、UE从空闲到连接状态下的过渡，比如初始的接入或者进行TAU过程。 5、无线链路失败的恢复。

LTE系统的随机接入过程有两种形式：基于竞争的随机接入和非竞争的随机接入。

竞争的随机接入过程适用于以上五种场景的随机接入过程。在此过程中，一个随机接入前导应该被UE随机的选择，这同时也造成了可能多个同时接入的UE选择了同样的前导进行传输，这就需要竞争的随机接入必须有解决竞争的机制。

非竞争的随机接入过程适用于连接下上行失步的UE需要接收新数据和切换的场景下，eNodeB通过分配给UE一个专有的前导来防止竞争的发生。该过程比快于竞争的随机接入过程，这个特征是切换过程中一个重要的性能需求。 2.3.4.2随机接入过程详细分析 1) 竞争的随机接入

基于竞争的随机接入过程分为四个步骤进行： 1、前导的发送

在eNodeB端将每个小区的64个前导分为两部分，一部分用于竞争随机接入前导的选择，一部分用于专有前导的分配。用于竞争随机接入的前导被分为了两个组，分别为组A和组B。分组的目的在于通过前导组的选择，能够指示eNodeB 1 bit的信息来限定在第三步传输的层三消息所需资源大小。当UE选择前导时除了根据第三步所需的资源的大小也要参考下行无线信道环境来确定前导组，从多方面考虑避免资源的浪费[16]。

2、随机接入响应（RAR）

随机接入相应是被eNodeB用RA_RNTI寻址在PDSCH上进行传输的，多个UE 在同一个时频资源上选择相同的前导序列进行传输时会发生碰撞，这就会造成这些UE都将收到同样的随机接入响应。随机接入响应中包含有被检测的前导ID、时域调整命令、临时的C_RNTI、初始的上行传输授权。接入响应中携带的前导ID

是为了和UE端发送的前导ID进行匹配，匹配成功UE将停止接收RAR。时域调整命令为了完成UE的上行时域同步，临时C_RNTI目的在于竞争的解决。在第三步UE将可以使用RAR中携带的上行授权对层三或者层二消息进行传输。

UE在RAR窗口中对RAR进行监测和接收，该窗口由网络配置时域的起始点，窗口中被规范允许最早的子帧出现在UE发送了前导后的2ms处。如果UE在RAR窗口中没有检测到该UE的随机接入响应，那么UE将会在延迟一定时间后对前导进行选择和重传。重传的功率会随着网络配置的调整值进行调整。

3、层三消息的传输

这条消息是在PUSCH信道上第一次使用HARQ的上行数据传输，它传递了真正的随机接入消息，例如连接建立请求或者是调度请求。如果在UE端存在被网络端分配的C_RNTI，UE将在层三消息中包含该C_RNTI的控制元素，否则将在层三消息中包含临时C_RNTI的控制元素。在初始接入时层三消息中还应当包括可能的CCCH SDU。

由于在第一步可能出现的前导选择的冲突，会造成多个UE收到同样的临时C_RNTI和授权，这就会导致多个UE在同样的时频资源进行层三消息的传输。由于干扰的存在，这将使发生碰撞的UE可能不会被eNodeB正确解码，当UE的HARQ重传达到最大时，便会重新进行随机接入前导的选择和发送过程，这样会解决一部分的竞争的存在。然而如果某个UE被正确解码后，对于其他的UE而言竞争依然存在，这就需要第四步的竞争解决来完成。

4、竞争解决

竞争解决消息在PDCCH上被C_RNTI或者临时C_RNTI进行寻址，临时C_RNTI寻址将会携带用于解决竞争的UE identity控制元素。当用C_RNTI进行寻址时，竞争解决消息成功解码后认为竞争成功解决。当用临时C_RNTI寻址时，会令UE identity控制元素和层三消息中CCCH SDU相匹配，完成匹配则竞争成功解决。当竞争解决失败时UE不会对对网络进行反馈，而是重新发起前导的选择和发送过程，这样就完成了所有碰撞UE的竞争解决。 2) 非竞争的随机接入过程

基于竞争的随机接入可能的延时对于延时需求较高的场景是不可以接受的，例如切换和用于下行数据业务的恢复，这时eNodeB就会根据需要为UE配置专有的接入前导，发起非竞争的随机接入过程。

非竞争的随机接入过程第一步是接收来自网络的专有前导，在切换过程中通过RRC信令的切换命令中携带，在恢复下行业务时通过PDCCH信令携带。然后将网络配置的专有前导通过PRACH信道的资源传输给eNodeB，当在RAR窗口中收到RAR消息后认为接入过程成功。

2.3.5切换失败处理-连接重建

2.3.5.1切换失败情况描述

在复杂的无线环境下，移动终端的切换有可能会失败，导致切换失败的原因大致可分为两方面的原因：一种是切换配置的不可用，即重配消息中配置是无效不可处理的配置；另一种为无线链路导致的切换失败。

UESource cellTarget cellPrepared cellMMERRC Measurement ReportHO PreparationHO PreparationHO Preparation AckHO Preparation AckA1A2RRC Reconfiguration (HO Command)HARQ AckDL synchronisationRA Preamble (dedicated or random)A3A4A5A6A7RA ResponseRRC Reconfiguration Complete (HO Complete)HARQ AckPath SwitchPDCCH (contention resolution in case of random preamble)U-plane DataRLC StatusRelease Resource 图2.15 切换失败场景说明图

图2.15为切换失败的场景描述说明[17]：

1、在A1点收到RRC重配值消息后，对该消息进行异常检查后出现的消息配置不可用，导致切换失败。

2、在A2点由于无线链路问题导致的下行同步不成功导致的切换失败。 3、在A3点是在随机接入过程中无法收到网络的RA回复导致的切换失败。 4、在A5点无法收到网络对于接收重配完成消息的ACK回复。 5、在A6点竞争解决不成功导致的切换失败。 2.3.5.2失败后重建过程研究

在LTE系统中，在切换失败后，终端是通过发起一个重建过程来恢复用户的连接。重建过程主要分为两个步骤：

1、进行小区选择过程，驻留在合适的小区 2、在被驻留小区上发起连接的重建

连接重建成功的先决条件就是选择的小区必须存在UE连接的上下文，此类小区在3GPP规范中被称为被准备小区，因此连接重建过程中的小区选择成了重建成功的决定性因素。

小区选择前UE需要的操作：

1、挂起除SRB0外所有的RB实例，由于目前链路的中断，需要暂停数据的传输，避免数据在数据链路层发生堆积；

2、对MAC层的复位操作，该操作使终端的MAC层状态变量能够和网络端一致，并能够重新启动MAC初始配置。

3、应用MAC main和物理层相关的默认配置。 4、开启T311定时器限定小区选择的时间。

对于在重建的过程中优先选择那些小区在3GPP中并没有做出限定。对于在重建过程中的小区选择方案目前有如下几种备选的方案[18]： ? 在UE端维护的所有小区中优先选择最好的小区进行选择

优点：和一般的无线链路失败过程的处理流程一致，流程可以统一处理；不需要重新定义新的规则来处理切换失败的小区选择。

缺点：增大了选择到非源小区和目的小区上的概率，也就增大了选择到非被准备小区的概率，而且这样需要重新读取系统消息。 ? 优先选择源小区

优点：由于源小区中存在UE的连接上下文，因此优先选择源小区可以增加重建成功的概率。

缺点：如果源小区处在很低的无线链路质量情况下时，会有更长中断时间的风险；需要定义详细的小区选择规则。 ? 优先选择源频点上无线质量最好的小区

优点：一定程度上增加了选到一定存在UE上下文的源小区上，也能够减少源小区质量不好导致的中断时间增加的风险。

缺点：当网络基于负载平衡目的进行切换时几乎不可能再选到目的频点；如果UE选到了非源小区的小区时需要读取系统消息；需要定义详细的小区选择规则。 ? 优先选择目的频点上无线质量最好的小区

优点：更加可能应网络的要求选择到目的频点的小区上。

缺点：如果在目的频点上没有合适的小区进行重建将会增大UE连接中断的时间；当选到非源小区和非目的小区的小区时需要读取系统消息；需要定义详细的小区选择规则。

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