LTE网络的切换过程解析.doc

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3040MHz,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9001800MHz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24 倍，用户平均吞吐量为HSPA的24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，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：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。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。 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。图2.2 接入网架构图LTE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。2.1.2协议栈架构介绍图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. 连接下无线链路质量的检测；e. 连接移动性过程的控制和管理。 切换过程的支持：在切换过程的主要控制和配置的任务是由RRC层来完成，在连接下当RRC层收到网络来的切换命令后，会将切换命令中各层的配置进行更新并对底层进行配置，触发底层进行下行同步和目标小区的随机接入。当接入到目标小区成功后，会读取系统消息，并将NAS层的信息传递给NAS层，NAS层判断是否要进行TAU过程。3) PDCP层介绍 PDCP层结构：如图2.4所示PDCP层是由若干个PDCP entity构成，每个实体将对应一个具体的RB，并且是PDCP功能的执行体。PDCP-SAP接口为PDCP层和应用之间的数据接口，通过该接口PDCP完成和应用之间用户数据的传输。C-SAP为PDCP和RRC层之间的控制接口，通过该接口RRC完成对PDCP的控制7。图2.4 PDCP层结构图 PDCP层功能：a. 对控制平面和用户平面的数据进行头压缩和解头压缩；b. 对控制和用户平面的数据进行加密和解密，并对控制平面数据进行完整性保护；c. 由于传输超时上行SDU丢弃的控制。 切换的支持：当发生切换时，是由PDCP层保证AM数据的不丢失。RRC会通过C-SAP接口对所有的PDCP实体进行重建，当PDCP收到RRC层的重建指示后，会通过PDCP实体的重建相关操作来完成对切换中PDCP实体数据的处理，包括：数据的重排序和AM数据完整的保证。4) RLC层介绍 RLC层结构：图2.5为RLC层在整个系统中的位置和结构图，RLC层位于MAC和PDCP之间，通过和上层的接口，完成数据的传输和使RRC完成对其的控制，通过逻辑信道完成和MAC层的数据传输。在RLC层存在若干个RLC层实体，每个实体都具有特定的传输模式。在RLC层传输模式总共分三种，分别为TM模式、UM模式和AM模式。TM传输模式的承载数据在RLC层不做任何处理，UM模式传输会对数据进行重排序，但不保证数据不丢失，AM模式传输数据既要保证数据的按序接收，又需要保证数据完整的传输和接收8。图2.5 RLC层结构图 RLC层功能：a. 传输高层的数据PDU；b. 通过ARQ机制对AM数据进行纠错处理；c. 对AM和UM的RLC SDUs进行分段和级联，以适应底层授权资源的大小，组装RLC SDU传输给高层；d. 对于UM和AM模式的RLC数据PDU进行重排序，并对冗余数据进行检测；e. 对RLC实体进行重建相关操作。 切换过程的支持： 当发生切换时，RLC会将所有实体的状态变量复位，便于和网络的状态同步。RRC层会指示RLC层所有实体进行重建操作，RLC层对于TM实体会删除所有的RLC SDU；对于UM传输实体会删除所有的RLC SDU，UM接收实体会将目前收到PDU进行RLC层处理后生成RLC SDU并传递给高层，尽可能的减少UM数据的丢失；对AM实体，会将接收侧的RLC PDU进行RLC层的处理后，将得到的RLC SDU数据递交给高层，将传输侧的RLC SDU全部进行丢弃。将RLC所有实体的变量和定时器进行复位。5) MAC层介绍 MAC层结构：如图2.6所示，MAC层主要由复用和解复用功能模块、HARQ功能模块和总体控制模块构成。总体控制模块包括对DRX、调度、随机接入功能和时间提前量功能的控制9。图2.6 功能结构图 MAC层功能：a. 对传输信道和逻辑信道的映射；b. 对MAC PDU的复用和解复用；c. 对资源动态调度的控制；d. 对随机接入过程的控制；e. 通过HARQ功能模块实现对数据的纠错和重传；f. 对上行数据传输过程中逻辑信道优先级的控制；g. 通过DRX机制，控制UE端的省电。 切换过程的支持：在切换过程中，RRC会指示MAC层做复位操作，该操作会将MAC层所有的状态变量和定时器复位到MAC层初始状态。在RRC完成了对MAC配置的更新后，MAC层会通过随机接入功能块发起到目标小区的随机接入。2.2 LTE终端切换过程概述2.2.1 LTE系统切换流程介绍在LTE系统连接模式下存在两种类型的切换，一种为切换时在两个eNodeB之间存在X2接口，并且能够通过X2接口执行切换的过程，被称为X2切换；另一种涉及到MME改变或者不存在X2接口的切换过程被称为S1切换5。图2.7的切换交互流程是基于X2接口发生的切换，不涉及到MME和服务网关的改变，切换准备消息的交互直接通过X2接口在源eNodeB和目的eNodeB之间进行。当进行MME改变的切换会涉及到源MME和目的MME间的信令交互来交换UE的上下文信息，由于这种切换过程复杂，在此不做介绍。图2.7 LTE系统切换流程图 控制平面流程说明：1、源eNodeB通过向UE配置测量控制信息，使UE进行测量来协助eNodeB控制连接下的移动性功能。2、UE按照网络配置的频点信息进行测量，并按照配置的测量报告准则进行评估后向eNodeB进行测量上报。3、源eNodeB根据UE测量上报的结果和自身维护的一些信息作出切换判决。4、源eNodeB通过Handover Request消息传递必要的信息给目的eNodeB用于目的eNodeB侧的切换准备，该消息中包含的信息有：在源eNode端UE-X2接口信令上下文参数、UE-S1接口信令上下文参数、目标小区Id、在源eNodeB端的RRC上下文、AS配置、E-RAB上下文、源小区的物理Id、Kenb*和无线链路失败恢复的MAC-I。5、在目的eNodeB端在为了增加切换成功的概率会依靠E-RAB上下文中的Qos信息进行接入允许判决，判决是否可以进行资源分配；判决成功的话源eNodeB会按照Qos中的信息为该UE分配在该eNodeB中的资源，并为该UE保留切换前使用的C_RNTI和一个可选的RACH前导。在目的eNodeB端也应该给出具体的AS配置。6、目的eNodeB回复一个Handover Ack消息给源eNodeB，在该消息中包含一个对源eNodeB透明的用于执行切换的数据包，该数据包被包含在源eNodeB的RRC消息中发送给UE。那个数据包含有：一个新的C-RNTI、目标eNodeB的安全算法标识、专有的RACH前导和其他的一些公共和专有的配置参数。7、目的eNodeB产生RRC消息执行切换，即通过产生带有移动性信息的重配消息并由源eNodeB发送到UE通知其执行切换。8、为了传递上行PDCP SN接收端状态和下行PDCP SN发送端状态，源eNodeB发送SN STATUS TRANSFER消息给目的eNodeB（针对RLC模式为AM的DRB）。在上行PDCP SN接收端状态中应该包括第一个没有被确认接收到的PDCP SDU的SN和在目的小区UE需要重传的上行乱序SDU的bit Map信息。在下行PDCP SN发送端状态中应该标识为下个新的SDU应该分配的SN。如果在E-RAB信息中没有一个AM的承载，该消息可以被忽略。9、在收到带有移动性信息的重配消息后，UE提取和应用目标小区配置的安全算法，并根据移动性信息利用竞争或非竞争的随机接入过程接入到目标小区。10、目的eNodeB对上行链路进行分配和时间提前量校正。11、当UE成功接入到目标小区后，UE发送重配置完成消息给目标eNodeB确认切换的完成。这时在eNodeB和UE间可以进行数据的传输。12、目的eNodeB通过PATH SWITCH REQUEST消息告知MME UE已经改变了小区。13、MME发送UPDATE USER PLANE REQUEST消息给服务网关。14、服务网关将UE的数据链路切换到目标eNodeB这一侧，在源eNodeB旧的链路上发送结束标识并释放分配给源eNodeB侧的链路资源。15、服务网关发送UPDATE USER PLANE RESPONSE消息给MME。16、MME发送PATH SWITCH ACKNOWLEDGE消息给目的eNodeB。 17、目标eNodeB在收到MME的PATH SWITCH ACKNOWLEDGE消息后，通过UE CONTEXT RELEASE消息通知源eNodeB切换的成功，并触发其释放源eNodeB的资源。18、在收到UE CONTEXT RELEASE消息后，源eNodeB应该先释放控制平面的相关资源，在数据平面的数据传输应该继续 数据平面流程说明：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： 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Gap10。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A1A5五种事件类型，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 SMC通过配置相应的加密和完整性算法启用NAS安全性保护。AS SMC过程通过配置接入层安全性算法提取接入层密钥，启用接入层的安全保护11。2) LTE接入网密钥产生在所有的3GPP无线接入技术中，安全性一直是一个重要的特性。在LTE系统中采用了和3G和GSM相类似的框架。对无线接入网安全性主要提供两个功能：对SRB与DRB的数据进行加密和解密，对SRB的数据进行完整性保护和完整性检验。加密主要为了防止数据信息被第三方获得，完整性保护主要防止数据被篡改和被伪造。RRC总是在连接建立后通过SMC过程对接入层的安全性进行激活。图2.11 密钥生成等级图图2.11为LTE系统中接入网密钥产生的过程图，在整个密钥的提取过程中是基于一个公共的密钥Kasme ，该密钥在HSS和UE端的USIM 中提取。在网络HSS的健全模块中会使用KASME和一个随机数产生Kenb和健全验证码。密钥Kenb、验证码以及随机数都会发送到MME，MME在和NAS层的AKA过程中将随机数和健全验证码发送到UE，并将Kenb发送到eNodeB进行接入层密钥的提取。UE从USIM中读取信息后产生Kasme并通过健全过程中的随机数和验证码进行健全过程的验证。在健全过程成功后，UE通过Kasme产生Kenb，并在接入层的SMC过程中利用Kenb和网络配置的算法提取接入层的安全性密钥。 在连接模式下UE发生切换时，会改变接入层的算法，并通过相关参数提取新的Kenb，使得Kenb和网络侧同步。利用新的算法和Kenb提取接入层新的密钥。2.3.2.2切换中安全性参数同步技术1) 安全参数改变场景介绍从目前切换的目的而言，存在两种切换场景：由于终端网络环境的变化而发生的切换和用于改变AS安全上下文的小区内切换。对于前者而言切换都会通过源小区和目的小区的安全上下文交互来完成网络侧的安全上下文的传递。对于后者而言，当由于网络的策略通过NAS层的AKA和NAS SMC过程修改了UE的安全上下文中Kasme和NAS安全上下文时，MME会相应的发起一个小区内切换过程来重新激活AS的安全上下文。UE通过网络端的配置参数来区分是否属于小区内切换。小区内切换时UE需要做的是利用新的Kasme来提取临时Kenb，并用临时Kenb作为输入产生Kenb*作为新的Kenb使用。2) 接入层密钥同步 在LTE系统中，从一个小区切换到另一个小区，总会伴随着AS层密钥的改变。在UE端改变算法和密钥时如何才能做到和网络端保持密钥的同步是切换过程中要解决的问题之一11。图2.12 密钥同步示意图图2.12为切换过程中，密钥同步的一个总体流程。在UE和eNodeB AS层安全上下文初始建立的时候，UE和MME都会提取一个Kenb和NH。其中Kenb对应一个值为0的Ncc，NH对应一个值为1的Ncc。eNodeB会通过AS SMC过程触发UE启动AS层的安全保护。在安全性保护启动后发生的每一次切换UE都会更新算法和密钥，保持和网络的同步。在UE和eNodeB端，切换时是通过提取一个临时的Kenb*作为新的Kenb，并用新的Kenb作为输入产生加密和完整性密钥来保证切换安全同步。如上图所示当Kenb*通过目前使用Kenb作为输入产生时，称为横向的密钥提取。当Kenb*通过目前使用NH作为输入产生时，我们称为纵向密钥提取。当发生切换时，eNodeB在切换命令中会携带一个NCC和eKSI参数。当UE收到该参数后通过eKSI参数判断是不是由于NAS SMC过程后引起的接入层安全上下文更新；通过NCC参数来更新UE端的Kenb参数，进而提取新的安全性参数。当UE收到NCC和目前Kenb相联系的NCC相等时则启用横向密钥提取来生成新的Kenb*作为新的Kenb使用，并提取相应的加密和完整性保护密钥。当收到的NCC和目前Kenb相联系的NCC不等时，则按照纵向密钥提取将NH首先同步到和收到的NCC一致的层次，即利用产生密钥的KDF函数，以目前的NH为输入，产生新的NH，并将产生的NH的NCC设为输入NH对应NCC加一，依次计算，直到生成的NH对应的NCC和收到的NCC相等为止。当新产生的NH对应的NCC和收到的NCC相等时，则将最新的NH作为目前使用的NH,并且作为输入产生Kenb*，将Kenb*作为新的Kenb使用。2.3.3切换过程中数据完整的保证2.3.3.1切换中数据处理介绍当UE从一个小区切换到另一个小区时，对于UE和eNodeB都会存在一些未进行传出和正在接收的数据缓存在数据链路RLC和PDCP层，对于这部分数据如果不进行特殊处理将会导致数据的丢失或者乱序。不同的业务承载由于Qos要求不尽相同，因而对于切换中这部分数据的关注点也不同。在业务承载中对数据的要求主要分为两类：一种为对数据的时延的要求较高，如语音业务；一种为关心数据的完整，对时延要求不高，如文件数据的下载业务。下面的讨论我们分别称为：低完整性数据和高完整性数据12 13。2.3.3.2低完整性数据处理流程低时延数据主要应用在映射模式为RLC UM模式的DRB承载和用于信令传输的SRB上。对于此类承载上的数据相对于完整性而言要更关心数据的延迟。这种类型数据的设计目标在于减少设计的复杂性和数据的延迟，但不可避免的会造成数据的丢失。在切换时，对于低时延数据要求的无线承载，对应的PDCP实体应该将头压缩上下文复位。由于在切换过程中新的密钥总会产生，因此在安全性的角度没有必要对用于加密的COUNT值进行保留。在切换过程执行中应该保证在UE端没有开始传输的PDCP SDU在切换完成后能够传输到目的eNodeB。在eNodeB端没有开始传输的PDCP SDU能够通过X2接口传输到目的eNodeB，并在切换完成后传输给UE。对于在UE端和eNo