（通信与信息系统专业论文）lte系统的切换技术研究.pdf

摘要 随着移动通信市场需求的蓬勃发展和无线通信技术的迅猛发展，各种移动系 统解决方案不断出现。为了保持市场竞争力，3 g p p 启动了l t e 项目。它以降低运 营商投资和运营成本，为用户提供更多的服务内容和提供更好的服务质量为目标。 目前全球的移动通信产业对l t e 寄予了厚望，期望这一技术能够增强移动通信产 业持续发展的能力。 移动通信包含了终端设备、无线接入网、核心网等网络节点之间的通信。切 换流程是移动通信中最重要、最复杂的流程之一，它负责保持终端设备在网络内 的持续连接，涉及了多个网元的信息交互，切换功能的完备性和切换效果直接影 响到为用户提供的服务质量。 本文研究了l t e 接入网e u t r a n ，在对无线资源控制( r r c ) 、s l a p 、x 2 a p 等协议分析的基础上，整合了l t e 切换相关的信令，对l t e 切换流程做了系统设 计，包括基于v x w o r k s 的软件平台的设计、a s n 1 消息编解码的设计和具体相关 流程的设计，使各个网元相互配合完成切换动作。文章进一步利用o p n e t 仿真环 境对切换相关的流程进行了仿真平台设计，保障在多用户的情况下系统的正确运 行，最后在仿真平台下做了切换参数的仿真，尽可能的提高了整网的切换成功率。 关键词：第三代移动通信合作工程长期演进无线资源控制 切换 a b s t r a c t b o o m i n go f m o b i l es e r v i c em a r k e ta n db r e a k t h r o u g ho f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yi nt h er e c e n ty e a r sj o i n t l ys t i m u l a t et h ee m e r g e n c e o fv a r i o u sm o b i l e s o l u t i o n s t oi m p r o v ec o r ec o m p e t e n c ea n dm a i n t a i nm a r k e ts h a r e , 3 g p pl a u n c h e dt h e r e s e a r c ho fl o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) t h em a i nt a r g e to ft h el t e i st os a v et h ei n v e s t a n dc o s to fo p e r a t o r s ，a sw e l la sp r o v i d i n gv a r i o u sa p p l i c a t i o n sw i t hb e t t e rq u a l i t yo f s e r v i c ef o rc u s t o m e r s c u r r e n t l yt h e 酉0 b a lm o b i l ei n d u s t r yh a sg i v e nl t es y e t e mg r e a t e x p e c t a t i o n ，h o p i n gt h i st e c h n o l o g y c a l lb r i n gs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fm o b i l e c o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y m o b i l ec o m m u n i c a t i o ni n v o l v e sc o m m u n i c a t i o n sa m o n gn e t w o r kn o d e ss u c ha s u e ，r a na n dc n h a n d o v e rp r o c e d u r e i so n eo ft h em o s tc o m p l i c a t e da n di m p o r t a n t p r o c e d u r e si nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，i tt a k e sr e s p o n s i b i l i t yo fk e e p i n g u e ，sc o n n e c t i o nt ot h ea c c e s sn e t w o r ka n di n c l u d e si n f o r m a t i o ni n t e r a c t i o n sa m o n g t h e n e t w o r ke n t i t i e s t h ei n t e g r i t ya n de f f i c i e n c yo f h a n d o v e rc a na f f e c tt h eq o ss u p p l i e dt o u s e r sd i r e c t l y b a s e do nt h es t u d yo ft h el t ea c c e s sn e t w o r ke u t r a na n da n a l y s i so ft h e r e l a t e dp r o t o c o l s ( r r c ，sla p , x 2 a p ) ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e ss i g n a l i n g sr e l a t e d t o h a n d d v e la n dd o e st h eh a n d o v e rs y s t e md e s i g nw h i c hc o n s i s t so fs o f t w a r ep l a t f o r m d e s i g 皿b a s e do nv x w o r k so s ，a s n 1m e s s a g ee n c o d ed e s i g na n dp r o c e d u r e sd e s i g n t h el a s tp a r to ft h ep a p e rd e s i g n st h eh a n d o v e rs y s t e mb a s e do no p n e t s o f t w a r et o o l ， t h es i m u l a t i o np l a t f o r mc a l lh o l dh u n d r e d so fu ea tt h es a m et i m ea n ds u p p o r tt h e h a n d o v e ro ft h eu e s b a s e do nt h es i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h eh a n d o v e rp a r a m e t e r sa r e a n a l y z e dt oi n c r e a s et h eh a n d o v e rs u c c e s s r a t ea sh i ：g ha sp o s s i b l e ， k e y w o r d ：3 g p pl t er r c h a n d o v e r 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容外，论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 本人签名： 王毗伟 日期二够l 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 王觑伽 日期竺! ：! ：! ! 日期! 皇聱l 垒! 1 9 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信的发展概况 移动通信是指通信的双方至少有一方在移动中进行信息交流的的通信方式， 它是当今世界上最先进的通信方式之一。蜂窝式移动通信，就正式商业运营而言， 至今也不过只有2 0 多年的历史，就其发展历程看，大约每1 0 年就更新一代，目 前正处于第二代移动通信和第三代移动通信的交接期。移动通信从第一代模拟移 动通信系统开始发展至今，主要历程如下【l u j ： 1 ) 第一代移动通信系统( 1 g ) ，接入技术采用频分多址( f d m a ，f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，并以模拟语音技术为核心，其典型系统为美国 的a m p s ( a d v a n c e dm u l t i p l ep h o n es e r v i c e ) ，北欧的n m t ( n o r d i cm o b i l e t e l e p h o n y ) 和英国的t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ；但现 在这种系统已经基本被淘汰； 2 ) 第二代移动通信系统( 2 g ) ，接入结束主要分为时分多址( t d m a ，t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 和码分多址( c d m a ，c o d ed i 、，i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 两种，并以数字语音传输技术为核心，其典型系统为g s m ( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l es y s t e m ) 和i s 一9 5 ； 3 ) 基于2 g 与3 g 之间的过渡系统( 2 5 g ) ，增强数据业务支持，相对2 g 在 数据的传输速率和频率效率上有所提高，典型系统包括通用无线分组业务 ( g p r s ，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 和增强数据速率的g s m 演进 ( e d g e ，e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg s me v o l u t i o n ) ； 4 ) 第三代移动通信系统( 3 g ) ，主流技术为c d m a 技术，通过增强的空中 接口，提供更高速率和宽带数据的传输，典型系统包括w c d m a ， c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a ； 5 ) 增强型3 g 系统，原3 g 系统中增强空中接口功能，并部分调整原3 g 系统 的核心网结构，支持更高速率和更高可靠性的数据传输，强调提供无处不 在( 连续覆盖) 、高移动性、全业务( 语音和数据) 以及更高数据速率的 移动通信，具体包括高速下行链路分组接入( h s d p a ，h i g hs p e e dd o w n l i n k p a c k a g ea c c e s s ) 和高速上行链路分组接入( h s u p a ，h i g hs p e e du p l i n k p a c k a g ea c c e s s ) ，c d m a 2 0 0 0l x e v 以及t d s c d m a 的增强型技术等； 6 ) 演进型3 g 系统( e 3 g ，e v o l v e d3 g ) ，是3 g p pl t e ( 长期演进) 和3 g p p 2 l t e 系统的切换技术研究 a l e ( 空中接口演进) 项目的统称。该项技术名为“演进”，实则是一场技 术革命。 1 23 g p p 演进及l t e 工作进展 1 2 13 g 标准版本的演进 3 g p p 组织通过制定相关标准来实现网络的平滑过渡，保证未来系统的后向兼 容性，并同时支持“轻松”建网及系统间的漫游和兼容。为了向开发商提供稳定 的实施平台并添加新特性，3 g p p 的3 g 标准使用并行版本体制，通过不断增添新 特性来增强系统性能，所有版本如下。各版本的演进时间如图1 1 所示。 1 ) r e l e a s e9 9 最早出现的各种第三代规范被汇编成最初的9 9 版本，于2 0 0 0 年3 月完成， 后续版本不再以年份命名。 9 9 版本的主要内容包括新型的空中接口标准，即w c d m a 无线接入技术；适 于分组数据传输的协议和机制，可支持的数据速率包括1 4 4 k b s ，3 8 4 k b s ，及2 m b s ； 其核心网仍是基于g s m 电路交换的核心网，只是做了功能修改和增强。 2 、r e l e a s e 4 r 4 规范在2 0 0 1 年3 月冻结，自此以后对r 4 只允许进行必要的修正而推出修 订版，不再添加新特性。r 4 无线网络技术规范并没有改变原来的网络结构，仅仅 增加了一些接口协议的增强功能和特性，包括低码片速率t d d 支持、i u b ( r n c 与n o d eb 之间的接口) 和i u r ( i c 与i 斟c 之间的接口) 上的a t ma a l 2 ( a t m a d a p t a t i o nl a y e r2 ) 连接的q o s ( q u m i t yo fs e r v i c e ) 优化、i u b 和i u r 接口上的无 线资源管理优化、功率控制的改进等。 r 4 在核心网上的主要特性包括电路域的呼叫与承载分离，将移动交换中心 ( m s c ，m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ) 分为m s c 服务器( m s cs e r v e r ) 和媒体网关 ( m g w ，m e d i ag a t e w a y ) ，使呼叫控制和承载完全分开；支持七号信令在两个核 心网络功能实体间以基于不同网络的方式来传输，如基于消息传送部分( m t p ， m e s s a g et r a n s f e rp a r t ) 、网际协议( i p ，i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 和异步传输模式( a t m ， a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 网传输。r 4 在业务上对9 9 版本做了进一步的增强， 包括支持电路域的多媒体消息业务、增强紧急呼叫业务等等。 3 ) r e l e a s e5 r 5 版本已在2 0 0 2 年3 月完成，形成全套规范之后即在2 0 0 2 年6 月完全冻结， 未能及时添加到r 5 中的新特性将包含在后续版本中。r 5 完成了对i p 多媒体子系 统( i m s ，i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m ) 的定义，包括路由选取和多媒体会话的丰要 第章绪论 部分。r 5 版本的确定为转向全球网络的运营商提供了开始建设的依据。 r 5 在无线接入网方面的主要通信包括通用陆地无线接入网( u t r a n ， u n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 中的基于i p 的传输、无线接入承载 ( r a b ，r a d i o a c c e s sb e a r e r ) 增强功能、对i u b 和h r 的无线资源管理优化、用户 设备( u e ，u s e r e q u i p m c n t ) 定为增强功能以及其他原有的r 4 的功能。 4 、r d e a s e 6 3 g p pr 6 版本与2 0 0 4 年1 2 月确定，这一阶段网络架构已没有太大的变更， 主要是增加了一些新的功能特性以及对已有功能特性的增强，这些增强的功能和 新的功能包括：增强无线接入网( r a n ，r a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 、增加i m s 第二 阶段、增强基于口传输的安全性能、实现无线局域网( w l a n ，w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k s ) 和通用移动通信系统( u m t s ，u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m ) 的互通、增强q o s 支持、增加不同网络的1 m s 互通等等。 5 1r e l e a s e7 r 7 版本主要是继续r 6 未完成的标准和业务内容，如多种m 1 m o 实现技术等 支持通过电路交换域( c s ，c i r c u i ts w i t c h e d ) 承载i m s 话音、通过分组交换域( p s ， p a c k e ts w i t c h e d ) 提供紧急服务、提供基于w l a n 的i m s 话音与g s m 网络电路 域的互通、提供x 数字用户线路( x d s l ) 和电缆调制解调器等固定接入方式，同 时引入正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n e y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术。 r 7 版本在2 0 0 7 年9 月已经完成，随着用户对多业务需求的不断提高，w c d m a 标准在不同的版本中引入很多新业务，使业务向多样化、个性化方向发展。 w c d m a 系统的整体演进方向为：无线接口向高速传输分组数据发展；小区结构 向多层次多制式重复覆盖方向发展；用户终端向支持多制式、多频段方向旋展： 网络结构向全口化发展：业务向多样化、多媒体化和个性化发展。 m a n r e l ! 幽；r “目- i ”= 黼亳f；囊i 裂麓璺麓 删1 l r 日d u c e 0j m y w 一，”潮_ - r e5 6 图1 13 g p p 备版本演进时间 、 一叠鬟 4 l t e 系统的切换技术研究 1 2 23 g p pl t e 的发展 u t r a nl t e 与r e l e a s e7 工作平行进行，也被称作是r e l e a s e8 ，按照3 g p p 传 统工作流程，整个3 gl t e 标准化项目分为两个阶段：2 0 0 4 年1 2 月到2 0 0 6 年9 月的s t u d y i t e m ( 简称s i ) 阶段，进行技术可行性报告，并提交各种技术研究报告； 在完成技术可行性研究的基础上，2 0 0 6 年9 月到2 0 0 7 年9 月是w o r ki t e m ( 简称 w i ) 阶段，进行系统技术标准的具体制定和编写，并提交具体的技术规范。完成 标准制定工作后，预计在2 0 0 9 年到2 0 1 0 年会有成熟的商用产品推向市场【1 4 1 。 l t e ( l o n gt i m ee v o l u t i o n ) 就是指：为长期( 1 0 年或更长) 保证3 g p p 的竞争 力所采用的演进方案。它主要以w c d m a 为基础，通过变更网络体系结构，采用 新的空口技术，降低系统复杂度，和异系统的合作等。3 g p p 长期演进( l t e ) 项 目是近两年来3 g p p 启动的最大的新技术研发项目，这种以o f d m f d m a 为核心 的技术可以被看作“准4 g 技术。 3 g p p 系统演进包括两个方面的内容。一是空口的演进：e u t r a 和 e u t r a n ；二是网络架构的演进：s a e ( e v o l v e d3 g p ps y s t e ma r c h i t e c t u r e ) 。 l t e 在无线频谱利用率、传输时延等方面与u m b 及w i m a x 匹敌；在无缝覆 盖，漫游，多制式互操作，安全性等方面与g s m w c d m a 网络媲美，正成为后 3 g 时代的新贵。 1 2 3l t e 系统的主要性能 与3 g 相比，l t e 更具技术优势，具体体现在：高速率、分组传送、低时延、 覆盖广和向下兼容。3 g p p 从“系统性能要求、“网络部署场景、“网络架构”、“业 务支持能力等方面对l t e 进行了详细的描述。与3 g 相比，l t e 的主要性能目 标有【1 2 】： 1 ) 增加峰值速率，下行速率为1 0 0 m b p s 、上行为5 0 m b p s 。 2 ) 提高频谱效率，下行链路5 b p s h z ( r 6 的3 4 倍) ；下行链路2 5 b p s h z ( r 6 的2 3 倍) 。 3 ) 以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上基于分组交换。 4 ) q o s 保证，通过系统设计和严格的q o s 机制，保证实时业务( 如v o l p ) 的服务质量。 5 ) 灵活的带宽配置，能够支持1 2 5 2 0 m h z 间的多种系统带宽，并支持“对 称 和“非对称”的频谱分配。保证了将来在系统部署上的灵活性。 6 ) 降低无线网络时延，子帧长度0 5 m s 和0 6 7 5 m s ，解决了向下兼容的问题 并降低了网络时延，使控制面时延小于l o o m s ，用户面时延小于5 m s 。 7 ) 增加小区边缘用户比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区 第一章绪论 5 边界比特速率。如多媒体广播和组播业务( m b m s ) 在小区边界可提供 l b p s h z 的数据速率。 8 ) 强调向下兼容，支持已有的3 g 系统和非3 g p p 系统的协同运作。 1 3 本文研究内容及论文结构 本文研究了l t e 网络结构，对l t e 中基站的无线资源控制协议和相关的网络 接口协议进行详细分析，针对业务建立、切换等主要流程进行系统设计。文章还 利用o p n e tm o d e l e r 对l t e 接入网r r c 层进行了功能建模，搭建了切换仿真平 台，确保此仿真系统平台在大用户量情况下的正常运行，在此平台基础上文章对 切换参数进行了仿真分析，在无线资源管理的层面上提高整网的切换性能。 论文共分五章，结构安排如下： 第一章绪论。阐述了本论文的研究背景，回顾了移动通信的发展和l t e 的发 展现状。 第二章l t e 通信系统网络结构。介绍了l t e 的网络结构，对网络内的各个网 元和接口做了解释和功能介绍。 第三章l t e 切换流程研究。对3 6 3 3 1 ，3 6 3 0 0 ，3 6 4 1 3 ，3 6 4 2 3 等协议研究 的基础上，对切换信令做出整合，为系统设计做了必要的理论分析。 第四章l t e 切换系统设计。在分析信令的基础上，详细设计了用户业务建立、 切换等流程，系统设计能保障用户切换动作的正确执行。利用o p n e t 网络仿真工 具对r r c 层进行仿真平台设计，对业务建立流程、切换流程等重要流程进行软件 设计，保障仿真平台在大用户量的情况下正确运行，在此基础上对切换参数进行 仿真分析，在无线资源管理层面上尽可能高的保障切换成功率。 第五章结束语。对本文的工作进行总结。 论文最后给出了致谢和参考文献。 第二章u e 通信系统网络结构 7 第二章l t e 通信系统网络结构 2 1 概述 传统的3 g p p 接入网u t r a n 由n o d eb 和r n c 两个节点构成如图2 1 所示， 从图中可以看出3 g 网络由基站( n o d e b ) 、无线网络控制器( r n c ) 、服务通用分 组无线业务支持节点( s g s n ) 和网关通用分组业务支持节点( g g s n ) 四种网络节 点组成。n o d eb 为终端提供接入点并控制终端的无线接入，同时负责网络流量的 控制与管理；r n c 负责对n o d eb 进行整体管理，包括对无线资源、本地移动用户 和接入情况进行管理和控制，并对传输情况进行优化；s g s n 负责分组交换数据流 量的控制和管理，并在n o d eb 与g g s n 之间完成移动分组数据的接受与发送； g g s n 负责与核心网的连接，是本地网与外部分组网之间的网关，g g s n 与s g s n 之间通过基于p 协议的骨干网相连接。 图2 13 g p pr 6 版本的网络结构 考虑l t e 技术时，为了达到系统时延的要求，l t e 对原有的网络架构进行了 较大的改进，使其仅由e u t r a n 基站( e n o d e b ) 和接入网关( a g w ) 组成。与 r 6 中给出的网络结构相比较，最突出的两点变化是：没有了r n c ，空中接口的用 户平面和控制平面的功能由e n o d e b 进行管理和控制，少了一层节点，用户面的数 据传送和无线资源的控制变得更加快速；接入网关承担了及入网用户数据分组的 功能，也承担了部分核心网的功能，从整体网络结构的角度看，接入网和核心网 的界限开始变得模糊。接入网关由两部分实体组成，分别是移动性管理实体( m m e ) 和服务网关( s w g ) 。l t e 的网络架构如图2 2 所示，从图中可以看出不同的e n o d e b 之间用x 2 接口相连接，e n o d e b 与核心网之间用s 1 接1 3 相连接，这种m e s h 型的 网络结构设计主要用于支持u e 在整个网络内的移动性，保证用户的无缝切换。 l t e 系统的切换技术研究 m m e s - g w ，j，、 。 小 ， e n o d e b 图2 2l t e 网络结构 2 2 网元与接口描述 作为l t e 的接入网关，其主要功能有：n a s 层信令交互；n a s 层信令加密； a s 层加密控制；在不同核心网节点信令间与3 g 接入网的移动性管理；i d l f 状态 下u e 的交互( 包括寻呼消息的控制与执行) ；数据包路由和转发；数据的合法侦 听拦截：基于m m e 更新切换时的m 她选择；向2 g 或3 ( 3 接入网切换时的s 磷淑 选择；网络漫游功能：用户鉴权功能；业务承载管理功能，包括专用业务承载建 立等。其基本功能详细介绍如下： 1 ) 移动性管理：在移动网络环境下，u e 的位置是不固定的，因此需要实时 跟踪u e 的位置，当移动用户从一个位置区漫游到另一个位置区时，会引 起网络各个功能单元的一系列操作。这些操作将引起核心网中各种位置寄 存器中移动台位置信息的登记、修改或删除，若移动台正在通话则将引起 越区转接过程。这些就是支持蜂窝系统的移动性管理过程。此功能应该不 仅能支持l t e 系统内的移动性管理，还应该支持l t e 系统与异系统之间 的移动性管理。 2 ) 呼叫控制：当l i e 与另一个终端进行语音通话时，无论这个终端是移动用 户还是固定用户，双方在通话之前必须建立一个有效的连接，通话结束后 释放这个连接，这就需要核心网的呼i 控制功能。 3 ) 路径切换：当l i e 从一个e n o d e b 切换到另一个e n o d e b 时，e n o d e b 与核 心网之间的链路也会发生切换，此功能就是将s 1 路径产生切换，并且进 行必要的数据转发。 囝峄 第二章l t e 通信系统网络结构 9 4 ) n a s 信令处理：n a s 信令是指u e 与核心网之间约定的信令消息。在n a s 传递的过程中，u e 将一定格式的编码信息传给e n o d e b ，e n o d c b 不做任 何消息内容上的分析，直接转发给m m e ，m m e 接受到消息后进行解码 处理，根据消息中指定的信息进行相应的处理。 5 ) 会话管理：此功能与呼叫控制功能类似，提供此功能是为了对非语音业务 的其他数据业务进行业务建立、控制和释放。 6 ) 路由：提供u e 与其他终端数据包传输的路由功能。 7 ) 用户签权：此功能用来保证用户是否有权限得到某种服务。 2 2 2e n o d e b l t e 无线接口在网络侧终结于e n o d e b ，每个e n o d e b 实体的协议栈从底层到 上层依次为物理层、m a c 层、r l c 层、p d c p 层、r r c 层。物理层可以简单称为 l 1 ，m a c 层、r l c 层、p d c p 层可以合称为l 2 ，r r c 称为l 3 。各层的主要功能 分别介绍如下： 1 ) 物理层与m a c 层和r r c 层连接，负责用户数据在物理信道上传输，并 提供相应的纠错机制和重传机制，保证数据正确无误的传输。除此之外物 理层负责向r r c 层上报无线环境测量报告。l t e 物理层与u t m s 相比有 重大革新，下行采用o f d m 技术，上行采用基于正交频分复用传输技术 的单载波频分多址技术( s c f d m a ) ，可以降低发射终端的峰均功率比， 减小终端的体积和成本，带宽分配灵活。 2 ) m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层是l 2 中的最低子层，与物理层之间通 过传输信道交换信息，与r l c 层通过逻辑信道交换信息。其主要功能还 包括：完成逻辑信道与传输信道的映射；完成多个u e 之间的数据调度； 完成单个u e 中不同数据流之间的调度；向r r c 层进行数据流量报告， r r c 层根据报告量进行m a c 层容量配置；提供传输信道多路复用技术以 提高与物理层之间的信息传递效率；对r l c 层的数据进行加密。 3 ) r l c ( r a d i ol i n kc o n t r 0 1 ) 层主要作用在于数据传输的可靠性和正确性方 面，它提供了多种方法来保证数据的稳定传输，例如数据分段、数据合并、 a r q 重传机制、流量控制、数据包序号检测、加密等。r l c 层提供了三 种数据传输模式：透明传输( t m ) 、非确认传输( u m ) 、确认传输( a m ) 。 t m 模式传输是最原始的传输方式，仅仅提供两个数据包之间的简单传输， u m 模式比t m 模式的可靠性稍强，引入了长度校验机制来确保数据包的 完整性，而a m 传输模式更为复杂，引入了纠错功能、流量控制、加密等 技术。 1 0l t e 系统的切换技术研究 4 ) p d c p ( p a c k e td a t ac o n v e r g e n c ep r o t o c 0 1 ) 层主要功能是数据压缩，由于 无线接口的带宽有限，为了使无线带宽得到最有效的利用，需要把上层协 议( i p ) 数据进行头压缩和解压缩，这个功能就是在p d c p 层实现的。另 外p d c p 还负责向核心网传输数据。在发生e n o d e b 间切换时，p d c p 还 负责数据包序列的维护，以保证无损切换。 5 ) r r c ( r a d i or e s o u r c ec o n t r 0 1 ) 层是控制层面上最重要的协议，它负责u e 与e n o d e b 之间的信令交互，对物理层和l 2 进行控制配置。它的主要功 能有：系统信息广播；r r c 连接的建立、重建、重配置、维护和释放； 无线承载的建立、重配置和释放；切换过程中的r r c 连接管理；寻呼； u e 的测量控制和测量报告；u e 在非业务状态下的小区选择和重选等等。 2 2 3u e u e ( u s e re q u i p m e n t ) 也可以被称作是m s ( m o b i l es t a t i o n ) ，是用户接入网 络的设备，可以分为两个模块：移动设备( m e ，m o b i l ee q u i p m e n t ) 和通用集成 电路卡( u i c c ，u n i v e r s a li n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ) 。m e 是与用户无关的手持设备， 从逻辑功能上可以划分为两个部分：移动端( m t ，m o b i l et e r m i n a t i o n ) 和设备端 ( t e ，t e r m i n a le q u i p m e n t ) 。m t 负责无线接入、无线传输、业务会话管理、移动 性管理、n a s 层信令管理等，t e 负责对话筒、摄像头、显示屏、终端软件等软硬 件功能的管理。u i c c 是插入m e 的智能卡，其中集成了通用用户识别模块( u s i m ， u n i v e r s a ls u b s c r i b e ri d e n d i t ym o d u l e ) ，用来对用户身份进行识别和安全保护。 负责接入e u t r a n 网络的是m t 模块，它具有与e n o d e b 对等的协议栈，从 底层到上层依次是物理层、m a c 层、r l c 层、p d c p 层、r r c 层，在r r c 层之 上具有与核心网交互的n a s 层。 2 2 4s 1 s 1 是m m e s g w 与e n o d e b 之间物理和逻辑接口，分为控制面和用户面，两 部分的协议栈不同。用户面的协议栈如图2 3 所示，主要负责e n o d e b 与m m e 之 间的p d u 数据传输。可以看到，传输网络层建立在口传输之上，并且g t p u 在 u d p i p 之上，用来承载e n o d e b 与s g w 之间用户面p d u s 数据包【2 j 。 控制面的协议栈如图2 4 所示，可以看到，传输网络层建立在i p 传输之上， 与用户面协议栈相似，但与之不同的是控制面协议在口层以上是s c t p 层，以保 证信令消息的可靠传输。而应用层信令协议定义为s 1 a p 5 】( s 1a p p l i c a t i o n p r o t o c 0 1 ) 。s 1 a p 负责的主要功能有： 1 ) s a e 承载管理功能：负责e n o d e b 与m m e 之间信令承载( s a eb e a r e r s ) 第二章l t e 通信系统网络结构 1 1 2 ) 3 ) 4 ) 5 ) 6 ) 的建立、修改、释放等等。 s 1 接口管理功能：包括s l 接口初始化建立、s 1 接口数据检错功能、s 1 接口重启、s 1 接口负载平衡。 对u e 的寻呼功能。 移动性管理：负责通过s l 接口进行切换时的一系列信令交互过程。 n a s 信令处理。 u e 初始上下文的建立与释放。 2 2 5x 2 u s e rp l a c ep d u s 工 g t p u u d p i p d a t al i n kl a y e r p h y s i c a ll a y e r s 1 a p ji 1 r s c t p i p d a t al i n kl a y e r p h y s i c a ll a y e r 图2 3s 1 接口用户面图2 4s 1 接口控制面 与s 1 接口相同，x 2 接口也分为用户面和控制面。 x 2 用户面接口定义为不同e n o d e b 之间的物理和逻辑用户数据接口。x 2 接口 用户面提供e n o d e b 之间用户p d u 报文递交，其协议栈与s 1 接口用户面协议栈相 同，如图2 5 所示。 x 2 控制面接口定义为相邻e n o d e b 之间的物理和逻辑控制数据接口。其协议 栈如图2 6 所示。可以看到传输网络层建立在i p 层之上的s c t p 层。而应用层信 令协议定义为x 2 a p ( x 2a p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 【6 】。x 2 a p 负责的主要功能有： 1 ) 移动性管理功能：主要负责u e 通过x 2 接口切换时，一系列信令交互过 程；同时负责切换时数据转发的状态报告等。 2 ) x 2 接口管理功能：包括x 2 接口的建立、删除、重启、负载平衡、接口 异常错误上报等等。 1 2l t e 系统的切换技术研究 2 2 6u u u s e rp l a c ep d u s i g t p u u d p i p d a t al i n kl a y e r p h y s i c a ll a y e r x 2 a p ji 1r s c t p i p d a t al i n kl a y e r p h y s i c a ll a y e r 图2 5x 2 接口用户面图2 6x 2 接口控制面 u e 与e - u t r a n 之间的援口称为u u 援1 3 ，通常也被称为空中援口，与s 1 、 x 2 接口类似，u u 口的协议栈也分为用户面和控制面，其中用户面由u e - qe n o d e b 的对等协议层组成，如图2 7 所示，负责u e 与e n o d e b 之间的用户数据传输、数 据完整性保护、头压缩、加密、调度、a r q 和h a r q 数据重传。 l 胍 e n o d e b l 臣三h j 叵l ；臣三h j 三l l 臣互h 匹； 三h j 匠i 图2 7 u u 口用户面协议栈 控制面包括n a s 、r r c 、p d c p 、r l c 、m a c 和p h y 六层协议，其中n a s 层在u e 和m m e 形成对等层，r r c 、p d c p 、r l c 、m a c 和p h y 分别在u e 和 e n o d e b 侧形成对等层，如图2 8 所示。u u 接口负责用户接入控制、数据安全保 障、移动性管理、无线资源管理、u e 与m m e 之间的信令处理等，这些功能分布 在各个协议屡实现，在2 2 1 节和2 2 2 节做了详细介绍。 第二章l t e 通信系统网络结构 i 五一1r i 忑d e b 瓜m m e 1 l 器# 巨1l 卜叫二 l 图2 8u u 口控制面协议栈 2 3 本章小结 本章首先介绍了l t e 的网络结构，既而阐述了各个网元和接口的概念，对各 个协议层的功能进行了归纳和概括，为后续章节的协议分析和系统设计奠定了理 论基础。 第三章l t e 切换流程研究 第三章l t e 切换流程研究 3 1 概述 在移动通信系统中，对于正在通信中的移动台，当它从一个基站的覆盖区域 移动到另外一个基站的覆盖区域时( 如3 1 图所示) ，为了保证通信的连续性，网 络控制系统会启动切换过程，将移动台和网络之间的通信链路从当前基站转移到 新的基站，以保证用户业务的连续传输。所谓切换( h a n d o v e r ，h o ) ，通常指移动 台在通信期间，由于位置发生改变，而改变与网络的连接关系的过程，也称为越 区切换。 图3 1 越区切换示意图 切换过程中，通信链路的转移不能影响通话的进行，必须平滑进行，时间要 求短，使用户感觉不到切换的进行。在蜂窝移动通信系统中，小区覆盖范围越小， 用户的移动速度越快，则切换的处理越频繁。 切换处理对于蜂窝移动通信系统来说是非常重要的。因为网络系统由多个小 区构成，在不同的小区覆盖区域之间的切换经常发生。此外，进行切换可以使移 动台以最小的功率和信号最强的基站进行通信，减少了移动用户的功率消耗。 l t e 系统是蜂窝移动通信系统，当用户从一个小区移动至另一个小区时，与 其连接的小区将发生变换，执行切换操作。按照源小区和目标小区的从属关系和 位置关系，可以将切换做如下的分类： 1 ) l t e 系统内切换：包括e n o d e b 内切换、通过x 2 的e n o d e b 间切换、通 过s 1 的e n o d e b 间切换。 2 ) l t e 与异系统之间的切换：由于l t e 系统与其他系统在空口技术上的根 本不同，从l t e 小区切换到其他系统的小区，u e 不仅需要支持l t e 的 o f d m 接入技术，还需要支持其他系统的空口接入技术，可能出现的情形 1 6l t e 系统的切换技术研究 包括但不限于以下几类：l t e 与g s m 之间的切换、l t e 与u t r a n 之间 的切换、l t e 与w i m a x 之间的切换。 3 2 切换信令分析 3 2 1x 2 接口切换相关信令 当u e 从一个e n o d e b 的小区切换的另一个e n o d e b 的小区时，两个e n o d e b 会通过x 2 接口发生一系列的信令交互配合切换成功完成，下面将进行详细说明。 1 1x 2 接口切换准备 这个信令流程是在e n o d e b 内为切换作资源建立。通过源e n o d e b 发送 h a n d o v e r r e q u e s t 消息到目标e n o d e b 开始切换流程。当源e n o d e b 发送此消息后， 启动一个定时器t r e l o 等待目标端响应。 源e n o d e b 向目标e n o d e b 发起切换请求，请求在目标端建立与m m e 之间的 信令承载s a eb e a