（通信与信息系统专业论文）lte终端切换过程的研究与实现.pdf

摘要 摘要 上海世博会和广州亚运会的精彩亮相，让业界对t dl t e 的前景充满期待。上 海世博会t dl t e 试验网的经验表明，各设备商的网络系统产品运行正常，主要问 题在终端方面。终端的稳定性和创新是目前t dl t e 发展道路的一大难题。协议栈 软件作为终端的神经中枢，它的稳定性直接影响终端的整体性能。在这样的背景下， 本文从协议栈软件的角度系统的阐述了l t e 系统中小区切换过程的具体设计和实 现过程。 本文首先对l t e 系统架构和协议栈各子层任务进行了简要介绍，并在此基础上 从系统和终端的角度对小区切换的交互流程进行了分析。然后基于协议的深入研 究，从终端的角度对切换过程相关的测量、安全性参数更新、数据完整保证、随机 接入和切换失败处理环节进行了详细的分析和介绍，为进一步的实现提供可靠的需 求保证。 其次，在对协议栈软件设计思想分析的基础之上对协议栈软件的整体设计架构 进行了设计说明，定义了协议栈各个模块之间的接口。在整体软件的设计框架下， 对切换过程的各个子环节进行了实现的分析和设计，给出了具体的实现方法，并从 切换整体流程的角度对流程进行了全局具体的设计和实现。 最后，对协议一致性测试的方法进行了介绍，分析和讨论了在实现和测试各阶 段测试方法的适用性。采用t t c n 板级测试的方法对切换过程的各个环节和整体流 程的验证测试进行分析介绍，从测试目的出发对相关的切换流程测试例进行构造， 最终通过观察测试过程中产生的l o g 信息，对切换过程的验证结果进行了详细分析， 验证切换过程实现的正确性。 关键词：l t e ，切换，测量，协议栈，协议测试规格语言 a b s t r a c t a b s t r a c t w i mt h eb r i l l i a n td e b u to fw o r l de x p oi ns h a n g h a ia n da s i a ng a m e si ng u a n g z h o u ， t h ew h o l ei n d u s t r yi sf u l lo fh o p ef o rt d l t e t d l t ee x p e r i m e n t a ln e t w o r k e x p e r i e n c eo f w o r l de x p oi ns h a n g h a ih a ss h o w nt h a tn e t w o r k i n gs y s t e mp r o d u c to ft h e v a r i o u se q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r sa r eo p e r a t i n gn o r m a l l y , t h em a i np r o b l e mi si nt h e t e r m i n a l s t a b i l i t ya n di n n o v a t i o no ft h et e r m i n a lo ft d l t ei sac h a l l e n g eo nt h ep a t h o ft h ed e v e l o p m e n to ft d l t e a sn e r v ec e n t e r so ft h et e r m i n a l ，p r o t o c o ls t a c k s o f t w a r ed i r e c t l ya f f e c t st h es t a b i l i t yo ft h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h et e r m i n a l i nt h i s c o n t e x t ，t h i sa r t i c l ee l a b o r a t e do nt h es p e c i f i cd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o np r o c e s so ft h e h a n d o v e rp r o c e s si nt h el t es y s t e mf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fp r o t o c o ls t a c ks o f t w a r e s y s t e m f i r s t l y , t h i sa r t i c l ep r o v i d e sab r i e fi n t r o d u c t i o no nl t es y s t e ms c h e m aa n dt h et a s k o fe a c hs u b l a y e ro ft h ep r o t o c o ls t a c ks o f t w a r e ，a n dg i v e sa na n a l y s i so fh a n d o v e r p r o c e d u r ef r o mt h ea n g l eo f t h es y s t e ma n dt e r m i n a l a n dt h e nm a k e sad e t a i l e da n a l y s i s a n dp r e s e n t a t i o no ft h er e l a t e dm e a s u r e n l e n to fh a n d o v e rp r o c e s s ，s e c u r i t yp a r a m e t e r u p d a t e ，d a t ai n t e g r i t ya s s u r a n c e ，r a n d o ma c c e s sa n dh a n d o v e rf a i l e dp r o c e s s i n gf r o mt h e t e r m i n a lp o i i l tb a s e do ni n - d e p t hs t u d i e so ft h ep r o t o c o l s ，p r o v i d i n gr e l i a b l ed e m a n d g u a r a n t e ef o rr e a l i z a t i o no ft h en e x ts t e p s e c o n d l y , t h i sa r t i c l eg i v e sad e s i g ns p e c i f i c a t i o no ft h ep r o t o c o ls t a c ks o f t w a r e a r c h i t e c t u r eb a s e do nt h ea n a l y s i so fd e s i g ni d e ao ft h ep r o t o c o ls t a c ks o f t w a r e ，i td e f i n e s v a r i o u si n t e r f a c e sb e t w e e nt h em o d u l e s i nt h ec o n t e x to fo v e r a l ld e s i g no ft h es o f t w a r e ， i tm a k e sa na n a l y s i sa n dad e s i g no ft h ec o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o no ft h es u b - p r o c e s so f h a n d o v e r , g i v e sc o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d ，a n dm a k e sas p e c i f i cd e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o nf r o mt h ep e r s p e c t i v eo f t h eo v e r a l lh a n d o v e rp r o c e d u r e l a s t l y , t h ep r o t o c o lc o n f o r m a n c et e s t i n g m e t h o di sd e s c r i b e d , a n dt h i sp a p e r a n a l y z e sa n dd i s c u s s e st h et e s t i n ga p p l i c a b i l i t yo ft e s tm e t h o d si nv a r i o u ss t a g e so ft h e i m p l e m e n t a t i o n i td o e st e s tv a l i d a t i o nt o w a r d sa l la s p e c t so f t h eh a n d o v e rp r o c e s sa n d t h eo v e r a l lp r o c e s sb a s e do nt t c nb o a r dl e v e li n t e g r a t e dt e s tm e t h o d ，i n c l u d i n gt e s t p u r p o s e ，c o n s t r u c t i o no f t e s tc a s e so ft h er e l a t e dh a n d o v e rp r o c e s sa n df i n a l l yc o n d u c t s a n a l y s i so f t h et e s tr e s u l ta n dp r o v e st h ec o r r e c t n e s so f t h ed e s i g ni nt h i sa r t i c l e k e yw o r d s ：l t e ，h a n d o v e r , m e a s u r e m e n t ，p r o t o c o ls t a c k , t t c n i l 缩略表 3 g p p a s a s n 1 a s p a r q a m c n c s c t m f c f s m d l e p s e s m e n 眦 e i 兀r a i s o i t u r 【丌 i o t h a r q l 1 l 2 l 3 【m 匝 埘i m a c m s c m t n a s p d n p d c p 缩略表 t l l i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t a c c e s ss t r a t u m a b s t r a c ts y n t a xn o t a t i o n o n e a b s t r a c ts e r v i c ep r i m i t i v e s a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a c k n o w l e d g e dm o d e c o r en e t w o r k c i r c u i ts w i t c h e d c o n f o r m a n c et e s t i n gm e t h o d o l o g yf r a m e w o r k c o m m u n i c a t i n gf i n i t es t a t em a c h i n e s d a t al i n k e v o l v e dp a c k e ts y s t e m e p ss e s s i o nm a n a g e m e n t e p s m o b i l i t ym a n a g e m e n t e v o l v e du m v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu l l i o n i m p l e m e n t a t i o nu n d e rt e s t i n t e r o p e r a b i l i t yt e s t h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t l a y e r1 ( p h y s i c a ll a y e r ) l a y e r2 ( d a t al i n kl a y e r ) l a y e r 3 m o b i l i t ym a n a g e m e n te n t i t y m a n m a c h i n ei n t e r f a c e m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m e s s a g es e q u e n c ec h a r t s m 0 b i l et e r m i n a t e d n o n - a c c e s ss t r a t u m p a c k e td a t an e t p a c k e td a t ac o n v e r g e n c ep r o t o c o l i i i 第三代合作项目 接入层 抽象语法符号 抽象服务原语 自动回复请求 确认模式 核心网 电路交换 一致性测试方法框架 通信有限状态机 数据链路 演进分组系统 e p s 会话管理 e p s 移动管理 演进的无线陆地接入 国际标准组织 国际电信联盟 被测实体 互操作测试 混合自动回复请求 第一层( 物理层) 第二层( 数据链路层) 第三层( 网络层) 移动性管理实体 人机界面 媒质接入控制 消息序列图 由移动台终止 非接入层 分组数据网 分组数据汇聚协议 缩略表 p d u p i m n p h y p s q o s i 黜 r l c r a t r a c h i 迟i 强 g s g q r n s m s d l s r b s m c u t a i t m u m t t c n t d d u e u l u s i m p r o t o c o ld a t au m t p u b l i el a n dm o b i l en e t w o r k p h y s i c a ll a y e r p a c k e ts w i t c h e d q u a l i t yo f s e r v i c e r a d i or e s o u r c ec o n t r o l r a d i ol i n kc o n t r o l r a d i oa c c e s st e c h n o l o g y r a n d o ma c c e s sc h a n n e l r e c e i v e ds i g n a lc o d ep o w e r r e c e i v e ds i g n a lc o d eq u a n t i f y r a d i on e t w o r kt e m p o r a r yi d e n t i f i e r s y s t e mi n f o r m a t i o nb l o c k s p e c i f i c a t i o nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e s i g n a l l i n gr a d i ob e a r e r s e c u r i t em o d ec o m m a n d t r a c k i n ga r e au p d a t e t r a c k i n ga r e ai d e n t i t y t r a n s p a r e n tm o d e u n a c k n o w l e d g e dm o d e t r e ea n dt a b u l a rc o m b i n e dn o t a t i o n t i m ed i v i s i o nd u p l e x u s e re q u i p m e n t u p t i r l k u m v e r s a ls u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d u l e i v 协议数据单元 公共陆地移动网络 物理层 分组交换 服务质量 无线资源控制 无线链路控制 无线接入技术 随机接入信道 接收信号码功率 接收信号码质量 无线网络临时标识 系统信息块 规范描述语言 信令无线承载 安全模式请求 跟踪区更新 跟踪区标识 透明模式 非透明模式 协议测试规格语言 时分双工 用户终端 上行链路 通用用户识别卡 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 移动通信的演进 第一章绪论 现代移动通信技术的发展始于上世纪2 0 年代，大致经历了五个发展阶段【l 】。 第一阶段从上世纪2 0 年代至4 0 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2 m h z ，到4 0 年代提高到3 0 - - - 4 0 m h z ，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4 0 年代中期至6 0 年代初期。在此期间内，公用移动通信业 务开始问世。1 9 4 6 年，根据美国联邦通信委员会( f c c ) 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1 2 0 k h z ，通信方式为单工。 第三阶段从上世纪6 0 年代中期至7 0 年代中期。在此期间，美国推出了改进型 移动电话系统( i m t s ) ，使用15 0 m h z 和4 5 0 m h z 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7 0 年代中期至8 0 年代中期。这是移动通信蓬勃发展时期。 1 9 7 8 年底，美国贝尔试验室研制成功先进的移动电话系统( a m p s ) ，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8 0 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2 g 、2 5 g 、3 g 、4 g 等。 2 g 主要采用的是数字的时分多j a i ：( t d m a ) 技术和码分参；i j i ：( c d m a ) 技术，与之 对应的是全球主要有g s m 和c d m a 两种体制。 g s m 技术用的是窄带t d m a ，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9 0 0 - - - 18 0 0 m h z 之间的数字移动电话系统， 频率为1 8 0 0 m h z 的系统也被美国采纳。g s m 是1 9 9 1 年开始投入使用的。到1 9 9 7 年底，已经在1 0 0 多个国家运营，成为欧洲和亚洲实际上的标准。g s m 数字网也具 重庆邮电大学硕士论文 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。 c d m a 的意思就是c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( 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。c d m a 就是说，系统给 每个用户分配了一个 c o d e ( 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。c d m a 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t d m a 容量 的6 倍以上。 针对g s m 通信出现的缺陷，人们在2 0 0 0 年又推出了一种新的通信技术g p r s ， 该技术是在g s m 的基础上的一种过渡技术。g p r s 的推出标志着人们在g s m 的发 展史上迈出了意义最重大的一步，g p r s 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p 和x 2 5 分组数据接入服务。 在这之后，通信运营商们又推出e d g e 技术，这种通信技术是一种介于2 g 和 3 g 之间的过渡技术，因此也有人称它为2 5 g ”技术，它有效提高了g p r s 信道编码 效率的高速移动数据标准，它允许高达3 8 4 k b p s 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。 3 g 技术目前全球有三大标准，分别是欧洲提出的w c d m a 、美国提出的 c d m a 2 0 0 0 和我国提出的t ds c d m a 。与之前的1 g 和2 g 相比，3 g 拥有更宽的 带宽，其传输速度最低为3 8 4 k ，最高为2 m ，带宽可达5 m h z 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i n t e r a c t 。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。4 g 是集3 g 与w l a n 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。4 g 系统能够以1 0 0 m b p s 的速度下载，比拨号 上网快2 0 0 0 倍，上传的速度也能达到5 0 m b p s ，并能够满足几乎所有用户对于无线 服务的要求。 1 1 2l t e 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 3 g p p 在2 0 0 4 年底启动了其长期演进( l t e ) 技术的标准化工作。希望达到以下几个 主要目标：保持3 g p p 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 2 第一章绪论 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t dl t e 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t dl t e 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。 l t e 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 2 5 m h z 、1 6 m h z 、2 5m h z 、5m h z 、1 0m h z 、 1 5m h z 和2 0m h z 的带宽设置，从技术上保证3 g p pl t e 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3 g p pl t e 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1 0 0m b s ，上行峰值速率 5 0m b s ；频谱利用率为h s p a 的2 - 4 倍，用户平均吞吐量为h s p a 的2 4 倍。 为保证3 g p pl t e 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5i l l s ，控制平面从睡眠状 态到激活状态的迁移时间低于5 0i l l s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于1 0 0 i n s ，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 3l t e 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，l t e 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2 0 0 9 年1 0 月2 8 日通过使用商用基站和标准软件完成了 全球首个l t e 切换测试，该项测试完全符合3 g p pl t e 标准。在这初步测试中，切 换在诺基亚西门子公司的l t e 小区间进行，移动终端在呼叫过程中穿过l t e 小区， 3 重庆邮电大学硕士论文 完成了小区间的无缝连接。2 0 1 0 年8 月，诺西顺利通过工信部制定的t d l t e 完 整集测试，并与三星完成全球首例t d l t e 高清视频呼叫切换。诺基亚西门子通信 的切换测试不仅使l t e 在商业部署上又迈进了一步，也为l t e 小区切换提供了可 靠的测试方案。 在l t e 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l t e 系统小区切换的几个特点【3 】： 1 、在l t e 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l t e 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 、l t e 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l t e 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l t e 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l t e 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l t e 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u e 相关的所有信息和缓存数据从源e n o d e b 传递到目的e n o d e b 。在u e 端为保证切换 时数据的完整性也需要通过p d c p 和r l c 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l t e 系统的 协议栈层次，对于l t e 系统的f d d 和t d d 制式区别不大，我们对协议栈软件的设 计目标是支持f d d 和t d d 两种模式。 基于1 1 3 节所介绍的l t e 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： 4 第一章绪论 l 、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a s 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u e 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t ds c d m a ，终端匮乏成为 一直困扰其发展的一大难题。在t dl t e 发展伊始，中国移动便强调t dl t e 的发 展要做到端到端，芯片产业要尽早发展壮大，但是目前t dl t e 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t dl t e 终端芯片的研发仍处于一个相对 滞后的状况。 重庆邮电大学硕士论文 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t dl t e 产业链 的快速发展，在业界很早就展开了t d终端芯片的研发工作，目前已完成了第 一款 一 终端通信芯片设计开发和_ l 功t e t dl t e能测试，树立了在行业的领先地位。我所 参与开发的l t e 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l o t 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l t e 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l t e 产业化战线上的战 友提供有价值的借鉴，为l t e 事业的快速发展做出自己的贡献。 1 3 论文安排 第一章：简要介绍课题的研究背景，在此背景下对l t e 小区切换的相关技术背 景和终端的研究现状进行介绍，并对本论文选题的意义和主要研究内容进行了说 明。 第二章：首先简要的描述了l t e 的系统架构和协议栈各层的相关任务，并对 l t e 系统中切换过程的总体流程进行分析，随后着重分析和研究了终端切换过程中 主要的处理环节。 第三章：首先介绍了l t e 终端协议栈软件的总体设计方案，在对该方案充分理 解的基础上，设计了切换过程的实现思想。定义了主要接口及接口原语，在此基础 上，完成了切换过程各个子环节的流程设计和相关操作的定义，并对协议栈切换整 体流程进行设计和实现。 第四章：根据测试原理，对所设计的实现方案、流程进行协议一致性测试，以 验证实现方案的正确与否。 第五章：对本论文所做的主要工作进行总结，并对尚待解决的问题予以描述。 6 第二章l t e 终端切换过程的研究 第二章l t e 终端切换过程的研究 2 1l t e 协议栈总体架构介绍 2 1 1l t e 系统架构 1 ) l t e 网络结构 由上一章l t e 相关技术和背景介绍我们可知，相对先前的通信系统，l t e 系 统架构的设计仅仅支持分组交换，并且支持u e 和p d n 网络的无差错连接。l t e 特定的设计目标使l t e 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l t e 的系统构架图。l t e 网络架构由虚线左边的接入网( e 工玎a n ) 和右边 核心网( e p c ) 构成。接入网仅仅有e n o d e b 一种逻辑节点构成，而核心网由m m e 、 h s s 等多个逻辑节点构成。在l t e 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3 g p p 标准化，便于不同运营商的开发和兼容【4 】。 i 图2 1l t e 系统架构图 2 ) 接入网结构 和第三代通信系统相比较，l t e 系统中的核心网结构在功能节点方面没有太大 的变化，n a s 过程也基本和第三代移动通信系统中的过程大致相同。在l t e 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e n o d e b s 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 1 。 7 重庆邮电大学硕士论文 e - u t r a n 1 图2 2 接入网架构图 l t e 系统的接入网部分，其由众多通过x 2 接口相连的e n o d e b 节点构成，同 时e n o d e b 通过s 1 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u e 上下行资源的动态分配。 在e u t r a n 中，将无线资源的控制功能整合在e n o d e b 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。l t e 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l t e 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l t e 系统 带来了一定的缺憾，当u e 进行移动时为了避免数据的丢失，网络必须将u e 相关 的所有信息和缓存数据从源e n o d e b 传递到目的e n o d e b 。 2 1 2 协议栈架构介绍 f 话1两e n b 川阿m m e 图2 3 协议栈层次架构图 第二章l t e 终端切换过程的研究 图2 3 为协议栈层次架构图，其中，n a s 层的主要功能为e p s 承载管理、鉴权、 u e 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m m e 节点【5 1 。 r r c 层的主要功能为广播、寻呼、r r c 连接、移动性、测量的管理等；p d c p 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；r l c 层 的主要功能为数据包的分段、重组、传输和重传( a r q ) ，以及协议错误的检测与 处理；m a c 层的主要功能为逻辑信道与传输信道的映射、h a r q 、逻辑信道优先级 管理、m a c 头填充等。这几层称为接入层，终止于网络侧的e n o d e b 节点。 p d c p 、r l c 和m a c 层既可以传输控制平面的数据，也可以对用户平面p 包 进行传输。对于控制平面的数据在r r c 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l i e 端的用户数据在经过组装p 报后，将数据传送到p d c p 进行头压缩和加密处理，紧接着数据在r l c 层进行分段或者重组处理，在获得上行 资源后通过m a c 层和物理层的处理通过u u 接口发送到e n o d e b ，e n o d e b 在经过 逆向处理后将原始的m 包通过s 1 - 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 ) n a s 层介绍 n a s 层是在u e 和m m e 侧控制平面的高层，有e m m 和e s m 两个子层构成。 n a s 层的主要功能由这两个子层来控制，e m m 主要负责u e 的移动性管理，e s m 主要负责在u e 和p d ng a t e w a y 之间建立和维护口连接的会话管理。 当l t e 发生小区切换时，如果目的小区和源小区不属于同一个t r a c ea r e a ( 跟 踪区) ，且目的小区的t a 不在u e 维护的t a 列表中时，切换完成后u e 的n a s 层e m m 子层就会发起一个t a u 过程向网络做位置区更新。 2 ) r r c 层介绍 协议状态划分： 当r r c 连接已经被建立时，r r c 层处于c o n n e c t 状态，即连接状态；未建 立r r c 连接时r r c 处于i d l e 状态，即空闲状态【6 1 。 i d l e 状态功能： a 读取系统消息；b 收取寻呼消息；c 进行i d l e 下邻近小区的测量；d 空 闲下移动性管理，进行小区重选。 c o n n e c t 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c o n n e c t 下邻近 小区的测量，并对测量结果进行评估和上报；c a s 层安全上下文的管理；d 连接 9 重庆邮电大学硕士论文 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r r c 层来完成，在连接下当r r c 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n a s 层的信息传递给n a s 层，n a s 层判断是否要进行t a u 过程。 3 ) p d c p 层介绍 p d c p 层结构： 如图2 4 所示p d c p 层是由若干个p d c pe n t i t y 构成，每个实体将对应一个具体 的r b ，并且是p d c p 功能的执行体。p d c p s a p 接口为p d c p 层和应用之间的数 据接口，通过该接口p d c p 完成和应用之间用户数据的传输。c s a p 为p d c p 和 r r c 层之间的控制接口，通过该接口r r c 完成对p d c p 的控制【7 】o p d c p - s a p p d c p - s a p 、 l、 u j p d c pe n t i t yp d c p 尉l t j t y ll 唑l l 眦 h l co m - s a pr l ca m s a p - _ ” 图2 4 p d c p 层结构图 p d c p 层功能： 钆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 s d u 丢弃的控制。 切换的支持： 当发生切换时，是由p d c p 层保证a m 数据的不丢失。r r c 会通过c s a p 接 口对所有的p d c p 实体进行重建，当p d c p 收到r r c 层的重建指示后，会通过p d c p 实体的重建相关操作来完成对切换中p d c p 实体数据的处理，包括：数据的重排序 和a m 数据完整的保证。 4 ) r l c 层介绍 鼬层结构： 1 0 第二章l t e 终端切换过程的研究 图2 5 为r l c 层在整个系统中的位置和结构图，r l c 层位于m a c 和p d c p 之 间，通过和上层的接口，完成数据的传输和使r r c 完成对其的控制，通过逻辑信 道完成和m a c 层的数据传输。在r l c 层存在若干个r l c 层实体，每个实体都具 有特定的传输模式。在r l c 层传输模式总共分三种，分别为t m 模式、u m 模式和 a m 模式。t m 传输模式的承载数据在r l c 层不做任何处理，u m 模式传输会对数 据进行重排序，但不保证数据不丢失，a m 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【引。 u p p 甘l 碍口( i e r r ci 科c ro rp d c ps u bl a y e r ) iftf 上 s a p b e t w e e n 丁下丁下丁 啊l a y 哪 t r a n s m i m n gr e c e l v m gt r a n s m i t t i n gr c c o w n g t m r l c1 m r l cu m i 也cu m r l c a m r l c 钮t i t y e n t i t ye n t i t ve a r l t ve a t i l v 丫 丫 丫_ 丫c h a n 叫 l o g i c a l 丫v j 0 w 玎l 棚： ，： f i c m a cs u bl a y e ra n dp h y s i c a ll a y c t ) 图2 5 r l c 层结构图 层功能： a 传输高层的数据p d u ；b 通过