TD－LTE與TD－SCDMA雙模終端異系統(tǒng)切換研究

王宏偉，黃俊偉

（重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

TD－LTE與TD－SCDMA雙模終端異系統(tǒng)切換研究

王宏偉，黃俊偉

（重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

在多模測試中，TD－LTE與TD－SCDMA雙模終端的系統(tǒng)間移動(dòng)性是測試的重點(diǎn)。因此，對于TD－LTE/TD－SCDMA雙模終端切換過程的研究具有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。首先對異接入技術(shù)（inter Radio Access Technology，inter－RAT）切換和測量過程進(jìn)行研究，然后在此基礎(chǔ)上對inter－RAT切換流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并以TD－LTE至TD－SCDMA的切換過程為例進(jìn)行了流程分析?！娟P(guān)鍵詞】TD－LTE;TD－SCDMA;異系統(tǒng);切換;測量

切換是蜂窩小區(qū)系統(tǒng)特性所決定的重要過程，是處于連接模式下的UE實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性的重要過程，切換包括系統(tǒng)內(nèi)切換和系統(tǒng)間切換，如何進(jìn)行高效快速的系統(tǒng)間切換，為用戶帶來無縫的用戶體驗(yàn)，是雙模終端設(shè)計(jì)必須考慮的重要問題之一。網(wǎng)絡(luò)可基于連續(xù)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化、信號質(zhì)量等原因發(fā)起切換［1］。在切換之前為保證切換的準(zhǔn)確率，網(wǎng)絡(luò)都會(huì)指示UE進(jìn)行相關(guān)測量，測量結(jié)果將作為切換的重要依據(jù)，因此本文首先對異接入技術(shù)（inter Radio Access Technology，inter－RAT）切換進(jìn)行研究，然后對與切換相關(guān)的測量過程進(jìn)行分析，最后對inter－RAT切換過程進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 inter－RAT 切換

inter－RAT切換是由網(wǎng)絡(luò)控制UE輔助的，源系統(tǒng)配置UE對inter－RAT小區(qū)進(jìn)行測量，根據(jù)收到的測量結(jié)果決定是否發(fā)生切換和向哪個(gè)目標(biāo)小區(qū)切換，并向目標(biāo)接入系統(tǒng)發(fā)送切換請求，其中攜帶UE相關(guān)的上下文信息，目標(biāo)接入系統(tǒng)根據(jù)接納準(zhǔn)則準(zhǔn)許切換，并通過源系統(tǒng)向UE發(fā)送攜帶接入目標(biāo)小區(qū)的相關(guān)信息，收到切換指示后UE接入到目標(biāo)小區(qū)。網(wǎng)絡(luò)在沒有收到測量結(jié)果的情況下也可以觸發(fā)切換，這種切換稱為盲切換。下面分別對兩種inter－RAT切換進(jìn)行分析。

1.1 TD－LTE 至 TD－SCDMA 的切換

UE處于RRC_CONNECTED狀態(tài)下，根據(jù)測量報(bào)告有更好的UTRAN小區(qū)，E－UTRAN通過MobilityFromEUTRACommand消息觸發(fā)至UTRAN小區(qū)的inter－RAT切換（也可在沒有測量報(bào)告的情況下觸發(fā)切換），消息中的purpose設(shè)為handover，目標(biāo)RAT設(shè)置為UTRA。因?yàn)樵赥DL模式下，只有當(dāng)安全模式已被激活時(shí)才能發(fā)起切換過程，所以為了在異系統(tǒng)切換過程中保持安全性的連貫，MobilityFromEUTRACommand消息還包含了用于激活TDS模式下的安全密鑰參數(shù)，包含在 nas－SecurityParam-FromEUTRA IE（信息單元）中，該部分參數(shù)將上報(bào)給NAS，用于進(jìn)行異系統(tǒng)間的安全參數(shù)映射［2］。

除了以上IE，MobilityFromEUTRACommand中的 targetRAT－MessgageContainer的內(nèi)容是HANDEROVER TO UTRAN COMMAN消息，此消息是由UTRAN通過E－UTRAN發(fā)送至UE，適用于UTRAN小區(qū)的切換命令，該消息中包含了切換目標(biāo)小區(qū)信息（目標(biāo)小區(qū)標(biāo)識和頻點(diǎn)）和UTRAN小區(qū)的所有配置（包括無線承載、傳輸信道和物理信道等）。UTRAN可通過3種方式通知UE切換的配置（無線承載、傳輸信道和物理信道配置）信息，即預(yù)定義、缺省和完全配置，前兩種方式采用UE中已存儲(chǔ)的配置信息，HANDEROVER TO UTRAN COMMAN 消息只需包含指示其配置方案索引，而完全配置方式將會(huì)在該消息中攜帶完整的配置信息，無論采用哪種方式，該消息都要包含NEW－URNTI用于標(biāo)識UE。

完成指定配置后開始接入到目標(biāo)小區(qū)，接入成功后UE應(yīng)在DCCH上發(fā)送HANDOVER TO UTRAN COMPLETE消息，UE執(zhí)行離開RRC_CONNECTED狀態(tài)的動(dòng)作，并進(jìn)入U(xiǎn)TRA RRC連接模式CELL_DCH狀態(tài)，inter－RAT切換過程成功。如果UE無法完成MobilityFromEUTRACommand消息中的配置或該消息中包含協(xié)議錯(cuò)誤或UE未能成功接入到UTRAN小區(qū)，則認(rèn)為inter－RAT切換失敗，恢復(fù)在源小區(qū)的配置并進(jìn)行連接重建［3］。

1.2 TD－SCDMA 至TD－LTE 的切換

TD－SCDMA至TD－LTE的inter－RAT切換過程的目的是在網(wǎng)絡(luò)的控制下將UE與UTRAN之間的連接轉(zhuǎn)移到E－UTRAN，此切換過程與TD－LTE系統(tǒng)內(nèi)切換流程大體相同，值得注意的是，此inter－RAT切換過程將采用完全的AS（接入層）配置，并且必須在TD－SCDMA中完整性保護(hù)被激活的前提下才能發(fā)起此inter－RAT切換過程。

對于處在CELL_DCH狀態(tài)的UE，UTRAN根據(jù)收到的測量報(bào)告向UE發(fā)送HANDOVER FROM UTRAN COMMAND消息（也可在沒有測量的情況下），該消息中包含適應(yīng)于E－UTRAN以RRCConnectionReconfiguration為內(nèi)容的DL－DCCH消息，在該消息中包含了目標(biāo)小區(qū)信息（小區(qū)標(biāo)示和頻點(diǎn)）和UE在目標(biāo)小區(qū)的配置信息。當(dāng)SRB1和DRB在UTRAN中已經(jīng)建立，并且完整性保護(hù)已經(jīng)被激活時(shí)，才能發(fā)起TD－SCDMA至TD－LTE的切換過程。

UE對RRCConnectionReconfiguration成功解析后，將對底層進(jìn)行相應(yīng)的配置。與E－UTRAN系統(tǒng)內(nèi)切換不同的是，inter－RAT切換中對于物理層、半靜態(tài)調(diào)度和MAC層的配置采用的是默認(rèn)配置。根據(jù)指定的長度開啟T304定時(shí)器，并根據(jù)提供的目標(biāo)小區(qū)信息（物理小區(qū)標(biāo)識和載波頻率）開始小區(qū)同步過程，將攜帶的newUE－Identity作為UE的C－RNTI標(biāo)識。T304定時(shí)器的長度由網(wǎng)絡(luò)配置，該定時(shí)器用于控制接入到目標(biāo)小區(qū)的最長時(shí)間，若隨機(jī)接入過程失敗，此時(shí)定時(shí)器還未超時(shí)，那么將重新進(jìn)行隨機(jī)接入，若定時(shí)器在接入成功之前超時(shí)，則認(rèn)為切換過程失敗。由此可見T304定時(shí)器是由網(wǎng)絡(luò)配置以控制合理的切換時(shí)延，無論目標(biāo)小區(qū)的隨機(jī)接入過程是否順利。若UTRAN未開啟加密，可在inter－RAT切換過程中利用空算法激活加密。根據(jù)消息中攜帶的密鑰計(jì)算出加密和完整性保護(hù)密鑰，利用指定的加密和完整性算法激活加密和完整性保護(hù)，并配置底層立即生效相關(guān)安全配置，即此后的消息和數(shù)據(jù)傳遞將經(jīng)過加密和完整性保護(hù)［4］。當(dāng)UE成功同步到目標(biāo)小區(qū)，將RRCConnectionReconfiguration-Complete消息發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)，以通知網(wǎng)絡(luò)inter－RAT切換成功，停止T304定時(shí)器，并進(jìn)入RRC_CONNECTED狀態(tài)。

若UE收到無效的HANDOVER FROM UTRAN COMMAND消息或不支持其配置;或在切換至目標(biāo)小區(qū)過程中失敗，T304定時(shí)器超時(shí)，即認(rèn)為inter－RAT切換失敗，重新恢復(fù)UTRAN配置并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送HANDOVER FROM UTRAN FAILURE消息，以通知網(wǎng)絡(luò)inter－RAT切換失敗。

2 inter－RAT切換的相關(guān)測量

無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境實(shí)時(shí)變化，處于連接狀態(tài)的UE與網(wǎng)絡(luò)有業(yè)務(wù)傳輸，為保證通信質(zhì)量需對無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測。網(wǎng)絡(luò)將包含候選切換小區(qū)信息的測量任務(wù)下發(fā)至UE，UE在完成相應(yīng)測量之后將滿足測量報(bào)告準(zhǔn)則的小區(qū)及其測量結(jié)果上報(bào)至網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)將以此作為觸發(fā)切換的主要依據(jù)，因此測量的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性對切換起到至關(guān)重要的作用。下面分別對TD－LTE和TD－SCDMA系統(tǒng)中的測量過程進(jìn)行描述。

2.1 TD－LTE 系統(tǒng)中的測量

TD－LTE測量過程分為測量配置、測量執(zhí)行、測量報(bào)告觸發(fā)和測量報(bào)告。

E－UTRAN通過RRCConnectionReconfiguration消息將測量配置發(fā)送至UE，其中主要包括測量對象、報(bào)告配置、測量標(biāo)識、量配置和測量間隙［5］。UE側(cè)將維護(hù)3個(gè)列表，即測量對象列表、報(bào)告配置列表和測量標(biāo)識列表，其中測量標(biāo)識將測量對象和報(bào)告配置聯(lián)系起來，通過配置多個(gè)測量標(biāo)識能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)測量對象共用一個(gè)報(bào)告配置或同一個(gè)測量對象擁有多個(gè)報(bào)告配置。測量對象中定義了UE需要執(zhí)行測量的目標(biāo)頻點(diǎn)信息，與此頻點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的是小區(qū)詳細(xì)列表和黑名單列表，小區(qū)詳細(xì)列表中的小區(qū)成為被列小區(qū)，指出需要在該頻點(diǎn)上進(jìn)行測量的小區(qū)，進(jìn)行測量的除了被列小區(qū)還包括被標(biāo)識小區(qū)，被標(biāo)識小區(qū)是UE在該頻點(diǎn)上進(jìn)行周期性檢測時(shí)標(biāo)識的小區(qū)，而黑名單列表中的小區(qū)在進(jìn)行測量報(bào)告觸發(fā)和上報(bào)過程中將不會(huì)考慮。報(bào)告配置包括報(bào)告準(zhǔn)則和報(bào)告格式，其中報(bào)告準(zhǔn)則規(guī)定了測量結(jié)果觸發(fā)測量上報(bào)的準(zhǔn)則，報(bào)告格式說明了UE向網(wǎng)絡(luò)上報(bào)測量結(jié)果的格式。

當(dāng)UE收到測量結(jié)果后先進(jìn)行層3過濾，即與上次的測量值進(jìn)行平滑處理，然后進(jìn)行測量報(bào)告觸發(fā)。若有一個(gè)或多個(gè)小區(qū)在TimeToTrigger時(shí)間內(nèi)一直滿足進(jìn)入條件，則為此measId發(fā)起測量報(bào)告過程，測量報(bào)告的目的是將UE的測量結(jié)果上報(bào)到E－UTRAN。首先組裝Measure-mentReport消息中的measResults，然后將此消息交由底層發(fā)送至E－UTRAN。measResults中包含觸發(fā)測量報(bào)告的measId、服務(wù)小區(qū)的測量量和滿足條件的inter－RAT鄰小區(qū)及其測量量。

處于RRC_CONNECTED狀態(tài)下的UE，收到E－UTRAN發(fā)送的進(jìn)行TD－SCDMA測量的配置信息。其中測量對象是一個(gè)UTRA載頻上的小區(qū)集，量配置決定了測量量為P－CCPCH和其相應(yīng)的過濾參數(shù)，并將攜帶相應(yīng)的GAP配置信息，UE將按照GAP的長度和重復(fù)周期進(jìn)行測量。在報(bào)告配置中包含inter－RAT測量上報(bào)到事件B1和B2，其中B1事件為inter－RAT鄰小區(qū)的信號質(zhì)量優(yōu)于指定的門限值，B2事件為服務(wù)小區(qū)信號質(zhì)量比門限值1差，并且inter－RAT鄰小區(qū)信號質(zhì)量比門限值2好。

2.2 TD－SCDMA 系統(tǒng)中的測量

TD－SCDMA系統(tǒng)的測量過程分為測量控制和測量報(bào)告［6］。

測量控制的目的是建立、修改或釋放UE的測量，UTRAN向處于CELL_DCH狀態(tài)下的UE發(fā)送測量控制（MEASUREMENT CONTROL）消息，其中主要包括測量標(biāo)識、測量命令、測量類型測量報(bào)告模式和附加測量標(biāo)識。測量標(biāo)識為UTRAN，是該測量定義的編號;測量命令分為建立、修改和釋放;測量類型描述了UE應(yīng)該測量的內(nèi)容;測量報(bào)告模式描述了測量報(bào)告的傳輸方式和測量報(bào)告的觸發(fā)方式。

測量報(bào)告的目的是將UE的測量結(jié)果上報(bào)給UTRAN。UE在執(zhí)行完相應(yīng)測量配置后進(jìn)行測量，并對收到的測量結(jié)果進(jìn)行層3過濾，然后進(jìn)行相應(yīng)的事件評估。用于inter－RAT測量報(bào)告觸發(fā)的事件有3a，3b，3c和3d。

3a:當(dāng)前使用的UTRAN頻率的信號質(zhì)量低于門限值1，同時(shí)inter－RAT鄰小區(qū)信號質(zhì)量高于門限值2。

3b:inter－RAT鄰小區(qū)信號質(zhì)量低于門限值。

3c:inter－RAT鄰小區(qū)信號質(zhì)量高于門限值。

3d:inter－RAT系統(tǒng)內(nèi)最佳小區(qū)發(fā)生改變。

3 協(xié)議棧架構(gòu)設(shè)計(jì)

接下來對TD－LTE/TD－SCDMA雙模終端高層協(xié)議棧結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為保證雙模終端的單模業(yè)務(wù)不受影響，設(shè)計(jì)中保持TD－SCDMA與TD－LTE的協(xié)議棧原有獨(dú)立架構(gòu)，在對等層之間添加交互接口以支持雙模業(yè)務(wù)?；诖嗽瓌t設(shè)計(jì)的協(xié)議棧架構(gòu)如圖1所示。

NAS（非接入層）模塊為雙模終端所共用，并且分別與TD－LTE和TD－SCDMA的AS（接入層）模塊的接口進(jìn)行交互，用于控制RAT選擇和PLMN選擇等功能。

圖1 雙模協(xié)議棧架構(gòu)圖

AS模塊在兩種系統(tǒng)中保持獨(dú)立，具有相同的結(jié)構(gòu)，均由RRC，PDCP，RLC和MAC構(gòu)成。切換功能主要由RRC進(jìn)行控制，在E－RRC和U－RRC之間設(shè)置接口，用于交互inter－RAT切換命令等。為支持 inter－RAT測量，U－MAC與E－MAC之間同樣需要設(shè)置交互接口。

物理層采用兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，分別實(shí)現(xiàn)TD－LTE和TD－SCDMA物理層的功能，與E－MAC和U－MAC之間分別設(shè)計(jì)接口，用于傳遞控制命令和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

4 TD－LTE至TD－SCDMA的切換流程設(shè)計(jì)

TD－LTE至TD－SCDMA的切換過程用于在網(wǎng)絡(luò)的控制下將UE與E－UTRAN的連接轉(zhuǎn)移到UTRAN，E－UTRAN向處于RRC_CONNECTED狀態(tài)下的UE發(fā)送MobilityFromEUTRACommand消息，該消息中攜帶了用于NAS安全性參數(shù)更新的IE nas－SecurityParamFromEUTRAN和適用于UTRAN系統(tǒng)的切換命令HANDEROVER TO UTRAN COMMAN，切換命令中包含切換相關(guān)資源配置和UE標(biāo)識等信息。

下面設(shè)計(jì)出了TD－LTE至TD－SCDMA的切換流程，如圖2所示。

1）UE收到E－UTRAN發(fā)送的RRCConnectionReconfiguration消息，E－RRC根據(jù)該消息中攜帶的測量配置信息對測量參數(shù)進(jìn)行配置或更新。

2）E－RRC通過CMAC_DCH_MEAS_REQ原語將含有UTRAN小區(qū)的測量列表發(fā)送至E－MAC，E－MAC通過L1_DCH_MEAS_REQ通知物理層對目標(biāo)小區(qū)進(jìn)行測量。

圖2 TD－LTE至TD－SCDMA的切換流程

3）E－MAC收到物理層上報(bào)的測量結(jié)果后通過CMAC_DCH_MEAS_CNF原語上報(bào)至E－RRC。

4）E－RRC對測量結(jié)果進(jìn)行層3過濾，并進(jìn)行相應(yīng)測量上報(bào)觸發(fā)，若滿足觸發(fā)準(zhǔn)則向E－UTRAN發(fā)送測量報(bào)告。

5）E－UTRAN收到測量報(bào)告后，向UTRAN發(fā)送切換請求，若滿足切換條件，E－UTRAN向UE發(fā)送Mobility-FromEUTRACommand。

6）E－RRC解碼 MobilityFromEUTRACommand后，通過ERR_IRAT_HO_IND 將 nas－SecurityParamFromEUTRAN安全密鑰發(fā)送至MMC;并發(fā)送攜帶有HANDEROVER TO UTRAN COMMAN消息的原語URRC_IRAT_HO_REQ至U－RRC，此消息由U－RRC解碼;E－RRC最后將狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到IRAT_INACTIVE。

7）MMC完成安全參數(shù)映射更新后，將新的安全參數(shù)通過原語URRC_SA_PARA_REQ通知U－RRC。

8）U－RRC對HANDEROVER TO UTRAN COMMAN消息解碼成功后，向U－MAC發(fā)送CMAC_DCH_CONFIG_REQ攜帶目標(biāo)小區(qū)信息和UE在目標(biāo)小區(qū)的標(biāo)示，通知U－MAC接入到目標(biāo)小區(qū)，并完成對物理層和傳輸信道的配置。

9）U－MAC通知物理層進(jìn)行目標(biāo)小區(qū)同步、幀同步和讀目標(biāo)小區(qū)系統(tǒng)消息過程;然后將物理層和傳輸信道配置發(fā)送到物理層，并接入到目標(biāo)小區(qū)。

10）U－RRC在收到U－MAC發(fā)送的CMAC_SYNC_STATUS_IND后認(rèn)為接入成功，進(jìn)入CELL_DCH狀態(tài)，認(rèn)為inter－RAT切換成功。

11）U－RRC發(fā)送原語至U－RLC和U－PDCP進(jìn)行無線承載的配置，以保證切換成功后UE在目標(biāo)UTRAN小區(qū)的配置與網(wǎng)絡(luò)保持一致。

12）UE發(fā)送HANDEROVER TO UTRAN COMPLETE消息發(fā)送至UTRAN以通知網(wǎng)絡(luò)inter－RAT切換完成，切換成功后E－UTRAN將會(huì)釋放UE的上下文信息（用于切換失敗的重建過程）。

13）U－RRC向E－RRC發(fā)送URRC_IRAT_HO_CNF通知E－RRC成功切換至UTRAN小區(qū)，E－RRC進(jìn)入INACTIVE狀態(tài)，并釋放E－RLC和E－PDCP無線承載資源。

5 小結(jié)

TD－LTE/TD－SCDMA雙模終端必將帶來前所未有的用戶體驗(yàn)，同時(shí)也符合運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)平滑過渡的需求。本文在TD－LTE/TD－SCDMA高層協(xié)議的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了兩種系統(tǒng)間切換和與之相關(guān)的測量過程，最后對TD－LTE至TD－SCDMA切換過程進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，這對實(shí)現(xiàn)用戶在兩種網(wǎng)絡(luò)間自由切換和保證業(yè)務(wù)在切換過程中的QoS要求具有重要意義。

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［1］沈嘉，索士強(qiáng)，全海洋，等.3GPP長期演進(jìn)（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［2］彭大芹，張文英，鄧江.LTE－TD雙模終端切換過程的ERRC研究與實(shí)現(xiàn)［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（2）:169－173.

［3］3GPP TSG RAN WG2#62bis，Handover failure handling［S］.2008.

［4］周維，徐德平，程日濤.TD－LTE與TD/2G互操作方案研究［J］.移動(dòng)通信，2011（S1）:56－59.

［5］3GPP TS 36.331 V8.0.0，3rd generation partnership project;technical specification group radio access network;evolved universal terrestrial radio access（E－UTRA）radio resource control（RRC）protocol specification［S］.2011.

［6］3GPP TS 25.331 V8.0.0，3rd generation partnership project;technical specification group radio access network;radio resource control（RRC）protocol specification［S］.2011.

Research of TD－LTE/TD－SCDMA Dual Mode Terminal Handover Procedure

WANG Hongwei，HUANG Junwei

（School of Communication and Information Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China）

In the multi－mode test，the inter radio access technology（inter－RAT）mobility of the TD－LTE and TD－SCDMA dual mode terminal is the focus.Therefore，the research on the TD－LTE/TD－SCDMA dual－mode terminal handover procedure has practical significance and application value.Firstly，the inter－RAT handover procedure and measurement procedure are researched.Then based on the research，the inter－RAT handover procedure is designed.And the TD－LTE to TD－SCDMA handover procedure is analyzed.

TD－LTE;TD－SCDMA;inter－system;handover;measurement

TN929.53

A

【本文獻(xiàn)信息】王宏偉，黃俊偉.TD－LTE與TD－SCDMA雙模終端異系統(tǒng)切換研究［J］.電視技術(shù)，2013，37（3）.

重慶市信息制造業(yè)重大科技專項(xiàng)（CSTS，2009AA2037）

王宏偉（1987— ），碩士生，主要研究方向?yàn)門D－LTE移動(dòng)終端開發(fā)、協(xié)議棧開發(fā)和測試;

黃俊偉（1969— ），碩士生導(dǎo)師，主要從事TD－SCDMA移動(dòng)終端開發(fā)。

責(zé)任編輯:許 盈

2012－07－16