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)間移動性是測試的重點。因此，對于TD－LTE/TD－SCDMA雙模終端切換過程的研究具有實際意義和應(yīng)用價值。首先對異接入技術(shù)（inter Radio Access Technology，inter－RAT）切換和測量過程進行研究，然后在此基礎(chǔ)上對inter－RAT切換流程進行了設(shè)計，并以TD－LTE至TD－SCDMA的切換過程為例進行了流程分析。【關(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實現(xiàn)移動性的重要過程，切換包括系統(tǒng)內(nèi)切換和系統(tǒng)間切換，如何進行高效快速的系統(tǒng)間切換，為用戶帶來無縫的用戶體驗，是雙模終端設(shè)計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確率，網(wǎng)絡(luò)都會指示UE進行相關(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）切換進行研究，然后對與切換相關(guān)的測量過程進行分析，最后對inter－RAT切換過程進行了設(shè)計與實現(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)生切換和向哪個目標小區(qū)切換，并向目標接入系統(tǒng)發(fā)送切換請求，其中攜帶UE相關(guān)的上下文信息，目標接入系統(tǒng)根據(jù)接納準則準許切換，并通過源系統(tǒng)向UE發(fā)送攜帶接入目標小區(qū)的相關(guān)信息，收到切換指示后UE接入到目標小區(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（也可在沒有測量報告的情況下觸發(fā)切換），消息中的purpose設(shè)為handover，目標RAT設(shè)置為UTRA。因為在TDL模式下，只有當安全模式已被激活時才能發(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)將上報給NAS，用于進行異系統(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小區(qū)信息（目標小區(qū)標識和頻點）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用于標識UE。

完成指定配置后開始接入到目標小區(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)的動作，并進入UTRA 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)議錯誤或UE未能成功接入到UTRAN小區(qū)，則認為inter－RAT切換失敗，恢復(fù)在源小區(qū)的配置并進行連接重建［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小區(qū)信息（小區(qū)標示和頻點）和UE在目標小區(qū)的配置信息。當SRB1和DRB在UTRAN中已經(jīng)建立，并且完整性保護已經(jīng)被激活時，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配置。根據(jù)指定的長度開啟T304定時器，并根據(jù)提供的目標小區(qū)信息（物理小區(qū)標識和載波頻率）開始小區(qū)同步過程，將攜帶的newUE－Identity作為UE的C－RNTI標識。T304定時器的長度由網(wǎng)絡(luò)配置，該定時器用于控制接入到目標小區(qū)的最長時間，若隨機接入過程失敗，此時定時器還未超時，那么將重新進行隨機接入，若定時器在接入成功之前超時，則認為切換過程失敗。由此可見T304定時器是由網(wǎng)絡(luò)配置以控制合理的切換時延，無論目標小區(qū)的隨機接入過程是否順利。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算出加密和完整性保護密鑰，利用指定的加密和完整性算法激活加密和完整性保護，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［4］。當UE成功同步到目標小區(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定時器，并進入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;或在切換至目標小區(qū)過程中失敗，T304定時器超時，即認為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)境實時變化，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)實時監(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告準則的小區(qū)及其測量結(jié)果上報至網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)將以此作為觸發(fā)切換的主要依據(jù)，因此測量的準確性和實時性對切換起到至關(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、測量報告觸發(fā)和測量報告。

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、報告配置、測量標識、量配置和測量間隙［5］。UE側(cè)將維護3個列表，即測量對象列表、報告配置列表和測量標識列表，其中測量標識將測量對象和報告配置聯(lián)系起來，通過配置多個測量標識能夠?qū)崿F(xiàn)多個測量對象共用一個報告配置或同一個測量對象擁有多個報告配置。測量對象中定義了UE需要執(zhí)行測量的目標頻點信息，與此頻點相關(guān)聯(lián)的是小區(qū)詳細列表和黑名單列表，小區(qū)詳細列表中的小區(qū)成為被列小區(qū)，指出需要在該頻點上進行測量的小區(qū)，進行測量的除了被列小區(qū)還包括被標識小區(qū)，被標識小區(qū)是UE在該頻點上進行周期性檢測時標識的小區(qū)，而黑名單列表中的小區(qū)在進行測量報告觸發(fā)和上報過程中將不會考慮。報告配置包括報告準則和報告格式，其中報告準則規(guī)定了測量結(jié)果觸發(fā)測量上報的準則，報告格式說明了UE向網(wǎng)絡(luò)上報測量結(jié)果的格式。

當UE收到測量結(jié)果后先進行層3過濾，即與上次的測量值進行平滑處理，然后進行測量報告觸發(fā)。若有一個或多個小區(qū)在TimeToTrigger時間內(nèi)一直滿足進入條件，則為此measId發(fā)起測量報告過程，測量報告的目的是將UE的測量結(jié)果上報到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)送的進行TD－SCDMA測量的配置信息。其中測量對象是一個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)周期進行測量。在報告配置中包含inter－RAT測量上報到事件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識、測量命令、測量類型測量報告模式和附加測量標識。測量標識為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;測量報告模式描述了測量報告的傳輸方式和測量報告的觸發(fā)方式。

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

3a:當前使用的UTRAN頻率的信號質(zhì)量低于門限值1，同時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

接下來對TD－LTE/TD－SCDMA雙模終端高層協(xié)議棧結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，為保證雙模終端的單模業(yè)務(wù)不受影響，設(shè)計中保持TD－SCDMA與TD－LTE的協(xié)議棧原有獨立架構(gòu)，在對等層之間添加交互接口以支持雙模業(yè)務(wù)。基于此原則設(shè)計的協(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。

物理層采用兩個模塊的設(shè)計，分別實現(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

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標識等信息。

下面設(shè)計出了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通知物理層對目標小區(qū)進行測量。

圖2 TD－LTE至TD－SCDMA的切換流程

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

4）E－RRC對測量結(jié)果進行層3過濾，并進行相應(yīng)測量上報觸發(fā)，若滿足觸發(fā)準則向E－UTRAN發(fā)送測量報告。

5）E－UTRAN收到測量報告后，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攜帶目標小區(qū)信息和UE在目標小區(qū)的標示，通知U－MAC接入到目標小區(qū)，并完成對物理層和傳輸信道的配置。

9）U－MAC通知物理層進行目標小區(qū)同步、幀同步和讀目標小區(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，并接入到目標小區(qū)。

10）U－RRC在收到U－MAC發(fā)送的CMAC_SYNC_STATUS_IND后認為接入成功，進入CELL_DCH狀態(tài)，認為inter－RAT切換成功。

11）U－RRC發(fā)送原語至U－RLC和U－PDCP進行無線承載的配置，以保證切換成功后UE在目標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，同時也符合運營商網(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切換過程進行了設(shè)計與實現(xiàn)，這對實現(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，全海洋，等.3GPP長期演進（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計［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研究與實現(xiàn)［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報，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（CSTS，2009AA2037）

王宏偉（1987— ），碩士生，主要研究方向為TD－LTE移動終端開發(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移動終端開發(fā)。

責任編輯:許 盈

2012－07－16