4G下切3G定位算法策略研究

胡曉丹

摘 要： 定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)之一，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本、低能耗的要求，在繼承DV?Hop定位算法優(yōu)點的基礎(chǔ)上，提出根據(jù)跳數(shù)來調(diào)節(jié)節(jié)點定位過程中的數(shù)據(jù)包接收量即LDV?Hop定位算法。傳感器網(wǎng)絡(luò)是計算機科學(xué)技術(shù)的一個新的研究領(lǐng)域，節(jié)點定位技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)之一，傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)必須結(jié)合其位置信息才有意義，沒有位置信息的數(shù)據(jù)幾乎沒有利用價值。

關(guān)鍵詞： 4G； 3G； 定位算法； 信令交互過程

中圖分類號： TN916.9?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）11?0016?04

Research on localization algorithm of 4G mode switching to 3G mode

HU Xiao?dan

（Jiangmen Branch Office， China Mobile Communications Corporation， Jiangmen 529000， China）

Abstract： Localization technology is one of the supporting technologies of wireless sensor network. Since the low cost and low energy consumption demands of wireless sensor network， the LDV?Hop localization algorithm is proposed based on inheriting the advantage of DV?Hop， which is according to hop?count to regulate the receiving quantities of data package in node localization process. Sensor network is a new research field of computer science and technology， node localization technology is one of the key technologies of the sensor network. It is significant that the date collected from sensor node must combine with its location information， while data without location information is valueless.

Keywords： 4G； 3G； localization algorithm； signaling interaction process

0 引 言

與有線通信不同，移動通信系統(tǒng)中的無線資源非常匱乏，而這些無線資源成為限制系統(tǒng)性能的主要方面。因此，需要在移動通信系統(tǒng)中，對這些無線資源進行合理的分配，為系統(tǒng)用戶上的不同業(yè)務(wù)進行服務(wù)，從而使系統(tǒng)中的資源能夠得到有效的利用。優(yōu)化的資源分配方案可以有效提高移動通信系統(tǒng)的性能，無線資源分配的目標(biāo)是在滿足用戶對應(yīng)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量的前提下，盡可能有效地利用這些有限的無線資源達到更高的系統(tǒng)頻譜效率以及系統(tǒng)容量等其他性能，同時還需要保證用戶的最大滿意度和用戶之間的公平性。

在第一代（First Generation，1G）和第二代（Second Generation，2G）移動通信系統(tǒng)中，主要是以傳統(tǒng)的話音業(yè)務(wù)為主，系統(tǒng)中無線的頻譜資源用于服務(wù)此類業(yè)務(wù)的用戶，所以需要在系統(tǒng)中進行無線頻譜規(guī)劃。在第三代（Third Generation，3G）寬帶移動通信系統(tǒng)中，由于分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展，使得系統(tǒng)中同時存在話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，所以在第三代移動通信系統(tǒng)中，需要對無線資源進行合理調(diào)配來同時滿足用戶的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的性能需求。而“超三代”和第四代（Beyond3G/Forth Generation，B3G/4G）移動通信系統(tǒng)是以正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiple，OFDM）為基礎(chǔ)的寬帶系統(tǒng)。在此類系統(tǒng)中，系統(tǒng)容量和整體性能都是干擾受限的，由于OFDM技術(shù)能保證小區(qū)內(nèi)的資源正交，小區(qū)間的同頻干擾將是限制并影響這類系統(tǒng)性能的主要因素，所以在未來移動通信系統(tǒng)進行資源分配時，需要考慮如何協(xié)調(diào)系統(tǒng)的干擾，使得系統(tǒng)性能得到最好的發(fā)揮。目前移動通信的業(yè)務(wù)趨向于多樣化，在一個系統(tǒng)中同時存在多種業(yè)務(wù)的混合。而每一種業(yè)務(wù)都有相應(yīng)的性能需求：普通的無時延需求的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的性能指標(biāo)是系統(tǒng)吞吐量和用戶公平性；而流媒體等業(yè)務(wù)也有不同的最低性能需求，即服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）需求；基于IP的話音業(yè)務(wù)對時延要求也很嚴(yán)格。此外，B3G/4G系統(tǒng)的目的是為移動終端提供高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，所以在混合業(yè)務(wù)的系統(tǒng)中如何合理分配資源來滿足不同業(yè)務(wù)的需求尤為重要。

1 相關(guān)綜述

1.1 3G概述

3G（第三代移動通信技術(shù)）是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通信技術(shù)，能同時傳送聲音及數(shù)據(jù)信息，速率一般在幾百kbps以上。目前3G存在四種標(biāo)準(zhǔn)：CDMA2000，WCDMA，TD?SCDMA，WiMAX。國際電聯(lián)確定的三個無線接口標(biāo)準(zhǔn)分別是美國CDMA2000，歐洲WCDMA（寬帶碼分多址），中國TD?SCDMA（時分同步碼分多址）。TD?SCDMA為中國自主研發(fā)的3G標(biāo)準(zhǔn)，已被國際電信聯(lián)盟接受，業(yè)界將WCDMA技術(shù)作為3G的主流技術(shù)。國內(nèi)支持的三個無線接口標(biāo)準(zhǔn)分別是中國移動的TD?SCDMA，中國電信的CDMA2000，中國聯(lián)通的WCDMA。中國是全球惟一運營所有以上三種制式的國家。3G系統(tǒng)致力于為用戶提供更好的語音、文本和數(shù)據(jù)服務(wù)。3G技術(shù)的優(yōu)點是能極大地增加系統(tǒng)容量、提高通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。此外利用在不同網(wǎng)絡(luò)間的無縫漫游技術(shù)，可將無線通信系統(tǒng)和Internet連接起來，從而可對移動終端用戶提供更多更高級的服務(wù)。

1.2 4G概述

隨著對帶寬需求的增加，通信技術(shù)的發(fā)展一度出現(xiàn)2.5G和2.75G的中間過渡代。當(dāng)3G移動業(yè)務(wù)剛剛邁出腳步，就出現(xiàn)了支持語音、數(shù)據(jù)和視頻三種格式的傳輸技術(shù)高速下行鏈路分組接入技術(shù)。與此同時，真正意義上的寬帶數(shù)據(jù)速率標(biāo)準(zhǔn)4G概念也開始出現(xiàn)，它包括寬帶無線固定接入、寬帶無線局域網(wǎng)、移動寬帶系統(tǒng)、互操作的廣播網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星系統(tǒng)等，將是多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)，可以提供的數(shù)據(jù)傳輸速率高達100 Mb/s甚至更高，也是寬帶接入IP系統(tǒng)。

4G也稱為廣帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)。具有超過2 Mb/s的非對稱數(shù)據(jù)傳輸能力，對高速移動用戶能提供150 Mb/s的高質(zhì)量影像服務(wù)，并首次實現(xiàn)三維圖像的高質(zhì)量傳輸。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網(wǎng)。移動廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡(luò)（基于地面和衛(wèi)星系統(tǒng)），是集多種無線技術(shù)和無線LAN 系統(tǒng)為一體的綜合系統(tǒng)，也是寬帶IP接入系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)上，移動用戶可以實現(xiàn)全球無縫漫游，為了進一步提高其利用率，滿足高速率、大容量的業(yè)務(wù)需求，該系統(tǒng)同時克服高速數(shù)據(jù)在無線信道下的多徑衰落和多徑干擾等眾多優(yōu)勢。簡單而言，4G是一種超高速無線網(wǎng)絡(luò)，一種不需要電纜的信息超級高速公路。這種新網(wǎng)絡(luò)可使電話用戶以無線形式實現(xiàn)全方位虛擬連接。4G最突出的特點之一，就是網(wǎng)路傳輸速率達到了前所未有的100 Mb/s，完全能夠滿足用戶的上網(wǎng)需求。

2 4G下切3G定位算法

2.1 切換相關(guān)的RRC信令交互過程

RRC連接態(tài)的UE在E?UTRAN中進行移動的一般原則如下：在E?UTRAN中，網(wǎng)絡(luò)控制RRC連接態(tài)UE的移動，即網(wǎng)絡(luò)來決定UE應(yīng)該進入哪個小區(qū)、哪個頻點或哪個RAT。根據(jù)無線條件或負(fù)載情況等，網(wǎng)絡(luò)會觸發(fā)切換過程。為了實施切換，網(wǎng)絡(luò)可以配置UE的測量參數(shù)，要求UE進行測量并提供測量報告；網(wǎng)絡(luò)還可以發(fā)起盲切換，即在沒有UE測量報告的情況下實施切換。在給UE發(fā)送切換消息之前，源eNodeB為切換準(zhǔn)備一個或多個目標(biāo)eNodeB。目標(biāo)eNodeB生成用于進行切換的消息，消息中包括目標(biāo)小區(qū)中的接入層詳細(xì)配置信息，源eNodeB把該消息透傳給UE。等到合適的時間，源eNodeB發(fā)起DRB的轉(zhuǎn)發(fā)。接收到切換消息后，UE在第一個可用的RACH時刻就開始嘗試接入到目標(biāo)小區(qū)，也就是說，切換是異步的。因此如果目標(biāo)小區(qū)為這個隨機接入分配了一個專用前綴（Preamble），應(yīng)該確保其在UE第一個可能的RACH時刻就可用。一旦完成切換，UE給目標(biāo)eNodeB發(fā)一個切換完成確認(rèn)消息。在成功完成切換后，對于使用RLC?AM模式的DRB，目標(biāo)eNodeB可能會重傳PDCP的SDU，這時原SN和HFN也會保留下來繼續(xù)使用；對于使用非RLC?AM模式（UM和TM模式）的DRB，SN和HFN會被重新設(shè)置。UE在切換過程中不用理會網(wǎng)絡(luò)方面采用哪種切換模式（基于X2的切換和基于S1的切換）。源eNodeB中會保留UE的上下文一段時間，以防UE切換失敗而返回。檢測到切換失敗后，UE會嘗試在源小區(qū)或另一個也做好了切換準(zhǔn)備的小區(qū)使用RRC連接重建立過程，重新發(fā)起RRC連接。

2.1.1 切換到E?UTRAN的切換過程

當(dāng)UE在其他RAZ的接入網(wǎng)（如GERAN或UTRAN）中已經(jīng)建立了SRB和DRB（或只建立了SRB）時，如果UE移動進入E?UTRAN，就可以發(fā)起跨RAT的切換，把UE同其他RAT接入網(wǎng)的連接轉(zhuǎn)移到E?UTRAN上來，如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)側(cè)，其他RA7接入網(wǎng)發(fā)起切換到E?UTRA的過程，通過EPC通知E?UTRAN。在E?UTRAN這邊，eNodeB首先激活加密算法（如果原RAT中沒有使用加密功能，則使用“空算法”），然后建立SRB1，SRB2以及一個或多個DRB（至少要激活和默認(rèn)EPS承載關(guān)聯(lián)的DRB）。準(zhǔn)備工作完成后，eNodeB通過其他RAT的接入網(wǎng)向UE發(fā)RRC連接重配置消息。

在UE側(cè)，如果UE能夠滿足RRC重配置要求，則開始配置E?UTRAN的各種物理層參數(shù)。

（1） 應(yīng)用默認(rèn)物理信道配置。

（2） 應(yīng)用默認(rèn)半靜態(tài)調(diào)度配置。

（3） 應(yīng)用默認(rèn)MAC主配置。

（4） 開啟計時器T304。

（5） 進行目標(biāo)小區(qū)下行同步。

（6） 應(yīng)用目標(biāo)小區(qū)上行下行帶寬、載波頻率、物理小區(qū)標(biāo)識ID以及UE在目標(biāo)小區(qū)中的C?RNTI。

（7） 進行無線資源配置過程。

（8） 把nas?Security Param To EUTRA信元轉(zhuǎn)發(fā)給高層。

（9） 導(dǎo)出密鑰KeNB，存儲next Hop Chaining Count值，根據(jù)指定算法導(dǎo)出KRRCint，KRRCenc和KUPenc。

（10） 對低層進行配置，啟用完整性保護算法和相應(yīng)密鑰以及加密算法和相應(yīng)密鑰，即在接下來的所有上行和下行消息（包括指示本過程成功完成的消息）中開始進行完整性保護和加密。

（11） 如果RRC連接重配置消息中包括了measConfig信元，則要進行測量配置過程。

（12） 發(fā)送RRC連接重配置完成消息。

（13） 啟動計時器T310和T311。

（14） 如果MAC成功完成隨機接入過程，則停止計時器T304，有一些測量和無線資源配置需要在UE捕獲了目標(biāo)小區(qū)的SFN后才能進行，如測量間隔、周期性CQI報告、調(diào)度請求配置、測量RS配置等。因此UE可以先進行部分無需目標(biāo)小區(qū)SFN就能進行的配置，在捕獲目標(biāo)小區(qū)的SFN后，再進行剩余的配置。配置過程結(jié)束后，UE進入E?UTRA RRC連接態(tài)。

2.1.2 從E?UTRAN到其他RA7的移動

如圖2所示，當(dāng)UE在E?UTRAN中已經(jīng)建立了SRB和DRB時，或僅建立了SRB時，eNodeB可以發(fā)起本過程，把這個處于RRC連接態(tài)的UE從E?UTRAN移動到其他RAT，如GERAN， UTRAN或CDMA2000系統(tǒng)。從E?UTRA移動到其他RAT包括：從E?UTRAN到UTRAN或CDMA2000的“切換”，即目標(biāo)小區(qū)要為UE的切換分配好無線資源；從E?UTRAN到GERAN的“小區(qū)更改命令”，即只為UE的切換提供接入GERAN目標(biāo)小區(qū)、建立連接的一些輔助信息，如系統(tǒng)信息等。

在E?UTRAN網(wǎng)絡(luò)側(cè)，E?UTRAN通過向UE發(fā)送離開E?UTRA的命令消息，發(fā)起離開E?UTRA的過程。E?UTRA僅在接入層安全功能被激活時才發(fā)起本過程。在UE側(cè)，進行如下操作。

（1） 如果E?UTRAN的消息中給出的移動目的是“切換”，UE根據(jù)目標(biāo)RAT的規(guī)范，使用己經(jīng)為UE分配好的目標(biāo)小區(qū)資源，接入到目標(biāo)小區(qū)，如果目標(biāo)小區(qū)RAZ為GERAN，UE根據(jù)消息中提供的系統(tǒng)信息接入目標(biāo) GERAN小區(qū)。

（2） 如果E?UTRAN的消息中給出的移動目的是“小區(qū)更改命令”，這意味著肯定是移動到GERAN系統(tǒng)，UE根據(jù)消息中提供的系統(tǒng)信息接入目標(biāo)GERAN小區(qū)，建立和目標(biāo)小區(qū)的連接。

2.2 切換相關(guān)的SIAP信令交互過程

在描述本過程時假設(shè)：MME沒有重定位且目標(biāo)小區(qū)也在E?UTRAN中，通過S1接口進行切換，如圖3所示。

（1） 源eNodeB向服務(wù)MME發(fā)切換請求消息，并開啟一個計時器TS 1 RELOCprep，切換請求消息中主要包括Source eNB to Target eNB Transparent Container信元，該信元要通過MME透傳給目標(biāo)eNodeB，如果該信元中的DLforwarding信元被設(shè)為“建議DL轉(zhuǎn)發(fā)”，表示源eNodeB建議對下行數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。如果存在從源eNodeB到目標(biāo)eNodeB的直傳路徑，則切換請求消息中可以放入一個Direct Forwarding Path Availability信元。如果需要進行SRVCC操作，則切換請求消息中應(yīng)該放入SRVCC HO Indication信元。

E?UTRAN中的SIAP過程

（2） MME向目標(biāo)eNodeB發(fā)切換請求消息。如果切換請求消息中包括切換限制列表，目標(biāo)eNodeB把這個列表添加到UE上下文中，表示UE在某些區(qū)域接入受限。如果切換請求消息沒有切換限制列表，目標(biāo)eNodeB認(rèn)為UE沒有任何接入限制。一旦接收到切換請求消息，目標(biāo)eNodeB把接收到的UE安全能力信息寫入UE上下文，目標(biāo)eNodeB將根據(jù)它來配置和UE相關(guān)的各種接入層安全配置；目標(biāo)eNodeB把接收到的安全上下文添加到UE上下文中，并用它導(dǎo)出各種安全配置。

（3） 一旦目標(biāo)eNodeB為所有可以接納的E?RAB保留好了必須的資源，目標(biāo)eNodeB生成一個切換請求確認(rèn)消息，消息中包含兩個列表：所有目標(biāo)eNodeB接納的E?RAB列表和所有目標(biāo)eNodeB不能接納的E?RAB列表。對于目標(biāo)eNodeB接納的E?RAB，如果需要進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，則目標(biāo)eNodeB要為這些E?RAB分配TEID和下行傳輸層地址（即eNodeB的傳輸?shù)刂罚⒏皆谇袚Q請求確認(rèn)消息中回復(fù)給MME。

（4） 源eNodeB收到服務(wù)MME發(fā)切換命令消息，則停止計時器TS 1 RELOCprep，開啟另一個計時器TS 1 RELOCOverall。切換命令消息中主要包括Target to Source Transparent Container信元，該信元是由目標(biāo)eNodeB通過MME透傳給源eNodeB的。如果eNodeB不能接納某個E?RAB，目標(biāo)eNodeB會把該E?RAB列入E?RA.Bs to List信元中。如果切換命令消息中包含了為某個需要進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的E?RAB分配的GTP TEID和傳輸層地址，則表示目標(biāo)eNodeB接收源eNodeB提出的對該E?RAB的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)要求。

（5） 在LTE內(nèi)部的S1切換中，eNodeB狀態(tài)轉(zhuǎn)移是把每個具有PDCP?SN和I?IFN狀態(tài)保留功能的E?RAB的上行PDCP?SN和HFIvT接收狀態(tài)以及下行PDCP?SN和HFN發(fā)射狀態(tài)從源eNodeB通過MME轉(zhuǎn)移到目標(biāo)eNodeB。eNodeB在它認(rèn)為合適的發(fā)射和接收停止時刻，停止為下行PDCP SDU分配PDCP序列號，并向服務(wù)MME發(fā)eNodeB狀態(tài)轉(zhuǎn)移消息。消息中包括所有具有PDCP?SN和HFN狀態(tài)保留功能的E?RAB列表以及每個E?RAB的上下行PDCP?SN和HSFN參數(shù)。上行PDCP?SN和HFN是第一個丟失的上行PDCP SDU的PDCP?SN和HFN，相當(dāng)于為目標(biāo)eNodeB保留上行PDCP的一個斷點，目標(biāo)eNodeB可以根據(jù)斷點要求UE重傳；下行PDCP?SN和HFN是要求目標(biāo)eNodeB為從服務(wù)網(wǎng)關(guān)接收到的第一個PDCP SDU分配的PDCP?SN和HFN號。

（6） MME使用MME狀態(tài)轉(zhuǎn)移消息把源eNodeB的“eNodeB狀態(tài)”傳給目標(biāo)eNodeB。目標(biāo)eNodeB不會上傳任何PDCP序列號小于消息中給出的上行PDCP序列號的PDCP SDU；同時目標(biāo)eNodeB會根據(jù)消息中給出的下行PDCP序列號為下行PDCP SDU分配PDCP序列號。

（7） 當(dāng)UE已經(jīng)切換到目標(biāo)小區(qū)后，如果目標(biāo)eNodeB和服務(wù)MME之間的連接已經(jīng)建立，目標(biāo)eNodeB向服務(wù)MME發(fā)切換通報消息，通知MME基于S1的切換成功完成。

3 結(jié) 語

3G/4G多模終端的可操作性技術(shù)，不僅對三網(wǎng)融合有極大的推動作用，而且還能使通信設(shè)備制造商在未來的4G市場占有重要的一席之地，現(xiàn)在的研究熱潮是越來越高。

從LTE發(fā)展角度來講，在初期網(wǎng)絡(luò)融合不完善，跨小區(qū)和跨制式切換不一定能夠時時成功建立連接，具有3G/4G多模可操作性的芯片終端還不夠成熟，推出多模數(shù)據(jù)卡，是一個很不錯的發(fā)展方向。這種LTE多模數(shù)據(jù)卡可以做成單獨的卡，也可以廣泛集成到平板電腦、上網(wǎng)本、筆記本電腦、攝像機、車載GPS中去，將LTE以及TD等移動網(wǎng)絡(luò)做成這些產(chǎn)品上網(wǎng)的可選網(wǎng)絡(luò)之一。這些設(shè)備可以通過網(wǎng)線、WiFi，LTE，TD，GSM等去訪IG網(wǎng)絡(luò)。

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