4G下切3G定位算法策略研究

胡曉丹

摘 要： 定位技術是無線傳感器網絡的支撐技術之一，針對無線傳感器網絡低成本、低能耗的要求，在繼承DV?Hop定位算法優點的基礎上，提出根據跳數來調節節點定位過程中的數據包接收量即LDV?Hop定位算法。傳感器網絡是計算機科學技術的一個新的研究領域，節點定位技術是傳感器網絡關鍵技術之一，傳感器節點采集到的數據必須結合其位置信息才有意義，沒有位置信息的數據幾乎沒有利用價值。

關鍵詞： 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，移動通信系統中的無線資源非常匱乏，而這些無線資源成為限制系統性能的主要方面。因此，需要在移動通信系統中，對這些無線資源進行合理的分配，為系統用戶上的不同業務進行服務，從而使系統中的資源能夠得到有效的利用。優化的資源分配方案可以有效提高移動通信系統的性能，無線資源分配的目標是在滿足用戶對應業務的服務質量的前提下，盡可能有效地利用這些有限的無線資源達到更高的系統頻譜效率以及系統容量等其他性能，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）移動通信系統中，主要是以傳統的話音業務為主，系統中無線的頻譜資源用于服務此類業務的用戶，所以需要在系統中進行無線頻譜規劃。在第三代（Third Generation，3G）寬帶移動通信系統中，由于分組數據業務的發展，使得系統中同時存在話音業務和數據業務，所以在第三代移動通信系統中，需要對無線資源進行合理調配來同時滿足用戶的話音和數據業務的性能需求。而“超三代”和第四代（Beyond3G/Forth Generation，B3G/4G）移動通信系統是以正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiple，OFDM）為基礎的寬帶系統。在此類系統中，系統容量和整體性能都是干擾受限的，由于OFDM技術能保證小區內的資源正交，小區間的同頻干擾將是限制并影響這類系統性能的主要因素，所以在未來移動通信系統進行資源分配時，需要考慮如何協調系統的干擾，使得系統性能得到最好的發揮。目前移動通信的業務趨向于多樣化，在一個系統中同時存在多種業務的混合。而每一種業務都有相應的性能需求：普通的無時延需求的數據業務的性能指標是系統吞吐量和用戶公平性；而流媒體等業務也有不同的最低性能需求，即服務質量（Quality of Service，QoS）需求；基于IP的話音業務對時延要求也很嚴格。此外，B3G/4G系統的目的是為移動終端提供高速的數據業務，所以在混合業務的系統中如何合理分配資源來滿足不同業務的需求尤為重要。

1 相關綜述

1.1 3G概述

3G（第三代移動通信技術）是指支持高速數據傳輸的蜂窩移動通信技術，能同時傳送聲音及數據信息，速率一般在幾百kbps以上。目前3G存在四種標準：CDMA2000，WCDMA，TD?SCDMA，WiMAX。國際電聯確定的三個無線接口標準分別是美國CDMA2000，歐洲WCDMA（寬帶碼分多址），中國TD?SCDMA（時分同步碼分多址）。TD?SCDMA為中國自主研發的3G標準，已被國際電信聯盟接受，業界將WCDMA技術作為3G的主流技術。國內支持的三個無線接口標準分別是中國移動的TD?SCDMA，中國電信的CDMA2000，中國聯通的WCDMA。中國是全球惟一運營所有以上三種制式的國家。3G系統致力于為用戶提供更好的語音、文本和數據服務。3G技術的優點是能極大地增加系統容量、提高通信質量和數據傳輸速率。此外利用在不同網絡間的無縫漫游技術，可將無線通信系統和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。

1.2 4G概述

隨著對帶寬需求的增加，通信技術的發展一度出現2.5G和2.75G的中間過渡代。當3G移動業務剛剛邁出腳步，就出現了支持語音、數據和視頻三種格式的傳輸技術高速下行鏈路分組接入技術。與此同時，真正意義上的寬帶數據速率標準4G概念也開始出現，它包括寬帶無線固定接入、寬帶無線局域網、移動寬帶系統、互操作的廣播網絡和衛星系統等，將是多功能集成的寬帶移動通信系統，可以提供的數據傳輸速率高達100 Mb/s甚至更高，也是寬帶接入IP系統。

4G也稱為廣帶接入和分布網絡。具有超過2 Mb/s的非對稱數據傳輸能力，對高速移動用戶能提供150 Mb/s的高質量影像服務，并首次實現三維圖像的高質量傳輸。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網。移動廣帶系統和互操作的廣播網絡（基于地面和衛星系統），是集多種無線技術和無線LAN 系統為一體的綜合系統，也是寬帶IP接入系統。在這個系統上，移動用戶可以實現全球無縫漫游，為了進一步提高其利用率，滿足高速率、大容量的業務需求，該系統同時克服高速數據在無線信道下的多徑衰落和多徑干擾等眾多優勢。簡單而言，4G是一種超高速無線網絡，一種不需要電纜的信息超級高速公路。這種新網絡可使電話用戶以無線形式實現全方位虛擬連接。4G最突出的特點之一，就是網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需求。

2 4G下切3G定位算法

2.1 切換相關的RRC信令交互過程

RRC連接態的UE在E?UTRAN中進行移動的一般原則如下：在E?UTRAN中，網絡控制RRC連接態UE的移動，即網絡來決定UE應該進入哪個小區、哪個頻點或哪個RAT。根據無線條件或負載情況等，網絡會觸發切換過程。為了實施切換，網絡可以配置UE的測量參數，要求UE進行測量并提供測量報告；網絡還可以發起盲切換，即在沒有UE測量報告的情況下實施切換。在給UE發送切換消息之前，源eNodeB為切換準備一個或多個目標eNodeB。目標eNodeB生成用于進行切換的消息，消息中包括目標小區中的接入層詳細配置信息，源eNodeB把該消息透傳給UE。等到合適的時間，源eNodeB發起DRB的轉發。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小區，也就是說，切換是異步的。因此如果目標小區為這個隨機接入分配了一個專用前綴（Preamble），應該確保其在UE第一個可能的RACH時刻就可用。一旦完成切換，UE給目標eNodeB發一個切換完成確認消息。在成功完成切換后，對于使用RLC?AM模式的DRB，目標eNodeB可能會重傳PDCP的SDU，這時原SN和HFN也會保留下來繼續使用；對于使用非RLC?AM模式（UM和TM模式）的DRB，SN和HFN會被重新設置。UE在切換過程中不用理會網絡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會嘗試在源小區或另一個也做好了切換準備的小區使用RRC連接重建立過程，重新發起RRC連接。

2.1.1 切換到E?UTRAN的切換過程

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

網絡側，其他RA7接入網發起切換到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EPS承載關聯的DRB）。準備工作完成后，eNodeB通過其他RAT的接入網向UE發RRC連接重配置消息。

在UE側，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。

（1） 應用默認物理信道配置。

（2） 應用默認半靜態調度配置。

（3） 應用默認MAC主配置。

（4） 開啟計時器T304。

（5） 進行目標小區下行同步。

（6） 應用目標小區上行下行帶寬、載波頻率、物理小區標識ID以及UE在目標小區中的C?RNTI。

（7） 進行無線資源配置過程。

（8） 把nas?Security Param To EUTRA信元轉發給高層。

（9） 導出密鑰KeNB，存儲next Hop Chaining Count值，根據指定算法導出KRRCint，KRRCenc和KUPenc。

（10） 對低層進行配置，啟用完整性保護算法和相應密鑰以及加密算法和相應密鑰，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捕獲了目標小區的SFN后才能進行，如測量間隔、周期性CQI報告、調度請求配置、測量RS配置等。因此UE可以先進行部分無需目標小區SFN就能進行的配置，在捕獲目標小區的SFN后，再進行剩余的配置。配置過程結束后，UE進入E?UTRA RRC連接態。

2.1.2 從E?UTRAN到其他RA7的移動

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

在E?UTRAN網絡側，E?UTRAN通過向UE發送離開E?UTRA的命令消息，發起離開E?UTRA的過程。E?UTRA僅在接入層安全功能被激活時才發起本過程。在UE側，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根據目標RAT的規范，使用己經為UE分配好的目標小區資源，接入到目標小區，如果目標小區RAZ為GERAN，UE根據消息中提供的系統信息接入目標 GERAN小區。

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

2.2 切換相關的SIAP信令交互過程

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

（1） 源eNodeB向服務MME發切換請求消息，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eNodeB，如果該信元中的DLforwarding信元被設為“建議DL轉發”，表示源eNodeB建議對下行數據進行數據轉發。如果存在從源eNodeB到目標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該放入SRVCC HO Indication信元。

E?UTRAN中的SIAP過程

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

（3） 一旦目標eNodeB為所有可以接納的E?RAB保留好了必須的資源，目標eNodeB生成一個切換請求確認消息，消息中包含兩個列表：所有目標eNodeB接納的E?RAB列表和所有目標eNodeB不能接納的E?RAB列表。對于目標eNodeB接納的E?RAB，如果需要進行數據轉發，則目標eNodeB要為這些E?RAB分配TEID和下行傳輸層地址（即eNodeB的傳輸地址），并附在切換請求確認消息中回復給MME。

（4） 源eNodeB收到服務MME發切換命令消息，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eNodeB通過MME透傳給源eNodeB的。如果eNodeB不能接納某個E?RAB，目標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據轉發的E?RAB分配的GTP TEID和傳輸層地址，則表示目標eNodeB接收源eNodeB提出的對該E?RAB的數據轉發要求。

（5） 在LTE內部的S1切換中，eNodeB狀態轉移是把每個具有PDCP?SN和I?IFN狀態保留功能的E?RAB的上行PDCP?SN和HFIvT接收狀態以及下行PDCP?SN和HFN發射狀態從源eNodeB通過MME轉移到目標eNodeB。eNodeB在它認為合適的發射和接收停止時刻，停止為下行PDCP SDU分配PDCP序列號，并向服務MME發eNodeB狀態轉移消息。消息中包括所有具有PDCP?SN和HFN狀態保留功能的E?RAB列表以及每個E?RAB的上下行PDCP?SN和HSFN參數。上行PDCP?SN和HFN是第一個丟失的上行PDCP SDU的PDCP?SN和HFN，相當于為目標eNodeB保留上行PDCP的一個斷點，目標eNodeB可以根據斷點要求UE重傳；下行PDCP?SN和HFN是要求目標eNodeB為從服務網關接收到的第一個PDCP SDU分配的PDCP?SN和HFN號。

（6） MME使用MME狀態轉移消息把源eNodeB的“eNodeB狀態”傳給目標eNodeB。目標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eNodeB會根據消息中給出的下行PDCP序列號為下行PDCP SDU分配PDCP序列號。

（7） 當UE已經切換到目標小區后，如果目標eNodeB和服務MME之間的連接已經建立，目標eNodeB向服務MME發切換通報消息，通知MME基于S1的切換成功完成。

3 結 語

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

從LTE發展角度來講，在初期網絡融合不完善，跨小區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，推出多模數據卡，是一個很不錯的發展方向。這種LTE多模數據卡可以做成單獨的卡，也可以廣泛集成到平板電腦、上網本、筆記本電腦、攝像機、車載GPS中去，將LTE以及TD等移動網絡做成這些產品上網的可選網絡之一。這些設備可以通過網線、WiFi，LTE，TD，GSM等去訪IG網絡。

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