LTE网络的切换过程解析

第一章介绍第一章介绍1.1研究背景1.1.1移动通信的演进现代移动通信技术的发展始于上世纪20年代，大致经历了五个发展阶段[1]。第一阶段从上世纪20年代至40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2MHz，到40年代提高到30～40MHz,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40年代中期至60年代初期。在此期间内，公用移动通信业务开始问世。1946年，根据美国联邦通信委员会(FCC)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120kHz，通信方式为单工。第三阶段从上世纪60年代中期至70年代中期。在此期间，美国推出了改进型移动电话系统(IMTS)，使用150MHz和450MHz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70年代中期至80年代中期。这是移动通信蓬勃发展时期。1978年底，美国贝尔试验室研制成功先进的移动电话系统(AMPS)，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80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2G、2.5G、3G、4G等。2G主要采用的是数字的时分多址(TDMA)技术和码分多址(CDMA)技术，与之对应的是全球主要有GSM和CDMA两种体制。GSM技术用的是窄带TDMA，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900～1800MHz之间的数字移动电话系统，频率为1800MHz的系统也被美国采纳。GSM是1991年开始投入使用的。到1997年底，已经在100多个国家运营，成为欧洲和亚洲实际上的标准。GSM数字网也具第一章介绍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。CDMA的意思就是CodeDivisionMultipleAccess（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。CDMA就是说，系统给每个用户分配了一个“Code（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。CDMA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TDMA容量的6倍以上。针对GSM通信出现的缺陷，人们在2000年又推出了一种新的通信技术GPRS，该技术是在GSM的基础上的一种过渡技术。GPRS的推出标志着人们在GSM的发展史上迈出了意义最重大的一步，GPRS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IP和X.25分组数据接入服务。在这之后，通信运营商们又推出EDGE技术，这种通信技术是一种介于2G和3G之间的过渡技术，因此也有人称它为“2.5G”技术，它有效提高了GPRS信道编码效率的高速移动数据标准，它允许高达384KbPs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。3G技术目前全球有三大标准，分别是欧洲提出的WCDMA、美国提出的CDMA2000和我国提出的TD-SCDMA。与之前的1G和2G相比，3G拥有更宽的带宽，其传输速度最低为384K，最高为2M，带宽可达5MHz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Internet。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。4G是集3G与WLAN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。4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到50Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。1.1.2LTE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3GPP在2004年底启动了其长期演进(LTE)技术的标准化工作。希望达到以下几个主要目标：保持3GPP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代移动第一章介绍通信系统的频谱，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TD-LTE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TD-LTE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。LTE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1.25MHz、1.6MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz的带宽设置，从技术上保证3GPPLTE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3GPPLTE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100Mb/s，上行峰值速率50Mb/s；频谱利用率为HSPA的2～4倍，用户平均吞吐量为HSPA的2～4倍。为保证3GPPLTE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5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态的迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms，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。1.1.3LTE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，LTE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2009年10月28日通过使用商用基站和标准软件完成了全球首个LTE切换测试，该项测试完全符合3GPPLTE标准。在这初步测试中，切换在诺基亚西门子公司的LTE小区间进行，移动终端在呼叫过程中穿过LTE小区，第一章介绍完成了小区间的无缝连接。2010年8月，诺西顺利通过工信部制定的TD-LTE完整集测试，并与三星完成全球首例TD-LTE高清视频呼叫切换。诺基亚西门子通信的切换测试不仅使LTE在商业部署上又迈进了一步，也为LTE小区切换提供了可靠的测试方案。在LTE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LTE系统小区切换的几个特点[3]：1、在LTE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LTE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、LTE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LTE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LTE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LTE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LTE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UE相关的所有信息和缓存数据从源eNodeB传递到目的eNodeB。在UE端为保证切换时数据的完整性也需要通过PDCP和RLC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LTE系统的协议栈层次，对于LTE系统的FDD和TDD制式区别不大，我们对协议栈软件的设计目标是支持FDD和TDD两种模式。基于1.1.3节所介绍的LTE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：第一章介绍1、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AS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UE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TD-SCDMA，终端匮乏成为一直困扰其发展的一大难题。在TD-LTE发展伊始，中国移动便强调TD-LTE的发展要做到端到端，芯片产业要尽早发展壮大，但是目前TD_LTE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TD_LTE终端芯片的研发仍处于一个相对滞后的状况。第一章介绍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TD_LTE产业链的快速发展，在业界很早就展开了TD_LTE终端芯片的研发工作，目前已完成了第一款TD_LTE终端通信芯片设计开发和功能测试，树立了在行业的领先地位。我所参与开发的LTE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IOT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，