LTE-TD双模终端切换过程的ERRC研究与实现

彭大芹，张文英，邓 江

(1.重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065;2.重庆重邮信科通信技术有限公司，重庆 400065)

0 引言

面对巨大的市场需求和世界通信技术演进的必然趋势、时分同步码分多址(time division-synchronous code division multiple access，TD-SCDMA)技术的广泛应用、长期演进(long term evolution，LTE)技术的研究与商用前景的日趋成熟，通信网络投资巨大，在时分双工(time division duplex，TDD)模式的LTE系统(TD-LTE)演进的过程中，如何挖掘和利用已有TD-SCDMA网络资源，实现平滑演进，如何实现多制式共存，保护运营商投资是需要业界研究的课题。这就要求设备能够在平滑演进的基础上实现两网共模组网，即用一套设备同时支持TD-SCDMA和TD-LTE 2种制式，运营商现在在TD-SCDMA和TD-LTE网络上的投资就能在网络发展中实现价值最大化。TD-SCDMA/TD-LTE(本文中称为 LTE-TD)双模终端的研究与发展不但符合电信运营发展的规律，有利于运营商对资源的充分利用，而且能够使用户平滑过渡到TD-LTE网络。

本文根据第3代合作伙伴计划(3rd generation partnership project，3GPP)协议标准对LTE-TD双模终端切换过程的LTE侧无线资源控制(radio resource control，RRC)(本文中称为ERRC)子层进行了深入研究;设计了ERRC状态机和层间交互接口原语;通过规范和描述语言(specification and description language，SDL)/树表结合表示法(tree and tabular combined notation，TTCN)协仿真测试验证平台验证了双模切换过程的ERRC的实现符合3GPP一致性协议标准。

1 TD-SCDMA与TD-LTE的结构简介

1.1 TD-SCDMA与TD-LTE的接入网结构

TD-SCDMA与ID-LTE的接入网结构。如图1所示。

图1 接入网结构Frg.1 Access network structure

TD-SCDMA系统的网络结构完全遵循3GPP指定的全球移动通信系统(mobile telecommunications system，UMTS)网络结构，由核心网(core network，CN)和UMTS陆地无线接入网(universal terestrial radio access network，UTRAN)通过Iu接口连接组成［1］。其中，UTRAN由多个无线网络控制器(radio network controller，RNC)和RNC所控制的NodeB构成，每个RNC控制多个NodeB。NodeB负责接收和发送用户终端(user equipment，UE)的无线信号。RNC负责控制无线资源，包括频率、扰码、扩频码、功率等。

LTE系统由核心网部分移动性管理实体(mobile management entity，MME)/服务网关(servicegateway，S-GW)和接入网演进型 UTRAN(evolved UTRAN，E-UTRAN)构成。其中E-UTRAN由众多相互通过X2接口相连的演进型NodeB(evolved node B，eNB)节点构成，同时eNB通过S1接口与核心网相连［2］，其主要功能为无线资源的管理、寻呼和系统消息的调度与传输等。

E-UTRAN采用扁平化的网络架构，只包含eNB一个功能实体，简化了网络架构和降低了时延，使得无线接入网协议层之间的交互更加紧密，减少了反应事件，提高了流程之间的效率。

1.2 LTE系统控制平面协议栈架构

LTE控制平面协议栈结构如图2所示。非接入层(non-access stratum，NAS)和RRC层是控制平面最重要的部分，而RRC层是整个接入层的控制中心，同时为非接入层提供接口。RRC层主要承担广播、寻呼、RRC连接、移动性、UE测量控制和上报管理等功能。

图2 LTE控制平面协议栈架构Frg.2 LTE protocol stack architecture

2 切换过程研究

2.1 E-UTRAN的系统间切换原理

1)系统间(inter-radio access technology，inter-RAT)切换是网络端通过源端接入系统控制。源端接入系统给目标系统准备和提供符合目标系统格式命令要求的必要信息，即由源端系统来适应目标系统。实际的切换执行是由源端系统决定［3］。

2)系统间切换也就是后向切换，即在源端3GPP接入系统命令UE切换到目标3GPP接入系统前，目标3GPP接入系统已准备好无线资源。

3)为了能够与E-UTRAN进行系统间切换，并且在接入网端接口不可用的同时，在服务GPRS支持节点(serving GPRS support node，SGSN)和相应的MME/S-GW间存在一个控制接口。

4)目标接入系统将给UE精确地指出怎样在目标接入系统中进行无线接入(包括无线资源配置，目标小区系统信息等)，在切换准备阶段提供这些信息，并且通过源端接入系统将这些信息完全透明传输给UE。

5)避免和减少丢失用户数据(如发送)的机制可使用直到3GPP Anchor决定将下行链路用户平面数据直接发送到目标系统。

6)由于数据是在目标系统中开始循环，切换过程不需要任何UE到CN的信令序列。在切换过程中，需要在源端和目标系统间的网络传输安全上下文信息、UE能力上下文信息和服务质量(quality of service，QoS)上下文信息。

7)即使目标小区/频率没有执行优先的UE测量，仍支持网络控制移动性终端，即支持“盲切换”。

2.2 测量过程

对于E-UTRAN至UTRAN的RAT间切换，UE收到来自网络的 RRCConnectionReconfiguration消息，ERRC根据该消息中的测量配置信息进行测量参数配置或更新，包括测量目标小区频点信息、测量量和报告准则等信息;然后将部分配置参数发送给物理层，指示物理层进行测量;物理层将测量结果上报给ERRC，在ERRC子层进行测量结果评估，满足触发准则就向网络发送测量报告;网络侧根据收到的测量报告内容作出是否触发切换过程的判决。

2.3 LTE-TD的切换过程

如果网络判断满足系统间切换触发条件，EUTRAN就会向处在RRC_CONNECTED状态的UE发送MobilityFromEUTRACommand消息，触发E-UTRAN到UTRAN的切换。仅当接入层(access stratum，AS)安全已经被激活，并且建立了至少携带一个数据无线承载(data radio bearer，DRB)的信令，且该信令无线承载2(signalling radio bearer，SRB2)没有被挂起时才会发起LTE到TD的系统间切换流程［4］。

UE接收MobilityFromEUTRACommand消息，UE将进行以下操作。

1)如果T310定时器处于开启状态，就停止正在运行的T310定时器，该定时器用于评估无线链路失败，在切换时无需对服务小区无线链路进行评估，因此，需将已开启的T310定时器关闭;

2)MobilityFromEUTRACommand消息包括的purpose设置为‘handover’，设置 targetRAT-Type为‘utra’，表示向UTRAN发起RAT间切换，并向NAS层传输包含用于激活TD-SCDMA模式下安全性密钥参数的nas-SecurityParamFromEUTRA，按照规范，接入UTRAN目标小区［5］。

在成功完成切换后，UE将离开 RRC_CONNECTED状态，进行以下操作。

1)重置媒体接入控制(medio access control，MAC)，使MAC的相关状态变量和定时器复位;

2)停止所有正在运行的定时器，除了T320定时器;

3)释放所有的无线资源，对于所有建立的无线承载而言，包括无线链路控制(radio link control，RLC)实体、MAC配置以及相关的报文数据汇集协议(packet data convergence protocol，PDCP)实体的释放;

4)向上层指示RRC连接的释放，其释放原因为‘other’。

3 切换过程实现

3.1 ERRC有限状态机与接口信号设计

为了将各个进程描述清楚，分别将LTE系统协议栈各个子层设计为一个独立的有限状态机(finite state machine，FSM)，各个状态机间通过接口信号进行通信。

1)接口信号设计。接口信号设计如图3所示。

图3 接口信号设计Frg.3 Design of signal interface

2)有限状态机设计。在实现过程中，根据ERRC在双模系统中的功能和系统间切换需求，将ERRC涉及的状态划分为 RATHO，INACTIVE，DCH，SEL，RES。其中，RATHO为ERRC指示URRC进行切换后的过渡状态;INACTIVE为ERRC收到URRC切换成功指示释放LTE资源后的去激活状态;DCH为连接状态，在此状态下UE可以与网络进行正常的信令、数据交互;SEL为小区选择状态，在此状态下UE尝试选择一个合适小区或可接受小区进行驻留［6］，此时，不使用任何频率或接入技术优先级信息;RES为重选状态，在空闲状态下发现更适合驻留的小区，UE将进入该状态尝试驻留到新发现的小区上，如果当前服务小区已经不满足驻留条件或RRC连接释放，UE进入该状态下尝试寻找一个合适小区进行驻留。

ERRC状态机在运行过程中可以在这些状态中跳转，图4为这些状态间的跳转关系以及典型触发信号。

图4 状态机转移Frg.4 Transformation of state machine

3.2 LTE-TD双模终端切换成功流程设计

LTE-TD双模终端切换成功流程如图5所示。

图5 LTE-TD双模终端切换成功流程Frg.5 Success handover procedure of LTE-TD dual-mode terminals

图5流程中的ERRC子层进行以下操作。

1)UE收到网络的RRCConnectionReconfiguration消息，ERRC根据该消息中的测量配置信息进行测量参数配置或更新，并给 EMAC发送原语 a:CMAC_DCH_MEAS_REQ_LTE，要求EMAC通知物理层根据配置信息进行TD小区的相关测量。

2)ERRC接收到EMAC发送的携带测量结果的原语b:CMAC_DCH_MEAS_IND_LTE后，ERRC对测量上报结果进行评估，满足触发准则就向E-UTRAN发送测量报告。网络侧根据收到的测量报告内容作出是否触发切换过程的判决。

3)如果网络判断满足系统间切换触发条件，将向UE发送异系统切换命令—MobilityFromEUTRACommand，UE底层正确收到该消息后通过原语c:CPDCP_DATA_IND指示给ERRC子层;收到此消息后，首先对该消息进行ASN.1解码操作，如果UE判断该消息合法，保存相关配置信息，准备发起系统间切换过程，否则忽略该消息。

4)ERRC通过原语d:CMAC_IRAT_DEACT_REQ_LTE通知 EMAC层去激活 LTE的 DSP。EMAC层在收到该原语后通过原语e:EL1_IRAT_INACTIVE_REQ立即通知DSP进行去激活。DSP去激活完成后通过原语k:EL1_IRAT_INACTIVE_CNF告知EMAC去激活完成。

5)ERRC通过原语f:ERR_IRAT_HO_START_IND来通知MMC模块LTE到TD的切换开始，并通过原语h:ERR_IRAT_HO_DATA_IND将Mobility-FromEUTRACommand消息中用于提取LTE系统安全性密钥的数据(nas-SecurityParamFromEUTRA)传递给MMC，MMC进行安全性参数更新。MMC安全性参数更新完毕后通过原语i:URR_NEW_PARAM_REQ通知URRC新的安全性参数。

6)ERRC通过原语g:URRC_HO_REQ通知URRC进行切换，在该原语中包含了TD系统切换时所需要的消息数据。URRC在收到切换请求后会指示UMAC层进行切换。

7)ERRC将状态跳转到RATHO状态，等待URRC切换结果指示，在该状态下除了URRC的切换结果指示原语ERRC不处理任何原语。

8)URRC向UMAC层发送原语j:CMAC_DCH_CONFIG_REQ进行配置，UMAC层在通过EMAC的回调函数查询到LTE模块的DSP去激活完成后才会发起TD目标小区的随机接入过程。

9)当ERRC处于RATHO状态下收到URRC的原语l:URRC_HO_CNF后，认为LTE到TD系统的切换成功，ERRC将释放LTE的系统资源。

10)ERRC通过原语m:ERR_IRAT_HO_COMPLETE_IND通知MMC切换完成。

11)ERRC发送原语n:CMAC_DEACT_REQ_LTE给EMAC，由于EMAC在收到HL1的原语EL1_IRAT_DEACT_CNF后已经将状态跳转为IRAT状态，在收到该原语后EMAC不做操作。

12)根据ERRC侧保存的RB配置，通过原语o:CRLC_DEACT_REQ_LTE释放RLC层的除SRB0外的所有RB实体。通过原语p:CPDCP_RELEASE_REQ_LTE释放PDCP层除SRB0外的所有RB实体。

13)对ERRC连接下保存无线资源的结果变量进行清除，并将ERRC状态跳转到INACTIVE。

在TD侧的随机接入过程失败会导致LTE到TD的系统间切换失败，由于篇幅原因，在这里不对此异常流程进行描述。

4 切换过程测试与验证

为了验证实现LTE-TD双模切换过程的ERRC设计的正确性，以SDL/TTCN为测试平台利用协仿真方式对ERRC子层进行测试验证，如图6所示。其中，用SDL来模拟ERRC子层的状态机设计和信号收发过程，在TTCN中根据3GPP提供的一致性测试协议36.523描述编写相应的测试用例［7］;通过SDL/TTCN协仿真的方式来进行测试和验证。

图6 ERRC测试例Frg.6 Test case of ERRC

待SDL模拟的ERRC状态机设计和信号收发过程与TTCN中编写的测试例均能成功编译通过，生成可执行文件后，通过SDL/TTCN协仿真方式对实现的ERRC进行测试和验证，最终测试例通过的流程如图7所示。

图7的ERRC子层SDL/TTCN协仿真测试结果，其流程与3.2节中设计的流程一致，验证通过［8］。

图7 ERRC的验证结果Frg.7 Verification results of ERRC

5 总结

本文通过SDL/TTCN仿真测试验证平台的测试例运行结果，验证了双模切换的ERRC的设计与实现符合3GPP协议规范。在今后的工作中，将进一步对LTE-TD的双模终端其他切换方向与异常情况进行研究。

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