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TDLTE系统移动性和无线资源管理
第七章TD-LTE系统移动性和无线资源管
理
7.1移动性管理
7.1.1概述
移动性管理是蜂窝移动通信系统必备的机制,能够辅助TD-LTE系统实现负载均衡、提
[1]
高用户体验以及系统整体性能。
移动性管理主要分为两大类:
空闲状态下的移动性管理和
连接状态下的移动性管理。
空闲状态下的移动性管理主要通过小区选择/重选来实现,由UE
控制;连接状态下的移动性管理主要通过小区切换来实现,由eNodeB控制。
本节对两种状
态下的移动性管理分别进行介绍[2~3]
。
7.1.2小区选择/重选
UE处于空闲状态时会驻留在某个小区上。
由于UE会在驻留小区内发起接入,因此,
为了平衡不同频点之间的随机接入负荷,需要在UE进行小区驻留时尽量使其均匀分布,这
是空闲状态下移动性管理的主要目的之一。
为了达到这一目的,LTE引入了基于优先级的小
区重选过程。
空闲状态下的UE需要完成的过程包括公共陆地移动网络(PLMN)选择、小区选择/
重选、位置登记等。
一旦完成驻留,UE可以进行以下操作。
z
z
z
读取系统信息(例如,驻留、接入和重选相关信息,位置区域信息等);
读取寻呼信息;
发起连接建立过程。
一般来说,UE开机后会首先进行PLMN选择,然后进行小区选择/重选、位置登记等。
由于PLMN选择和位置登记主要是NAS的功能,本节不做过多的涉及,下面将介绍小区选
择和重选过程。
1.
小区选择
小区选择一般发生在PLMN选择之后,它的目的是使UE在开机后可以尽快选择一个
信道质量满足条件的小区进行驻留,小区选择主要包括两大类。
(1)初始小区选择
这种情况下,UE没有储存任何先验信息可以帮助其辨识具体的TD-LTE系统频率,因
此,UE需要根据其自身能力扫描所有的TD-LTE频带,以便找到一个合适的小区进行驻留。
在每一个频率上,UE只需用搜索信道质量最好的小区,一旦一个合适的小区出现,UE会
选择它并进行驻留。
(2)基于存储信息的小区选择
这种情况下,UE已经储存了载波频率相关的信息,同时也可能包括一些小区参数信息。
UE会优先选择有相关信息的小区,一旦一个合适的小区出现,UE会选择它并进行驻留。
如果储存了相关信息的小区都不合适,UE将发起初始小区选择过程。
小区选择过程中,UE需要对将要选择的小区进行测量[4~5]
,以便进行信道质量评估,判
断其是否符合驻留的标准。
小区选择的标准被称为S准则。
当某个小区的信道质量满足S准
[6]
则时,就可以被选择为驻留小区。
S准则的具体内容如下:
Srxlex>0
其中,Srxlex=Qrelevmeas−(Qrelevmin+Qrelevminoffset)−Pcompensation。
式中各参数的含义见表7-1。
表7-1小区选择参数含义
Srxlex
小区选择S值,单位dB
Qrelevmeas
测量小区的RSRP值,单位dBm
Qrelevmin
小区中RSRP最小接收强度要求,单位dBm,从广播消息中获得
Qrelevminoffset
S
rxlex
当驻留在VPLMN上搜索高优先级PLMN的时候,采用
评估小
区质量,需要对Qrelevmin
进行的偏移,用于防止乒乓响应
Pcompensation
Max(PEMax−PUMax,0),单位dB
PEMax
UE在小区中允许的最大上行发送功率,单位dBm,广播消息中获得
由UE能力决定的最大上行发送功率,单位dBm
PUMax
UE在进行小区选择时,通过测量得到小区的Qrelevmeas
值,通过小区的系统信息及自身
能力等级获取S准则公式中的其他参数,计算得到Srxlex,然后与0进行比较。
如果Srxlex>0,
则UE认为该小区满足小区选择的信道质量要求,可以选择其作为驻留小区。
如果该小区的
系统信息中指示其允许驻留,那么UE将选择在此小区上驻留,进入空闲状态。
2.
小区重选
当UE处于空闲状态,在小区选择之后它需要持续地进行小区重选,以便驻留在优先级
更高或者信道质量更好的小区。
网络通过设置不同频点的优先级,可以达到控制UE驻留的
目的;同时,UE在某个频点上将选择信道质量最好的小区,以便提供更好的服务。
小区重选可以分为同频小区重选和异频小区重选。
同频小区重选,可以解决无线覆盖问
题;异频小区重选,不仅可以解决无线覆盖问题,而且还可以通过设定不同频点的优先级来
实现负载均衡。
(1)同频小区重选
测量准则:
为了最大化UE电池寿命,UE不需要在所有时刻都进行频繁的邻小区监测(测量),除
非服务小区质量下降为低于规定的门限值。
具体来说,仅当服务小区的参数S(S值的计算方
法与小区选择时一致)大于系统广播参数Sintrasearch时UE才启动同频测量。
小区排序:
对候选小区根据信道质量高低进行R准则排序(参考文献[5]),选择最优小区。
R准则
表述如下:
R=Q
meas,s+Qhyst
s
R=Q
meas,n+Qoffset
n
表7-2同频小区重选参数含义
服务小区的R值(dB)
Rs
临小区的R值(dB)
Rn
Qmeas,s
用于小区重选的小区RSRP值(dBm)
Qoffset
对于同频重选,该参数等于小区间的Qoffset(系统广播中存在小区间Qoffset
)或
者0(系统广播中没有小区间Qoffset
);
对于异频重选,该参数等于“频率间Qoffset和小区间Qoffset”(系统广播中存
在小区间Qoffset)或者频率间Qoffset(系统广播中没有小区间Qoffset
)
小区重选准则:
同频小区重选的对象可以是邻小区列表中的小区,也可以是通过重选过
程中检测到的小区。
排队及选择过程需要满足如下的约束条件。
z
z
z
新目标小区的信道质量在排序中要比当前服务小区质量好的持续时间不短于
Treselection;
如果UE处于非普通移动状态(中速或高速),则需要考虑对参数Treselection与Qhyst
进
行缩放。
UE驻留原小区时间超过1s。
(2)异频小区重选
在异频小区重选过程中,eNodeB可以通过对各频点设置不同的优先级参数来实现不同
频点小区的负载均衡。
异频小区重选主要包括以下几个步骤。
测量准则:
对于系统信息指出的优先级高于当前频率优先级的频率,UE总是执行对这些高优先级
频率的测量;对于系统信息指出的优先级等于或低于当前频率优先级的频率,UE的测量准
则如下。
z
z
如果服务小区的S值大于门限值Snonintrasearch,不执行测量;
如果服务小区的S值小于或等于门限值Snonintrasearch
,执行测量。
优先级处理:
UE可以通过广播消息获取频点的优先级信息(公共优先级),或者通过RRC连接释放
消息获取频点的优先级信息(公共优先级)。
如果提供了专用优先级,UE将忽略所有的公
共优先级。
如果系统信息中没有提供UE当前驻留小区的优先级信息,UE将把该小区所在
的频点优先级设置为最低。
UE只在系统信息中出现的并提供了优先级的频点之间,按照优
先级策略进行小区重选。
小区重选准则:
对于高优先级频点的小区重选,在满足以下条件后进行。
z
z
高优先级频率小区的S值大于预设的门限,且持续时间超过Treselection;
UE驻留原小区时间超过1s。
如果最高优先级上多个相邻小区符合标准,则选择最高优先级频率上的最优小区。
对于
同等优先级频点/同频,采用同频小区重选的R准则。
对于低优先级频率的小区重选,在满足以下条件后进行。
z
z
z
没有高优先级频率的小区符合重选要求;
没有同等优先级频率的小区符合重选要求;
服务小区的S值小于预设的门限,并且低优先级频率小区的S值大于预设的门限,
且持续时间超过Treselection;
z
UE驻留原小区时间超过1s。
异频小区重选的对象可以是邻小区列表中的小区,也可以是小区重选过程中检测到的小
区。
如果对UE速率的检测结果表明该小区处于非普通(中速或高速)移动状态,在重选过
程中应该使用经过缩放的参数Treselection。
7.1.3小区切换
LTE系统是蜂窝移动通信系统,当用户从一个小区移动至另一个小区时,与其连接的小
区将发生变化,执行切换操作。
按照源小区和目标小区的从属关系和位置关系,可以将切换
做如下的分类。
[7]
LTE系统内切换:
包括eNodeB内切换、通过X2的eNodeB间切换、通过S1的eNodeB
z
[8]
间切换。
z
LTE与异系统之间的切换:
由于LTE系统与其他系统在空口技术上的根本不同,
从LTE小区切换到其他系统的小区,UE不仅需要支持LTE的OFDM接入技术,
还需要支持其他系统的空口接入技术,可能出现的情形包括但不限于以下几类:
LTE与GSM之间的切换、LTE与UTRAN之间的切换、LTE与WiMAX之间的切
换。
下面对切换过程中涉及到的信令以及切换流程进行介绍。
一、切换信令分析
LTE切换过程中涉及X2接口、S1接口和UU接口。
1.
X2接口切换相关信令
当UE从一个eNodeB的小区切换的另一个eNodeB的小区时,两个eNodeB会通过X2
接口发生一系列的信令交互配合切换成功完成,下面将进行详细说明。
(1)X2接口切换准备
这个信令流程是在eNodeB内为切换作资源建立。
通过源eNodeB发送HandoverRequest
消息到目标eNodeB开始切换流程。
当源eNodeB发送此消息后,启动一个定时器
TXRELOCoverall等待目标端响应。
源eNodeB向目标eNodeB发起切换请求,请求在目标端建立与MME之间的信令承载
SAEbearers,SAEbearers包含SAE承载的ID,承载的业务的QoS参数,服务网关地址等
信元。
如果请求的SAEbearers中至少有一个在目标端准入通过,则目标eNodeB应该为准
入通过的SAEbearers保留必要的资源,并且向原端发送HANDOVERREQUEST
ACKNOWLEDGE消息(如图7-1所示)。
在ACK消息中,目标eNodeB回复资源已经准备
好的SAEbearers列表信息(也就是准入通过的SAEbearers)和准入失败的SAEbearers列
表信息,并且要包含一个合理的失败原因。
源eNodeB收到ACK消息后,停止定时器TRELOCprepl,同时启动定时器TX2RELOCoverall,
终止切换准备流程。
如果目标eNodeB在切换准备阶段,没有任意一个SAEbearer准入成功或者有其他错误
发生,则目标eNodeB应该发送HANDOVERPREPARATIONFAILURE消息到源eNodeB。
这个消息应该包含Cause信元并且对其赋值表明相应的失败理由(如图7-2所示)。
图7-1切换准备,成功流程
图7-2切换准备,失败流程
(2)X2接口UE上下文释放
释放资源的流程是目标eNodeB通知源eNodeB释放UE在源eNodeB的控制面的上下
文资源可以释放了。
成功流程如图7-3所示。
图7-3UE上下文释放流程
释放资源的流程是目标eNodeB发起的。
通过发送UECONTEXTRELEASE消息,目
标eNodeB通知源eNodeB切换成功,并且触发释放资源的流程。
UECONTEXTRELEASE
消息携带UE在源eNodeB内的ID(OldeNodeBUEX2APID),当源eNodeB收到该消息后,
可以释放与该UE相关的控制面承载的资源。
如果一直到定时器TX2RELOCoverall超时,源eNodeB都没有被触发进行释放资源的流程,
则eNodeB应该自动释放UE在eNodeB上相关的所有的资源并且向MME请求释放UE在MME
上的相关上下文。
如果在收到UECONTEXTRELEASE消息或者定时器TX2RELOCoverall超时之前UE回到
源eNodeB,则源eNodeB停止定时器TX2RELOCoverall并继续后续流程。
(3)切换取消
该流程是源eNodeB向目标eNodeB发送的消息,指示目标eNodeB取消一个正在进行
的切换,如图7-4所示。
切换取消流程通过源eNodeB发送HANDOVERCANCEL消息触发。
源eNodeB应该给
出一个合理的HANDOVERCANCEL的原因。
收到HANDOVERCANCEL消息后,目标
eNodeB应该移除所有相关的UE的上下文信息,并且释放先前在切换准备流程中为UE所
保留的资源。
如果某个eNodeB收到一个HANDOVERCANCEL消息,其中包含的上下文信息在本
eNodeB并不存在,则eNodeB获略此消息。
图7-4切换取消流程
2.
S1接口切换相关信令
当UE从一个eNodeB的小区切换的另一个eNodeB的小区时,源端和目标端的eNodeB
会通过S1接口同MME发生一系列的信令交互配合切换成功完成,下面将进行详细说明。
(1)S1接口切换准备
S1接口切换准备流程的作用是源eNodeB侧判决需要发起切换,并准备向目标侧进行
切换,通过MME请求目标侧eNodeB准备相关切换资源分配,如图7-5所示。
图7-5S1接口切换准备,成功流程
源eNodeB使用HANDOVERREQUIRED消息触发切换准备流程,该消息由源eNodeB
发往所属的MME。
当切换准备过程结束,包括目标侧完成资源分配,MME会用HANDOVER
COMMAND作为响应消息发往源eNodeB,通知切换准备流程成功。
而如果存在任何的SAE
Bearer没有权限切换到目标侧,那么该SAEBearer就需要在HANDOVERCOMMAND消息
中由信元SAEBearerstoReleaseList中给出。
如果目标侧没有能力接受任何一个切换入的SAEBearer,或者切换准备过程中存在错
误,MME将会向源eNodeB发送HANDOVERPREPARATIONFAILURE消息,并在消息中
携带适当的原因值,如图7-6所示。
图7-6S1接口切换准备,失败流程
(2)S1接口切换资源分配
切换资源分配流程是MME用来通知目标eNodeB为切换入的UE分配及预留资源,包
括建立该UE的通信上下文,如图7-7所示。
目标eNodeB
MME
HANDOVERREQUEST
HANDOVERREQUEST
AKNOWLEDGE
图7-7S1接口切换资源分配,成功流程
MME通过向目标eNodeB发送HANDOVERREQUEST消息触发本流程。
在目标
eNodeB为UE分配好所有必须的SAE承载资源后,目标eNodeB向MME发送HANDOVER
REQUESTACKNOWLEDGE消息。
该消息中应该将目标小区为SAE承载所分配的资源信
息填写在SAEBearersAdmittedList信元中。
对于未分配的SAE承载资源,需要填写在SAE
BearersFailedtoSetupList信元中。
如果目标eNodeB没有能力接受任何一个切换入的SAEBearer或在切换准入过程中发
生失败,则需要通过向MME发送包含特定原因值的HANDOVERREQUESTFAILURE消息
告知MME切换资源分配失败,如图7-8所示。
UE通过S1接口切换时,需要S1接口切换准备和S1接口资源分配两对信令配合使用
才能完成源端和目标端的切换准备工作。
图7-8S1接口切换资源分配,失败流程
(3)S1接口切换结束通知
S1接口切换结束通知流程是由目标eNodeB通知MME切换已经完成,如图7-9所示。
图7-9S1接口切换结束通知
当UE切换入目标小区后,目标eNodeB向MME发送HANDOVERNOTIFY消息,指
示S1接口此次切换流程成功完成。
(4)S1接口取消
切换取消流程的目的是源eNodeB取消一个正在进行的切换流程。
在切换准备流程中或
切换准备流程结束后,当源eNodeB未能指示UE执行切换动作或者UE在执行切换动作之
前又重新把源eNodeB视为服务eNodeB时,源eNodeB可以使用切换取消流程取消息本次
切换,如图7-10所示。
图7-10S1接口切换取消流程
源eNodeB通过向MME发送HANDOVERCANCEL消息触发本流程。
消息中需要在
Cause信元中携带适当的切换取消原因。
在收到HANDOVERCANCEL消息后,MME应该
终止进行中的切换准备流程,并释放所有与切换相关的资源,同时向源eNodeB发送
HANDOVERCANCELACKNOWLEDEGE消息。
发送和接收到HANDOVERCANCEL
ACKNOWLEDGE消息后,分别在MME和源eNodeB终止本流程。
(5)路径切换请求
路径切换请求的目的是请求将业务数据的通道改变,具体讲就是将源SAEbearers中的
GTP节点切换到在目标eNodeB中新建立的SAEbearers的GTP节点,如图7-11所示。
目标eNodeB能过向MME发送PATHSWITCHREQUEST消息触发本流程。
在MME,
将业务传输两端的节点地址更新完成后,MME会向eNodeB发送PATHSWITCHREQUEST
ACKNOWLEDGE消息结束本次流程,该消息应该携带节点地址得到更新的SAEbearers列
表和未能得到更新的SAEbearers列表,如果所有的SAEbearers都未能更新成功,MME则
向eNodeB发送PATHSWITCHREQUESTFAILURE消息,并在消息中携带适当的原因值,
如图7-11所示。
图7-11PathSwitch请求,成功流程
图7-12PathSwitch请求,失败流程
3.
UU接口切换相关信令
UE从一个小区切换到另一个小区,等到目标小区的资源一切准备就绪,会向UE发送
空口消息,要求UE执行切换动作,与新小区之间建立无线链路,并释放与源小区之间的无
线链路,如图7-13所示。
eNodeB
E-UTRAN
RRCConnection
Reconfigration
RRCConnection
ReconfigrationComplete
图7-13空口切换,成功流程
UE收到RRCConnectionReconfigration消息,消息中含有IEMobilitycontrolinformation
执行此流程。
UE的RRC层识别到此消息为移动性管理的相关信息,对UE的L1、L2进行
重配置,重配置完成后,UE会回复RRCConnectionReconfigrationComplete消息。
如果UE
重配置失败,向网络侧发送RRCConnectionReconfigrationFailure消息,表明空口切换失败。
如图7-14所示。
图7-14空口切换,失败流程
二、切换流程分析
1.
LTE系统内切换
(1)eNodeB内切换
当UE所在的源小区和要切换的目标小区同属一个eNodeB时,发生eNodeB内切换。
eNodeB内切换是各种情形中最为简单的一种,因为切换过程中不涉及eNodeB与eNodeB
之间的信息交互,也就是X2、S1接口上没有信令操作,只是在一个eNodeB内的两个小区
之间进行资源配置,其流程图如图7-15所示。
对其中L3协议层的具体流程分析如下,其中
步骤1、2、3、4为切换准备阶段,步骤5、6为切换执行阶段,步骤7为切换完成阶段。
1)
eNodeB向UE下发测量控制,通过RRCConnectionReconfigration消息对UE的测
量类型进行配置;
2)
UE按照eNodeB下发的测量控制在UE的RRC协议端进行测量配置,并向eNodeB
发送RRCConnectionReconfigrationComplete消息表示测量配置完成;
UE按照测量配置向eNodeB上报测量报告;
3)
4)
eNodeB根据测量报告进行判决,判决该UE将发生eNodeB内切换,在新小区内进
行资源准入,资源准入成功后为该UE申请新的空口资源;
资源申请成功后eNodeB向UE发送RRCConnectionReconfigration消息,指示UE
发起切换动作;
5)
6)
7)
UE接入新小区后eNodeB发送RRCConnectionReconfigrationComplete消息指示
UE已经接入新小区;
eNodeB收到重配置完成消息后,释放该UE在源小区占用的资源。
UE
源eNodeB
目标eNodeB
1、RRCConnection
Reconfigration
2、RRCConnection
ReconfigrationComplete
3、MeasurementReport
4a、HO
decision
4b、目标小区准入
5、RRCConnection
Reconfigration
6、RRCConnection
ReconfigrationComplete
RELEASE
RESOURCE
图7-15
(2)通过X2的eNodeB间切换
当UE所在的源小区和要切换的目标小区不属于同一eNodeB时,发生eNodeB间切换,
eNodeB间切换流程复杂,需要加入X2和S1接口的信令操作,其流程图如图7-16所示,
对其中L3的信令分析如下,其中步骤1、2、3、4、5、6、7为切换准备阶段,步骤8、9
为切换执行阶段,步骤10、11、12、13为切换完成阶段:
1)
源eNodeB向UE下发测量控制,通过RRCConnectionReconfigration消息对UE
的测量类型进行配置;
2)
UE按照eNodeB下发的测量控制在UE的RRC协议端进行测量配置,并向eNodeB
发送RRCConnectionReconfigrationComplete消息表示测量配置完成;
UE按照测量配置向eNodeB上报测量报告;
3)
4)
5)
源eNodeB根据测量报告进行判决,判决该UE发生eNodeB间切换;
源eNodeB向目标eNodeB发生HANDOV
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