TD—LTE小区切换技术分析和建议

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本文分析了TD-LTE系统中的小区切换技术，包括切换的类型、流程，并提出了改进建议。重点介绍了TD-LTE切换的基本原理，特别是系统内切换的不同模式。

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TD—LTE小区切换技术分析和建议

作者：张长青

　　【摘要】小区切换是TD-LTE系统的重要技术之一，小区切换的成功与否直接决定用户感知感受。首先简述了无线蜂窝通信系统小区切换的类型；然后着重对TD-LTE小区切换的技术和流程进行详细分析；最后根据对小区切换技术的认识，提出了在TD-LTE中保留TD-SCDMA接力切换模式、在特殊环境下采用相对简易切换模式和尽量开放eNodeB X2接口的建议。
中国论文网 http://www.xzbu.com/8/view-4417449.htm
　　【关键词】TD-LTE eNodeB 小区切换
　　1 概述
　　TD-LTE是无线蜂窝通信系统，当UE（User Experience，用户体验）处于业务连接状态并保持业务服务时，从一个小区移动到另一个小区，原来的服务小区不可能再给UE继续提供服务，为了不中断业务，无线承载系统将寻找最合适的小区或网络为UE提供继续服务，实现无线网络无缝覆盖的移动性管理，这就是小区切换。切换是无线蜂窝通信系统移动性管理的重要组成部分，切换的成功率是无线蜂窝通信系统移动性管理性能的重要考量指标。当TD-LTE网络与2G、3G、WLAN等不同制式网络并存时，小区间发生的切换将更复杂、更频繁，造成切换失败的概率也更大，查找引发切换失败的原因会更困难。
　　虽然TD-LTE已经拥有SON功能，可以做到小区切换中的自优化、自治愈，很大程度上降低了切换失败的发生。但TD-LTE是长期演进系统，许多功能需要在长期运行中完善。在TD-LTE初期运营的过程中，SON功能有限，甚至今后相当长的运营中都是它的磨合期。此外，未来的无线网络必将是多种制式并存的异构分布网络，融合异构无线接入网，为用户提供超短切换时延，实现无缝切换服务，是TD-LTE切换技术的重大挑战。因此，从事TD-LTE网络维护与优化的技术人员只有全面了解TD-LTE小区切换的原理，分析小区切换失败的原因，总结出一套行之有效的维护经验，做到防患于未然，才能做好TD-LTE网络的管理、维护和优化。
　　2 TD-LTE切换简介[1]
　　2.1 TD-LTE系统架构
　　要想了解TD-LTE小区切换，首先得了解TD-LTE系统的基本架构。简单地说，TD-LTE系统的扁平化网络架构由EPC（Evolved Packet Core，演进分组核心网）、eNodeB和UE三部分组成，如图1所示：
　　该架构使接入网络侧仅包含eNodeB一种实体，简化了网络设计、降低了后期维护难度、实现了全网IP路由，整个网络结构趋近于IP宽带网络。其中，传统3G中的RNC的大部分功能也下移到了eNodeB中，许多与UE相关的功能只需在eNodeB中完成即可。
　　为了系统架构间的接入灵活，作为中间层的eNodeB的对外接口改成了不依赖任何核心网络设备或管理设备的标准接口，图1中的S1和X2就是这种标准接口。其中，eNodeB通过S1直接与上层EPC的MME和S-GW连接，各eNodeB之间则通过X2采用网格方式互连互通，当某个eNodeB需要同其它eNodeB通信时，该接口总存在，并支持处于LTE_ACTIVE状态下的手机切换，而UE只需通过空口直接与eNodeB通信。一个复杂的系统就这样变得简单清晰。
　　2.2 蜂窝系统切换类型
　　传统的小区切换大致可分为硬切换和软切换两类，它们是TD-SCDMA和TD-LTE系统切换的基础，即TD-SCDMA切换和TD-LTE切换也是不同的两种切换类型。下面将简单地介绍这几种切换的基本原理：
　　（1）软切换
　　软切换是发生在相同频率不同小区之间的一种切换模式，CDMA系统就支持软切换。软切换过程是：由于切换是在同频小区间进行，当UE移动到多个小区覆盖交界区域处于切换状态时，因频率相同，UE可同时和多个小区保持联系，接收这些小区的信道质量报告，并与系统指定门限比较，取最佳值对应的小区作为目标小区切换，这时UE才将与源小区的联系信道切断，完成UE从源小区到目标小区的切换。因此，软切换是一个“建立、比较、释放”的过程，特点是“先切换、后断开”。在切换状态的任何时刻，UE可同时连接多个小区。
　　当UE处于软切换状态时，可与周边所有邻区保持联系，使之进入等待队列的准切换状态，不仅减少了系统的阻塞率，还起到了业务信道分集的作用，加强了抗衰落能力，从而解决切换中断问题，实现了真正的“无缝”切换，极大地提高了通信质量。但因“比较”邻区信道质量报告时需要BSC处理，也需要宏分集技术支持，所以必须在Node B上层添加RNC节点。这既不利于网络扁平化及运营商降低成本，也不利于降低端到端时延。
　　（2）硬切换
　　硬切换是发生在不同频率小区间的一种切换模式，FDMA（Frequency Division Multiple Access，频分多址）和TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）系统支持硬切换。硬切换过程是：当UE从源小区移动到目标小区时，因源小区与目标小区的载频不同，UE进入目标小区后就与源小区信道断开，经过同步过程，UE再自动向目标小区的新频率调谐，与目标小区联系，建立新的信道，开始新频率下的上下行数据通信，最后完成从源小区到目标小区的切换。显然，硬切换在切换过程中存在一个暂停中断期，硬切换是一个“释放、建立”的过程，特点是“先断开、后切换”。并且在任何时刻，UE只连接一个小区。
　　由于硬切换过程是发生在两个小区之间，两个小区存在竞争关系，如果在某特定区域内两小区信号强度发生剧烈变化，UE就会在两个小区间来回切换，产生所谓的“乒乓效应”。该效应一方面给系统增加了负担；另一方面也增加了掉话的可能性。又因为硬切换是UE先与源小区断开链路，再与目标小区建立链路，中间存在一个空档期，即硬切换是“有缝”切换，容易出现“掉话”现象，所以硬切换是一种不够健壮的切换。但因硬切换是“释放、建立”过程，占用链路资源和耗费系统资源都较少，且网络结构简单，设备成本较低。　　（3）TD-SCDMA接力切换
　　接力切换是TD-SCDMA系统的核心技术和特有的切换类型。该切换过程是：源小区用智能天线的波束赋形技术和上行同步等技术来确定UE的方位角及距离，并以UE的方位角和距离信息为辅助信息，判断目前UE是否已经移动到了可以进行切换的相邻基站的邻近区域。如果UE进入切换区，则RNC通知该目标小区做好切换准备，从而达到快速、可靠和高效切换的目的。接力切换通过与智能天线波束赋形和上行同步等技术的有机结合，巧妙地将软切换的高成功率和硬切换的高信道利用率结合起来，是一种具有较好系统性能优化的切换方法。与软切换相似，接力切换虽然也是与源小区联系的状态下侦测目标小区的，但它并没有连接多个小区，而是通过测量判决后只连接一个目标小区。
　　显然，实现接力切换的必要条件是源小区要准确获得UE的位置信息，而TD-SCDMA的智能天线和上行同步及数字信号处理等先进技术，可以使系统很容易得到UE的位置信息。接力切换是一个“测量、判决、执行”的过程，介于硬切换和软切换之间，既具有较高切换成功率、较低掉话率和较小上行干扰等软切换优点，也具有较高资源利用率、较为简单算法和系统负荷较轻的硬切换优点。由于是系统事先通过定位技术测量UE位置，并判决是否切换、确定目标小区后才执行切换的，所以接力切换断开源小区和与目标小区建立链路的“断开、切换”几乎是同时进行的，从而具有极高的切换成功率和信道利用率的突出优点。
　　（4）TD-LTE切换
　　在TD-LTE系统中，当UE处于连接状态时，网络完全掌控UE，不仅了解UE与源小区和邻区的信道质量，还了解整个网络的负载均衡情况。也就是说，信道条件的改变可能会触发UE切换，网络负载均衡的原因也有可能产生UE切换，这说明TD-LTE切换已不是仅仅因为小区改变而产生UE切换，还有因整个网络负载均衡而使UE切换的情况，即TD-LTE切换是UE辅助网络的快速切换，所以TD-LTE切换涉及的网络实体有eNodeB、MME和S-GW。为了辅助网络做出切换判决，源小区可以为UE配置测量，使UE在切换前上报服务区及邻区的信道质量或网络的负载情况，从而使网络侧可以合理地判决UE是否需要切换。
　　不管UE在什么位置，为了辅助网络切换，切换前源小区会通过RRC连接重配置消息对UE进行测量配置，UE再按照源小区下发的测量配置信息对源小区和邻区的信道质量与全网负载测量、评估、判决，并按事件触发上报、周期上报、事件触发周期上报等方式上报源小区，使其做好准备，而后UE切断与源小区链路，重建目标小区链路，完成切换。此外，为了避免不必要的重配置，切换中UE还自动将切换前的目标小区配置转换为切换后的源小区配置，为下一轮切换做好用户层面的准备。
　　图1中，TD-LTE因网络扁平化，使得核心网设计发生相应改变，增加了SAE和3GPP模块，从而可以使系统实现快速切换，不仅减少了信令开销，避免了不必要切换，降低了端到端的时延，缩短了新建无线链路的时间，还简化了网络结构，降低了设备成本，减轻了不采用软切换的不利影响，更好地实现了地域覆盖和无缝切换，以及TD-LTE与3GPP和非3GPP系统等网络的切换兼容。
　　3 TD-LTE切换流程分析[2]
　　从源eNodeB和目标eNodeB的从属关系及位置关系来看，可以将TD-LTE切换分为系统内切换和系统间切换两大类。前者是UE处于连接状态下移动性处理的切换操作，包括eNodeB内各小区间切换、通过X2接口连接的eNodeB之间的切换、在同一EPC管理下通过S1接口的eNodeB之间的切换；后者是从TD-LTE系统移动到其他RAT或其他RAT移动到TD-LTE系统的操作方式，因LTE系统与其他系统在空口技术上完全不同，从LTE小区切换到其他系统小区，UE不仅要支持LTE特有的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）接入技术，还要支持其他系统的空口接入技术，终端设备技术和成本都较高。
　　从原理上看，切换过程可分为两个层面：一个是控制层面，包括切换准备过程（含参数传递、切换判决）、切换执行过程（含信令生成、切换命令传输）和切换完成过程（含随机接入、路径转换）等；另一个是用户层面，主要包括数据前转过程等。当然，切换中的用户层面过程是伴随着控制层面过程同时发生的。真正切换时系统只涉及到两个小区，源小区主要负责切换判决和切换准备，目标小区主要负责切换接纳和生成切换命令，作为切换主体的UE是在网络的控制下完成整个切换过程的。此外，有些切换在控制层面不仅关联到eNodeB，还要关联到上层MME和S-GW，流程复杂很多，但不管怎样，它们都要通过eNodeB与UE系统。下面将分析TD-LTE小区切换流程，从中了解一些切换过程中终端与网络、UE与eNodeB的关系。
　　3.1 TD-LTE系统内切换
　　（1）在eNodeB内的小区切换
　　当UE所在的源小区和要切换的目标小区同属一个eNodeB时发生的切换。该切换是最简单的一种，因为切换过程中不涉及eNodeB与eNodeB间的信息交互，也就是X2和S1接口上没有信令操作，只是在一个eNodeB内的两个小区间进行资源配置，流程如图2所示：
　　由图2可以看出，前面的工作都是UE与源小区间的操作，仅在“判决”阶段后才有UE、源小区、目标小区间的互操作。如源小区对已经确定的目标小区提出准入要求操作，或者在“执行”阶段的最后操作中，通过RRC由UE发向目标小区指令“连接重配置完成”后，UE连接目标小区资源，释放源小区资源等过程。具体流程分析如下：
　　1）eNodeB源小区向UE下发连接重配置测量控制，通过RRC CONNECTION RECONFIGRATION消息对UE测量类型重配置；
　　2）UE按照eNodeB源小区下发的测量控制在UE的RRC协议端进行测量重配置，并反馈给eNodeB源小区发送连接重配置完成的RRC CONNECTION RECONFIGRATION COMPLETE消息表示测量配置完成；　　3）UE按照测量配置向eNodeB源小区上报测量报告；
　　4）eNodeB源小区根据测量报告进行判决，判决该UE将发生eNodeB内切换，在eNodeB的新小区内进行资源准入，资源准入成功后为UE申请新的空口资源；
　　5）资源申请成功后eNodeB源小区向UE发送RRC CONNECTION RECONFIGRATION消息，指示UE发起切换动作；
　　6）UE接入新小区后并向eNodeB目标小区发送RRC CONNECTION RECONFIGRATION COMPLETE消息，指示UE已经接入eNodeB目标小区；
　　7）eNodeB收到重配置完成消息后，释放该UE在eNodeB源小区占用的资源。
　　（2）通过X2的eNodeB间切换
　　X2接口是TD-LTE网络中所有eNodeB间相互通信的标准接口。虽然eNodeB之间的小区切换完全可以通过X2接口完成许多通信数据交互，但这些交互的通信数据中仍有部分需要与上层系统MME联系才能真正完成切换，因此还是要用到eNodeB与MME之间的S1标准接口。需要指出的是，在TD-LTE的小区切换中，“通过X2的eNodeB间切换”是系统最频繁的切换模式。
　　通过X2的eNodeB间的切换是当UE所在源小区和要切换的目标小区不属同一eNodeB时发生的切换模式。由以上分析可知，该切换流程较eNodeB内切换复杂，需要加入X2甚至是S1接口的信令操作，因而需要与上层的MME联系，流程如图3所示：
　　由图3可以看出，仅在切换完成阶段才有目标eNodeB向MME发送相关信令，请求MME更新业务数据通道的节点地址。这是因为在两个eNodeB间交流的数据业务，必须通过MME交换中心转接才能顺利完成。具体流程分析如下：
　　1）源eNodeB向UE下发连接重配置测量控制，通过RRC CONNECTION RECONFIGRATION消息对UE测量类型配置；
　　2）UE按照源eNodeB下发的测量控制在UE的RRC协议端进行测量配置，并向源eNodeB反馈连接重配置完成信令，即通过RRC CONNECTION RECONFIGRATION COMPLETE消息表示测量配置完成；
　　3）UE将已经完成的测量配置数据向源eNodeB上报测量报告；
　　4）源eNodeB根据UE上交的测量报告进行判决，判决该UE将发生eNodeB间切换；
　　5）源eNodeB向目标eNodeB发生切换请求信令，即HANDOVER REQUEST消息指示目标eNodeB进行切换准备；
　　6）目标eNodeB进行资源准入，为UE接入分配空口资源和业务SAE承载资源；
　　7）目标eNodeB批准资源准入成功后，向源eNodeB
　　发送切换请求应答信令，表示接受UE准入切换，即通过HANDOVER REQUEST ACKNOWLEDGE消息指示切换准备工作完成；
　　8）源eNodeB再次向UE反馈连接重配置信令，发送RRC CONNECTION RECONFIGRATION消息命令UE执行切换动作；
　　9）UE直接向目标eNodeB发送连接重配置完成信令，
　　发送RRC CONNECTION RECONFIGRATION COMPLETE消息指明UE已经接入目标eNodeB的新小区；
　　10）目标eNodeB向MME发送PATH SWITCH REQUEST消息，请求MME更新业务数据通道的节点地址；
　　11）MME成功更新数据通道节点地址，向目标eNodeB发送PATH SWITCH REQUEST ACKNOWLEDGE消息，表示可以在新的SAE Bearers上进行业务通信；
　　12）UE已经接入目标eNodeB的新小区，并在新小区能够进行业务通信，需要释放在源eNodeB小区占用的资源，因此目标eNodeB向源eNodeB发送UE CONTEXT RELEASE消息；
　　13）源eNodeB释放该UE的上下文，包括空口资源和SAE Bearers资源。
　　与eNodeB内切换流程比较，基于X2的eNodeB间切换流程的前四步是一样的，都是原小区直接与UE之间关于重配置信息的交互操作、了解UE所处的小区环境、由源小区判决UE是否应该切换和应该采用什么切换方式等问题，这说明前四步是所有切换方式必经的过程。将切换过程这样分段对于判断切换故障有一定指导性帮助，因为前四步是切换的共性问题，后面的过程才是不同切换类型的个性问题。
　　（3）通过S1的eNodeB间切换
　　根据协议，eNodeB之间的切换一般都要通过X2进行。从通过S1的eNodeB间切换和通过X2的eNodeB间切换两类切换方式来看，表面上没有什么区别，都是当UE所在源小区和要切换的目标小区不属于同一eNodeB时发生的切换。但当以下条件中任何一个成立时，系统就会触发基于eNodeB的S1接口的eNodeB之间的切换模式，即：
　　条件一：源eNodeB和目标eNodeB间不存在X2接口；
　　条件二：源eNodeB尝试通过X2接口切换，但被目标eNodeB拒绝。
　　根据图1，可以把两个eNodeB与MME间的S1接口连同MME实体看作是一个逻辑X2接口。相比通过X2接口的流程，通过S1接口切换的流程要复杂一些，主要是在切换准备过程和切换完成过程有所不同，流程如图4所示。
　　其中，不同于X2接口切换的具体流程分析如下：
　　1）切换准备过程改为首先由源eNodeB向MME发送切换准备请求，MME既而向目标eNodeB发送切换请求进行资源分配，最后再由MME通知源eNodeB切换准备完成；　　2）由于切换准备过程中MME的参与，因此需要在源eNodeB释放资源之前通知MME切换动作即将完成。
　　发生基于S1的eNodeB间切换是因为源eNodeB不能通过X2与目标eNodeB直接交互，必须通过S1接口再经过MME作为交互中介，才能完成源eNodeB和目标eNodeB两者之间的信令交互。所以在上述流程中，凡是有“基于X2的eNodeB间切换”的源eNodeB与目标eNodeB间信令直接交互的流程，在“基于S1的eNodeB间切换”中都必须通过MME交接，这也是“基于S1的eNodeB间切换”要比“基于X2的eNodeB间切换”复杂的原因。
　　3.2 TD-LTE异系统切换
　　E-UTRAN系统间切换可以采用GERAN与UTRAN系统间切换相同的原则。
　　E-UTRAN的系统间切换可以采用以下原则：
　　（1）系统间切换是源接入系统网络控制的，源接入系统决定启动切换准备并按目标系统要求的格式提供必要的信息，即源系统必须适配目标系统，真正的切换执行过程由源系统控制。
　　（2）系统间切换是一种后向切换，即目标3GPP接入系统中的无线资源在UE收到从源系统切换到目标系统的切换命令前已经准备就绪。
　　（3）为实现后向切换，当接入网RAN级接口不可用时，将使用核心网CN级控制接口。
　　异系统切换是UE在LTE小区与非LTE小区之间发生的切换，切换过程中涉及的信令流主要集中在核心网中。以UE从UTRAN切换到E-UTRAN为例，UE所在的RNC向UTRAN的GPRS服务支持节点SGSN发送切换请求，SGSN需要与LTE的MME之间进行消息交互，为业务在E-UTRAN上创建承载。同时需要UE具备双模功能，使UE的空口切换到E-UTRAN上来，最后再由MME通知SGSN释放UTRAN上的业务承载。
　　总之，TD-LTE异系统切换非常复杂，这不仅因为是异构网络系统，还因为这类异构网络类型也不少，要做到能够在所有异构网络间的顺利切换决非易事。当前，中国移动采用的四网协同技术，为中国移动的GSM、TD-SCDMA、TD-LTE、WLAN四网任意切换打下了技术基础。
　　4 TD-LTE切换技术使用建议
　　4.1 建议TD-LTE增加接力切换模式[3]
　　TD-LTE R9规范中定义了三种定位方式，即基于OTDoA的定位、基于E-CID的定位和基于A-GNSS的定位，运营商可根据小区半径、智能天线技术、路损和定时估计精度等实际情况来确定采用哪种方式。
　　（1）OTDoA是通过检测3个eNodeB不同信号到达目标UE的时间差来确定目标UE位置的定位方法。由于采用了三点定位原理，OTDoA的定位精确度比较高；但对抵达目标UE时间的基准要求较高，易受多径影响，反应时间要长些，适用于较开阔的郊区和农村环境。
　　（2）E-CID是基于eNodeB小区覆盖采用已知服务小区地理信息来估计目标UE位置的定位方法。E-CID定位易于实现，建设成本低，定位响应时间短，有很好的覆盖性和可靠性；但定位精确度较低，且依赖基站覆盖区域大小，在基站较少的郊区和农村难以获得理想的定位效果。
　　（3）A-GNSS是一种结合eNodeB网络信息和卫星导航信息来确定目标UE位置的定位方法。由于采用的eNodeB和卫星导航的定位精度高，因此A-GNSS定位的精度比较高，通过接收若干卫星信号在室内外都可以用于精确的定位；但当室内定位信号较弱时会影响定位精确度，并对终端设备要求较高，定位成本较大。
　　显然，TD-LTE比TD-SCDMA的定位技术更先进，也有更多的选择。前面已经分析TD-SCDMA接力切换是一种兼有软硬切换优点、具有极高切换成功率和信道利用率的切换方式，是源小区通过智能天线的波束赋形、上行同步和数字信号处理等技术在确定UE方位角及距离后，判断是否实现切换的。这些在TD-LTE中都可以实现，而且在利用TD-LTE更先进的相关技术后，实现切换的性能将会更好。更重要的是，运营商可以根据环境选择不同的定位技术，以达到更快、更好、更简单的切换要求。因此，接力切换作为一种切换模式，完全有必要保留在TD-LTE系统中。
　　4.2 建议根据实际环境采用简易切换方式
　　切换环境的复杂给网络、终端都带来很大的负担，尤其是四网协同和多网共存环境。然而，在城市密集区、学校、会场、娱乐场所、车站、码头和写字楼等业务场所都是移动速率较低的环境，因此切换的失败率相对不会很高。但对于高铁、高速公路、地铁等环境，不仅人员密度极高，UE相对于eNodeB的移动速度很快，UE与eNodeB的切换频次也非常高，更重要的是诸如高铁、高速公路、地铁等线状狭长型覆盖区域是一种简单网络环境，所以完全可以采用更为简单的类似像“直接硬切换”的切换方式，将小区前后的切换条件门限和目标小区载频等数据预先配置到各eNodeB的数据库中，当UE从源小区移动到目标小区时，源eNodeB就可简单、快速地对UE重配置并下发切换命令，使UE完成切换过程。
　　4.3 尽量开放eNodeB的X2接口
　　从“基于X2的eNodeB间切换”和“基于S1的eNodeB间切换”的流程比较，后者的切换延时显然要多于前者，其原因就是因为切换间的eNodeB可能不存在X2接口，或源eNodeB尝试通过X2接口切换但被目标eNodeB拒绝，更直接一点的原因大都是eNodeB关闭了X2接口。其实从优先级来看，在eNodeB之间切换，系统的首选是通过X2接口切换，不能走X2接口或没有X2接口可走时，才被迫走S1接口。因此，为了简化切换过程、缩短切换延时、加快切换进程，应尽量开放eNodeB的X2接口。
　　5 总结
　　TD-LTE小区切换表面上看是比较复杂的，但只要深入了解其切换流程，正确分析了不同切换类型的切换流程，就会发现TD-LTE小区切换技术并不难理解，因为TD-LTE小区切换可以归纳为“测量、上报、判决、准备、执行、完成”六个过程，且前面三个过程是任何切换方式都要经历的过程。此外，TD-LTE小区方式还有许多可以改进或优化的地方，只要全面了解系统的切换方式，就能够做到有的放矢，针对不同地域环境选择最合适的切换方式，进而达到提高系统性能的目的。
　　参考文献：
　　[1] 陈俊，彭木根，王文博. TD-LTE系统切换技术的研究[J]. 中兴通讯技术， 2011（3）： 54-58.
　　[2]高峰，高泽华，丰雷，等. TD-LTE技术标准与实践[M]. 北京：人民邮电出版社， 2011.
　　[3] 徐莹莹，延凤平. TD-LTE R9定位技术研究[J]. 移动通信， 2012（19）： 11-14.