TD－LTE与TD－SCDMA双模终端异系统切换研究

王宏伟，黄俊伟

（重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065）

TD－LTE与TD－SCDMA双模终端异系统切换研究

王宏伟，黄俊伟

（重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065）

在多模测试中，TD－LTE与TD－SCDMA双模终端的系统间移动性是测试的重点。因此，对于TD－LTE/TD－SCDMA双模终端切换过程的研究具有实际意义和应用价值。首先对异接入技术（inter Radio Access Technology，inter－RAT）切换和测量过程进行研究，然后在此基础上对inter－RAT切换流程进行了设计，并以TD－LTE至TD－SCDMA的切换过程为例进行了流程分析。【关键词】TD－LTE;TD－SCDMA;异系统;切换;测量

切换是蜂窝小区系统特性所决定的重要过程，是处于连接模式下的UE实现移动性的重要过程，切换包括系统内切换和系统间切换，如何进行高效快速的系统间切换，为用户带来无缝的用户体验，是双模终端设计必须考虑的重要问题之一。网络可基于连续覆盖、网络资源优化、信号质量等原因发起切换［1］。在切换之前为保证切换的准确率，网络都会指示UE进行相关测量，测量结果将作为切换的重要依据，因此本文首先对异接入技术（inter Radio Access Technology，inter－RAT）切换进行研究，然后对与切换相关的测量过程进行分析，最后对inter－RAT切换过程进行了设计与实现。

1 inter－RAT 切换

inter－RAT切换是由网络控制UE辅助的，源系统配置UE对inter－RAT小区进行测量，根据收到的测量结果决定是否发生切换和向哪个目标小区切换，并向目标接入系统发送切换请求，其中携带UE相关的上下文信息，目标接入系统根据接纳准则准许切换，并通过源系统向UE发送携带接入目标小区的相关信息，收到切换指示后UE接入到目标小区。网络在没有收到测量结果的情况下也可以触发切换，这种切换称为盲切换。下面分别对两种inter－RAT切换进行分析。

1.1 TD－LTE 至 TD－SCDMA 的切换

UE处于RRC_CONNECTED状态下，根据测量报告有更好的UTRAN小区，E－UTRAN通过MobilityFromEUTRACommand消息触发至UTRAN小区的inter－RAT切换（也可在没有测量报告的情况下触发切换），消息中的purpose设为handover，目标RAT设置为UTRA。因为在TDL模式下，只有当安全模式已被激活时才能发起切换过程，所以为了在异系统切换过程中保持安全性的连贯，MobilityFromEUTRACommand消息还包含了用于激活TDS模式下的安全密钥参数，包含在 nas－SecurityParam-FromEUTRA IE（信息单元）中，该部分参数将上报给NAS，用于进行异系统间的安全参数映射［2］。

除了以上IE，MobilityFromEUTRACommand中的 targetRAT－MessgageContainer的内容是HANDEROVER TO UTRAN COMMAN消息，此消息是由UTRAN通过E－UTRAN发送至UE，适用于UTRAN小区的切换命令，该消息中包含了切换目标小区信息（目标小区标识和频点）和UTRAN小区的所有配置（包括无线承载、传输信道和物理信道等）。UTRAN可通过3种方式通知UE切换的配置（无线承载、传输信道和物理信道配置）信息，即预定义、缺省和完全配置，前两种方式采用UE中已存储的配置信息，HANDEROVER TO UTRAN COMMAN 消息只需包含指示其配置方案索引，而完全配置方式将会在该消息中携带完整的配置信息，无论采用哪种方式，该消息都要包含NEW－URNTI用于标识UE。

完成指定配置后开始接入到目标小区，接入成功后UE应在DCCH上发送HANDOVER TO UTRAN COMPLETE消息，UE执行离开RRC_CONNECTED状态的动作，并进入UTRA RRC连接模式CELL_DCH状态，inter－RAT切换过程成功。如果UE无法完成MobilityFromEUTRACommand消息中的配置或该消息中包含协议错误或UE未能成功接入到UTRAN小区，则认为inter－RAT切换失败，恢复在源小区的配置并进行连接重建［3］。

1.2 TD－SCDMA 至TD－LTE 的切换

TD－SCDMA至TD－LTE的inter－RAT切换过程的目的是在网络的控制下将UE与UTRAN之间的连接转移到E－UTRAN，此切换过程与TD－LTE系统内切换流程大体相同，值得注意的是，此inter－RAT切换过程将采用完全的AS（接入层）配置，并且必须在TD－SCDMA中完整性保护被激活的前提下才能发起此inter－RAT切换过程。

对于处在CELL_DCH状态的UE，UTRAN根据收到的测量报告向UE发送HANDOVER FROM UTRAN COMMAND消息（也可在没有测量的情况下），该消息中包含适应于E－UTRAN以RRCConnectionReconfiguration为内容的DL－DCCH消息，在该消息中包含了目标小区信息（小区标示和频点）和UE在目标小区的配置信息。当SRB1和DRB在UTRAN中已经建立，并且完整性保护已经被激活时，才能发起TD－SCDMA至TD－LTE的切换过程。

UE对RRCConnectionReconfiguration成功解析后，将对底层进行相应的配置。与E－UTRAN系统内切换不同的是，inter－RAT切换中对于物理层、半静态调度和MAC层的配置采用的是默认配置。根据指定的长度开启T304定时器，并根据提供的目标小区信息（物理小区标识和载波频率）开始小区同步过程，将携带的newUE－Identity作为UE的C－RNTI标识。T304定时器的长度由网络配置，该定时器用于控制接入到目标小区的最长时间，若随机接入过程失败，此时定时器还未超时，那么将重新进行随机接入，若定时器在接入成功之前超时，则认为切换过程失败。由此可见T304定时器是由网络配置以控制合理的切换时延，无论目标小区的随机接入过程是否顺利。若UTRAN未开启加密，可在inter－RAT切换过程中利用空算法激活加密。根据消息中携带的密钥计算出加密和完整性保护密钥，利用指定的加密和完整性算法激活加密和完整性保护，并配置底层立即生效相关安全配置，即此后的消息和数据传递将经过加密和完整性保护［4］。当UE成功同步到目标小区，将RRCConnectionReconfiguration-Complete消息发送至网络，以通知网络inter－RAT切换成功，停止T304定时器，并进入RRC_CONNECTED状态。

若UE收到无效的HANDOVER FROM UTRAN COMMAND消息或不支持其配置;或在切换至目标小区过程中失败，T304定时器超时，即认为inter－RAT切换失败，重新恢复UTRAN配置并向网络发送HANDOVER FROM UTRAN FAILURE消息，以通知网络inter－RAT切换失败。

2 inter－RAT切换的相关测量

无线网络环境实时变化，处于连接状态的UE与网络有业务传输，为保证通信质量需对无线网络实时监测。网络将包含候选切换小区信息的测量任务下发至UE，UE在完成相应测量之后将满足测量报告准则的小区及其测量结果上报至网络。网络将以此作为触发切换的主要依据，因此测量的准确性和实时性对切换起到至关重要的作用。下面分别对TD－LTE和TD－SCDMA系统中的测量过程进行描述。

2.1 TD－LTE 系统中的测量

TD－LTE测量过程分为测量配置、测量执行、测量报告触发和测量报告。

E－UTRAN通过RRCConnectionReconfiguration消息将测量配置发送至UE，其中主要包括测量对象、报告配置、测量标识、量配置和测量间隙［5］。UE侧将维护3个列表，即测量对象列表、报告配置列表和测量标识列表，其中测量标识将测量对象和报告配置联系起来，通过配置多个测量标识能够实现多个测量对象共用一个报告配置或同一个测量对象拥有多个报告配置。测量对象中定义了UE需要执行测量的目标频点信息，与此频点相关联的是小区详细列表和黑名单列表，小区详细列表中的小区成为被列小区，指出需要在该频点上进行测量的小区，进行测量的除了被列小区还包括被标识小区，被标识小区是UE在该频点上进行周期性检测时标识的小区，而黑名单列表中的小区在进行测量报告触发和上报过程中将不会考虑。报告配置包括报告准则和报告格式，其中报告准则规定了测量结果触发测量上报的准则，报告格式说明了UE向网络上报测量结果的格式。

当UE收到测量结果后先进行层3过滤，即与上次的测量值进行平滑处理，然后进行测量报告触发。若有一个或多个小区在TimeToTrigger时间内一直满足进入条件，则为此measId发起测量报告过程，测量报告的目的是将UE的测量结果上报到E－UTRAN。首先组装Measure-mentReport消息中的measResults，然后将此消息交由底层发送至E－UTRAN。measResults中包含触发测量报告的measId、服务小区的测量量和满足条件的inter－RAT邻小区及其测量量。

处于RRC_CONNECTED状态下的UE，收到E－UTRAN发送的进行TD－SCDMA测量的配置信息。其中测量对象是一个UTRA载频上的小区集，量配置决定了测量量为P－CCPCH和其相应的过滤参数，并将携带相应的GAP配置信息，UE将按照GAP的长度和重复周期进行测量。在报告配置中包含inter－RAT测量上报到事件B1和B2，其中B1事件为inter－RAT邻小区的信号质量优于指定的门限值，B2事件为服务小区信号质量比门限值1差，并且inter－RAT邻小区信号质量比门限值2好。

2.2 TD－SCDMA 系统中的测量

TD－SCDMA系统的测量过程分为测量控制和测量报告［6］。

测量控制的目的是建立、修改或释放UE的测量，UTRAN向处于CELL_DCH状态下的UE发送测量控制（MEASUREMENT CONTROL）消息，其中主要包括测量标识、测量命令、测量类型测量报告模式和附加测量标识。测量标识为UTRAN，是该测量定义的编号;测量命令分为建立、修改和释放;测量类型描述了UE应该测量的内容;测量报告模式描述了测量报告的传输方式和测量报告的触发方式。

测量报告的目的是将UE的测量结果上报给UTRAN。UE在执行完相应测量配置后进行测量，并对收到的测量结果进行层3过滤，然后进行相应的事件评估。用于inter－RAT测量报告触发的事件有3a，3b，3c和3d。

3a:当前使用的UTRAN频率的信号质量低于门限值1，同时inter－RAT邻小区信号质量高于门限值2。

3b:inter－RAT邻小区信号质量低于门限值。

3c:inter－RAT邻小区信号质量高于门限值。

3d:inter－RAT系统内最佳小区发生改变。

3 协议栈架构设计

接下来对TD－LTE/TD－SCDMA双模终端高层协议栈结构进行设计，为保证双模终端的单模业务不受影响，设计中保持TD－SCDMA与TD－LTE的协议栈原有独立架构，在对等层之间添加交互接口以支持双模业务。基于此原则设计的协议栈架构如图1所示。

NAS（非接入层）模块为双模终端所共用，并且分别与TD－LTE和TD－SCDMA的AS（接入层）模块的接口进行交互，用于控制RAT选择和PLMN选择等功能。

图1 双模协议栈架构图

AS模块在两种系统中保持独立，具有相同的结构，均由RRC，PDCP，RLC和MAC构成。切换功能主要由RRC进行控制，在E－RRC和U－RRC之间设置接口，用于交互inter－RAT切换命令等。为支持 inter－RAT测量，U－MAC与E－MAC之间同样需要设置交互接口。

物理层采用两个模块的设计，分别实现TD－LTE和TD－SCDMA物理层的功能，与E－MAC和U－MAC之间分别设计接口，用于传递控制命令和数据业务。

4 TD－LTE至TD－SCDMA的切换流程设计

TD－LTE至TD－SCDMA的切换过程用于在网络的控制下将UE与E－UTRAN的连接转移到UTRAN，E－UTRAN向处于RRC_CONNECTED状态下的UE发送MobilityFromEUTRACommand消息，该消息中携带了用于NAS安全性参数更新的IE nas－SecurityParamFromEUTRAN和适用于UTRAN系统的切换命令HANDEROVER TO UTRAN COMMAN，切换命令中包含切换相关资源配置和UE标识等信息。

下面设计出了TD－LTE至TD－SCDMA的切换流程，如图2所示。

1）UE收到E－UTRAN发送的RRCConnectionReconfiguration消息，E－RRC根据该消息中携带的测量配置信息对测量参数进行配置或更新。

2）E－RRC通过CMAC_DCH_MEAS_REQ原语将含有UTRAN小区的测量列表发送至E－MAC，E－MAC通过L1_DCH_MEAS_REQ通知物理层对目标小区进行测量。

图2 TD－LTE至TD－SCDMA的切换流程

3）E－MAC收到物理层上报的测量结果后通过CMAC_DCH_MEAS_CNF原语上报至E－RRC。

4）E－RRC对测量结果进行层3过滤，并进行相应测量上报触发，若满足触发准则向E－UTRAN发送测量报告。

5）E－UTRAN收到测量报告后，向UTRAN发送切换请求，若满足切换条件，E－UTRAN向UE发送Mobility-FromEUTRACommand。

6）E－RRC解码 MobilityFromEUTRACommand后，通过ERR_IRAT_HO_IND 将 nas－SecurityParamFromEUTRAN安全密钥发送至MMC;并发送携带有HANDEROVER TO UTRAN COMMAN消息的原语URRC_IRAT_HO_REQ至U－RRC，此消息由U－RRC解码;E－RRC最后将状态跳转到IRAT_INACTIVE。

7）MMC完成安全参数映射更新后，将新的安全参数通过原语URRC_SA_PARA_REQ通知U－RRC。

8）U－RRC对HANDEROVER TO UTRAN COMMAN消息解码成功后，向U－MAC发送CMAC_DCH_CONFIG_REQ携带目标小区信息和UE在目标小区的标示，通知U－MAC接入到目标小区，并完成对物理层和传输信道的配置。

9）U－MAC通知物理层进行目标小区同步、帧同步和读目标小区系统消息过程;然后将物理层和传输信道配置发送到物理层，并接入到目标小区。

10）U－RRC在收到U－MAC发送的CMAC_SYNC_STATUS_IND后认为接入成功，进入CELL_DCH状态，认为inter－RAT切换成功。

11）U－RRC发送原语至U－RLC和U－PDCP进行无线承载的配置，以保证切换成功后UE在目标UTRAN小区的配置与网络保持一致。

12）UE发送HANDEROVER TO UTRAN COMPLETE消息发送至UTRAN以通知网络inter－RAT切换完成，切换成功后E－UTRAN将会释放UE的上下文信息（用于切换失败的重建过程）。

13）U－RRC向E－RRC发送URRC_IRAT_HO_CNF通知E－RRC成功切换至UTRAN小区，E－RRC进入INACTIVE状态，并释放E－RLC和E－PDCP无线承载资源。

5 小结

TD－LTE/TD－SCDMA双模终端必将带来前所未有的用户体验，同时也符合运营商网络平滑过渡的需求。本文在TD－LTE/TD－SCDMA高层协议的基础上，重点研究了两种系统间切换和与之相关的测量过程，最后对TD－LTE至TD－SCDMA切换过程进行了设计与实现，这对实现用户在两种网络间自由切换和保证业务在切换过程中的QoS要求具有重要意义。

:

［1］沈嘉，索士强，全海洋，等.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计［M］.北京:人民邮电出版社，2008.

［2］彭大芹，张文英，邓江.LTE－TD双模终端切换过程的ERRC研究与实现［J］.重庆邮电大学学报，2012（2）:169－173.

［3］3GPP TSG RAN WG2#62bis，Handover failure handling［S］.2008.

［4］周维，徐德平，程日涛.TD－LTE与TD/2G互操作方案研究［J］.移动通信，2011（S1）:56－59.

［5］3GPP TS 36.331 V8.0.0，3rd generation partnership project;technical specification group radio access network;evolved universal terrestrial radio access（E－UTRA）radio resource control（RRC）protocol specification［S］.2011.

［6］3GPP TS 25.331 V8.0.0，3rd generation partnership project;technical specification group radio access network;radio resource control（RRC）protocol specification［S］.2011.

Research of TD－LTE/TD－SCDMA Dual Mode Terminal Handover Procedure

WANG Hongwei，HUANG Junwei

（School of Communication and Information Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China）

In the multi－mode test，the inter radio access technology（inter－RAT）mobility of the TD－LTE and TD－SCDMA dual mode terminal is the focus.Therefore，the research on the TD－LTE/TD－SCDMA dual－mode terminal handover procedure has practical significance and application value.Firstly，the inter－RAT handover procedure and measurement procedure are researched.Then based on the research，the inter－RAT handover procedure is designed.And the TD－LTE to TD－SCDMA handover procedure is analyzed.

TD－LTE;TD－SCDMA;inter－system;handover;measurement

TN929.53

A

【本文献信息】王宏伟，黄俊伟.TD－LTE与TD－SCDMA双模终端异系统切换研究［J］.电视技术，2013，37（3）.

重庆市信息制造业重大科技专项（CSTS，2009AA2037）

王宏伟（1987— ），硕士生，主要研究方向为TD－LTE移动终端开发、协议栈开发和测试;

黄俊伟（1969— ），硕士生导师，主要从事TD－SCDMA移动终端开发。

责任编辑:许 盈

2012－07－16