LTE-A异构网中双连接技术的切换流程设计与实现

张德民，田凤仙，李培林

(重庆邮电大学　移动通信重庆市重点实验室，重庆 400065)



LTE-A异构网中双连接技术的切换流程设计与实现

张德民，田凤仙，李培林

(重庆邮电大学移动通信重庆市重点实验室，重庆 400065)

3GPP在LTE-A异构网络中提出双连接技术是为了增强型小小区，终端同时连接到MeNB(MastereNB)和SeNB(SecondaryeNB)可以提高单个用户的吞吐量和移动的强健性，用户吞吐量的提升是通过聚合至少两个基站的无线资源实现的。其中MeNB主要负责信令的传输和移动性管理，SeNB主要实现的是对数据的分流。提供了双连接技术的应用场景，在架构上实现了用户平面和控制平面的分离，设计了双连接场景下的切换流程以及搭建了基于TTCN-3(TestingandTestControlNotationversion3)测试系统的终端无线资源管理(RadioResourceManagement，RRM)一致性测试平台，并对流程设计进行了验证。

增强型小小区；双连接；用户平面；控制平面；一致性测试

以LTE-A为例的新的通信技术的应用势必会带来4G用户的高速增长，而新移动设备的增多和移动互联网的飞速发展带来了移动数据爆炸式的增长，因此这对于网络容量的提升也是一个不小的挑战。有预测表明，在未来的10年间，大部分移动数据都将发生在室内，且数据速率会达到目前数据速率的1 000倍以上[1]。密集小区部署的提出极大地提升了网络的吞吐量，典型的应用场景是增大宏小区的覆盖范围，而通过部署小小区可以实现卸载部分数据流量的功能。但这种场景会带来功率不均衡和频繁切换等问题，导致信令负载过大，因此在3GPPRel-12中，高层的增强型技术引入了双连接的概念，即在宏基站的覆盖下，把小小区部署在较高的频段，终端可以同时利用宏基站和小基站的无线资源。

1　双连接技术的介绍

当UE处于MeNB和SeNB的覆盖下，终端为提升用户吞吐性能而同时利用两个或多个eNB的无线资源。早在Rel-10/11的研究阶段，3GPP就提出了通过聚合多个载波来达到更大的带宽，进而提供更高的数据传输速率。双连接技术与载波聚合技术最大的不同之处就是载波聚合是应用于理想回程链路而双连接技术应用于非理想回程链路[2]，并且相比于在载波聚合技术中只有一个基站管理宏小区和小小区，双连接技术中是两个基站分别管理宏小区和小小区，其中管理宏小区的基站成为宏基站(MeNB)，管理小小区的基站成为小基站(SeNB)。宏基站主要功能是负责管理移动性，提供无线资源管理(RRM)和系统消息的广播，且支持VoIP等实时性业务，而小基站的主要功能就是实现数据业务的分流[3]。

1.1控制平面的选择

双连接技术的实现主要集中在用户平面和控制平面的设计，针对控制平面的网络架构，3GPP给出了图1中的两种备选方案。

图1　双连接控制面架构

方案1：从图中的架构设计中可以看到SeNB没有对等的RRC(RadioResourceControl)实体。eNB的RRC功能只在MeNB上实现。MeNB和SeNB进行无线资源管理(RRM)协商之后，由MeNB把RRC信令发给UE(UserEquipment)，UE收到RRC信令后只需把RRC响应信令发给MeNB。

方案2：MeNB和SeNB中都有RRC实体，但是二者存在主辅关系[4]。MeNB和SeNB进行无线资源管理协商后，都会生成RRC信令。两者分别将RRC信令发送给UE，UE端可以区分接收到的信令来自哪一个eNB，并对接收到的信令分别予以应答。

通过两种方案相比较可以看出，这两种控制平面的设计各有利弊。就RRC信令配置时延方面而言，方案1的时延明显大于方案2；从用户复杂度而言，方案2明显地增大了用户侧的复杂度，这是由于UE要向两个用户发送准确的确认信息。3GPP综合考虑了RRC信令的流程、传输的鲁棒性、UE和网络端的复杂性，最终确定采用方案1为控制平面的架构。

1.2控制平面的选择

双连接用户平面的架构设计主要考虑到承载路由的选择和协议栈的实现这两个方面[5]。本文提供了3种可行的方案,如图2所示。

图2　用户平面架构设计

Option1的EPS(EvolvedPacketSystem)承载的分割是在核心网进行，即核心网将多个EPS承载分割在不同的接入网基站中，针对单个EPS承载不进行分割。此时，SeNB需要完整的协议栈。由于EPSBearer#2独立于MeNB，所以SeNB的切换流程是由核心网控制，而不是MeNB。

Option2方案中，EPS承载的分流在MeNB侧进行，MeNB会将部分承载分流到SeNB进行传输。该方案中的SeNB协议栈架构设计可以分为4种情况：SeNB有完整的用户平面协议栈；PDCP(PacketDataConvergenceProtocol)层在SeNB和MeNB的协议栈架构是主从关系；SeNB不具备PDCP层，L2中保留了RLC(RadioLinkControl)和MAC(MediumAccessControl)的协议栈架构；SeNB不具备完整的协议栈架构，MeNB和SeNB的RLC是主从关系。该方案中的切换流程由MeNB管理。

Option3方案的协议栈架构设计和切换流程的处理和Option2一样。不同之处就是该方案的MeNB具有EPS分割功能，即一个EPS承载的一部分可以通过MeNB发送给UE，另外一部分可以通过SeNB发送给UE。

2　切换过程设计

3GPPTR36.839在研究异构网络的移动性增强的项目中发现，相比于只有宏小区的同构网，其切换性能要差。因为小基站要受到高功率的宏基站的干扰，经常会出现切换信令的错误，影响切换性能。由于小小区的密集部署，频繁的切换就会增加无线链路失败的可能性[6]，无线网络和核心网的信令负载也随之增大。传统的切换过程中，用户平面和控制平面都终结于一个eNB。这种结构有一定的好处，同时也带来了一系列的问题，当UE移动到小小区，需要重新配置与该核心网相关的信令。这个问题的解决可以通过UE同时处于宏小区和小小区的覆盖下解决，即用户面终止于MeNB，而小小区只用于容量的提升。一旦UE的双连接模式打开，如果有合适的小小区，首先要考虑的就是SeNB的添加。本文模拟的切换场景是T-SeNB和S-SeNB位于源MeNB中。其协议栈用户平面应用选择Option1。双连接的切换流程如图3所示。

图3　双连接的切换流程

本文的应用场景是T-SeNB和S-SeNB都位于源MeNB中，UE与MeNB的连接一直存在，其间的切换仅仅是SeNB之间的更改。MeNB通过发送包含测量配置信息的RRCConnectionReconfiguration消息要求RRC对服务小区和邻小区进行测量，UE根据测量的结果配置测量报告并把它发给MeNB。MeNB根据自己的切换算法决定是否进行切换，如果同意切换就向T-SeNB发送增加指示。如果T-SeNB同意增加到SeNB列表，就把增加请求发送给MeNB。MeNB收到T-SeNB的请求后就要求释放原来连接的SeNB以更改和T-SeNB的连接。当MeNB同意更改T-SeNB，就发送一个确认消息，同时再给MeNB回复一个添加到MeNB的确认。如果UE和SeNB之间的切换完成则需要向SGW发送一个路径更改的指示以把新的路径信息存储起来。

在结束双连接模式通信的时候，小小区的释放可以由MeNB触发，也可以由SeNB触发。本文选择的是SeNB触发流程。

3　测试方案

基于TTCN-3的LTE-A系统终端的RRM双连接切换过程的平台搭建主要由安装了TTCN-3的PC，分别模拟3个小区的测试仪表1、测试仪表2以及测试仪表3，信道模拟设备，开关箱以及被测体等七大部分组成。在测试过程中，通过比较TTCN-3收到的UE消息与期望收到的消息内容的匹配程度来判断RRC层是否满足RRM的一致性测试要求[7]。具体测试架构如图4所示。

由图4可以看出，测试整体架构由被测系统和测试终端构成。PC通过Ttworkbench平台来实现协议栈的NAS和RRC层的主要功能[8]。SS(SystemSimulator)由MC(MainController)与TD-LTE系统处理单元(TD-LTEProcessingUnit，TDPU)组成。TDPU实现RRC子层以下的功能，MC负责PC与TDPU之间的数据转发和一些常用参数的显示。

图4测试平台架构图

通过测试流程图(图5)可以看出，该流程的测试过程是基于消息的，开始部分描述了RRC双连接切换之前的流程。其消息测试和设计流程也是一致的，测试流程符合RRC协议描述，且最终测试结果为“success”。该测试结果满足RRM一致性测试的要求，故认为此流程的设计是可行的[9]。

图5　测试具体流程图(截图)

4　小结

本文介绍了双连接技术的基本原理，对于双连接用户平面和数据平面进行了深入的分析，并按照3GPPRel-12标准设计了在双连接状态下的切换流程并且用TTCN-3对所设计的流程进行了验证。在今后的工作中，还需要对双连接技术的各个应用场景进行更加深入的研究。

[1]杜忠达.双连接关键技术和发展前景分析[J].电信网技术，2014(11)：12-17.

[2]李先栋，于翠波，勾学荣.LTE-Advanced移动通信系统双连接技术[J].现代电信科技，2014，4(9)：17-23.

[3]DAHLMANE，PARKVALLS，SKOLDJ.4GLTE/LTE-advancedformobliebroadband[M].[S.l.]：AcademicPressPublications，2011.

[4]焦慧颖.异构网络中的双连接带来的机遇和挑战[J].现代电信科技，2013，43(8)：1-3.

[5]3GPP.TS36.331V12.6.0，Evolveduniversalterrestrial

radioaccess(E-UTRA)：radioresourcecontrol(RRC)[S].2015.

[6]余翔，张丽，王蓉.LTE-A中异构网络的切换分析[J].电讯技术，2014，54(1)：89-96.

[7]董宏成，张宁，李小文.TTCN-3在RRC协议一致性测试中的应用[J].电子技术应用，2013，39(7)：117-120.

[8]陈发堂，吴中华，张有缘，等.多模终端测试平台的搭建及仿真实现[J].电讯技术，2015，55(9)：1042-1046.

[9]曹晶圭，罗佳，张治中.TD-LTE终端协议一致性测试编解码方案研究[J].现代电信科学，2013(3)：15-19.

张德民(1955— )，教授，研究员，研究生导师，长期从事TD-SCDMA移动通信系统开发，目前主要从事TD-LTE系统开发；

田凤仙(1988— )，女，硕士生，主研TD-LTE系统协议栈开发、RRM一致性测试仪表开发；

李培林(1991— )，硕士生，主研TD-LTE系统协议栈开发、RRM一致性测试仪表开发。

责任编辑：许盈

DesignandimplementationofdualconnectivityprocessinheterogeneousnetworkbasedonLTE-A

ZHANGDemin,TIANFengxian,LIPeilin

(Chongqing Key Lab of Mobile Communications Protocol,Chongqing University of Posts and Telecommunications (CQUPT), Chongqing 400065，China)

3GPPhavaproposeddualconnectivitytechniqueinLTE-Aheterogeneousnetworkforenhancedsmallcell,theterminalconnectedtotheMeNBandSeNBsimultaneouslyper-user’sthroughputandthemobilityrobustness,per-userthroughputisobtainedbyconnectingtotwoeNBsatleasttoaggregateradioresources.MeNB,whichismainlyresponsibleforthetransmissionofsignalingsandmobilitymanagement,SeNBmainachievementissplit-data.Thisarticleprovidesscenariosdualconnectiontechnologyonarchitectureenablesseparationofuseranddataplanes,thedesignofdualconnectivityscenariosisbuiltradioresourcemanagement(RRM)conformancetestingplatformwhichisbasedonterminalTTCN-3,andtesttheprocess.

enhancedsmallcell;dualconnectivity;user-plane;control-plane;protocolconformancetesting

TP929.5

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.08.010

国家科技重大专项课题(2012ZX03001024)

2016-01-21

文献引用格式：张德民，田凤仙，李培林.LTE-A异构网中双连接技术的切换流程设计与实现[J].电视技术，2016，40(8)：52-56.

ZHANGDM，TIANFX，LIPL.DesignandimplementationofdualconnectivityprocessinheterogeneousnetworkbasedonLTE-A[J].Videoengineering，2016，40(8)：52-56.