LTE系统内切换流程分析

2024-05-18 16:34:55

UE在LTE系统内的移动性分为空闲态的移动性和激活态的移动性。空闲态UE已在网络上完成注册，一般执行两个流程：小区重选和寻呼消息监听流程。当UE处于激活态时，eNodeB会在网络控制和UE辅助下对UE执行切换。

图1.移动性管理分类

花开两朵，各表一枝。我们先说切换流程。

当正在使用网络服务的UE从一个小区移动到另一个小区，或由于无线传输业务负荷量调整、激活操作维护、设备故障灯原因，为了保证通信的连续性和服务的质量，系统要将用户与原小区的通信链路转移到新的小区上，这个过程就是切换。

切换的四个不同阶段包括如图2所示：

图2. LTE系统内切换的四个阶段

1）测量和报告阶段：UE对邻区进行测量，并将结果报告给服务eNodeB，eNodeB判断是否满足切换条件；

2）准备切换阶段：当eNodeB判断目前所有的切换条件都满足时，就开始为UE选择目标eNodeB。选择目标eNodeB的过程可能触发eNodeB之间的信令交换；

3）切换执行阶段：目的eNodeB选定后，当前eNodeB就会告知UE何时执行切换，以及其他一些接入目的eNodeB时需要得到的消息。因为UE和目的eNodeB之间没有建立，所以UE会采用随机接入流程来接入目的eNodeB (参见《LTE随机接入过程》)；

4）切换完成阶段：源基站释放资源、链路，删除用户信息。

当UE从原小区逐渐靠近目标小区时，原小区的RSRP逐渐降低，目标小区RSRP逐渐升高。LTE系统内切过程如图3.所示。

图3. LTE系统内切换示意图

根据切换的源小区和目标小区的不同，切换的信令流程也不一样，由此可以分为三种类型的切换：1）站内切换；2）X2的切换；3）S1的切换。一般来说X2切换的优先级高于S1切换。图4.展示了基站之间的S1接口

图4. LTE网络架构与接口

这三种切换分别表示：

站内切换：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，所以基站在内部进行判决，并且不需要向核心网申请更换数据传输路径。

X2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。X2切换的前提条件是目标基站和源基站配置了X2链路，且链路可用。

S1切换：S1切换流程与X2切换类似，只不过所有的站间交互信令及数据转发都需要通过S1口到核心网进行转发，时延比X2口略大。协议36.300中规定eNodeB间切换一般都要通过X2接口进行，但当源eNodeB和目标eNodeB之间不存在X2接口，或者源eNodeB尝试通过X2接口切换，但被目标eNodeB拒绝，则会触发S1接口的eNodeB间切换。

这三种类型的切换信令流程如下图5~7所示：

5.站内切换

6.X2切换

7. S1切换

由于接口的不同，上述的三个切换信令流程不同，但是他们都满足上文所说的切换的四个阶段。

图8.LTE系统内切换的不同阶段的异同

我们可以总结一些相同点和不同点，我们把相同的信令用蓝框圈起来，不同的信令用红框圈起来。

相同点：三类切换中测量和报告阶段和切换执行阶段是相同的，因为这两个阶段不涉及到源eNodeB和目标eNodeB之间的通信，所以虽然不同形式的切换的接口不同，但是这三个阶段的信令是一样的。

不同点：与之对应的是涉及到源eNodeB和目标eNodeB之间的通信准备切换阶段、切换完成阶段阶段，信令是不一样的。

下面我们对这四个阶段的具体内容详细的说明一下。

第一阶段：测量和报告

eNodeB向UE下发测量控制，通过RRC ConnectionReconfigration消息对UE的测量类型进行配置；
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RRC Connection ReconfigrationComplete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；
eNodeB根据测量报告进行判决，判决该UE将发生eNodeB内切换（或者eNodeB间切换），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；
在实际的应用中，UE按照测量配置向eNodeB上报测量报告，UE的测量上报机制分为周期性的测量上报和事件性的测量上报，如图9所示。

图9.基于不同上报机制的测量上报

图9.可以看出，基于事件的测量上报可以减少UE的测量上报次数，同时又能够保证UE及时切换，这样可以延长电池的使用时间。基于事件的测量上报，系统内的事件包括A1~A5事件，他们分别是：

A1事件：服务小区质量高于一个绝对门限，用于关闭正在进行的频间测量；
A2事件：服务小区质量低于一个绝对门限，用于打开频间测量；
A3事件：同优先级邻区比服务小区质量高于一个绝对门限，用于频内/频间基于覆盖的切换；
A4事件：邻区质量高于一个绝对门限，主要用于基于负荷的切换；
A5事件：服务小区质量低于一个绝对门限1，且邻区质量高于一个绝对门限2，用于频内/频间基于覆盖的切换。
通过UE上报的事件内容，源eNodeB判断是否进行切换，至此切换的第一步已全部完成。

第二阶段：准备切换阶段

这一阶段是源eNodeB和目标eNodeB之间的“对话沟通”阶段，因为他们之间连接方式不同，所以才会有站内切换、X2切换、S1切换。二者之间交换信令的目的都是在新小区内进行资源准入，资源准入成功后为UE的接入分配空口资源。可以用,幅漫画10来描述这个过程，目标eNodeB“资源准入成功”后，源eNodeB就可以顺利的把UE交给目标eNodeB了。

图10.准备切换阶段漫画

由于鉴于作者水平有限，同时这一阶段的信令在eNodeB之间传递，空口上无法接收到该阶段的信令，所以本文未添加这阶段的信令流程实例分析。

第三阶段：切换执行阶段

源eNodeB将分配的专用接入签名配置给UE，向UE发送RRCConnection Reconfigration消息命令指示UE切换指定的小区；
UE向目标eNodeB发送RRC Connection Reconfigration Complete消息指示UE已经接入新小区，表示UE已经切换成功。同时，切换期间的业务数据转发开始进行；

第四阶段：切换完成阶段

该阶段的主要认识是告知UE已经接入新的小区，并且在新的小区能够进行业务通信，需要释放在源小区所占用的资源，目标eNodeB向源eNodeB发送UECONTEXTRELEASE消息，源eNodeB释放该UE的上下文，包括空口资源和SAE bearers资源。

下面，我们通过TEMS Discovery软件，以一段路测LOG来分析该阶段的相关信令。如图11.所示

图11.站内切换测试LOG

图12.站内切换测试LOG信令流程

终端UE从基站西二环北路绿色小区切换的蓝色小区，UE首先上报A3事件，经过eNodeB判断，下发RRCConnectionReconfiguration信令，指示UE切换到同频目标小区(PCI = 323, 频点 1650)，切换成功后，UE上报RRCConnectonReconfigurationComplete 信令。由于空口无法获得切换过程中阶段二,四的信令，这两个阶段的信令不做详细分析。

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