LTE 移动性切换
- 移动性是移动蜂窝通信系统的重要组成部分，因为它为终端用户提供了明显的好处
- 即使在高速列车中移动，也可以保持低延迟服务，如语音或实时视频连接
高速移动是一个挑战，LTE作为长期演进技术，比以前的技术更有希望克服这一挑战
LTE无线网络的主要目标之一是提供从一个小区到另一个小区的快速无缝切换，同时保持网络管理的简单性
- LTE技术旨在支持各种移动速度，最高可达350公里/小时，甚至可达500公里/小时
- 随着移动速度的提高，切换也会更加频繁和快速
- 切换是确保用户在网络中自由移动的关键步骤之一，同时用户仍被连接并提供高质量的服务
- 因为它的成功率是用户满意度的关键指标，所以这个过程必须尽可能快且无缝地进行
但在LTE中，提供无缝接入的问题变得更加重要，因为它使用了硬切换(制造前中断)
因此，在LTE网络中，优化切换过程以获得所需的性能被认为是一个重要问题
切换特征
根据所需的QoS，为每个无线电承载执行适当的无缝切换或无损切换
无缝越区切换
无缝切换的目标是在终端从一个小区的覆盖移动到另一个小区的覆盖时提供给定的QoS
- LTE中，无缝切换适用于所有承载控制平面数据的无线承载，以及映射在RLC-UM上的用户平面无线承载
- 这些类型的数据通常可以合理地容忍损失，但不能容忍延迟(例如语音服务)
因此，无缝切换应尽量减少复杂性和延迟，尽管可能会有部分SDUs丢失
在无缝切换中，PDCP 实体包括报头压缩上下文将被重置，COUNT 值将被设置为零
由于新密钥是在移交时生成的，因此不存在保留COUNT值的安全理由
在用户侧，所有尚未发送的 PDCP SDUs 在切换后都将被发送到目标小区
- 未启动传输的 PDCP SDUs 可以通过 X2 接口转发到目标 eNB
- 未确认的 PDCP SDUs 将丢失
这将移交的复杂性降到最低，因为不需要在源和目标 eNodeB 之间传输上下文(即配置信息)
无损切换
无损切换是指在切换过程中数据不丢失
- 这是通过在终端从源小区分离进行切换之前对接收未被终端确认的 PDCP PDUs 进行重传来实现的
- 在无损切换中，通过使用 PDCP Data PDUs 序列号，可以保证切换过程中的顺次交付
- 无损切换非常适合于像文件下载这样的容延迟服务
由于 TCP 反应，PDCP SDUs 的丢失可以极大地降低数据速率
对于用户平面和一些映射在 RLC-AM 上的控制平面无线电载波，采用了无损切换
- 在终端侧进行无损切换时，由于源eNB的上下文没有转发到目标eNB，所以会重置头压缩协议，但是PDCP SDUs 的序列号和 COUNT 值不会重置
为了保证上行链路的无损切换，PDCP 重传缓冲区中存储的 PDCP PDUs 报文，根据切换过程中维护的PDCP SNs，通过RLC协议进行重传，并按照正确的顺序发送给网关
为了保证下行链路的无损切换，源 eNodeB 将终端尚未确认接收的未压缩 PDCP SDUs 转发给目标 eNodeB 进行下行重传
切换类型
切换由 eNodeB 根据终端接收到的测量报告触发
- 根据交接的来源地和目的地，可以将交接分为不同的类型
- 切换可以在 E-UTRAN 中开始和结束
- 可以在E-UTRAN中开始并在另一个RAT (Radio Access Technology)中结束
也可以从另一个RAT开始并在E-UTRAN中结束
切换工作分为：
- Intra-frequency intra-LTE handover
- Inter-frequency intra-LTE handover
- Inter-RAT towards LTE handover
- Inter-RAT towards UTRAN handover
- Inter-RAT towards GERAN handover
- Inter-RAT towards cdma2000 system handover
LTE 内部切换
切换分为软切换和硬切换，分别称为CBB (Connect-Before-Break - connect)和BBC (Break-Before-Connect)
软切换 Connect-Before-Break
软切换是一种切换过程
- 在这种切换过程中，无线链路的添加和放弃方式使终端始终保持至少一条到 UTRAN 的无线链路
- 在WCDMA体系结构中引入了软切换和更软切换
- 在WCDMA体系结构中，有一个名为无线网络控制器(RNC)的集中控制器对每个终端进行切换控制
- 在通话过程中，终端可以同时连接到两个或多个小区(或小区扇区)
如果UE连接的单元来自同一个物理站点，则称为软切换
在切换方面，软切换适用于保持会话处于活动状态、防止语音通话掉断、重设分组会话等
然而，软切换需要更复杂的信令、过程和系统架构，如WCDMA网络
硬切换 Break-Before-Connect
硬切换是指在建立新的无线链路之前，终端中所有旧的无线链路都被丢弃。
- 硬切换是传统无线系统中处理切换的常用方法。
- 硬切换要求用户断开与当前单元(源单元)的现有连接，并建立到目标单元的新连接。
-
切换流程
LTE中的切换过程可以分为三个阶段：
- 切换准备阶段、切换执行阶段和切换完成阶段
- 从 UE (User Equipment) 向 eNB (service evolution Node B)上报切换事件的测量开始
- 控制面处理的切换过程不涉及EPC (Evolved Packet Core)，即在eNB的[1]之间直接交换准备消息
这是部署X2接口时的情况，否则将使用MME进行HO信令
基本切换场景的切换过程如图所示
- 切换准备
- 切换准备过程中，终端与核心网之间的数据流量正常。
- 该阶段包括诸如测量控制之类的消息传递，测量控制定义UE测量参数，然后在满足触发条件时相应地发送测量报告。
- 然后在提供服务的eNodeB做出切换决定，eNodeB请求向目标单元进行切换并执行接纳控制。
- 然后，移交请求被目标eNodeB确认。
- 切换执行
- 当源eNodeB下发切换命令到终端时，即进入切换执行阶段。
- 在此阶段，数据从源端转发到目标端eNodeB，目标端eNodeB对报文进行缓冲。
- 然后UE需要同步到目标小区，并对目标小区进行随机访问，以获得UL分配和时间提前等必要的参数。
- 最后，终端向目标eNodeB发送切换确认消息，目标eNodeB将转发的数据发送到终端[1]。
切换完成
- 在最后阶段，目标eNodeB通知MME用户平面路径已经更改。
- 然后通知S-GW更新用户平面路径。
- 此时，数据开始在通往目标eNodeB的新路径上流动。
- 最后在源eNodeB中释放所有的无线和控制平面资源。
下面给出了内部 mme/服务网关 HO过程的更详细描述：
- 源 eNB 根据区域限制信息配置终端测量步骤。
- 测量报告是终端触发后按一定规则发送的报表。
- 交接的决定是由源eNB基于测量报告和RRM信息做出的。
- 交接请求消息由源eNB发送给目标eNB，其中包含了在目标端准备 HO 所需的所有信息。
- RAB QoS 的信息。执行准入控制是为了增加成功的 HO 的可能性，因为目标eNB决定资源是否可以被授予。如果资源可以被授予，目标eNB根据接收到的E-RAB QoS信息配置所需的资源，然后为终端预留一个Cell Radio Network Temporary Identifier (C-RNTI)和一个RACH前导。
- 目标 eNB 准备好 HO，然后向源 eNB 发送交接请求确认。在交接请求确认消息中有一个透明容器，它的目的是作为RRC消息发送到终端进行交接。该容器包括一个新的 C-RNTI，所选安全算法的目标 eNB 安全算法标识符，可能包括一个专用的 RACH 前导，可能还包括一些其他参数，如转发隧道的RNL/TNL信息。当需要进行数据转发时，源eNB向终端发送切换命令后，即可开始将数据转发给目标eNB。
如何避免数据在HO期间丢失：
- 为了完成切换，目标eNB生成RRC消息，即RRC Connection Reconfiguration消息，其中包含了移动性控制信息。源eNB向终端发送此消息。
- SN STATUS TRANSFER 消息由源 eNB 发送给目标 eNB。其中提供了E-RABs的上行PDCP SN接收器状态和下行PDCP SN发射器状态信息。第一个缺失的 UL SDU 的PDCP SN 包含在“上行PDCP SN receiver status”中。目标eNB应分配给新 SDUs 的下一个 PDCP SN 由下行 PDCP SN 发射机状态指示。此时，用户平面下行报文的数据转发可以采用无缝模式，减少终端移动过程中的中断时间；也可以采用不允许丢包的无损模式。源eNodeB可能决定在每个EPS承载基础上操作这两种模式之一，基于该承载在X2上接收到的QoS。
- 终端接收到包含移动控制信息的 RRC Connection Reconfiguration 消息后，尝试同步目标 eNB，并通过RACH访问目标cell。如果为UE分配了一个专用的RACH前导，它可以使用一个争用自由过程；否则，它将使用基于争用的过程。在安全意义上，目标eNB特定的密钥是由终端派生的，所选的安全算法被配置为在目标单元中使用。
- 目标eNB根据时间提前和上行链路分配进行响应。
- 在用户成功访问到目标蜂窝之后，它发送RRC连接重构完成交接确认消息，RRC连接重新配置完成的 CRNTI 发送消息验证了目标eNB后来目标eNB现在可以开始发送数据的问题。
- 目标 eNB 向 MME 发送 PATH SWITCH 消息，通知UE更改cell。
- UPDATE USER PLANE REQUEST 消息由 MME 向服务网关发送。
- 服务网关将下行数据路径切换到目标eNB，并在旧路径上发送一个或多个\结束标记”报文到源eNB，表示这条路径上不再发送报文。释放源eNB的U-plane/TNL资源。
- service Gateway 向 MME 发送 UPDATE USER PLANE RESPONSE 消息。
- MME 发送 PATH SWITCH 确认消息来确认 PATH SWITCH 消息。
- 目标 eNB 向源 eNB 发送“UE CONTEXT RELEASE”，告知移交成功。目标eNB从MME收到PATH SWITCH确认后，将此消息发送给源eNB
- 源eNB 收到 UE CONTEXT RELEASE 消息后，可以释放无线和 c 面相关资源
- 如果有正在进行的数据转发，它可以继续
切换标准
在LTE中，网络中有一些预定义的切换条件或阈值定义，以及一些关于切换设计和优化的目标来触发切换过程
- 例如通过预测切换来减少整个系统中的切换总数，减少乒乓交接次数，实现快速无缝交接
- 因此，触发切换的决策是切换设计过程中至关重要的组成部分
切换的成功和效率在很大程度上取决于决策的准确性和及时性。
下面讨论了设计切换的主要标准
尽量减少切换失败的次数
- 避免切换导致的通话终止
- 当移动设备通过切换从一个服务小区转移到另一个服务小区时，应保留通话
- 这是切换设计和优化的一个重要目标
- 尽量减少不必要的交接
- 由于过度的切换会增加交换负载，降低系统的通信质量和通信容量
- 因此总是希望尽可能减少切换的数量。
- 减轻乒乓效应(用户在相邻单元之间反复切换)和识别正确的目标单元可以帮助避免不必要的切换
- 最小化初始化移交的绝对数量
- 切换过程存在风险，可能导致通话丢失
- 当乒乓切换次数较多或目标单元选择不正确时，切换初始化次数将显著增加
- 因此，对于运营商来说，尽量减少交接的次数，为客户提供良好的服务是非常重要的
- 最小化交接延迟
- 切换速度要快，以免用户遇到服务降级或中断的情况
- 这个目标对于在用户平面上有中断的硬切换更为重要
- 最大化用户连接到最佳单元的总时间
- 切换时，终端连接到最佳小区
- 如果切换设计的方式能够延长终端连接到最佳小区的时间，实现这一目标将会更容易
- 因此，将用户连接到最佳单元的总时间最大化是一个重要的设计目标
尽量减少切换对系统和业务性能的影响
- 通过优化切换过程，可以最大限度地降低切换对系统和业务性能的影响
- 有了一个有效的切换算法，应该有良好的系统性能为用户
- 例如，SIR和电流链路的信号强度应该是好的
- 这就需要使用高效的切换算法，最大限度地降低切换对系统性能的影响
- 为了尽量减少切换过程对业务性能的影响，并具体考虑实时业务等关键业务的延迟，切换设计也很重要
- 上述的一些目标是相互矛盾的
- 例如，最小化不必要的切换数量可以在一定程度上增加切换延迟，最大化用户连接到最佳单元的时间可以增加切换数量
- 切换算法中参数的不同组合会造成这种权衡，影响切换性能
- 因此，在设计性能良好的切换时，考虑不同目标的重要性，找到这些参数的最优设置，以获得一般良好的性能是非常重要的
切换测量
作为RRM的一部分，LTE的切换过程是根据终端的测量结果进行的
- 切换决策通常是基于下行信道的测量结果
- 这些测量结果包括终端上的参考信号接收功率(RSRP)和参考信号接收质量(RSRQ)，并定期发送给eNB
下面是对它们的描述
参考信号接收功率(RSRP)
- RSRP测量提供蜂窝特异性信号强度度量
- 该测量主要用于根据不同LTE候选小区的信号强度对其进行排序，并作为切换和小区重选决策的输入
- RSRP定义为特定单元的信号在考虑的测量频率带宽内携带特定单元参考信号(RS)的信号的线性平均接收功率(以瓦特为单位)
- 参考信号接收质量(RSRQ)
- 这个测量的目的是提供一个蜂窝特定的信号质量度量
- 与RSRP类似，该度量主要用于根据信号质量对不同LTE候选小区进行排序
- 该度量被用作切换和小区重选决策的输入
- 例如在RSRP度量不能提供足够信息来执行可靠的移动性决策的场景中
- RSRQ定义为：
- 其中 N 为 LTE 运营商 RSSI 测量带宽的 RBs (Resource block)个数
- 分子和分母的测量是在同一组资源块上进行的
- RSRP是想要的信号强度的指标，而RSRQ由于包含RSSI，额外考虑了干扰水平
- 因此，RSRQ能够高效地报告信号强度和干扰的联合效应
除RSRP/RSRQ外，切换技术还有其他决策准则，如
信噪比(SNR)
- 信噪比是一种比较期望信号和背景噪声(不需要的信号)水平的测量方法
- 它被定义为信号功率与噪声功率的比值。比值大于1:1表示信号大于噪声
- 其中P为平均功率。信号和噪声功率必须在系统中相同或等效的点测量，并且在相同的系统带宽内
- 载干比(CIR)
- CIR以分贝(dB)表示，是信号有效性的度量，它被定义为载波功率与干扰信号功率的比值
- 信号干扰加噪声比(SINR)
- 此指标用于优化目标服务质量的发射功率水平，以辅助切换决策。准确的信噪比估计提供了一个更高效的系统和更高的用户感知服务质量
- SINR定义为信号功率与噪声、干扰综合功率的比值：
- 其中 P 为平均功率，数值通常以dB引用
- 接收信号强度指示器(RSSI)
- LTE载波 RSSI 定义为在3GPP规定的测量带宽范围内
- 终端观测到的所有源(包括同信道服务小区和非服务小区、相邻信道干扰和热噪声)的总接收宽带功率
- LTE运营商 RSSI 本身并没有作为一个测量值报告，而是作为LTE RSRQ测量值的输入
- 如前所述，LTE中的切换测量是在如图所示的帧结构中的下行参考符号处进行的
- 然而，切换决策也可以基于上行测量
- 在 L1 处对所有参考符号进行快速衰落的平均，因此称为 L1 滤波
- LTE中可伸缩带宽的使用允许在不同带宽上进行切换测量
切换参数
- 切换过程有不同的参数来提高切换性能，将这些参数设置为最优值是一个非常重要的任务。
在LTE中，切换的触发通常是基于链路质量和其他一些参数的测量，以提高性能。其中最重要的包括
切换发起阈值级别RSRP和RSRQ
- 此级别用于切换启动
- 当切换阈值减小时，延迟切换的概率减小，乒乓效应增大
- 它可以根据不同的场景和传播条件而变化，以做出这些权衡，并获得更好的性能
- 滞后余量
- 滞回余量(也称为HO余量)是控制两个eNB之间HO算法的主要参数
- 当另一个小区的链路质量比当前链路质量好一个滞回值时，就会发起切换
- 它是用来避免乒乓效应的。然而，它会增加切换失败，因为它也会阻止必要的切换
- 延迟触发时间(TTT)
- 当应用time-to-trigger时，只有在一段时间间隔内满足触发需求时，才会触发切换
- 该参数可以减少不必要的切换次数，有效避免乒乓效应
- 但它也会延迟切换，从而增加切换失败的概率
平均窗口的长度和形状
- 在切换决策中，应尽量减小由衰落引起的信道变化的影响
- 平均窗口可以用来过滤它
- 窗口的长度和形状都会影响切换的起始
- 长窗口会减少切换的数量，但会增加延迟
- 窗口的形状，例如矩形或指数形状，也会影响切换的数量和不必要的切换的概率
列出的参数将直接影响切换初始化，因此它们可以根据特定的设计目标进行调整
- 但是，还有其他参数，比如测量报告周期，也会对切换启动产生影响
- 综上所述，切换触发过程的起点是终端进行的测量
- 根据eNodeB上配置的测量周期参数的定义，周期性地进行这些操作
当服务小区RSRP将配置的HO偏移量(通常为2-3dB)降到测量到的邻居小区以下时，就会启动计时器
当超过TTT (Time to Trigger)值时，将测量报告发送到eNodeB, eNodeB通过向终端下发切换命令，发起切换
- 如果报告条件发生变化，在计时器到达TTT值之前不再满足触发条件，则不会发送测量报告
并启动新的测量计算和计时器
切换参数需要优化以获得良好的性能
- 在衰落的条件下，切换偏移量和TTT值过低会导致细胞之间来回的乒乓切换
过高的值可能会导致切换期间的通话掉线，因为无线条件对服务小区中的传输来说太糟糕了
需要注意的是，切换后的用户数据中断时间不受这些参数的影响，只有在终端接收到切换命令后才会触发
- 终端在接收命令前，会像往常一样收发数据
- 例如，移交命令可能必须由HARQ进程重传多次，但如果最终成功移交呼叫，用户服务延迟不会受到影响
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