LTE学习笔记--LTE无线连接过程--切换

首先需要说明的是小区切换和重连并不是一个概念:小区切换时UE远离了小区，将测量信息发送给eNode B,由eNode B决定是否切换到临近的其他小区；而重连是因为某些原因导致UE与eNode B的连接断开，后由重新检测到小区信号因此发生重连。

1，测量

这里涉及到LTE测量的概念。测量过程主要包括以下三个步骤：
测量配置：由eNB通过RRCConnectionReconfigurtion消息携带的measConfig信元将测量配置消息通知给UE，即下发测量控制。
测量执行：UE会对当前服务小区进行测量，并根据RRCConnectionReconfigurtion消息中的s-Measure信元来判断是否需要执行对相邻小区的测量。
测量报告：测量报告触发方式分为周期性和事件触发。当满足测量报告条件时，UE将测量结果填入MeasurementReport消息，发送给eNB。
测量报告的主要内容包括：测量ID、服务小区的测量结果（RSRP和RSRQ的测量值）、邻小区的测量结果（可选）
RSRP（Reference Signal Received Power）参考信号接收功率：定义为在考察的测量带宽内，承载小区专有参考信号的资源粒子的功率贡献的线性平均值
RSRQ（Reference Singnal Received Quanity）参考信号接收质量：定义为比值NxRSRP/(E-UTRA carrier RSSI),其中N表示E-UTRA carrier RSSI测量带宽中的RB的数量。分子和分母应该在相同的资源上获得。
说白了，就是UE可以通过一定的机制（事件触发或周期发送）将无限连接质量报告给eNode B，eNode B对这个报告进行分析从而作出切换决策。

2，切换

切换过程都会被分为4个步骤：测量、上报、判决和执行。接收功率、误比特率和链路距离都能够作为测量标准从而进行理论上的估计和相应的处理。TD-LTE系统的切换是UE辅助的硬切换，他和FDD-LTE硬切换的最大区别在于：在TD-LTE中导频信号是在一个特殊的时隙上进行传输，而FDD-LTE系统中导频信道则占用一整个帧长度，所以基于导频信道的测量标准对于TD-LTE来说并不是那么精确。所以对于TD-LTE的测量，还需要结合信道质量、UE的位置和导频信号强度来进行。
在连接模式下的E-UTRAN内切换是终端辅助网络控制的切换。切换主要分成切换准备、切换执行和切换完成3个部分。其中eNB包括以下几种切换：
基于无线质量的切换：通常进行此类切换的原因是：UE的测量报告显示出存在比当前服务小区信道质量更好的邻小区。
基于无线接入技术覆盖的切换： 此类切换是在UE丢失当前无线接入技术(RAT)覆盖从而连接到其他RAT的情况下产生的。例如，一个UE远离了城市区域从而丢失TD-LTE覆盖，网络就会切换到UE检测到的质量次好的RAT，如通用移动通信系统(UMTS)或者全球移动通信系统(GSM)。
基于负载情况的切换：此类切换用于当一个给定小区过载时，尽量平衡属于同一操作者的不同RAT间的负载状况。例如，如果当一个TD-LTE小区非常拥挤，一些用户就需要转移到相邻TD-LTE小区或是相邻UMTS小区中。
LTE切换可分为以下几种类型：
1， 系统内切换
1）源eNode B根据区域限制信息配置UE的测量过程，并通过RRC重配置消息发送测量控制信息给UE。UE按照eNode B下发的测量控制在UE的RRC协议端进行测量配置， 并向eNode B发送RRC Connection Reconfiguration Complete消息表示测量配置完成。
2）UE按照测量配置向eNode B上报测量报告。源eNode B基于测量报告和无线资源管理信息作出UE切换的判决。当Source eNode B认为切换有必要，就确定一个合适的目标小区，请求接入控制目标小区的Source eNode B。
3）源 eNode B向MME（Mobility Management Entity） 发送Handover Required信息，用于请求目标端准备资源，并传送必要的信息，包括：切换原因、目标小区ID、TAI信息、UE RAN上下文信息等。
4）为了在目标侧为切换预留资源，MME向目标eNode B发送Handover Request信息，并传送必要的信息，包括：切换原因、目标小区ID、UE上下文信息、SAE承载ID、SAE承载QoS参数、RRC上下文信息等。目标小区进行资源准入，为UE的接入分配空口资源和业务的SAE承载资源。
5）目标小区资源准入成功后，向MME发送Handover Request Acknowledge消息，通知已在目标eNB中准备好资源。包括：SAE承载信息。
6）MME向源eNode B发送Handover Command消息，通知源eNode B，目标端已经准备好切换的资源。包含：SAE承载ID、下行传输层地址等。
7）Source eNode B将切换执行时UE接入目标小区所需的参数生成RRC Connection Reconfiguration消息发送到UE。主要包括小区ID、载波频率、目标功率等无线资源和物理资源配置等。
8）该消息由源eNode B发送给MME，用来传输PDCP接收和发送状态序列号。
9）该消息由MME发送给目标eNode B，用来传输PDCP接收和发送状态序列号。
10）与目标小区完成上行同步。
11）UE接收到包含MobilityControlInfo的RRC重配置消息后，中断与源eNode B的无线连接，并开始同目标eNode B建立新的无线连接，在这段时间内，数据传输被中断。这其中包括下行同步建立、定时提前、数据发送等步骤。当UE成功接入到目标小区，UE发送RRC连接重配置完成信息到目的eNode B去指示切换进程对于UE已完成。
2，eNB内切换（intra-eNB）：同一个eNB下2个小区之间的切换；
1）eNode B根据区域限制信息配置UE的测量过程，并通过RRC重配置消息发送测量控制信息给UE。UE按照eNode B下发的测量控制在UE的RRC协议端进行测量配置， 并向eNode B发送RRC Connection Reconfiguration Complete消息表示测量配置完成。
2）UE按照测量配置向eNode B上报测量报告，包含服务小区和邻小区信息，如RSRP、RSRQ测量信息。
3）eNode B基于测量报告和无线资源管理信息作出UE切换的判决。当eNode B认为切换有必要，就确定一个合适的目标小区，请求接入控制目标小区。
4）目标小区进行资源准入，为UE的接入分配空口资源和业务的SAE（System Architecture Evolution）承载资源。
5）源小区将切换执行时UE接入目标小区所需的参数生成RRC Connection Reconfiguration信息发送给UE执行切换。主要包括小区ID、载波频率、目标功率等无线资源和物理资源配置等。
6）与目标小区完成上行同步。
7）UE接收到包含MobilityControlInfo的RRC重配置消息后，中断与源小区的无线连接，并开始同目标小区建立新的无线连接，在这段时间内，数据传输被中断。这其中包括下行同步建立、定时提前、数据发送等步骤。当UE成功接入到目标小区，UE发送RRC连接重配置完成信息到目标小区去指示切换进程对于UE已完成。
3，eNB间切换（inter-eNB）：X2切换、S1切换。不同eNB下的2个小区之间的切换；
1）源eNode B根据区域限制信息配置UE的测量过程，并通过RRC重配置消息发送测量控制信息给UE。UE按照eNode B下发的测量控制在UE的RRC协议端进行测量配置， 并向eNode B发送RRC ConnectionReconfiguration Complete消息表示测量配置完成。
2）UE按照测量配置向eNode B上报测量报告。源eNode B基于测量报告和无线资源管理信息作出UE切换的判决。当源eNode B认为切换有必要，就确定一个合适的目标小区，请求接入控制目标小区的源eNode B。
3）为了在目标侧为切换预留资源，源eNode B向目标eNode B发送Handover Request信息，并传送必要的信息，包括：切换原因、目标小区ID、UE上下文信息、SAE承载ID、SAE承载QOS参数、RRC上下文信息等。目标小区进行资源准入，为UE的接入分配空口资源和业务的SAE承载资源。
4）目标小区资源准入成功后，向源eNode B发送Handover Request Acknowledge消息，通知源eNB已在目标eNB中准备好资源。包括：SAE承载信息。
5）Source eNode B将切换执行时UE接入目标小区所需的参数生成RRC Connection Reconfiguration消息发送到UE。主要包括小区ID、载波频率、目标功率等无线资源和物理资源配置等。
6）该消息由源eNB发送给目标eNB，用于在切换过程中发送上行/下行E-RAB的PDCP SN和HFN状态。
7）与目标小区完成上行同步。
8）UE接收到包含MobilityControlInfo的RRC重配置消息后，中断与Source eNode B的无线连接，并开始同Target eNode B建立新的无线连接，在这段时间内，数据传输被中断。这其中包括下行同步建立、定时提前、数据发送等步骤。当UE成功接入到目标小区，UE发送RRC连接重配置完成信息到Target eNode B去指示切换进程对于UE已完成。
4，系统间切换：E-UTRAN与其他系统之间的切换（inter-RAT）

从上面可以看出，切换过程的大致步骤基本相同，所不同的是需要使用的接口不同:系统内切换使用了S1接口，eNode B间切换使用的是X2接口，eNode B内切换不需要使用类似的接口。

2，TAU

跟踪区（Tracking Area）是LTE/SAE系统为UE的位置管理新设立的概念。其被定义为UE不需要更新服务的自由移动区域。TA功能为实现对终端位置的管理，可分为寻呼管理和位置更新管理。UE通过跟踪区注册告知EPC自己的跟踪区TA（Tracking Area）。
TA是小区级的配置，多个小区可以配置相同的TA，且一个小区只能属于一个TA。

TAI是LTE的跟踪区标识（Tracking Area Identity），是由PLMN和TAC组成。TAI = PLMN + TAC（Tracking Area Code）。
多个TA组成一个TA列表，同时分配给一个UE，UE在该TA列表（TA List）内移动时不需要执行TA更新，以减少与网络的频繁交互；当UE进入不在其所注册的TA列表中的新TA区域时，需要执行TA更新（TAU），MME给UE重新分配一组TA，新分配的TA也可包含原有TA列表中的一些TA；
TAU主要由UE发起，当UE检测到自己的TAI不在保存的TAI list中时，UE发起一个TAU过程。所不同的是这次携带的请求包含TAU request。
在4G通信LTE系统中设计跟踪区时，希望满足如下要求：
1、 对于LTE的接入网和核心网保持相同的跟踪区域的概念。
2、 当UE处于空闲状态时，核心网能够知道UE所在的跟踪区。
3、 当处于空闲状态的UE需要被寻呼时，必须在UE所注册的跟踪区的所有小区进行寻呼。
4、 在LTE系统中应尽量减少因位置改变而引起的位置更新信令。寻呼负荷确定了跟踪区的最大范围，相应的，边缘小区的位置更新负荷决定了跟踪区的最小范围，其最重要的限定条件还是MME的最大寻呼容量。
这里会有一个问题：核心网知道的是UE的TA还是TA List，我们知道，为了减少与网络频繁交互，UE在某TA List内移动时是不需要执行TA更新的；而只有当UE进入不在其所注册的TA列表中的新TA区域时，才需要执行TAU。如果核心网持有的是UE所在的TA，那么UE进入同一TA List下的不同TA后，核心网怎么能知道UE的新TA？
因此，核心网(主要是MME )持有的应该是UE所在的TA List。换句话说，TA List决定了 MME发起的寻呼范围的大小。寻呼过程中，MME在为UE分配的TA List中包含的所有eNB范围内，发起寻呼过程。
TAU过程的行令流程如下图所示（事实上，UE在Connected状态下也是可以发起TAU的）：

（图片来自网络）

触发TAU的情况包括：
1. UE进入一个新的TAC区域就要进行TAU；
2. UE首次开机接入网络要进行TAU；
3. UE从2/3G返回4G网络要进行TAU；
4. 从盲区返回4G网络要进行TAU。
5. 周期性的TAU