UMTS網(wǎng)絡(luò)中SRNS重定位機(jī)制的研究

王強強

（東莞理工學(xué)院 城市學(xué)院，廣東 東莞 523106）

和2G（2nd Generation）網(wǎng)絡(luò)面向語音服務(wù)不同，3G （Third Generation）網(wǎng)絡(luò)以面向數(shù)據(jù)為主。受電磁波傳播特性的限制，3G移動通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的蜂窩比2G的要小得多。因此，用戶在使用3G網(wǎng)絡(luò)時，發(fā)生切換的概率和頻率要更大。筆者從通用移動通信系統(tǒng)UMTS（Universal Mobile Telecommunication System）網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)SRNS（Serving Radio Network System）重定位入手，對用戶UMTS網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的切換進(jìn)行了分析和研究，提出了一種新的SRNS重定位機(jī)制，并對其進(jìn)行了仿真驗證。

1 UMTS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在國際電信聯(lián)盟 ITU（International Telecommunication Union）通過的4個3G標(biāo)準(zhǔn)中，以WCDMA的應(yīng)用最為廣泛。UMTS網(wǎng)絡(luò)使用了WCDMA技術(shù)作為接入手段，已經(jīng)在世界上許多地區(qū)和國家部署。圖1是UMTS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

一個UMTS網(wǎng)絡(luò)主要由核心網(wǎng)CN（Core Network）、接入網(wǎng) UTRAN （UMTS Terrestrial Radio Access Network）和用戶設(shè)備 UE （User Equipment）3 部分組成：

1）核心網(wǎng)CN的主要作用是為用戶業(yè)務(wù)提供交換、路由和轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)；同時也包含了數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)管理功能；

2）接入網(wǎng)UTRAN支持用戶數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、編碼、無線資源管理、功率控制和切換控制等功能；

圖1 UMTS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Architecture of UMTS

3）用戶設(shè)備UE除了為用戶接入到UMTS網(wǎng)絡(luò)提供了可能性之外，還支持用戶鑒權(quán)等安全功能。

2 切換和傳統(tǒng)SRNS重定位

越區(qū)切換指的是在專用模式下，移動臺改變了當(dāng)前小區(qū)，使用了一條專用信道[1]。UMTS網(wǎng)絡(luò)中的切換可以分為以下幾類[2]。

硬切換是指不同頻率的基站或扇區(qū)之間的切換。在切換過程中，移動臺必須在指定時間內(nèi)，先中斷與原基站的聯(lián)系，調(diào)諧到新的頻率上，再與新基站取得聯(lián)系。因此，硬切換是“先斷開，后切換”。切換時，要在原話音信道上送切換指令，移動臺需要暫時停止通話，然后調(diào)諧到新的信道頻率上。

軟切換是指同一頻率不同基站之間的切換。在切換過程中，移動臺同時與原基站和新基站都保持著通信鏈路，一直到進(jìn)入新基站并測量到新基站的傳輸質(zhì)量滿足指標(biāo)要求后，才斷開與原基站的連接。因此，軟切換是“先切換，后斷開”。在切換過程中，移動臺并不中斷與原基站的聯(lián)系，真正實現(xiàn)了“無縫”切換。

更軟切換是指移動臺在同一基站小區(qū)中不同扇區(qū)間的軟切換。

UMTS網(wǎng)絡(luò)中硬切換會導(dǎo)致SRNS的發(fā)生，同時由于硬切換是先斷后連，切換過程中勢必造成用戶數(shù)據(jù)分組的丟失。

在UMTS網(wǎng)絡(luò)中，SRNS重定位屬于移動性管理范疇。它指的是 UE的SRNS從一個無線網(wǎng)絡(luò)控制器 RNC（Radio Network Controller）變成另一個RNC的過程，這意味著控制層面和用戶層面都移動到了新的RNC。圖2是傳統(tǒng)的SRNS重定位消息交換過程的描述。

圖2 傳統(tǒng)SRNS重定位消息交換過程Fig.2 Message flows of classic SRNS relocation

傳統(tǒng)的重定位操作是由源RNC發(fā)起的[3]，過程如下：

1）源RNC發(fā)出“要求重定位”的消息給核心網(wǎng)部分的GPRS服務(wù)支持節(jié)點 SGSN （Serving GPRS Support Node），并且啟動了計時器TRELOCprep；

2）SGSN發(fā)出“重定位請求”給目標(biāo)RNC，為目標(biāo)RNC預(yù)留資源；“重定位請求”消息中包含建立用戶平面承載RAB（Radio Access Bearer）時的所有必要信息，這些信息必須和重定位前的相符；SGSN發(fā)出“重定位請求”消息，啟動計時器TRELOCalloc；

3）目標(biāo)RNC在收到“重定位請求”后，就馬上分配資源；等所有資源都準(zhǔn)備好之后，就發(fā)出“重定位請求確認(rèn)”消息給SGSN；

4）資源調(diào)配完畢后，SGSN發(fā)出“重定位命令”給源RNC，并且啟動計時器TRELOCcomplet；

5）源RNC將復(fù)制的數(shù)據(jù)分組通過Iur接口轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)RNC；

6）在收到 “重定位命令”后，源RNC停止計時器TRELOCprep，并啟動計時器Tdatafwd。至此，重定位準(zhǔn)備階段結(jié)束了，重定位過程開始。源RNC發(fā)送“重定位提交”給目標(biāo)RNC；

7）目標(biāo)RNC收到“重定位命令”后，發(fā)出“重定位發(fā)現(xiàn)”消息給SGSN，開始重定位操作；

8）當(dāng)重定位操作完成后，目標(biāo)RNC發(fā)出“重定位結(jié)束”給SGSN。至此，移動臺順利地接入了新的小區(qū)。圖3為傳統(tǒng)的重定位過程中下行業(yè)務(wù)流程圖。

圖3 傳統(tǒng)重定位過程中的下行業(yè)務(wù)流程圖Fig.3 Diagram on downlink in classic relocation procedure

3 分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議PDCP和SRNS重定位

分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議PDCP（PacketDataConvergenceProtocol）層位于無線鏈路控制RLC（Radio Link Control）層之上，僅存在于用戶平面，用于處理分組業(yè)務(wù)。PDCP層除了可以用來傳輸用戶數(shù)據(jù)外，還支持互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IP（Internet Protocol）數(shù)據(jù)流的首部壓縮和無損SRNS重定位[4]。

在SRNS重定位的情況下，上層指示PDCP對某一RAB的所有壓縮實體執(zhí)行重新初始化。只有當(dāng)無線鏈路控制層RLC（Radio Link Control）被配置為按序傳輸及確認(rèn)模式時，才使用無損SRNS重定位。由上層來配置“支持無損SRNS重定位”。為了支持無損SRNS重定位，PDCP需維護(hù) PDCP SDU （PDCP Service Data Unit）的序列號，介于 0～65 535 間。在PDCP發(fā)送方和接收方之間，這些序列號被同步。當(dāng)執(zhí)行一個無損SRNS重定位時，UE和UMTS無線接入網(wǎng)UTRAN（UMTS Terrestrial Radio Access Network）之間通過交換序列號來證實那些已被發(fā)送但尚未為被接收端確認(rèn)的PDCP SDU。重定位完畢后，數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)將從第一個未被確認(rèn)的PDCP SDU開始。

在一次無損SRNS重定位中，UTRAN應(yīng)向移動臺發(fā)出下一個UL_Receive PDCP序號；移動臺應(yīng)向UTRAN發(fā)出下一個DL_Receive PDCP序號。當(dāng)上層要求RAB連接配置成支持無損SRNS定位時，源RNC中的PDCP子層應(yīng)該向目標(biāo)RNC發(fā)送：

1）移動臺即將發(fā)出的下一個PDCP SDU的UL_Receive序號；

2）已經(jīng)發(fā)出但是未確認(rèn)的第一個PDCP SDU的DL_Send序號；

3）與已經(jīng)發(fā)出但是未確認(rèn)的PDCP SDU序號

4）尚未發(fā)送的PDCP SDU。

4 實時性業(yè)務(wù)的SRNS重定位

實時性業(yè)務(wù)對傳輸時延非常敏感，因此對上述重定位過程進(jìn)行修改，使得移動臺盡可能地完成SRNS重定位和切換過程，減少數(shù)據(jù)分組地丟失[5]。為了盡快地使移動臺接入到新的小區(qū)，引入了“SGSN Bicasting”操作。 在“SGSN Bicasting”一開始，移動臺就進(jìn)行切換操作，并且切換在重定位完成之前就完成了。圖4是我們提出新方案的描述。

圖4 實時性業(yè)務(wù)的SRNS重定位Fig.4 SRNS relocation operation of real time service

新方案與傳統(tǒng)的SRNS重定位不同之處有：

1）在重定位準(zhǔn)備階段，SGSN在下行鏈路上進(jìn)行雙播Bicasting，數(shù)據(jù)分組的復(fù)制發(fā)生在SGSN處，而非源RNC處，使得切換可以提前開始；

2）SGSN向源RNC和目標(biāo)RNC進(jìn)行Bicasting操作；

3）在重定位完成時，目標(biāo)RNC通知SGSN停止雙播Bicasting操作。

可以看出，傳統(tǒng)重定位方案中，移動臺只能在重定位的最后階段（在所有資源被預(yù)留好之后）才能接入到新的小區(qū)；新方案中，移動臺在SGSN開始雙播Bicasting后，就可以更換小區(qū)，比傳統(tǒng)的重定位方案要早得多。圖5是采用新方案的重定位過程中的下行業(yè)務(wù)流程圖。

5 系統(tǒng)建模和仿真

在仿真過程中，選用Web服務(wù)進(jìn)行考察。移動臺在移動中瀏覽Web網(wǎng)頁，從一個小區(qū)進(jìn)入到了新的小區(qū)，觸發(fā)了SRNS重定位。并且假設(shè)：

圖5 新方案下行業(yè)務(wù)流程圖Fig.5 Diagram on downlink in proposed scheme

1）到達(dá)目標(biāo)RNC的分組服從泊松過程；

2）每次會話產(chǎn)生的網(wǎng)頁數(shù)量Npage是幾何分布方差μNpage的變量；

3）一次會話中瀏覽連續(xù)兩個網(wǎng)頁間的瀏覽時間Dpage是幾何分布方差μDpage的變量；

4）會話中每個網(wǎng)頁產(chǎn)生的分組數(shù)量Npack是幾何分布方差μNpack的變量；

5）連續(xù)兩個分組到達(dá)的時間間隔Dd是幾何分布方差μDd的變量

對于以上參數(shù)的確定，參考了文獻(xiàn)[3]GPP TR101.112中推薦的值 （見表 1）。

表1 文獻(xiàn)[3]GPP TR101.112的推薦值Tab.1 [3]GPP TR101.112 recommended values

仿真流程圖如圖6所示。

圖6 仿真流程圖Fig.6 Diagram of simulation procedure

整個過程中，數(shù)據(jù)分組的處理遵循先進(jìn)先出FIFO（First In First Out）原則[6]。將圖6中的流程和圖3的SRNS重定位過程一一對應(yīng)。主要的仿真參數(shù)見表2。

表2 主要仿真參數(shù)Tab.2 The main simulation parameters

將傳統(tǒng)的SRNS重定位機(jī)制和新的SRNS重定位機(jī)制的性能進(jìn)行了對比。圖7是兩種方案下，分組丟失率和移動臺移動速度的關(guān)系。橫坐標(biāo)是移動臺[7]的移動速度，縱坐標(biāo)是切換過程中的分組丟失率?？梢钥闯?，新的方案在同樣的移動速度下，分組丟失率比傳統(tǒng)的SRNS重定位要小些，改善了15%左右。

圖7 兩種方案性能對比Fig.7 Result comparison of two schemes

6 結(jié) 論

本文對UMTS網(wǎng)絡(luò)中，由于硬切換引起的SRNS重定位機(jī)制進(jìn)行了研究和分析；并針對傳統(tǒng)的SRNS重定位過程所花時間過長的缺陷，提出了一種新的SRNS重定位機(jī)制。仿真結(jié)果顯示，新方案在分組丟失率方面比傳統(tǒng)的機(jī)制要減少了15%左右。

[1]3rd Generation Partnership Project.3GPP TS 04.08 V7.20.0，Technical Specification Group Core Network；Mobile radio interface layer 3 specification （Release 1998）[S].2003.

[2]霍爾馬.HSDPA/HSUPA技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計——第三代移動通信系統(tǒng)寬帶無線接入[M].葉銀法，等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]3rd Generation Partnership Project.Manifestations of Handover and SRNS Relocation （Release 4）[S].2001.

[4]3rd Generation Partnership Project.Packet Data Convergence Protocol（PDCP）specification （Release 8）[S].2009.

[5]3rd Generation Partnership Project.Handovers for real-time services from PS domain （Release 4）[S].2002.

[6]3rd Generation Partnership Project.Selection procedures for the choice of radio transmission technologies of the UMTS[S].1998.

[7]方擁軍.智能天線系統(tǒng)中基于載干比的動態(tài)信道分配[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(16):67－71.

FANG Yong－jun.Dynamic channel allocation based on carrier interference ratio for smart antenna system[J].Modern Electronics Technique，2010(16):67－71.