Внутрисистемный хэндовер (LTE Intra-system Handover)

Так как пользователи сотовых сетей связи являются мобильными и могут во время сеансов связи передвигаться (из-за чего радиоусловия, в которых находятся абонентские станции, постоянно изменяются), необходимо поддержать процедуры, позволяющие предоставлять непрерывный сервис абонентам, даже во время их перемещения. Для этого используется процедура хэндовера (handover). Эта процедура позволяет переключить обслуживание мобильной станции с одной базовой станции (БС) на другую БС (как правило, имеющую более качественное соединение с мобильной станцией, но не всегда).

Хэндовер может быть выполнен для мобильных станций, которые находятся в активном состоянии и зарегистрированны в сети (состояние ECM-CONNECTED ). При этом, технология LTE не поддерживает так называемые 'мягкие' хэндоверы (soft handover). То есть, все хэндоверы в LTE являются 'жесткими' (hard handover). Рассмотрим как происходит процедура хэндовера в LTE, то есть переключение обслуживания мобильной станции от одной БС к другой.

На рисунке ниже процедура хэндовера (HO, handover) представлена по шагам. Как видно из рисунка, вся процедура делится на три следующих этапа: подготовка, выполнение и завершение хэндовера. Этапы подготовки и выполнения исполняются в сети радио доступа (Radio Access Network). Последний этап - завершение хэндовера задейтсвует как сеть радио доступа, так и опорную сеть (Core Network).



БС сообщает мобильной станции (МС) в каких ситуациях необходимо отправлять отчеты об измерениях (Measurement reports). Для этого используется сообщение RRC Connection Reconfiguration. Всего стандартом определено 5 условий, при которых возможна отправка отчетов, и называются они событиями (Events) с номерами от A1 до A5. Для активации внутрисистемного хэндовера наиболее всего подходят события A3 и A5. Первое означает, что сигнал от соседней БС превысил сигнал от обслуживающей БС на заданную величину. А второе - сигнал от обслуживающей БС стал хуже, чем заданное значение 1, в то время как сигнал от соседней БС стал лучше, чем заданное значение 2.

Как только МС обнаруживает, что соблюдаются условия для одного из заданных событий (A1-A5), она отправляет отчет об измерениях (шаг 3 на рисунке). В этом сообщении МС сообщает значения RSRP и RSRQ для обслуживающего и соседнего секторов. А также физический идентификатор соседнего сектора (PCI - Physical Cell Identity). Глобальный идентификатор сектора (CGI - Cell Global Identity) передается только в случае специального запроса от БС, так как для того, чтобы его узнать, МС необходимо принять блоки MIB и SIB от соседней БС. Это может потребоваться тогда, когда идентификатора PCI соседнего сектора недостаточно для определения соседней БС. Например, во время использования функциональности автоматического определения соседей (ANR - Automatic Neighbour Relation), когда соседние БС не прописаны в конфигурационных файлах. Если соседняя БС уже имеется в базе данных обслуживающей БС, тогда будет достаточно идентификатора PCI.

Если обслуживающей БС удалось определить соседнюю БС и соблюдаются условия для совершения хэндовера, то обслуживающая БС инициирует процедуру хэндовера, отправляя сообщение Handover Request по интерфейсу X2 соседней БС (шаг 5 на рисунке). Это сообщение содержит информацию о МС (так называемый контекст МС), а так же причину совершения хэндовера. Если хэндовер совершается по причине ухудшения качества радиосоединения с обслуживающей БС и его улучшения с соседней БС, то причина будет определена как 'Handover Desirable for Radio Reasons'. Также причиной хэндовера может быть распределение нагрузки в сети (возможные значения 'Resource Optimisation Handover' и 'Reduce Load in Serving Cell'). В контексте МС передается информация о том, какие соединения необходимо создать на соседней БС для того, чтобы обслужить данное мобильное устройство. Кроме этого, в сообщении Handover Request передается глобальный идентификатор сектора(CGI), в который перемещается МС, и идентификатор узла MME (GUMMEI - Globally Unique MME Identity), на котором в текущий момент зарегистрирована МС. Этот идентификатор необходим для совершения действий на заключительном этапе хэндовера.

После того, как соседняя БС проверит, что она сможет обеспечить обслуживание еще одной МС (процедура Admission Control, шаг 6 на рисунке), она отправляет ответное сообщение Handover Request Acknowledge обслуживающей БС (шаг 7 на рисунке). В этом сообщении содержится сообщение 'RRC Connection Reconfiguration', которое отправляется МС. В этом сообщении передается PCI соседнего сектора, параметры соседнего сектора ( ширина канала, частоты нисходящего и восходящего каналов, характеристики физических каналов и т.д.), а также параметры процедуры случайного доступа (RACH - Random Access Channel). В частности, там может быть указан номер преамбулы, которая специально зарезервированна для данной МС на соседней БС для выполнения процедуры хэндовера. Кроме этого, в сообщении 'RRC Connection Reconfiguration' указывается значение таймера (T304), в течение которого МС должна выполнить процедуру случайного доступа (RACH). Если МС не удается успешно завершить эту процедуру до истечения таймера, то она начинает процедуру восстановления RRC-соединения (RRC Connection Re-establishment). Значение таймера может составлять: 50, 100, 150, 200, 500, 1000 или 2000 мс.

После отправки сообщения 'RRC Connection Reconfiguration' обслуживающей БС начинается этап выполнения хэндовера. Для того, чтобы не произошла потеря пользовательских данных, обслуживающая БС передает сообщение 'SN Status Transfer' соседней БС, а также имеющиеся пользовательские данные. В сообщении 'SN Status Transfer' передаются номера PDCP SN (Sequence Number) для нисходящего и восходящего соединений (если они используют режим передачи с подтверждениями на уровне RLC). Для нисходящего соединения передается значение PDCP SN то, которое должно быть назначено соседней БС при передаче первого пакета МС. Для восходящего соединения обязательно передается значение PDCP SN, соответствующее пакету данных, который должен быть принят следующим. Кроме этого, для восходяшего соединения может передаваться битовая маска для указания пакетов данных, которые не были успешно переданы и должны быть переданы повторно (используется в тех случая, когда есть "пропуски" в последовательности успешно принятых пакетов).

В это время, МС отсоединяется от обслуживающей БС (процедура Detach) и синхронизируется с соседней БС. Для второго действия МС обрабатывает сигналы первичной и вторичной синхронизации (PSS и SSS). После этого, МС выполняет процедуру случайного доступа (Random Access), в процесе которой МС отправляет RA-преамбулу. Процедура случайного доступа может быть с коллизиями (contention based), так и без коллизий (non-contention based). Для того, чтобы избежать коллизий и уменьшить время выполнения процедуры хэндовера, БС может зарезервировать определенную RA-преамбулу для МС и сообщить об этом в сообщении 'RRC Connection Reconfiguration' (Dedicated RACH Configuration). Если же БС этого не делает, то МС выполняет обычную процедуру случайного доступа, в которой возможны коллизии.

В ответ на RA-преамбулу БС отправляет сообщение RAR (Random Access Response), в котором, если необходимо, корректирует временную подстройку МС (Timing Advance). Так же в этом сообщении передается информация о выделенном МС ресурсе для передачи L3 сообщения - 'RRC Connection Reconfiguration Complete'. Когда МС отправит это сообщение с ее точки зрения процедура хэндовера является завершенной.

После отправки сообщения 'RRC Connection Reconfiguration Complete' мобильной станцией, процедура хэндовера переходит в завершающую фазу выполнения (HO Completion). В этот момент времени МС и БС могут обмениваться данными в обоих навправлениях: нисходящем и восходящем. Однако, на участке между БС и обслуживающим шлюзом (S-GW - Serving Gateway) БС может отправлять восходящий трафик, а нисходящий трафик от обслуживающего шлюза все еще передается на "старую" БС, после перенаправляется на соседнюю БС по интерфейсу X2. Для того, чтобы обслуживающий шлюз отправлял нисходящий трафик сразу на соседнюю БС, необходимо обновить параметры соответствующего GTP тоннеля. Для этого БС отправляет сообщение 'Path Switch Request' на узел MME. В этом сообщении указывается новая конечная точка для GTP тоннеля (TEID - Tunnel Endpoint Identity), соответствующая соседней БС. Кроме этого, там передаются идентификатор зоны слежения (TAI - Tracking Area Identity) и идентификатор сектора, на котором сейчас зарегистрирована МС (CGI - Cell Global Identity).

После получения сообщения 'Path Switch Request' узел MME решает сможет ли текущий обслуживающий шлюз и дальше обслуживать данную МС. На рисунке выше изображен случай, когда смена обслуживающего шлюза не требуется. Если же смена обслуживающего шлюза необходима, то MME отправляет сообщение 'Create Session Request' новому обслуживающему шлюзу, и тот уже коммуницирует с PDN шлюзом, чтобы перенаправить нисходящий поток данных существующего GTP тоннеля. В нашем случае (без смены обслуживающего шлюза), MME отправляет сообщение 'Modify Bearer Request' обслуживающему шлюзу. Получив это сообщение, обслуживающий шлюз понимает, что теперь необходимо отправлять нисходящий трафик другой (соседней) БС. После чего МС и обслуживающий шлюз могут обмениваться данными напрямую, без вовлечения 'старой' БС.

Обслуживающий шлюз подтверждает переключение адресата, посылая сообщение 'Modify Bearer Response' на MME. А MME, получив это сообщение, отправляет 'Path Switch Request Acknowledge' соседней БС. Соседняя БС завершает процедуру хэндовера отправкой сообщения 'UE Context Release' обслуживающей БС. После получения данного сообщения обслуживающая БС может удалить всю информацию о МС, тем самым освободив занимаемые ею ресурсы. На этом процедура хэндовера завершается.

Если вы не нашли интересующую вас информацию по LTE/LTE-A в этой статье, напишите мне об этом письмо на alexey.anisimov86@gmail.com. Я постараюсь ее добавить в кратчайшие сроки.