換手機制搭橋　LTE無線網路傳輸暢行無阻

圖1　LTE核心網路架構圖

S-GW及P-GW做為通往資料網路的閘道，會把屬於UE的網路資料傳向服務該UE的基地台，Mobility Management Entity(MME)負責控管UE的資料傳送路徑，確保網路資料會透過合宜的S-GW及P-GW通向該UE所屬的基地台。

在換手的動作中，會有一個原本服務UE的Cell，本文中稱其為服務Cell(Serving Cell)，也會有一個換手的目標，本文中稱其為目標Cell(Target Cell)。

LTE換手決策由UE決定

LTE的換手過程中，可分成決策、準備、執行及結束等四個階段，決策階段透過各種資訊與需求，決定是否須要啟動換手機制；準備階段會針對將被啟動換手機制的UE，在目標Cell準備好該UE所需的相關配置；執行階段會下達換手命令讓UE更換到目標Cell之下，結束階段會在UE切換到目標Cell後執行，目的是讓LTE核心網路的管理機制因應此次換手做相對應的變更，以下將就這四個階段做更為詳細的介紹。

在LTE規範中，換手是由現在服務UE的基地台決定的，一般來說換手的理由會有以下三個，讓UE有更好的無線連線品質、平衡基地台的負載，以及更換無線通訊中使用的安全性金鑰。

讓UE享有更好的無線連線品質是最容易理解的理由，也是觸發大多數換手動作的原因，在這方面的決策上，基地台首先會設定UE的量測組態，量測組態決定UE的量測目標、量測值及回報條件，之後UE會在回報條件符合時，回報所接收到的鄰近基地台訊號強弱及品質的相關資訊，藉著這些回報資訊，目前服務基地台會做出是否該啟動換手的決策。

平衡基地台的負載是較為少見的理由，這只會發生在服務基地台無線資源吃緊的狀況下，為騰出資源給別的UE，因此縱然UE並不會因為換手獲得更好的連線品質，還是做出啟動換手的決策，讓UE轉換到鄰近的Cell。

更換無線通訊中使用的安全性金鑰是為了安全性的理由，在安全性金鑰被長期使用之後，避免被攻擊者利用這點攻擊網路，再配合換手動作必然會變換金鑰的這個特性，於是服務的基地台會透過換手的動作達成金鑰變換的目的，因此這種換手並不會更換服務該UE的Cell。

準備階段旨在Cell間溝通UE設定

準備階段的目的是幫UE在目標Cell準備好無線資源及連線環境，讓UE切換過去之後能順利達成資料傳輸，因此這個階段主要是服務Cell與目標Cell間溝通UE的設定，下面會對於準備階段切割成較小的步驟來逐一解釋。

步驟一主要是服務Cell會將手上的UE設定值整理好傳送給目標Cell，但是為讓目標Cell能夠更清楚理解UE擁有的無線資源，該封包資訊其實不只包含UE的設定值，還包含服務Cell的相關系統資訊。除此之外，換手失敗時UE將會提出重建的需求，為讓目標Cell能夠接受UE的重建，因此這個封包資訊會包括重建驗證碼，讓目標Cell得以驗證提出重建的UE是否合法。

如果服務Cell與目標Cell處在不同的基地台時，為讓UE換手完成後，馬上可以上傳資料，因此在這個步驟中，服務Cell的基地台會告知目標Cell的基地台該透過哪個途徑上傳資料給S-GW。此外要讓UE的資料流在進行換手時不致於中斷，服務Cell可在這個步驟啟動資料轉傳(Data Forwarding)的協商機制，協商是針對每條資料承載(Data Radio Bearer, DRB)個別進行的，而且協商又分成兩個方向，對於下行資料的轉傳是由服務Cell提出需求，讓目標Cell決定是否接受下行資料轉傳，若目標Cell答應下行資料轉傳之時，目標Cell還能夠提出上行資料轉傳的需求，由服務Cell決定是否將上行資料轉傳給目標Cell。

在步驟二中，目標Cell會依據目前剩餘的無線資源，以及要服務該UE所需的資源，檢驗是否還能夠服務這個UE，如果足夠就會進入下個步驟，但是如果資源完全不足以服務任何一條DRB的話，會告知服務Cell資源不足，這代表著此次的換手準備失敗，但只要資源量足夠服務一條重傳模式(AM)模式的DRB，就代表換手應該能夠成功，但對於那些不能被服務的DRB也必須告知服務Cell。

如果上述的無線資源方面的檢驗成功，對於那些檢驗過可以服務的DRB，如果服務Cell有提出資料轉傳需求，在這個步驟中目標Cell也必須決定是否答應下行轉傳及提出上行轉傳。

在步驟三中，目標Cell會將換手動作中，要告知UE的資訊編碼成一道RRC訊息，然後再回傳給服務Cell，這樣服務Cell之後只要直接將這道訊息傳送給UE，就可以告知UE準備開始換手，而目標Cell要告知UE的資訊如下列數段描述。

首先目標Cell會根據服務Cell告知的UE資源配置，再依據自身的資源配置原則，產生出給該UE的資源配置，這個新的資源配置和服務Cell下的配置可以是不同的，但是對於DRB的傳輸模式是透過AM或是非重傳模式(UM)的這點是不能修改的。

接著要告知的是如何存取目標Cell，這部份包括目標Cell的實體層Cell ID、上下行頻率及上下行頻寬，此外UE在目標Cell實體層的識別ID(C-RNTI)也會一併告知UE。

為進一步加速UE進行換手的速度，目標Cell會將系統資訊回傳給服務Cell，如此一來可省去UE與目標Cell連線前，所需的系統資訊收集時間。

另一個加速UE換手速度的方法是配置專屬於該UE的隨機存取組態，這樣除了可以加速UE進行隨機存取的速度外，也因為該隨機存取組態是專屬於該UE的，使得這次隨機存取不會與其他UE碰撞，從而提升隨機存取的成功率。

執行階段將RRC訊息傳送給UE

在這個步驟中，服務Cell會將準備階段目標Cell提供的RRC訊息傳送給UE，接下來的換手執行可以分成UE端的動作與Cell端的動作分別說明。在UE端動作的部分，原則是因應目標Cell的RRC訊息做相關設定，並將該RRC訊息的回應訊息傳送給目標Cell，在過程中會進行下述的動作。

根據目標Cell同步資訊，執行同步目標Cell的動作，並重置MAC層的行為。重建所有控制承載(Signalling Radio Bearer, SRB)，而重建過程中會清空所有未完成傳輸的控制訊息。

RRC訊息的回應訊息傳送給目標Cell還會重建所有DRB，若DRB的運作模式是AM，未完成傳輸的資料會在之後被重新嘗試完成，若DRB的運作模式是UM，重建的過程中會清空所有未完成傳輸的資料。

此外，在執行階段會更動C-RNTI成目標Cell下達的設定值，倘若有隨機存取的設定，會將其設定到MAC層，將無線資源設定值調整成目標Cell下達的設定值，並重新計算安全性金鑰，使用新的金鑰及安全性演算法，接著回覆RRC訊息，最後MAC層進行隨機存取程序將RRC訊息傳送給目標Cell，若隨機存取程序成功，即代表著換手動作成功。

在Cell端動作的部分，服務Cell必須將所有AM模式DRB的PDCP資訊，進一步傳送給目標Cell，執行這個動作的主要原因在於要讓目標Cell下，AM模式的DRB能夠繼續嘗試之前未完成的資料，在這邊所謂的PDCP資訊則是指掌控資料傳送與接收方面的控制資訊，並不包含PDCP層經手的資料。

此外如果準備階段有協商DRB的資料轉傳動作，在下行資料的部份，一方面會將新資料轉傳至目標Cell，此外也會轉傳已進入PDCP層，但未完成傳送的AM模式資料給目標Cell，在上行資料的部份，會將AM模式的不連續性資料轉傳至目標基地台。

結束階段啟動對應管理機制

在這個步驟，目標Cell已經接收到UE傳送的RRC回應訊息，接下來是讓核心網路因應換手的變化，啟動相對應的管理機制，如果這次換手動作中的兩個Cell都處在同一台基地台之下，由於在核心網路的機制中可以自然地處理UE在同一台基地台下更換Cell的現實，因此這個階段毋須做任何動作，但如果這兩個Cell處在不同的基地台之下，對於核心網路而言就必須做出相應的管理機制。

本步驟中的管理機制首先是網路資料傳輸路徑的調整，既然UE已經切換到另一台基地台之下，那麼目標Cell所處的基地台會告知MME該UE已經完成換手，請MME做相對應的路徑切換，將S-GW的資料傳送途徑從原本的基地台切換到自己身上。

換手既然已經完成，那麼原先服務UE的基地台已經毋須再維護該UE的相關資訊，所以目標Cell所處的基地台會在傳輸路徑調整完成後，告知原先的基地台可以將UE資訊刪除掉。

但是，如果換手過程中有啟動資料轉傳的機制，會讓本步驟變的較為複雜，當然這個步驟中會將資料轉傳終止，但終止的時間點必須等到所有透過舊傳送路徑的資料封包都已經被轉傳之後，才能停止資料轉傳的動作。

為了方便基地台做出判斷，因此S-GW在傳送路徑被切換時，會向舊傳送路徑發送一個不包含實際資料的結束標記(End Marker)封包，原先的基地台會將該結束標記封包，傳送到新的基地台，此時原先的基地台就可以終止資料轉傳，而新的基地台在收到轉傳過來的結束標記封包時，就可以得知轉傳已經終結，因此也會對應的結束轉傳的接收工作。

此外LTE網路會保證資料的時序被確實遵守，對於新的基地台而言，因為轉傳途徑的資料封包必然早於直接由S-GW傳送而來的資料，因此新的基地台必須在轉傳資料流結束後，再去處理S-GW直接傳送過來的資料。

隨著科技的發達，人類對於無線傳輸品質的需求更甚以往，無線技術的發展日新月異，從3G、3.5G及LTE等技術的發展，改變人們的行動通訊模式，如何在移動中享受無縫連結的LTE無線網路，就是LTE換手機制的目的。

(本文作者任職於資策會智慧網通系統研究所)