一、切換

1.1 移動性概述

• 移動通信的核心技術(shù)是終端的可移動性，根據(jù)終端是否處于連接態(tài)，移動性可分為兩種，非連接態(tài)和連接態(tài)。
• 其中非連接態(tài)又可分為兩種，小區(qū)選擇和小區(qū)重選，在這兩種情況下，終端都沒有做通信業(yè)務(wù)，終端自己檢測到更好的信號，決定移動到目的小區(qū)。
• 連接態(tài)的移動性只有一種——切換，終端做業(yè)務(wù)期間根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的測量策略，周期性上報(bào)測量結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)測量報(bào)告作出切換判決。

小區(qū)重選和小區(qū)切換在本質(zhì)上是一樣的，都是手機(jī)從當(dāng)前駐留的小區(qū)更換到另一個信號質(zhì)量更好的小區(qū)。它們的區(qū)別主要是手機(jī)做重選時協(xié)議狀態(tài)處于空閑態(tài)，手機(jī)做切換時協(xié)議狀態(tài)處于連接態(tài)（手機(jī)正在做通信業(yè)務(wù)，打電話、上網(wǎng)等）。小區(qū)切換技術(shù)是移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，它實(shí)現(xiàn)了用戶在通話或者上網(wǎng)過程中，手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)之間的無線鏈路自動的從一個小區(qū)到另外一個小區(qū)的轉(zhuǎn)接，且不會中斷通話或數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，從而真正的實(shí)現(xiàn)了無線覆蓋的連續(xù)性。切換的目的和小區(qū)選擇/重選的一樣，都是是選擇最優(yōu)的無線通信資源塊，從而提供更好的通信質(zhì)量，它也是無線鏈路的重要控制手段，能夠保持手機(jī)在穿越不同的蜂窩小區(qū)時通話的連續(xù)性，減小掉話率，并且能提供更好的上網(wǎng)體驗(yàn)。

1.2 切換概述

從LTE開始，根據(jù)無線承載（Radio Bearer）的QoS要求的不同，切換過程可以分為無縫切換(Seamless handover)和無損切換(lossless handover)。

• 無縫切換，應(yīng)用于對于時間延遲有嚴(yán)格要求，而對誤包率（丟包率）具有相對容忍度的一些應(yīng)用（比如，語音VoIP）。無縫切換在LTE中可以降低切換的復(fù)雜度和時間延遲，但同時可能引起某些數(shù)據(jù)包的丟失。無縫切換主要應(yīng)用于控制面的無線承載（SRB）以及用戶數(shù)據(jù)面RLC UM模式的無線承載。

在無縫切換的模式下，對于下行的數(shù)據(jù)傳輸，源gNB將尚未進(jìn)行傳輸?shù)腜DCP SDU轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)gNb，對于經(jīng)N3接口轉(zhuǎn)發(fā)下來，尚未進(jìn)行PDCP處理的下行數(shù)據(jù)，源gNb也同樣轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)gNb。已經(jīng)完成 PDCP SDU傳輸?shù)南滦袛?shù)據(jù)， 則無需轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)gNb。對于已經(jīng)進(jìn)行了部分PDCP SDU的傳輸，但尚存部分RLC PDU的數(shù)據(jù)，源gNb會將剩余的RLC PDU丟棄，也就是說，在無縫切換模式下，源gNb不會將下行數(shù)據(jù)的RLC 上下文 （RLC Context）轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)gNb，這樣，這部分PDCP SDU的數(shù)據(jù)將會丟失。目標(biāo)gNb側(cè)，會將PDCP的SN和HFN重新置為零。同時，目標(biāo)gNb在傳輸經(jīng)由N3接口的下行數(shù)據(jù)之前，會優(yōu)先傳輸源gNb通過Xn接口轉(zhuǎn)發(fā)過來的下行數(shù)據(jù)。我們知道，UPF在將下行通道切換到目標(biāo)gNb之前會向源gNb發(fā)送“End Marker”數(shù)據(jù)包。源gNb會將此數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)gNB。目標(biāo)gNb據(jù)此可以獲知源gNb轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的結(jié)束。

在無縫切換的模式下，對于上行的PDCP SDU數(shù)據(jù)， 同樣，對于已經(jīng)在源gNb中完成傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，UE不會在目標(biāo)gNb中重新發(fā)送。相反， 在目標(biāo)gNb中，UE 將傳輸那些尚未在源gNb中傳輸?shù)腜DCP SDU數(shù)據(jù)，源gNb將所有接收到的PDCP SDU上行數(shù)據(jù)遞交給UPF，其中可能包括有失序的PDCP SDU。對于無法組裝成PDCP SDU的部分RLC PDU分段，源gNb將把他們丟棄。也就是說，無縫模式下源gNb并不將上行數(shù)據(jù)的RLC 上下文轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)gNb，這部分對應(yīng)的PDCP SDU上行數(shù)據(jù)將會丟失。

• 無損切換主要用于RLC AM模式的無線承載，典型的例子如FTP上下載，PDCP SDU傳輸?shù)膩G失可能對上層協(xié)議（TCP）的吞吐量有較大的影響，相反，對于時間延遲不象實(shí)時應(yīng)用那樣敏感。

在無損切換中，對于上行數(shù)據(jù)，切換到目標(biāo)gNb后，UE會從第一個尚未在源gNb中得到確認(rèn)的PDCP SDU開始，重傳該序號以后的PDCP SDU包（其中可能包括源gNb收到，但UE沒有收到確認(rèn)的PDCP SDU或UE雖收到確認(rèn)，但失序的PDCP SDU），除非目標(biāo)gNb通過PDCP 狀態(tài)報(bào)告包確認(rèn)收到其中的某些SDU（源gNb轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)gNb）。

在無損切換的過程中，對于下行的PDCP SDU，如果UE已經(jīng)在源gNb中完成PDCP SDU的確認(rèn)， 源gNb無需將它們轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)eNodeB （包括連續(xù)的和失序的PDCP SDU）。源gNb需要將尚未傳輸完畢（包括已有部分傳輸和尚未進(jìn)行傳輸?shù)?。注意，與無縫切換中不同，無縫切換中轉(zhuǎn)發(fā)的是尚未進(jìn)行傳輸?shù)腟DU）的PDCP SDU轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)gNb，包括經(jīng)N3接口轉(zhuǎn)發(fā)下來，尚未進(jìn)行PDCP處理的下行數(shù)據(jù)。對于已經(jīng)進(jìn)行了部分PDCP SDU的傳輸，但尚存部分RLC PDU的數(shù)據(jù)，源gNb會將RLC PDU丟棄，也就是說，在無損切換模式下，源gNb不會將RLC 上下文 （RLC Context）轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)gNb（源gNb丟棄的只是RLC的上下文，并非是PDCP SDU的數(shù)據(jù)，PDCP SDU的數(shù)據(jù)仍會轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)gNb，因?yàn)樗麄儗儆谏形磦鬏斖戤叺腜DCP SDU）。

1.3 切換處理流程圖

下圖是UE做基站間切換的總的流程圖，這里主要分析切換過程的用戶面處理。另外，PDCP協(xié)議是基于UE進(jìn)行定義的，這里需要根據(jù)協(xié)議對UE的行為描述分析基站的處理流程。

二、壓縮

2.1 背景

從LTE開始，移動通信網(wǎng)絡(luò)不再支持電路交換域(CS)傳輸?shù)恼Z音業(yè)務(wù)，為了在分組交換域(PS)提供語音業(yè)務(wù)且接近常規(guī)電路交換域的效率，需要對IP/UDP/RTP報(bào)頭進(jìn)行壓縮，這些報(bào)頭通常用于VoIP業(yè)務(wù)。對于一個含有32Byte有效載荷的VoIP分組傳輸來說，IPv6 報(bào)頭增加 60Byte， IPv4 報(bào)頭增加40Byte， 即存在188%和 125%的開銷。為了解決這個問題，用戶面的PDCP子層采用了ROHC報(bào)頭壓縮技術(shù)，通過報(bào)文頭壓縮，這一開銷可被降低為4～6個字節(jié)，即只有12.5%～18.8%的相對開銷，從而提高了信道的效率和分組數(shù)據(jù)的有效性。

2.2 壓縮流程

PDCP的ROHC的工作流程如圖所示，PDCP從上層收到VOIP數(shù)據(jù)經(jīng)過RTP/UDP/IP協(xié)議棧處理后，整個報(bào)文頭已經(jīng)變得冗長。其實(shí)數(shù)據(jù)流中的IP頭及其他協(xié)議頭的許多部分在傳輸中是靜態(tài)（static）的并且從不改變，ROHC就是利用這些不同IP包中的固定性，不必每次都傳輸這些冗余信息，在壓縮至解碼的過程中把它們存儲為關(guān)聯(lián)信息（context）稱之為推理域（inferred），這些信息可以由其他的報(bào)頭信息得到，由此可以看出，壓縮方法的關(guān)鍵就是如何處理改變了的部分（changing fields）。ROHC將利用基于包序列號的線性函數(shù)得到報(bào)頭動態(tài)變化的部分。

2.3 壓縮原理

下圖是一個典型的RTP/UDP/IP語音包，整個報(bào)文頭可以分為8個區(qū)域，用不同顏色標(biāo)注：

• Static：即靜態(tài)域。在同一IP數(shù)據(jù)流中變化幾率很小，只是偶爾才會發(fā)生，所以，壓縮端和解壓縮端之間傳輸了一次信息頭之后，就不需要再次進(jìn)行傳輸了。如果靜態(tài)域發(fā)生變化，那么重新傳輸變化之后的靜態(tài)域數(shù)值即可。
• Semistatic：半靜態(tài)域。這些字段的值通常是靜態(tài)不變的，只是偶爾發(fā)生改變，很快它又會恢復(fù)成原始值。
• Static-Def：即靜態(tài)定義域。這些域往往代表了一些固定的信息，比如源地址、目標(biāo)地址等。同靜態(tài)域相似，但是靜態(tài)定義域在同一IP數(shù)據(jù)流中是不會發(fā)生變化的，只在第一次傳輸即可，之后不需再次進(jìn)行傳輸處理。
• Static-Known：即靜態(tài)已知域。域的數(shù)值是已經(jīng)定義好的，壓縮端和解壓縮端都不需要去進(jìn)行壓縮處理，也不需要進(jìn)行傳輸。
• Changing：變化域。顧名思義，即是發(fā)生變化的域。這些域是必須要進(jìn)行壓縮處理進(jìn)行傳輸?shù)摹?/li>
• Rarely Changing：和半靜態(tài)字段類似，偶爾發(fā)生變化，只是不會恢復(fù)到原始值，而是保留新值。
• Alternating：這些字段的值在少數(shù)幾個不同的數(shù)值之間交替變化。
• Inferred：推測域。推測域是可以通過其他一些域的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算得到的，所以在傳輸處理中，并不需要對推測域進(jìn)行處理。只需要將其相關(guān)域和變化規(guī)律進(jìn)行壓縮處理即可。

我們在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始階段，將一個完整的信息頭發(fā)送給對方，之后則根據(jù)各個域的類型，只對發(fā)生變化的域進(jìn)行傳輸處理。而且也不一定需要把域的所有比特都進(jìn)行壓縮處理，按照WLSB算法，我們只需要處理發(fā)生變化的比特，這樣就可以實(shí)現(xiàn)減少傳輸數(shù)據(jù)量的壓縮目的了。

2.4 協(xié)議處理

1、發(fā)送側(cè)處理

如果配置了頭壓縮參數(shù)，并且開關(guān)打開，則頭壓縮模塊就會啟用，生成兩種報(bào)文：
(1)壓縮后的報(bào)文，和一個PDCP SDU相關(guān)聯(lián)。
(2)獨(dú)立的報(bào)文，不關(guān)聯(lián)任何PDCP SDU，比如ROHC feedback報(bào)文。ROHC反饋報(bào)文不會關(guān)聯(lián)任何PDCP SDU，也不分配PDCP SN，整個報(bào)文也不會加密。

如果建立的協(xié)議壓縮上下文（ROHC contexts）個數(shù)已經(jīng)達(dá)到了最大值MAX_CID個，此時如果要處理一個新的IP flow，并且已建立的ROHC context都不匹配該IP flow，則compressor此時應(yīng)該分配一個已存在的壓縮流（覆蓋舊內(nèi)容），或者發(fā)送未壓縮的IP數(shù)據(jù)流。

頭壓縮模塊產(chǎn)生了一個interspersed ROHC feedback報(bào)文后，PDCP實(shí)體會把該報(bào)文構(gòu)造一個PDCP Control PDU，不關(guān)聯(lián)PDCP SN，也不進(jìn)行加密，然后提交給下層。

2、接收側(cè)處理

如果控制面配置了用戶面壓縮，則PDCP收到PDU進(jìn)行解密后需要進(jìn)行解壓縮處理。頭解壓縮協(xié)議不適用于SDAP頭，也就是說SDAP頭不參與壓縮/解壓縮，被當(dāng)作壓縮模塊當(dāng)作凈荷處理。

PDCP實(shí)體收到了一個interspersed ROHC feedback報(bào)文后，直接把報(bào)文遞交給頭壓縮模塊，不經(jīng)過解壓縮處理。

三、加密和完整性保護(hù)

3.1 概述

3GPP的3G、4G、5G的加密和完保算法都是采用繼承和繼續(xù)發(fā)展的模式，下一代通信系統(tǒng)的安全算法一般都是從上一代通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)繼承下來，然后再增加新的算法進(jìn)去。完保和加密的各種秘鑰由信令面生成和分發(fā)，用戶面只是使用秘鑰根據(jù)協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密完保算校驗(yàn)。

3.2 加密原理

• COUNT：32bits，由HFN和PDCP SN組成，共32bit。
• BEARER：5bits，對于信令數(shù)據(jù)——“RB identity'，對于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)――“DRB identity”
• DIRECTION：1bit，0——“上行”，1——“下行”
• KEY：128bits，對于信令數(shù)據(jù)――“KRRCenc”，對于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)――“KUPenc”
• LENGTH：16bits，Keystream block長度，在加密算法中，利用Keystream block對未加密的數(shù)據(jù)的消息字段進(jìn)行操作。
  （1）對于EIA1和EIA3，采用流密碼加密方式：LENGTH取值為Keystream block的bit數(shù)；
  （2）對于EIA2，采用塊密碼加密方式：LENGTH取值為Keystream block的字節(jié)數(shù)。

對于信令數(shù)據(jù)――加密數(shù)據(jù)為PDCP DATA和MAC-I，長度為PDCP DATA長度加上MAC-I長度；而PDCP DATA即為未壓縮的PDCP SDU。
對于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)――加密數(shù)據(jù)為PDCP DATA，長度為PDCP DATA長度；而PDCP DATA可以為壓縮的PDCP SDU，也可以為未壓縮的PDCP SDU。

3.3 完保原理

COUNT：32bits， 由HFN和PDCP SN組成，共32bit。
BEARER：5bits，對于信令數(shù)據(jù)――“RB identity'，對于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)――“DRB identity”，特例——對于EIA1算法，輸入為32bit，高27bit填零，低5bit為BEARER
DIRECTION：1bit，0——“上行”，1——“下行”
MESSAGE：RRC消息內(nèi)容，即PDCP SDU
KEY：128bits，對于信令數(shù)據(jù)――“KRRCenc”，對于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)――“KUPenc”
LENGTH：16bits
（1）對于EIA1和EIA3，采用流密碼加密方式，LENGTH取值為MESSAGE的bit數(shù)；
（2）對于EIA2，采用塊密碼加密方式，LENGTH取值為MESSAGE的字節(jié)數(shù)。

3.4 加密和完保處理流程

1）完保(數(shù)字簽名)保護(hù)的是加密之前的PDU頭和PDU數(shù)據(jù)。
2）SRB一直都使用完保，PDCP Control PDU不需要完保，PDCP Data PDUs of DRB完保可選。
3）發(fā)送側(cè)UE計(jì)算出MAC-I，接收側(cè)UE使用同樣的參數(shù)計(jì)算X-MAC，如果MAC-I和X-MAC相一致則完保成功。
4）加解密只適用于用戶數(shù)據(jù)，不包括SDAP頭、SDAP Control PDU、MAC-I。此外PDCP Control PDU也不用加密。
5）加密算法和加密Key全部由上層（RRC）配置，并且上下行都有獨(dú)立的開關(guān)控制是否加密。

加密和完保處理流程圖：

RRC信令、完整性保護(hù)結(jié)果需要進(jìn)行加/解密：
對于發(fā)送方：先進(jìn)行完整性保護(hù)（MAC-I計(jì)算），后進(jìn)行加密。
對于接收方：先進(jìn)行數(shù)據(jù)解密，再進(jìn)行完整性驗(yàn)證（MAC-I校驗(yàn)）。

注：RRC信令的處理方式正好與NAS信令的處理方式相反。NAS信令先加密，后進(jìn)行完整性保護(hù)，完整性保護(hù)信息不進(jìn)行加密。

PDU加密和完保針對三種類型的PDU：

（1）控制平面SRB數(shù)據(jù)的PDCP Data PDU：首先對信令數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性保護(hù)，然后對信令數(shù)據(jù)和認(rèn)證碼一起加密。

（2）使用12bit SN值的PDCP Data PDU：此格式適用于攜帶映射到RLC AM（應(yīng)答）或RLC UM（非應(yīng)答）的DRB的數(shù)據(jù)的PDCP Data PDU，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

（3）使用7bit SN值的PDCP Data PDU：此格式適用于攜帶映射到RLC UM的DRB的數(shù)據(jù)的PDCP Data PDU，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。