5G RAN5G gNB间的Xn切换（handover）那点事儿

Posted 2022-12-21 从善若水

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本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G算力网络技术标准研究。


博客内容主要围绕：
       5G/6G协议讲解
       算力网络讲解（云计算，边缘计算，端计算）
       高级C语言讲解
       Rust语言讲解

5G gNB间的Xn切换（handover）那点事儿

       在任何电信时代的切换都是一个重要特性，5G也是如此。基本切换过程与之前网络相同，即UE向源小区报告包含邻居小区PCI和信号强度的测量报告，源小区决定发起向最佳目标小区的切换过程，而目标小区则完成切换过程。

       在LTE中，我们有不同类型的系统内（LTE到LTE）切换，如基于X2的切换、基于S1的切换、异频切换、同频扇区间切换。同样3GPP规范也定义了5G系统内（5G NR到5G NR）切换，如基于Xn的切换、基于N2或NGAP的切换、同频和异频切换。

       在这篇文章中，我们将讨论gNB间的Xn切换，即UE从一个gNB移动到另一个gNB不需要重定向UPF。

Xn切换流程

       上图描述了Xn切换流程，初始UE连接到gNG#1下的PCI22，之后它向gNB#2的PCI21移动。在这个切换过程中交互的信令主要是Xn接口的XnAP协议和N2接口的NGAP协议。因为控制平面和用户平面分离架构，所以gNB-CUCP#1与gNB-CUCP#2之间通过Xn的控制平面信令，即XnAP协议连接，而两个gNB之间的用户平面则由各自的CUUP管理，它们之间使用GTP-U协议连接。

Xn切换流程图

       5G SA gNB间Xn切换流程如下图所示。为了避免流程复杂，我们将gNB-DU、gNB-CUCP和gNB-CUCP视为一个整体，与gNB一样，不包含内部DU、CUCP和CUUP信令。

• 步骤#0：源gNB和目标gNB有激活Xn连接，终端处于RRC_CONNECTED状态，在源gNB发送和接收上行链路和下行链路数据，并向目标gNB移动；
• 步骤#1-测量上报：UE向源gNB#1发送一个MeasurementReport消息，包括服务小区和邻小区的信号强度和PCI信息。如下图
  
• 步骤#1.1：源gNB根据测量报告和其它信息（例如，小区负载和终端移动性限制和无线能力），决定切换UE，并选择切换目标gNB；
• 步骤#2-XnAP 切换请求：源gNB通过Xn接口向目标gNB发送XnAP切换请求消息。该消息携带了RRC消息（以透传方式），其中包含切换准备信息和目标小区ID、PDU会话列表和其它信息，如下图
  
• 步骤#2-1：目标gNB为UE分配资源，同时考虑上一步中接收到的RRC信息；
• 步骤#3-XnAP 切换确认：如果目标gNB决定接受切换，则向源gNB发送切换请求确认消息，其中包括之后将作为RRC消息发送给UE执行切换的透明container，以及授权和未授权的PDU会话列表。这就完成了切换准备阶段。
  
• 步骤#4-RRC重配置：源gNB通过向UE发送RRCReconfiguration消息来触发切换，该消息包含访问步骤#3中接收到的目标cell所需的信息，例如，至少是目标小区ID、新的C-RNTI以及所选安全算法的目标gNB安全算法标识符；
• 步骤#5-SN 状态转换：源gNB向目标gNB发送SN Status Transfer消息，来转换上下行PDCP SN和HFN （Hyper Frame Number）的状态。源gNB开始缓存来自UPF的DL数据，并转发到目标gNB；
• 步骤#6-在目标小区发起RACH：在目标gNB上发起随机接入过程，将步骤4中接收到的信息作为rach-ConfigDedicated的一部分；
• Step#7-RRC重配置完成：终端成功连接到目标小区后，通过向目标gNB发送RRCReconfigurationComplete消息完成切换过程，终端开始向目标gNB发送上行数据；
• Step#8-NGAP路径切换请求：目标gNB通过NG接口向AMF发送NGAP路径切换请求消息，触发5GC将下行数据路径切换到目标gNB，并建立一个指向目标gNB的NG-C接口实例。该消息还携带了需要切换的PDU会话列表，以及在目标gNB处未能建立的PDU会话列表。UPF给源gNB发送End Marker，表示数据流到源gNB的结束，源gNB将End Marker发送给目标gNB；
• Step#9-NGAP路径切换请求确认：5GC将下行数据路径切换到目标gNB。AMF用路径切换请求确认NGAP消息确认路径切换请求消息。该消息携带已切换的PDU会话列表和待释放的PDU会话列表；
• Step#10-XnAP UE上下文释放：目标gNB收到AMF发送的NGAP路径切换请求确认消息后，向源gNB发送XnAP UE上下文释放消息，源gNB释放与该UE关联的资源。
  

在某些情况下，终端需要在切换完成后启动注册流程，例如，如果切换导致终端进入新的注册区域。

Xn切换的关键点

• 5G NR的Xn切换类似于4G LTE中的X2切换；
• Xn切换的前提是源gNB和目标gNB之间必须已经建立了一个Xn接口；
• 这种类型的切换只适用于位于同一个AMF内的移动性，即如果源和目标gNB连接到不同的AMF，则不能使用Xn切换；
• Xn切换可以是同频切换也可以是异频切换；
• 源gNB和目标gNB可以连接两个不同的UPF；
• 如果源gNB和目标gNB属于不同的TAC，则在成功切换后需要发起重新注册；
• 由于信令路径较短，且5G核心网仅参与PDU会话路径的切换，所以Xn切换速度较N2/NGAP切换快。

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