4g/5G 中的 handover 机制汇总

科普: DAPS

来源: https://devopedia.org/daps-handover

(1) 要解决的问题: 切换中断

在普通切换中，UE 从源小区移到目标小区时，会有一段时间完全不能收发数据。

LTE 基本切换的中断时间约为 30–60 ms，也有报告达到数百毫秒。5G URLLC 要求 1 ms 时延，这种中断就不能接受了。

中断的原因是: 普通切换属于 break-before-make (BBM) [UE 收到切换命令后，先断开源小区，再去目标小区接入（做随机接入），这期间没有任何链路可用]。

DAPS (Dual Active Protocol Stack, 双激活协议栈) 的思路:

切换期间 UE 同时维护两套协议栈，一套继续在源小区收发数据，另一套处理目标小区的业务。RAN 内部则把数据包从源节点转发到目标节点。

(2) 版本演进: MBB 与 DAPS

• LTE 在 Rel-14 引入了 Make-Before-Break (MBB) 切换
• Rel-16 在 LTE 和 5G 中都引入了 DAPS 切换
  • MBB 可以看作 DAPS 的简化版

需要注意术语：学术文献里常把 DAPS 统称为"make-before-break"，但在 LTE 规范中，MBB 是一个特指的机制。两者的区别如下：

	MBB（Rel-14，仅 LTE）	DAPS（Rel-16，LTE + NR）
规范定义	收到切换的 RRC 消息后, 保持源 eNB 连接, 直到向目标 eNB 发出首次上行传输为止	收到切换 RRC 消息后保持源连接, 直到在目标侧随机接入成功、并释放源小区为止
何时断开源侧	源 eNB 自己决定何时停止下行；UE 在目标侧完成上行传输后即可断开源侧	必须等目标侧显式通知，UE 才释放源连接
与 DC 共存	适用于双连接场景下更换辅基站（SeNB）	不能与 DC 同时使用
与免 RACH 切换共存	可以配合 RACH-less 切换使用	不能，发起 DAPS 前 RAN 必须先释放 DC 和 RACH-less 配置

简单概括: MBB 只把断开源侧的时间推迟到"目标侧开始发上行", DAPS 则一直推迟到"目标侧明确确认成功", 源侧连接保持得更久, 也更稳。

(3) 切换流程: UE 与基站之间的逐步交互

下面按时间顺序整理文章中的执行流程（对应 TS 38.300 §9.2.3）

第 1 步：网络决定切换，并按承载启用 DAPS

• UE、源/目标 NG-RAN 以及源/目标 AMF 都必须支持 DAPS
  • DAPS 只对有需要的 DRB 选择性启用
• 术语说明:
  • DRB（数据无线承载, Data Radio Bearer）可以理解为 UE 和基站之间按 QoS 划分的一条"数据管道"
  • SRB（信令无线承载, Signaling Radio Bearer）则是传 RRC 控制消息的管道
  • 
  • 链接: 阿里云开发手册-无线承载SRB和DRB
• 为什么按承载启用: 维护两套下层的开销很大，只有时延敏感的业务才值得这么做

第 2 步：UE 收到切换命令，建立第二套协议栈

• 普通切换中，UE 会重置 MAC 实体、重建 RLC 实体
• DAPS 中，UE 新建一个 MAC 实体，为每个启用 DAPS 的 DRB 新建一个 RLC 实体，并重新配置 PDCP 实体
• 关键区别: 普通切换是把原有的栈清空后重用，DAPS 是保留旧栈、另建新栈

第 3 步：源侧数据继续，信令暂停

• UE 暂停到源小区的 SRB，但启用了 DAPS 的 DRB 仍在源小区继续收发数据
• 这样设计的原因:
  • 控制权只能归一方，否则两边的 RRC 配置会冲突
  • 数据面则可以两边同时走

第 4 步：UE 在目标侧随机接入，同时源侧继续服务并转发

• 源 gNB 一直发送下行数据（同时转发给目标 gNB），直到收到目标 gNB 发来的 Handover Success
• 即使 UE 已经切到目标侧, 它仍会向源 gNB 发送反馈信息: L1 CSI 反馈、HARQ 反馈、RLC 反馈、ROHC 反馈，以及 HARQ 和 RLC 的数据（重）传
• 原因:
  • 源侧还有尚未确认的数据在途，反馈不能中断，否则这些数据会丢失或卡住
  • 代价是 UE 在这段时间要两路上行并发

第 5 步：源侧移交序号，停止服务

• 源 gNB 收到 Handover Success 后，向目标 gNB 发送 SN Status Transfer
  • 此时源 gNB 停止向 UPF 递交上行 QoS 流，也不再为下行包分配 PDCP 序号
• 术语说明:
  • SN Status Transfer 告诉目标侧 PDCP 序号已经用到哪里，目标侧从这里接着编号
  • 这一步保证了序号连续，接收端才能正确排序和去重

第 6 步：目标侧通知 UE 释放源侧

• UE 连上目标小区后，目标小区命令 UE 释放源小区资源

失败回退

• 如果切换失败，UE 继续留在源小区，恢复之前暂停的 SRB。UE 通过源小区上报失败，不需要触发 RRC 连接重建
• 这是 DAPS 的另一个收益：普通切换失败后要做耗时较长的 RRC 重建，DAPS 有源侧兜底，所以失败了也不会掉线

(4) 对 PDCP 层的影响

UE 侧的 PHY/MAC/RLC 各复制一份，分别对应源小区和目标小区，但只有一个 PDCP 实体同时服务两侧

• 发送方向:
  • PDCP 负责选路，决定数据包走源小区还是目标小区
  • PDCP 数据 PDU 发往目标小区，PDCP 控制 PDU 则按其关联关系发往源侧或目标侧
• 接收方向:
  • 同一个 SDU 可能从源和目标两侧都收到，PDCP 负责检测并丢弃重复包
  • PS: PDU and SDU. SDU 纯数据面, PDU 包含控制面metadata
• LTE 与 NR 的差异:
  • LTE 的 DAPS PDCP 与 NR 基本相同，区别在于完整性保护：LTE PDCP 只对控制面做完整性保护，而 DAPS 作用于用户面

为什么只有一个 PDCP

PDCP 负责序号、加密和排序

如果 PDCP 也有两个，就会出现两套序号，接收端无法合并两路数据

把 PDCP 作为唯一锚点，两条下层通路才能互为补充

(5) 适用限制汇总

• 不支持异制式（inter-RAT）DAPS 切换（依据 TS 37.340 Annex B）
  • NOTE: 这点非常非常重要!!!
  • 比如: LTE ↔ NR 就不行!
  • 原因:
    • 承载模型不同: 在 LTE/EPC 中, DRB 和核心网的 EPS 承载是一一对应的
      • 在 NR/5GC 中，核心网以 QoS 流为单位，由 SDAP 层把多个 QoS 流映射到 DRB 上，映射关系由基站自行决定
      • 所以切换前的"DRB 3", 到了目标侧可能拆成或并入别的 DRB, DAPS 需要的 "同一个 DRB 有两条腿" 就没有意义了
    • PDCP 版本不同:
      • 文章提到 LTE PDCP 只对控制面做完整性保护，而 NR 的 PDCP 在头格式、序号长度、用户面完整性保护等方面也不一样
      • DAPS 的单个 PDCP 实体要同时持有两套密钥和头压缩上下文，但它本身只能是一个版本，不能一半是 LTE PDCP、一半是 NR PDCP
    • 核心网要换:
      • LTE（EPC）切到 NR（5GC）是跨系统切换，需要 MME 和 AMF 之间交互（例如经 N26）、重新推导安全上下文，用户面锚点也要变
      • DAPS 依赖源基站把数据转发给目标基站，再通过 SN Status Transfer 交接序号，这是同一个 RAN 内的流程
      • 跨系统时序号空间和密钥体系都要重建，这套交接就接不上
• Rel-17 不支持 FR2 到 FR2 的 DAPS
• 不能与 DC、RACH-less 切换共存

科普: Recommendation ITU-R M.2150-3