LTE切换成功率优基本原理

切换成功率是移动保持类的重要指标之一,按照涉及的网元关系可以分为ENB内切换成功成功率、ENB间(包括X2切换和S1切换)切换成功率。本文对X2切换成功率低的问题进行分析。

1.指标定义

原文链接:

2138菲律宾太阳集团,Analysis of Low Success Rate of X2 Switching

切换(Handover)是移动通信系统的一个非常重要的功能。作为无线链路控制的一种手段,切换能够使用户在穿越不同的小区时保持连续的通话。切换成功率是指所有原因引起的切换成功次数与所有原因引起的切换请求次数的比值。切换主要的目的是保障通话的连续,提高通话质量,减小网内越区干扰,为UE用户提供更好的服务。

I. Introduction

之前的文档,我们讨论了X2切换,这篇文档我们关注在EPC干预下的S1切换。这里,我们假设source和target
eNB连接在同一个MME/SGW,并且位于UE的TAI列表中的同一个TA下。第二章我们描述S1切换的概念,第三章我们详细描述S1切换,最后第四章我们总结在S1切换前后EPS实体信息的变化。

Handover success rate is one of the important indicators of mobile
retention class. According to the network element relationship involved,
handover success rate can be divided into within ENB handover success
rate, handover success rate between ENB (including X2 handover and S1
handover). This paper analyses the problem of low success rate of X2
handover.

2.理论介绍

II. Concept of S1 Handover

关键词:切换成功率、S1切换、X2切换

切换成功率是移动保持类的重要指标之一,按照涉及的网元关系可以分为ENB内切换成功成功率、ENB间(包括X2切换和S1切换)切换成功率。切换成功率的高低,直接影响用户感受,是运营商重点考核的KPI指标之一。

2.1 S1协议栈

S1切换是通过S1接口source和target
eNB之间执行的。在控制面eNB和MME通过S1AP信令通信,在用户面eNB和SGW通过GTP隧道通信。图1显示控制面和用户的S1接口上的协议栈。

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当安装一个新eNB时,就需要在eNB和MME之间执行S1 setup过程。eNB通过发送S1
setup request(eNB ID, eNB
Name,TAC)给MME通知eNB配置信息。在MME中也会使用相应的MME容量参数用于MME间的负载均衡。这个值被标记为权值,表示每一个MME处理UE连接的相对容量。eNB连接不止一个MME,当选择一个MME建立新的UE连接时使用这个值。eNB和EPC之间的UE连接如下:在控制面,eNB和MME之间每一个用户的信令都是通过S1AP信令连接提供的,并使用{eNB
UES1AP ID, MME UE S1AP
ID}标识,在用户面,eNB和SGW之间的每一个用户的S1承载都是通过GTP隧道来提供,并使用{DL
S1 TEID (S1 eNB TEID), UL S1 TEID (S1 SGW TEID)}标识。

Key Words:Handover success rate 、S1 handover,、 X2 handover

3.相关公式和指标描述

2.2 和切换相关的S1AP过程和消息

表1和2是在GPP TS
36.413中S1AP的基本过程,包含non-UE和UE相关的过程。这个文档是和切换相关的,所以这里只讨论UE相关的过程。表1列出了S1切换相关的S1AP过程和他们相关的S1AP消息。

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列在上表中的这些S1AP消息在下面详细介绍: 
– Handover Required message:
这个消息用于切换准备阶段,由eNB发送给MME,包含target eNB的信息和source
cell的无线资源。 
– Handover Request message:
这个消息在切换准备阶段使用,由MME发送到target eNB,包含UE上下文信息。 
– Handover Request Acknowledge message:
这个消息是在切换准备阶段使用的,它是当在target
eNB中成功为UE分配资源时由target eNB发送给MME。target eNB分配DL S1
TEID供S1承载在切换后使用,并分配DL S1 TEID供S1承载(indirect
tunnel)用于在切换时下行数据包的传送,包含在这个消息中转发他们。 
– handover command
message
:这个消息用于切换准备阶段,是由MME发送给source
eNB。它包含了UE接入target eNB需要的信息(e.g. Target C-RNTI, Target eNB
AS Security algorithm, DRB ID, etc.),并包含UL S1
TEID供SGW在切换时用于下行数据包传送。 
– eNB status transfer
message
:这个消息是在切换执行阶段使用,由source
eNB发送给MME。指示target eNB应该从哪个数据包开始接收或者发送。 
– MME Status Transfer message:
这个消息是在切换执行阶段使用,是由MME发送给target eNB。指示target
eNB应该从哪个数据包开始接收或者发送。 
– Handover Notify message: 这个消息在切换完成阶段使用,是由target
eNB发送给MME,指示UE已经完成到target eNB的切换。 
– UE Context Release Command message:
这个消息用在切换完成阶段,是由MME发送给source eNB请求UE上下文的释放。 
– UE Context Release Complete message:
这个消息是在切换完成阶段使用,是由source
eNB发送给MME指示UE上下文已经释放了。

切换是移动通信系统的一个非常重要的功能。作为无线链路控制的一种手段,切换能够使用户在穿越不同的小区时保持连续的通话。切换成功率是指所有原因引起的切换成功次数与所有原因引起的切换请求次数的比值。切换主要的目的是保障通话的连续,提高通话质量,减小网内越区干扰,为UE用户提供更好的服务。

切换成功率主要通过话务统计结果获得,推荐的公式为:

2.3 S1 Handover Procedure at a Glance

像之前文档看到的,S1切换过程包括准备,执行,完成阶段。在我们详细介绍之前,我们简要预览一下S1切换过程。

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图2描述了在切换前/中/后需要的过程。方便起见,SGW和PGW被标记为SAE-GW,source和target
eNB被标记为SeNB和TeNB。

before S1 handover 
在上图中,UE是通过eNB
A获得服务的。当UE检测到测量事件时,UE发送measurement report 给eNB A。

S1 handover preparation 
source eNB基于自己保留的邻区列表信息和在measurement report
消息中包含的邻区信号强度信息选择target eNB作为切换目的地。接着,source
eNB意识到通过X2连接切换到target
eNB是不可能的,所以决定执行S1切换,并通过MME执行。所有的eNB都是通过S1AP信令和MME通信。这时,target
eNB提前分配资源来确保source eNB提供的服务在target
eNB同样可用。MME提供给source eNB所有的UE接入target cell需要的所有信息。

期间,target eNB和SGW分配创建indirect tunnel需要的资源,通过这个indirect
tunnel,到达source eNB的下行数据转发给SGW,最终发送给target
eNB。如下所示:

  • source eNB发送target eNB所需要的信息给MME, 包含在handover
    required消息中。(1)
  • MME发送handover request消息给target eNB,包含target
    eNB需要的AS安全信息来创建AS安全基础秘钥和UE上下文。
  • target eNB(2) 
    • 使用从MME获得的S1 S-GW
      TEID建立上行S1承载,通过这个承载在切换后可以转发上行数据包。并为下行S1承载分配S1
      target eNB TEID。(3)
    • 为连接SGW和target eNB的indirect tunnel分配S1 target eNB TEID。
    • 配置handover command消息,包含UE接入target
      cell所需要的所有的信息。
    • 把这些信息包含在handover request ack发送给MME。(4)
  • MME一旦接收到这个消息,在create indirect data forwarding tunnel
    request消息中包含target eNB为indirect tunnel分配的S1 target eNB
    TEID,并把这个消息发送给SGW。(5)
  • SGW 
    • 创建indirect tunnel连接target eNB(6)
    • 分配S1 S-GW TEID用于source eNB和SGW之间的indirect
      tunnel的创建,并通过Create Indirect Data Forwarding Tunnel
      Response消息发送给MME。
  • MME包含i)SGW为indirect tunnel分配的S1 S-GW
    TEID,ii)包含UE接入target cell所需的信息,包含在handover
    command消息发送给source eNB。
  • 接着,source eNB创建连接SGW的indirect tunnel。

通过第8和第6步,连接source eNB,SGW,target eNB三个实体的indirect
tunnel创建成功了。

S1 handover execution 
现在两个eNB准备好切换了,是时候命令UE执行了。

  • source eNB 
    • 通过发送handover command消息包含UE接入target
      cell需要的信息命令UE执行切换到target cell(1)
    • 发送eNB status
      transfer消息通知MME,eNB应该从哪个上行/下行数据包开始接收/发送。(2)
    • 通过indirect tunnel发送从SGW接收到的下行数据包给target
      eNB。(4)
  • MME通过发送MME status transfer消息通知target
    eNB,它应该从哪个UL/DL数据包开始发送/接收。(3)
  • UE从source eNB断开,接入到target eNB。(5)
  • 一旦UE成功接入target eNB,UE就立即有能力发送或接收数据包了。(6)

S1 handover completion 
因为MME已经知道UE执行切换,不像X2切换,target
eNB不需要MME进行路径修改。一旦UE连接到target eNB,target
eNB给MME发送handover notify消息指示UE已经完成切换。

  • 一旦UE连接,target eNB给MME发送handover notify通知切换完成(1)
  • 接着MME请求SGW做S1承载修改。SGW修改下行S1承载路径连接target
    eNB。(2)(3)
  • SGW改变承载路径:如下

    • SGW通过连接source eNB的下行S1承载发送end
      marker(EM)停止下行数据包传输。
    • 接着SGW创建连接target
      eNB的下行S1承载,并恢复下行数据包传输给target eNB。
  • target eNB给UE发送下行数据包如下:

    • target eNB在EM标记数据包到达之前通过indirect
      tunnel发送下行数据包
    • 一旦EM标记数据包到达,target eNB通过新路径给UE发送数据包。
  • MME:

    • MME通过发送UE context release command消息请求source
      eNB释放S1承载资源和UE上下文。(4)
    • MME通过发送delete indirect data forwarding tunnel
      request消息通过SGW释放和indirect tunnel相关的资源。(5)

after S1 handover 
UE现在可以通过eNB B提供服务。

因此,切换成功率是网络优化的重要指标之一,终端在执行切换时,优先通过X2链路执行切换,所以我们要重点做好X2切换的成功率。本文通过站间距、覆盖、干扰、功率、传输时延及切换对对某试点区域X2切换差进行分析。

ENB间切换成功率=( ENB间S1切换出成功次数 +ENB间X2切换出成功次数 ) / (
ENB间S1切换出执行请求次数 +ENB间X2切换出执行请求次数 )

2.4 在S1切换前后UE状态和连接信息

图3描述了在S1切换前后控制面用户面的连接建立情况,和UE/MME的状态。

before S1 handover 
UE在EMM-REgistered和ECM/RRC-connected状态,并保持着E-UTRAN和EPC分配的所有资源。

during S1 handover 
即使在切换阶段,NAS层的UE状态一直保持不变。source eNB和target
eNB都通过S1信令连接到MME上。他们也通过indirect
tunnel连接到SGW上。在图3中,step-2展示了在切换执行阶段切换中断时的连接和状态。在这个阶段,没有激活的无线连接,但是UE仍保持连接状态。

after S1 handover 
UE保持在EMM-REgistered和ECM/RRC-connected状态。在用户面,E_RAB(DRB+S1承载)转到连接新eNB的路径上,在控制面建立了新的RRC连接。

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1.X2切换基础分析

ENB内切换成功率=
eNB内切换出成功次数/eNB内切换出请求次数*100%,具体统计公式请参见《ENB统计项和计数器说明》

III. Procedure of S1 Handover

现在我们详细介绍S1切换过程。图4描述了在S1切换之前的EPS承载和信令连接,并包括S1切换准备阶段详细过程。 
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before handover 
1)【UE->eNB】measurement report
 
一旦测量事件触发,UE测量邻区的信号强度,并给服务小区发送measurement
report 消息。

handover preparation 
2)【source eNB】handover decision
 
source eNB根据measurement report消息包含的信息和source
eNB自己保留的邻区列表信息中选择target
eNB。并且发现在两个eNB之间没有有效X2连接可用,source eNB决定执行S1切换。

3)【source eNB->MME】 requesting handover 
source eNB发送handover required消息给MME,请求切换到target
eNB。这个消息包含如下: 
Handover Required (Handover Type, Target eNB ID, Source to Target
Transparent Container)

  • Handover Required (Handover Type, Target eNB ID, Source to Target
    Transparent Container)
  • Target eNB ID: 包含Target Global eNB ID and Selected TAI information
  • Source to Target Transparent Container: is used when forwarding the
    radio-related information of the source cell to the target cell
    transparently through EPC (MME)

4) [MME] 产生安全上下文转发给target eNB 
MME生成安全上下文{NCC,NH}, target
eNB可用产生AS安全基础秘钥。NCC从初始NCC值开始加1,NH是从初始NH值和Kasme值产生的。 
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5)【target eNB <-MME】请求target eNB切换 
MME给target eNB发送handover request消息,代表 source
eNB请求切换。这个消息如下: 
Handover Request (UE-AMBR, E-RAB to be setup (E-RAB ID, QCI, ARP, S1
S-GW TEID), Source to Target Transparent Container, UE Security
Capability, Security Context)

  • Handover Request (UE-AMBR, E-RAB to be setup (E-RAB ID, QCI, ARP, S1
    S-GW TEID), Source to TargetTransparent Container, UE Security
    Capability, Security Context)
  • E-RAB to be setup: UE’s E-RAB information stored at Source eNB.
    Includes E-RAB ID, QoS parameters, UL S1 bearer information
  • Source to Target Transparent Container: is used when forwarding the
    radio-related information of the source cell (e.g. UE radio access
    capability, RRC configuration Info, etc.) to the target cell
    transparently through EPC (MME).
  • UE Security Capability: security algorithms supported by UE
    (encryption and integrity algorithm)
  • Security Context: includes {NCC, NH} to be used when Target eNB
    derives the AS Security base key, KeNB*

6) [Target eNB] 准备S1 handover 
一旦接收到handover request消息,target
eNB开始准备切换为UE提供无缝服务 
i)新的S1承载资源分配:target eNB基于要建立的E-RAB信息,检查source
eNB提供的QoS是否在target eNB中可用。如果可用,target eNB使用存储在source
eNB中的上行S1承载信息(S1 SGW TEID)建立上行S1承载连接SGW。接着分配S1
target eNB TEID准备下行S1承载。

ii)indirect tunnel资源分配:在UE执行S1切换时,应该有一个从source
eNB到target eNB的indirect tunnel。所以,target eNB分配S1 target eNB
TEID,SGW可以建立indirect tunnel连接target eNB。

iii)为UE在无线链路上分配资源:基于E-RAB的QoS信息,target
eNB为UE在无线链路上保留RRC资源,并分配C-RNTI。

iv)Kenb*产生:使用从MME中接收到的安全上下文信息(NCC1,NH1)来产生Kenb*,接着获得AS安全秘钥(KRRCint,
KRRCenc, KUpenc)。接着,当UE连接到target eNB是,UE和target
eNB可以使用这些秘钥来安全的通信。图5显示了Kenb是怎么产生的。我们可以看到Kenb 从NH1,PCI,频点生成。 
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7)【target eNB->MME】通知MME准备完毕 
target eNB给MME发送handover request
ack消息,消息中包含了step-6中的所有资源。这些消息如下所示: 
Handover Request Ack (E-RAB Admitted(E-RAB ID, S1 Target eNB TEID, DL S1
Target eNB TEID), Handover Command (Target C-RNTI, Target DRB ID, AS
Security Algorithm of Target eNB))

  • E-RAB Admitted

    • E-RAB ID: E-RAB ID allocated by the target eNB
    • S1 Target eNB TEID: DL S1 TEID that the target eNB allocated
      to S-GW for establishment of S1 bearer connecting to itself.
    • DL S1 Target eNB TEID: DL S1 TEID that the target eNB
      allocated for establishment of an indirect tunnel for handover
      through which to deliver DL packets.
  • Handover Command: Transparent Container, delivered by the target
    eNB to the source eNB, that contains the radio information of the
    target cell that UE needs to access the target eNB.

    • Target C-RNTI: C-RNTI allocated by the target cell to identify
      UE.
    • Target DRB ID: ID of DRB that the target eNB set to deliver user
      packets over the radio link.
    • Target DRB ID: ID of DRB that the target eNB set to deliver user
      packets over the radio link.

8)【MME->SGW】请求S1承载创建用于下行数据包传输 
MME给SGW发送Create Indirect Data Forwarding Tunnel
Request消息,请求创建indirect tunnel用于交付下行数据包。这个消息包括GTP
TEID(S1 Target eNB TEID,target eNB分配的)

9)【MME<-SGW】通知MME S1承载创建完成 
SGW一旦接收到Create Indirect Data Forwarding Tunnel
Request消息,创建一个连接target eNB的indirect tunnel。接着分配S1 SGW
TEID,通过Create Indirect Data Forwarding Tunnel
Response消息转发给MME,source eNB可以使用这个TEID穿件indirect
tunnel连接SGW。

10)【source eNB<-MME】通知完成切换 
MME发送给source eNB handover command消息包含i)S1 SGW
TEID(在step-9从SGW接收到)ii)包含包含handover
command消息(在step-7从target eNB接收到的) 
source eNB从handover command消息中知道target eNB和EPC已经准备UE切换了。

handover execution 
图6描述了S1切换的执行阶段。 
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11)【UE<-source eNB】命令UE执行切换 
一旦source eNB准备好切换,source eNB发送handover
command消息命令UE执行切换。这个消息是包含在RRC connection
reconfiguration消息中的。

12)【UE】执行切换 
一旦UE从handover command消息中获得C-RNTI和DRB ID,并从source eNB
detach。现在UE和source
eNB之间的所有的数据包交换都停止了,切换中断时间开始了。

13)【UE】AS安全建立 
UE产生AS安全秘钥用于target eNB的无线链路。首先产生Kenb*,接着使用target
eNB选择的AS安全算法产生AS安全秘钥 (KRRCint, KRRCenc, KUPenc)。

14)~15)【source eNB->MME.MME->target
eNB】通知从哪个数据包开始发送/接收
 
source eNB发送eNB status transfer 消息,包含DL count和UL
count给MME。接着MME通过MME status transfer消息包含相同的信息给target
eNB。这是为了让target
eNB知道从哪个数据包开始发送/接收数据包。这里这个count值是PDCP
PDU计数,每一个count是32bit值,包含HFN超帧号和PDCP序列号SN。这个消息如下: 
eNB Status Transfer (DL Count, UL Count) 
 DL Count: Count of the first packet to send to the UE 
 UL Count: Count of the first packet to receive from the UE

在发送eNB status transfer消息之后,source eNB开始通过indirect
tunnel转发从SGW到达的下行数据包给target eNB。target
eNB缓存这些数据包,知道UE成功接入到target eNB。

16)-18)【UE,target eNB】UE接入到target eNB 
16)UE检测到target eNB的同步信号并执行同步到target
eNB。一旦同步完成,UE发起非竞争的随即接入。17)target
eNB给UE发送时间偏移信息和上行授权。18)UE给target eNB发送handover
confirm消息包含在RRC connection reconfiguration complete消息中。

现在UE可以从target eNb接收或发送数据包了。切换中断时间结束。

19)【UE~target eNB】无线链路上的安全通信 
UE和target
eNB之间的所有的RRC信令消息和用户数据包都是使用AS安全秘钥安全传输的。rrc信令消息是完整性保护和加密的,用户数据是加密的。

20)【target eNB】恢复下行数据包交付给UE 
随着UE成功连接到target eNB,target
eNB通过下面的路径恢复发送缓冲的下行数据包给UE。 
S5承载( PGW到SGW)—-S1承载(SGW到source eNB)—–S1承载(source
eNB到SGW)—-S1承载(SGW到target eNB)—DRB(target eNB到UE)

对于UE发送的数据包,target
eNB检查是否以正确的顺序接收到上行数据包,接着通过下面的路径转发给SGW。 
DRB(UE到target eNB)—S1承载(target eNB到SGW)—S5承载(SGW到PGW)

handover completion 
图7描述了S1切换结束阶段的过程。

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21)【target eNB->MME】请求EPS承载路径转换 
一旦UE成功接入,target eNB通过发送handover
notify消息给MME通知UE已经成功完成了S1切换,这个消息中包含ECGI和TAI。

22)~27)修改EPS承载 
MME转发由target eNB分配的S1 target eNB TEID给SGW(通过发送modify bearer
request消息)。通过这种方式请求SGW修改承载路径。接着SGW建立下行S1承载连接target
eNB。一些SGW,根据UE初始附着时的选项设置,需要报告UE的服务小区是否发生变化。就需要SGW发送modify
bearer
request消息给PGW(PGW报告给PCRF),根据EPS会话修改过程,表示UE服务小区发生变化了。

28)~29)【SGW】修改S1承载路径 
SGW转换下行数据包转发路径为连接target eNB的下行S1承载。首先SGW发送end
marker(EM)来指示发送给source eNB的最后一个数据包。接着它通过连接target
eNB的S1承载来发送下行数据包。

30)【target eNB】数据包重新排序 
现在,target eNB接收到从source
eNB转发过来的下行数据包,和通过新修改的路径的下行数据包。所以应该以正确的顺序交付给UE。首先target
eNB转发从indirect
tunnel接收到的数据包,接着当EM到达时,就是知道从indirect
tunnel的最后一个数据包,接着发送从新修改的路径上接收到的下行数据包给UE。

31)~32)【source eNB<->MME】释放存储在source
eNB中的UE上下文和S1资源
 
MME通知source eNB,source eNB可以释放indirect
tunnel和S1资源,以及UE上下文了(通过发送UE context release
command消息)。

33)~34)【MME<->SGW】MME给SGW发送delete indirect data
forwarding tunnel
 
request消息请求释放indirect tunnel。一旦接收到这个请求,SGW释放indirect
tunnel,并发送delete indirect data forwarding tunnel
response消息通知MME释放完成。

1.1.X2切换成功率与站间距关系

1)ENB间切换相关的指标描述如下:

IV. EPS entity information:before/after S1 handover

在intra-LTE环境中,在S1切换前后存储在EPS实体中的信息和X2相同、

  • 切换相关的As安全上下文会根据切换的类型不同俄日变化(S1 or
    X2)。切换安全在本篇文档范围之外。
  • 在切换过程中,EPS实体中存储的信息十分相同,但是也会根据切换类型而不同。

某试点区域平均站间距较大,通过数据统计,站间距与X2切换成功率成反比,站间距小于600m时,X2切换成功率98%以上;当站间距大于600m时,整体切换成功率达不到基准值98%;站间距大于2000m是,X2切换成功率仅为93.38%。某试点区域大站间距小区较多,站间距大于1500m的小区占21.83%。如下图所示:

指标

V. closing

目前为止,我们讨论了在SGW和MME都不发生变化时的S1切换过程。不想X2切换,在S1切换中,EPS知道UE的切换。EPC从切换准备阶段参与到切换过程。它和source
eNB,target eNb协作共同完成切换。 
在EMM case-6我们讨论了LTE 切换。接下来对我们将讨论小区重选。

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指标描述

References

[1] Netmanias Technical Document, “LTE EMM Procedure 6 – Part 2. X2
Handover”, March
2014,  
[2] 3GPP TS 36.413, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access
Network (E-UTRAN); S1 Application Protocol (S1AP)” 
[3] Netmanias Technical Document, “LTE EMM Procedure 6 – Part 1.
Overview of LTE Handover”, March
2014,  
[4] 3GPP TS 36.331, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access
(E-UTRA); Radio Resource Control (RRC); Protocol specification” 
[5] Netmanias Technical Document, “LTE Security II: NAS and AS
Security”, August
2013,  
[6] Netmanias Technical Document, “Eleven EMM Cases in an EMM
Scenario”, October
2013,  
[7] NMC Consulting Group Confidential Internal Report, “E2E LTE
Network Design”, August 2010

系统内每相邻关系切换出请求次数

小区eNodeB间切换出尝试次数

分原因的系统内每相邻关系切换出请求次数-总和

小区eNodeB间切换出尝试次数

系统内每相邻关系切换出准备成功次数

小区eNodeB间切换出成功次数

系统内每相邻关系切换出执行请求次数

小区eNodeB间切换出成功次数

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