（通信与信息系统专业论文）lte系统无线资源管理层关键技术研究及设计.pdf

1 。_ _ _ _ 。_ _ _ 一 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 本人签字： 延2 丕 。日期丝! ! ：三：鉴 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释；本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签字：盈泣日期：型里主：鉴 导师签字： 五么毕日期：型l ! ：f 丘 j 北京邮电人学硕上研究生论文。l t e 系统无线资源管理层关键技术研究及设计 t f 系统无线资源管理层关键技术研究及设计 摘要 近年来，随着无线通信技术的迅猛发展和人们对移动接入需求的 不断增加，无线通信网络的相关产业飞速成长。3 g p p 组织于2 0 0 4 年 底启动了长期演进计戈1 ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 。l t e 作为3 g 的演 进，有着高数据传输速率、可分组传送、延迟时间低、广域覆盖和向 下兼容等优势，成为了当前业界最具影响的e 3 g 移动通信技术标准。 l t e 接入网协议栈在逻辑上分为控制面和用户平面，其中无线资 源控带l j ( r a d i or e s o u r c ec o n t r o l ，r r c ) 层作为整个l t e 系统的控制面主 体，主要负责系统广播、连接控制、切换和测量等重要功能的实现及 对底层的控制和管理，而这些主体功能决定了无线通信系统的整体性 能，因此r r c 层关键技术的研究和实现对l t e 系统降低延时、提高q o s 等性能指标具有重要意义。此外，由于l t e 采用了由单层 e n o d e b ( e u t r a nn o d e b e n b ) 节点组网的扁平化架构，l t e 的r r c 层要实现原有r n c 中大部分功能，因此l t e 系统r r c 层的控制功能较 于传统的3 g p p 接入网更为复杂，同时也加大了r r c 层的设计和实现 难度，使得r r c 层的实现对l t e 系统的整体性能更为重要。综上，r r c 控制功能对l t e 系统的性能和行为有着重要影响，也是l t e 系统实现 的难点，因此r r c 层关键技术的研究和设计对l t e 系统的实现具有重 北京邮电人学硕上研究生论文l t e 系统无线资源管理层关键技术研究及设计 要意义。 本文首先从l t er r c 层功能、r r c 过程以及r r c 层关键技术等方 面对r r c 层协议进行了深入分析和研究。在此基础上提出了l t er r c 子系统的设计需求，针对r r c 层的并行性、事务性和实时性的特点， 本文提出了l t e 协议栈软件r r c 子系统的总体设计，该设计能对r r c 子系统和整个l t e 协议栈进行有效的管理，目前已平稳运行于整个 l t e 系统中。在r r c 子系统的整体设计之下，本文还提出了r r c 子系 统核心模块决策控制模块和连接建立模块的详细设计及实现方法，并 通过单元测试验证模块运行的一致性和可靠性。本文所提出的决策控 制模块和连接建立模块的设计已撰写为专利l t e 系统用户设备的连 接建立装置和方法和宽带无线通信系统中无线资源控制系统及其 方法，两项专利均被国家专利局所受理。 关键词：l t e 、无线资源管理、连接控制 北京邮电大学硕士研究生论文l t e 系统无线资源管埋层关键技术研究及设计 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 研究内容和成果2 1 - 3 论文组织结构3 第二章r r c 层协议研究5 2 1l t e 概述5 2 1 - ll t e 项目计划和主要性能指标5 2 1 2l t e 网络结构6 2 1 3l t e 协议栈结构7 2 2l t er r c 层概述9 2 2 1r r c 层功能9 2 2 2r r c 状态1 0 2 2 3r r c 无线承载1 0 2 3r r c 过程分析1 l 2 3 1 系统信息获取1 2 2 3 2r r c 连接控制过程1 2 2 3 3 移动性管理1 3 2 3 4r r c 测量1 4 2 4l t er r c 层关键技术1 4 2 4 1 无线承载控制1 5 2 4 2 无线接入控制1 5 2 4 3 连接移动性控制1 5 2 4 4 负载均衡1 5 2 5 本章小结1 6 第三章r r c 子系统设计1 7 3 1l t er r c 层管理机制1 7 v 北京邮电大学硕士研究生论文l t e 系统无线资源管埋层关键技术研究及设计 3 2l t er r c 子系统设计需求1 8 3 3l t er r c 子系统总体设计1 8 3 4 本章小结2 3 第四章决策控制模块的设计和实现2 4 4 1 决策控制模块的设计2 4 4 1 1 决策控制模块的功能描述2 4 4 1 2 决策控制模块的模块划分2 4 4 l3 决策控制模块的模块设计2 5 4 2 决策控制模块模块实现2 5 4 2 1 决策控制模块的接口描述2 5 4 2 2 决策控制模块的函数描述2 6 4 2 3 决策控制模块的函数调用关系2 7 4 2 4 决策控制模块的处理流程2 7 4 2 5 决策控制模块的测试2 8 4 3 本章小结3 0 第五章连接建立模块的实现3 1 5 1 连接建立模块的设计3 1 5 1 1 连接建立模块的功能描述3 l 5 1 2 连接建立模块的模块划分3 l 5 1 3 连接建立模块的模块设计3 2 5 2 连接建立模块模块实现3 5 5 2 1 连接建立模块的接口描述3 5 5 2 2 连接建立模块的函数描述3 7 5 2 3 连接建立模块的函数调用关系3 8 5 2 4 连接建立模块的处理流程3 9 5 3 连接建立模块的测试4 9 5 4 本章小结5 1 第六章总结与展望5 2 参考文献5 3 致谢5 6 攻读学位期间发表的学术论文5 7 v i 北京邮电大学硕j 二研究生论文l t e 系统无线资源管理层关键技术研究及设计 t h er e s e a r c ha n dd e s i g n o fk e yt e c h n o l o g yi nr r cl a y e r o fi r es y s t e m a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d t h er i s i n gd e m a n do fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns e r v i c e ，t h ei n d u s t r yo f m o b i l ec o m m u n i c a t i o ni sk e e pr a p i d l yd e v e l o p i n g t h e3 一g e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t ( 3 g p p ) i n i t i a t e dt h el o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) p r o j e c ti n2 0 0 4 c o m p a r e dt o3gl t e i sm o r ec o m p e t i t i v ea n da i m st o p r o v i d eah i g h e ru s e rd a t ar a t e ，a ni pb a s e da r c h i t e c t u r e ，r e d u c e dl a t e n c y , i m p r o v e dc a p a c i t ya n dc o v e r a g e l t ep r o t o c o ls t a c kc o u l db ed i v i d e di n t ou s e rp l a n ea n dc o n t r o l p l a n e r a d i or e s o u r c ec o n t r o l ( r r c ) i st h em a i ne n t i t yo ft h ec o n t r o l p l a n eo fl t e a n di tr e s p o n s i b l e f o rt h e b r o a d c a s t i n go fs y s t e m i n f o r m a t i o n ，c o n n e c t i o nc o n t r o l l ，h a n d o v e ra n dm e a s u r e m e n tw h i c hc o u l d d e t e r m i n et h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s or r cl a y e ri sc r i t i c a l i nl t es y s t e m i na d d i t i o n ，l t eu s e s a d e c e n t r a l i z e da r c h i t e c t u r ea n di nt h er a np a r t ，o n l yc o n s i s t so f i i i 北京邮电人学硕：e 研究生论文 l t e 系统无线资源管理层关键技术研究及设计 e - u t r a nn o d e b ( e n b ) w i t hm o s tr a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ( r n c ) f u n c t i o n a l i t i e se m b e d d e di ni t sr r cl a y e r t h er n c e n t i t yw h i c hi s i n c l u d e di nt r a d i t i o n a lr a na r c h i t e c t u r ew a sd e l e t e d r r cl a y e rp l a y sa d e c i s i v er o l ei nt h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m ，s ow en e e dt os t u d yt h er a d i o r e s o u r c ec o n t r o lm e c h a n i s m i n - d e p t h i nt h i sp a p e r , w ef i r s tg a v ead e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ef u n c t i o n ，t h e r r c p r o c e d u r e sa n dk e yi s s u e si nr r cp r o t o c 0 1 b a s e do nt h el t er r c s u b s y s t e mf e a t u r e ，w ep r e s e n t e dt h er r cs u b s y s t e ma r c h i t e c t u r ew h i c h m e e tt h er e q u i r e m e n t so ft r a n s a c t i o n ，r e a lt i m ea n d p a r a l l e l i s mo fr r c l a y e r t h et e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h er r c s u b s y s t e mc a nm a n a g et h er r c l a y e ra n dw h o l el t es y s t e me f f i c i e n t l y f i n a l l y , b a s e do nt h ea r c h i t e c t u r e o fr r c s u b - s y s t e m ，w ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e dp o l i c yc o n t r o lm o d u l e a n dc o n n e c t i o ne s t a b l i s h m e n tm o d u l ei nr r c s u b s y s t e m t h em e t h o d s u s e di nt h e s et w om o d u l eh a sb e e np r o t e c t e db yp a t e n t s t h ed e v i c ea n d m e a n so fc o n n e c t i o ne s t a b l i s h m e n ti nu s e re q u i p m e n to fl t es y s t e m a n d t h em e t h o d so fc o n t r o l l i n gr a d i or e s o u r c ei nb r o a db a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ”t h em e t h o d sw ep r o p o s e di nt h ep a p e rh a sb e e n s u c c e s s f u l l ye x e c u t e di nl t es y s t e m k e y w o r d s ：l t e ，r a d i or e s o u r c ec o n t r o l ，c o n n e c t i o nc o n t r o l 北京邮电大学硕十研究生论文l t e 系统无线资源管理层关键技术研究及设计 1 1 研究背景 第一章绪论 伴随g s m 等移动网络在过去的二十年中的广泛普及，全球语音通信业务获 得了巨大的成功。个人通信的迅猛发展极大地促使了个人通信设备的微型化和多 样化。g s m 网络演进到g p r s e d g e 和w c d m a h s d p a 网络以提供更多样化 的通信和娱乐业务，降低无线数据网络的运营成本，已成为g s m 移动运营商的 必经之路。但这也仅仅是向宽带无线技术演进的一个开始i i 】与此同时，用户期 望运营商提供任何时间任何地点不低于l m b p s 的无线接入速度，小于2 0 m s 的低 系统传输延迟，在高移动速率环境下的全网无缝覆盖。这些要求已远远超出了现 有网络的能力，寻找突破性的空中接口技术和网络结构看来是势在必行。 与w i f i 和w i m a x 等无线接入方案相比，w c d m a h s d p a 空中接口和网 络结构过于复杂，虽然在支持移动性和q o s 方面有较大优势，但在每比特成本、 无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后。另一方面以o f d m 技术为核 心的新一代技术逐渐成熟，接入速率提升到了1 0 0 m b i t s 的范畴，相形之下2 m b i t s 的w c d m a r 9 9 传输速率，1 4 4 m b i t sr 5h s d p a 的峰值速率已经无法满足需求， 这给正处在3 g 发展期的传统蜂窝移动通信带来了巨大的竞争压力。为应对 w i m a x 等新兴无线宽带技术的竞争，进一步改进和增强现有3 g 技术以提高3 g 技术在宽带无线接入市场的竞争力，第三代移动通信合作计划( t h e3 mg e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j i e c t ，3 g p p ) 在2 0 0 4 年l2 月启动了无线接入网长期演进研究项目 ( 1 0 n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) ，演进的接入技术( e v o l v e d u t r a ，e u t r a ) 和接 入网络( e u t r a n ) ，以及面向全l p 的分组域核心网的演进项目( 如s y s t e m a r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n ，s a e ) 1 2 1 。 l t e 是3 g p p 近两年来启动的规模庞大的新技术研发项目，可以看成是 “3 9 g 技术。l t e 在空口部分，采用o f d m 和m i m o 技术以提高频谱利用率 和用户吞吐量。在核心网部分，l t e 采用由e n b ( e u t r a nn o d e b ) 构成的单层 结构，通过网络的扁平化设计来简化网络结构和降低延迟，达到低时延、低复杂 度和低成本的要求| 3 i 。 北京邮电大学硕上研究生论文l t e 系统无线资源管理层关键技术研究及设计 无线资源控帛1 ( r a d i or e s o u r c ec o n t r o l ，r r c ) 层作为l t e 系统的控制面主体 4 1 ，对l t e 系统有着重要影响。l t e 接入网协议栈在逻辑上分为控制面和用户平 面，控制面功能主要集中在r r c 层完成f 5 1 ，不仅要实现系统广播、连接管理、 切换和测量等无线通信系统的核心功能，同时要实现对下层协议栈的控制，包括 对下层进行配置和管理。此外，与传统的3 g p p 接入网相比，l t e 去除了无线网 络控制器节点，改而采用了由单层e n o d e b ( e u t r a nn o d e b ，e n b ) 节点组网的扁 平化架构，因此r r c 层要实现原有r n c 中大部分功能 2 】，从而增加了r r c 的 控制复杂度和实现难度。综上，r r c 控制功能对l t e 系统尤为重要，且较于3 g 网络，r r c 层控制功能更为复杂，因此r r c 层的研究和设计对l t e 系统的实现 具有重要意义。 1 2 研究内容和成果 本文主要围绕l t e 空中接口协议栈中r r c 层的关键技术及其设计展开研 究。 本文首先对3 g p pl t e 项目的发展背景及主要性能指标等方面进行介绍，阐 述了l t e 接入网的网络架构、协议栈结构和各层功能。在此基础上深入分析了 l t er r c 层功能、r r c 过程以及r r c 层关键技术。 在此基础上，本文通过对r r c 层的逻辑功能和行为描述进行设定，分析了 r r c 层对整个l t e 系统的管理机制，提出r r c 子系统的设计应满足并行性、事 务性和实时性。并基于该设计需求，给出l t e 协议栈软件r r c 子系统的总体设 计。该设计在考虑逻辑模型向实现模型映射时，在保证逻辑概念完整性和一致性 的基础上，将r r c 子系统划分为核心数据管理、控制管理、r r c 过程处理和 r r c 协议数据单元处理四个功能实体。通过四个功能实体的协作，完成r r c 子 系统对整个l t e 协议栈进行管理。其中r r c 过程处理部分完成l t e 系统中的所 有r r c 过程的执行，包括连接建立过程、切换过程和测量过程等，在对该部分 的设计过程中，本人作为第一作者，分别就r r c 层的切换流程和测量过程中的 信息单元，撰写两份i m t - a 提案，两份提案均于2 0 0 9 年5 月被i m t - a 标准子组 接受，并由大唐所认领。 在r r c 子系统的整体设计之下，本文进一步提出了r r c 子系统决策控制模 块和连接建立模块的详细设计和实现方法。其中决策控制模块是r r c 子系统的 核心模块，负责检测外界交互并触发相应的r r c 过程。该模块的设计通过消息 2 北京邮电大学硕士研究生论文 l t e 系统无线资源管理层关键技术研究及设计 队列和优先级处理机制使r r c 子系统简单高效的获取并处理r r c 事件，保证了 r r c 子系统的实时性。该模块的实现方法已撰写为专利宽带无线通信系统中 无线资源控制系统及其方法，目前已由国家专利局受理。连接建立模块是r r c 子系统的又一主要模块，该模块的设计通过多重状态检测机制和数据回滚机制， 保障了连接建立过程中r r c 状态的正确维护，同时提高了r r c 子系统的稳定性。 该模块的实现方法已撰写为专利l t e 系统用户设备的连接建立装置和方法， 并由国家专利局受理。 本文所提出的设计已实现于r r c 子系统中，目前该r r c 子系统已成功运行 于l t e 终端协议栈软件系统中。 1 3 论文组织结构 本文首先阐述了课题研究背景和研究意义。 第二章首先介绍了l t e 接入网部分网络架构，对接入网部分协议栈结构和 各层功能进行了简要介绍，重点分析了r r c 层协议中的基本概念以及其所完成 的功能。另外，还对r r c 层所涉及到的关键技术进行了介绍。 第三章在对l t e 系统r r c 层研究的基础上，通过分析r r c 层的行为模式， 提出r r c 子系统的管理机制和实现需求，在此基础上，本文提出了l t e 系统中 r r c 子系统的总体设计，该设计根据r r c 的实时性、并行性和事务性的需求， 将系统划分成四个可并行运行的部分，即r r c 核心数据管理部分、r r c 控制部 分、r r c 过程处理部分和r r c 协议数据单元处理部分，并对这四个部分进行了 详细的描述。 第四章基于r r c 子系统的整体设计，提出了r r c 子系统的核心模块：决策 控制模块的设计和实现方法。首先对决策控制模块的功能描述进行分析，提出使 用消息队列和优先级处理的设计机制，在此基础上，给出了决策控制模块的具体 实现方法，包括接口描述、函数描述、函数调用关系和处理流程等。并通过详尽 的功能测试，验证了该模块运行的一致性和可靠性。 第五章基于r r c 子系统的整体设计，提出了r r c 子系统中连接建立模块的 设计和实现方法。本文通过对连接建立模块的功能需求进行分析，提出了多重状 态检测和数据回滚的设计思路，进而给出了该模块的详细实现方法，包括连接建 立模块的模块划分、函数描述和处理流程等。最后通过详尽的功能测试，验证了 该模块运行的一致性和可靠性。 。二堕竖电大学硕十研究生论文l t e 系统无线资源管理层关键技术研究及设计 第六章是下一步研究工作展望。展望下一步工作，规划未来的研究方向。 北京邮电大学硕七研究生论文l t e 系统无线资源管理层关键技术研究及设计 2 1l t e 概述 第二章r r c 层协议研究 2 1 1l t e 项目计划和主要性能指标 2 0 0 4 年n 月，3 g p p 在加拿大多伦多“u t r a n 演进”会议收集了无线接入网 r 6 版本之后的演进意见，在随后的全体会议上，通过并决定启动3 g p pl t e 项 目。 3 g p p 规划了清晰的技术发展路线，还根据工作进程制定了明确的时间表。 3 g p p 组织在l t e 项目的工作，基本可以分为两个阶段：s i ( s t u d yi t e m ) 阶段和 w i ( w o r ki t e m ) 阶段。s i 阶段主要完成目标需求的定义，明确l t e 的概念，完成 可行性研究报告，该阶段于2 0 0 4 年底开始，于2 0 0 6 年9 月结束。w l 阶段主要 在前一阶段完成技术可行性研究的基础上，完成系统核心技术的规范化和标准制 定编写工作。2 0 0 6 年9 月3 g p p 正式批准了l t e 项目进入工作阶段( w d ，l t e 标准的起草正式开始。3 g p p 预计于2 0 0 7 年3 月完成第2 阶段( s t a g e2 ) 的协议， 最后直到2 0 0 7 年底才完全完成第2 阶段的协议。目前，l t e 项目在标准体系上 已经达到了比较成熟的阶段，3 g p p 组织已于2 0 0 8 年1 2 月冻结了l t e 第一版本 的技术提案，并于2 0 0 9 年3 月公开发布了l t e 第一版( 即第3 阶段，s t a g e3 ) 的 技术标准。 l t e 和传统移动通信系统的区别在于：l t e 系统只有分组域，没有电路域， 话音业务将由v o i p 实现，此外，l t e 支持多媒体广播多播技术( m u l t i m e d i a b r o a d c a s tm u l t i c a s ts e r v i c e ) 。 3 g p pl t e 项目的主要性能目标包括：在2 0 m h z 频谱带宽能够提供下行 1 0 0 m b p s 、上行5 0 m b p s 的峰值速率：改善小区边缘用户的性能；提高小区容量； 降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5 m s ，控制平面从睡眠状态到激 活状态迁移时间低于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于l o o m s ；支 持1 0 0 k m 半径的小区覆盖；能够为3 5 0 k m h 高速移动用户提供大于1 0 0 k b p s 的 接入服务；支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1 2 5m h z 到2 0 m h z 多种带宽。 5 北京邮电大学硕+ 1 j f 究生论文l t e 系统无线资源管理层关键技术研究及设计 此外，l t e 还有下列设计需求： 1 支持与现有3 g p p 和非3 g p p 系统的互操作； 2 降低建网成本，实现从r 6 的低成本演进； 3 让终端复杂度、成本和耗电更加合理； 4 支持增强的i m s ( i p 多媒体子系统) 和核心网； 5 强调后向兼容，同时兼顾兼容性与性能改进的平衡。 从上述设计需求可以看出，l t e 的研究重点分为两个方面：空中接口技术的 演进，以及核心网络架构的演进。本文主要针对l t e 空中接口技术部分，即接 入网展开研究。 2 1 2l t e 网络结构 3 g p pl t e 在接入网体系结构方面，设计的主要目标是满足低时延、低复杂 度、低成本的要求，从而提供更高的用户容量、系统吞吐量和端到端的服务质量 保证。从而实现所有业务通过分组域传输，保证实时性要求较高的分组业务的服 务质量。为了达到这一目标，l t e 接入网对原有的网络结构进行调整和演进。主 要包括e n b ( ( e u t r a nn o d e b ) ) 和a g w ( a c c e s sg a t e w a y , a g w ) 的演进。 m m e ，s g w i m m e ，s g w 一 e d j r r a n 图2 - 1l t e 接入网架构图 图2 1 为l t e 接入网架构图，可以看出，e n o d e b 由r 6 阶段的n b ( n o d e b ) 、 r n c ( r a d i on e t w o r kc o n t r o l ，无线资源控制器) 、s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p o r t n o d e ，服务g p r s 支撑节点) 、g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p o r tn o d e , 网关g p r s 支撑节点) 四个主要网元演进而来 6 j ，e n o d e b 之间通过x 2 接口采用网格( m e s h ) 方式互连【7 1 。同时e n b 与a g w 之间的接口称为s 1 接v i l 8 1 。e n b 通过s 1 接口与 e p c ( e v o l v e dp a c k e tc o r e ) 连接。s l 接口支持多对多的a g w s 和e n o d e b 连接 r 北京邮电大学硕士研究生论文。l t e 系统无线资源管理层关键技术研究及设计 关系。 i 图2 2e u t r a n 各个网络节点功能划分 从图2 2 中可以看到在e u t r a n 网络中各个网元所承担的功能。e - u t r a n 结构中，e n b 是在n b 原有功能基础上，增加了r n c 的调度、接入控制、承载控 制、移动性管理和相邻小区无线资源管理等功能，提供相当于原来各层的功能。 a g w 主要分为移动性管理实体( m m e ) 和用户面实体( s g w 、p g w ) ，其承担的 功能主要包括发起寻呼，i d l e 状态u e 信息管理，移动性管理，s a e 承载控制， n a s 信令的加密和完整性保护等旧1 。 2 1 3l t e 协议栈结构 e u t r a n 空中接口协议可以分为用户平面和控制平面。用户平面主要负责 数据传输；控制平面负责用户无线资源的管理、无线连接的建立、业务q o s 保 证和最终的资源释放0 1 。 l t e 接入网用户面协议栈结构如图2 3 所示。 u ee n b d n ，、di p d c p r l cr l c m a cm a c d i - j v i b l j v 7l- 图2 - 3l t e 接入网用户面协议栈 用户平面用于执行无线接入承载业务，主要负责对用户发送和接收的所有信 7 北京邮电火学硕上研究生论文l t e 系统无线资源管理层关键技术研究及设计 息的处理。由媒体接入控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) ，无线链路控制 ( r a d i ol i n kc o n t r o l ，r l c ) ，分组数据汇聚协议( p a c k e td a t ac o n v e r g e n c e p r o t o c o l ，p d c p ) 层这三个子层构成。l t e 采用a g w 和e n b 直联的方式以实 现用户面的快速接入。这种接入方式下，各功能实体的功能也有了变化。 其中m a c 层主要功能为负责逻辑信道和传输信道的映射，复用和解复用； 数据量测量；h a r q 功能；u e 内的优先级调度和u e 间的优先级调度；t f ( 传输 格式) 选择；r l cp d u ( 协议数据单元) 的按序提交【1 。 r l c 层主要功能为支持确认模式( a c k n o w l e d g em o d e ，a m ) 、非确认模式 ( u n a c k n o w l e d g em o d e , u m ) 、透明模式( t r a n s p a r e n tm o d e ，t m ) 数据传输；a r q ； 数据分段( 重分段) 和重组( 级联) ；s d u 的按序投递；数据的重复检测；协议错误 检测和恢复：a g w 和e n o d e b 间的流量控制；s d u ( j j 艮务数据单元) 丢弃f 1 2 1 p d c p 层主要功能为头压缩，支持r o h c 算法；用户面数据加密l 下层r l c 按序投递时，p d c p 分组数据的包头压缩的重排缓冲( 主要用于跨e n o d e b 切换) 。 l t e 接入网控制面协议栈结构如图2 4 所示l 1 ：e 的控制面包括上述各层。 控制面中的m a c 和r l c 完成对调度、a r q 、h a r q 的相关控制；p d c p 完成 头压缩、安全性保护的控制f l 引。而r r c 层作为整个l t e 系统的总体控制实体。 u ee n bm m e i n a $ i - n a $ i r r c l - i r r c f p d c p i - i p d c p r l c 卜l l r l c m a c l l m a c p h y l ，i p h y l 图2 - 4l t e 接入网控制面协议栈 对于控制面来说，其协议栈结构与用户平面协议栈结构的主要区别在于，在 用户平面的基础上添加了r r c 层和非接入子层( n a s ) ，而p h y 层到p d c p 层的 架构与用户面是一致的，即使用相同的底层协议层次架构来传送高层的数据和控 制信息。使得l t e 对数据面和控制面采用同样的传输机制和协议架构，同时用 于传输的协议可以对所传送的信息类型没有感知，从而达到良好的隔离特性。另 一方面，这种结构还简化了控制平面从空闲状态到连接状态的过程，减少了迁移 时间。 8 北京邮电大学硕七研究生论文l t e 系统无线资源管理层关键技术研究及设计 2 2l t er r c 层概述 2 2 1r r c 层功能 r r c 层是l t e 系统中空中接口部分协议栈控制面功能的实际载体，同时也 是整个l t e 系统中的逻辑链路承载的中继节点。从系统的级别来看，r r c 的主 要功能就围绕着这两个方面进行。作为空中接口部分的控制面实体，e n b 端的 r r c 需要负责包括e n b 对u e 的控制面功能，空中接口两端的过程控制以及网 络侧实体之间对于u e 控制和数据的一些交互；而u e 端的r r c 层则配合e n b 端进行控制面的运作以及对u e 自身的协议行为的控制| l 训。 u e 和e n b 之间的控制信令主要是通过r r c 消息进行传输，r r c 消息携带 着建立、修改和释放第二层和第一层协议实体所需的全部参数，r r c 在它的负 载中还要承载高层信令。 表2 1 中给出了r r c 层的主要功能。由表中所列出的功能可以看出，l t e 中的r r c 基本上涵盖了空口部分控制面的各个部分，既包括对端的配置也有自 身的配置，既包括逻辑链路的配置也包括了物理信息的处理，既有处理数据层面 的过程也有对自身配置的功能。总的来说，r r c 是一个复杂的功能集合，因此， 在分析和设计时应该将r r c 在不同方面的作用、内容、组织和机制都考虑在内。 表2 - 1r r c 主要功能 r r c 功能功能描述 普通的n a s 信息； r r ci d l e 状态信息：小区选择重选参数，邻接小区信 广播系统信息 息； r r cc o n n e c t e d 状态信息：普通的信道配置信息； 寻呼； r r c 连接的建立、更改和释放； 初始安全激活； 移动性管理：切换及相关安全处理，e n b 之间r r c 上下 r r c 连接控制 文信息传输的说明等； d r b 的建立、更改和释放； 无线配置控制：a r q 配置，h a r q 配置以及d r x 配置 等； 9 北京邮电大学硕七研究生论文l t e 系统无线资源管理层关键技术研究及设计 q o s 控n - 半静态配置信息的分配和更改，u e 中上行速 率控制参数的分配和更改( p r b s ) ； 无线链路失败的恢复； 安全激活； r a t 间移动控制 传输r r c 上下文； 建立、更改和释放测量过程； 测量配置和报告 测量间隙的配置和停止： 测量报告； 其他功能非接入层信令的直接传输等。 2 2 2r r c 状态 为了使得l t e 设计简单和高效，针对u e 的不同状态，r r c 层有不同的协 议状态与之对应，从而对不同活动状态的u e 进行管理。根据u e 与e n b 是否连 接，将u e 分为r r cc o n n e c t e d 和r r ci d l e 两种状态在不同状态下u e 的具体行为描述如下f 1 5 1 ： 1 r r ci d l e 状态 ( 1 ) 不同的u e 具有不同的d i l x 行为； ( 2 ) u e 对自身移动性的管理； ( 3 ) 根据s i 窗口接收s i 信息l ( 4 ) 监测寻呼信道； ( 5 ) 对邻接小区进行测量和小区选择及重选。 2 r r cc o n n e t e d 状态 ( 1 ) 执行u e 与e n b 间的数据传输； ( 2 ) 不同的u e 具有不同的d r x 行为； ( 3 ) 由网络管理移动性，如切换： ( 4 ) 监测寻呼信道； ( 5 ) 信道质量反馈； ( 6 ) 邻接小区测量以及发送测量报告； ( 7 ) 接收s i 信息。 2 2 3r r c 无线承载 信令无线承载( s i g n a lr a d i ob e a r e r , s r b ) 是指用于传输r r c 消息以及非接 入层消息的无线承载( r b ，r a d i ob e a r e r ) 。直观的看来，信令无线承载是u e 与网 络侧进行控制信息交互的传输通路。具体而言，信令无线承载包括两个方面的内 1 0 北京邮电大学硕上研究生论文 l t e 系统无线资源管理层关键技术研究及设计 容，一个是u e 与网络之间通常交互控制信息的通道和信息；另一个则是为建立 上述通道而预先进行的初始控制通路和控制机制。 l t e 将用于传输控制信息的s r b 分为三类：s r b 0 ，s r b l 和s r b 2 ，其中 s r b 0 使用单个逻辑信道即c c c h 传输r r c 消息，s r b l 和s r b 2 使用d c c h 逻辑信道传输r r c 消息以及n a s 消息。 在r r c 连接建立的过程中，会经历没有安全的初始通信到使用安全功能的 正常r r c 交互的转变，由于s r b 的配置唯一，则在没有安全保证阶段的一些信 令通过建立s r b l 来进行传输，当安全建立以后，即正常的r r c 连接交互情景 下的信令都是通过s r b 2 进行传输，在此过程中r r c 消息本身会使用p d c p 层 的完整性保护和加密算法功能。r r c 消息透明的传输n a s 消息，这些n a s 消 息体内部使用独立的完整性保护和加密算法。s r b 类型的划分和特性如表2 2 所 示。 表2 - 2s r b 类型划分和特性 s r b 类型s r b os r b ls r b 2 逻辑信道分配 c c c hd c c hd c c h 依赖的功能无 r l cp d c p ，r l c 初始控制r r c 消r r c 消息和n a s 消 传输的内容r r c 消息 息 ， 息 安全无无有 2 3r r c 过程分析 以时间为刻度描绘r r c 协议，则可以将r r c 协议看成一组功能的组合实体， 这些实体既可用逻辑实体来表述，也可以用于系统实现的描述。从前- d , 节概述 部分的分析，可以看出r r c 的复杂性，r r c 的各个功能涉及到的方面很多，功 能实体之间也有很多相互依赖关系。l t er r c 层通过r r c 过程实现对整个协议 栈的管理和控制。r r c 过程是u e 与e n b 的r r c 层之间通过一组r r c 消息进 行交互的过程。r r c 消息携带着建立、修改和释放l 2 和l l 协议实体所需的全 部参数，r r c 在它的负载中还要承载高层信令。 根据功能范围的不同，r r c 过程分为系统信息