（通信与信息系统专业论文）lte系统中pdcp层协议分析与功能实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 论文的项目背景来自国家科技重大专项t d l t e 综测仪的研发。该项 目以3 g p pr 8 、r 9 版本为基础，开发t d l t e 无线综合测试仪表。综测仪 在协议栈方面主要用来测试验证终端部分信令流程和功能。 本文乃承担协议栈p d c p 层开发的基础上，总结项目成果和借鉴开发 经验撰写的。高层协议栈的开发和设计采用了t d s c d m a 中比较成熟的 经验，从提出需求分析到开发详细设计文档，再转入状态转移和相关接口 参数等关键设计，在此基础上编写相关各层各个状态模块的流程处理代 码，最后搭建协议栈系统描述平台，进入整体信令流程仿真与测试。 本文开篇站在l t e 和t d l t e 演化发展和实际研发进度的角度进行总 体描述。分别从协议版本演进、t d - l t e 主导力量与发展等几个方面进行 介绍。随后以协议栈数据链路层为重点，总结描述了协议栈各层的功能以 及对两个平面数据的处理流程，并展开比较了l t e 与t d s c d m a 中协议 栈对应部分层的功能区别。 第三部分可以视为总体设计中的需求开发模块，该部分为根据相关 p d c p 层协议标准进行总结和分析得到的。本部分详细撰写了p d c p 层的 功能与参数配置、整体处理流程、两种对应模式下的数据详细收发过程、 重建中p d c p 层的相关操作等内容。接着设计出p d c p 层与相关层的通信 原语、接口参数和状态转移等，该接口设计和状态转移是直接定位于后续 仿真测试而进行的。 末篇则分别从安全性功能的测试验证和p d c p 层的s d l 仿真设计和测 试来进行的，该部分用以验证p d c p 能够完成其在协议栈高层中担负的对 数据保护和与上下层通信的功能，其为本文最关键的部分。首先是在分析 p d c p 层新安全机制处理流程的基础上，通过s n o w3 g 和a e s 两个核心 算法测试验证安全性计算结果；再则设计正常模式下p d c p 层和相关联层 消息序列图，最后对p d c p 层信令处理流程进行仿真与测试。通过仿真与 测试表明p d c p 层相关设计能够实现其在协议栈的安全性功能和完成其与 系统相关联层进行通信的任务。 关键词：时分双工长期演进，分组数据汇聚协议，安全性，协议栈 重庆邮电大学硕士论文 a bs t r a c t t h eb a c k g r o u n do fp a p e rf r o mm a jo rn a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y p r o je c t s ，t e s t e rt d l t ed e v e l o p m e n t t d - l t ei st h ef o u r t hg e n e r a t i o no f c h i n a l e a d i n g m o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ys t a n d a r d ，i s a l s ot h e t d - s c d m ae v o l u t i o nd i r e c t i o n t h i sp r o je c ti sb a s e do nt h ev e r s i o nr 8a n d r 9 ，d e v e l o p e dt d - l t ew i r e l e s si n t e g r a t e d t e s ti n s t r u m e n t ，w h i c hm e e t i n d u s t r y s t a n d a r dr e q u i r e m e n t so f3g p ei n t e g r a t e dt e s ti n s t r u m e n ti nl t e p r o t o c o ls t a c kt e s t i n gt ov e r i f ys o m eo ft h em a j o rs i g n a l i n gf u n c t i o n ss u c ha s c o n n e c t i o ns e t u pa n dr e l e a s e ，c o n n e c t i o nr e c o n f i g u r a t i o n ，s t a t u sh a n d l i n ga n d m o b i l i t y t h i sp a p e rf r o mp d c pl a y e ro nt h eb a s i so fp r o je c td e v e l o p m e n t ，t h e d e v e l o p m e n t a n dd e s i g no fp r o t o c o ls t a c ku s e sm a t u r e e x p e r i e n c eo f t d s c d m a d e v e l o p m e n tf r o mr e q u i r e m e n t sa n a l y s i s t o d o c u m e n t a t i o n ， d e s i g ns t a t et r a n s i t i o na n di n t e r f a c ep a r a m e t e r s ，c o d eo fe a c hp r o c e s s i n g m o d u l e ，f i n a l l y ，d e s i g nap l a t f o r mt oe n t e rt h es i m u l a t i o nt e s t i n gp h a s e t h ef i r s t c h a p t e rg e n e r a ld e s c r i p t i o ne v o l u t i o no fl t ea n dt d - l t e ， d e s c r i b ef r o m a s p e c t s o ft e c h n i c a l e v o l u t i o n ，t h ek e yp h y s i c a ll a y e r t e c h n o l o g i e s ，t d l t el e a d i n gf o r c e t h es e c o n dc h a p t e rf o c u s e do nl a y e r2 p r o t o c o ls t a c k ，a b r i e fd e s c r i p t i o no ft h e p r o t o c o l s t a c k p r o c e s s e sa n d s i g n a l i n gd a t ap r o c e s s i n gm e t h o d s t h et h i r dc h a p t e rm o d u l e sc a nb er e g a r d e da sd e v e l o p m e n tn e e d s ，t h i s p a r tb a s e d o np r o t o c o ls t a n d a r d s t h i sc h a p t e rs h o w st h ep d c pl a y e r p r o c e s s i n g ，d a t as e n d i n ga n dr e c e i v i n gp r o c e s s ，r e - p r o c e s s i n ga n ds oo n t h e f o u r t hc h a p t e ri sp a r to ft h ei n t e r f a c ep a r a m e t e r sa n ds t a t ed e s i g n ，w h i c hi s d i r e c t l yl o c a t e di nt h el a t ed e v e l o p m e n ta n dd e s i g n t h ef i f t ha n ds i x t hc h a p t e r s ，r e s p e c t i v e l y , f r o mt h ei m p l e m e n t a t i o no f s e c u r i t yf e a t u r e sa n dt h ep d c pl a y e rd e s i g na n dt e s tf o rs d l ，a n di ti st h e m o s tc r i t i c a lp a r to ft h i sa r t i c l e t h ef i f t hc h a p t e r sa c h i e v et w oc o r es e c u r i t y f u n c t i o n s ；c h a p t e rs i x t hs t a r t i n gf r o mt h ep d c pl a y e ro fa n dt h ea s s o c i a t e d l a y e r , t e s tt h ef e a s i b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o np r i m i t i v e so ft h es i g n a l i n g k e yw o r d s ：t d - l t e ，p d c p ，s e c u r i t y ，p r o t o c o ls t a c k i i 重庆邮电大学硕士论文 缩略语 a m d r b e n o d eb e p s g s m h f n h a r q l t e m a c m a c i m i m o m m e n a s p d c p p d u q o s r l c r a n r n c r o h c r r c s a e a c k n o w l e d g em o d e d a t ar a d i ob e a r e r e v o l v e dn o d eb 缩略语 e v o l v e dp a c k e ts y s t e m g l o b a ls y s t e mo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n h y p e rf r a m en u m b e r h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t l o n gt e r me v o l u t i o n m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m e s s a g ea u t h e n t i c a t i o nc o d ef o ri n t e g r i t y m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m o b i l i t ym a n a g e m e n te n t i t y n o na c c e s ss t r a t u m p a c k e td a t ac o n v e r g e n c ep r o t o c o l p r o t o c o ld a t au n i t q u a l i t yo fs e r v i c e r a d i ol i n kc o n t r o l r a d i oa c c e s sn e t w o r k r a d i on e t w o r kc o n t r ol l e r r o b u s th e a d e rc o m p r e s s i o n r a d i or e s o u r c ec o n t r o l s y s t e ma r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n s c f d m a s i n g l ec a r r i e rf d m a s d u s n s r b u e u m u m t s s e r v i c ed a t au n i t s e q u e n c en u m b e r s i g n a l l i n gr a d i ob e a r e r u s e re q u i p m e n t u n - a c k n o w l e d g em o d e u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m i i i 确认模 数据无 演迸型 演进分 全球移 超帧号 混合自 长期演 媒体访 信息完 多输入 移动管 非接入 分组数 协议数 服务质 无线链 无线接 无线网 鲁棒性 无线资 系统架 单载波 服务数 序列号 信令无 用户设 非确认 通用移 式 线承载 n o d eb 组系统 动通信系 动重传请 统 求 进 问控制 整性校验码 多输出 理实体 层 据汇聚协议 据单元 且 里 路控制 入网 络控制器 头压缩 源控制 构演进 f d m a 据单元 线承载 备 模式 动通信系统 重庆邮电大学硕士论文 第章绪论 1 1l t e 演进和发展 第一章绪论 从1 9 世纪未进行的第一次无线通信实验开始，到今日架构庞大精密 的3 g 移动通信系统，经过百余年的发展，移动通信取得了长足的进步 和发展。为满足生产生活的需要，做出了巨大的基础性贡献。从a t & t 推 出的商用车载电话和蜂窝技术，到北欧移动电话系统，再发展到基于数字 技术的以g s m 为代表的第二代移动通信系统。随着g p r s 被引入g s m 系 统，在蜂窝系统中传输分组数据也逐渐被实现，此类技术开创了移动通信 的后2 g 时代。不仅如此，此后移动通信前进的步伐更加健硕，以w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 为标准的3 g 时代已经开启。展望未来，移动通 信领域技术的进步和演进都将持续。 l t e 项目是3 g 的后续演进，在2 0 0 4 年3 g p p 的多伦多会议上首次提 出。l t e 改善并明显增强了3 g 的空中接入技术，底层采用o f d m 和m i m o 作为主要技术支撑。系统总体要求在2 0 m h z 频谱带宽下能够提供下行 1 0 0 m b p s 、上行5 0 m b p s 的瞬时峰值速率；l t e 进一步要求明显改善小区 边缘用户的性能，提高小区通信容量，降低系统延迟。与3 g 相比，l t e 的技术优势具体体现在：高分组数据速率、控制平面延迟降低、覆盖增广 和多层次的后向兼容性等。与传统的3 g p p 接入网相比，l t e 不再拥有无 线网络控制器节点，它采用由e n o d eb 构成的单层结构，e n o d eb 不仅具 有原来3 g 中相关n o d e b 的功能外，还能完成原来网络中r n c 的大部分 功能，这种结构有利于简化网络结构和减小两个平面的延迟，实现了低时 延，低复杂度和低成本的要求。可以看出，l t e 不仅是对3 g 的演进，而 且更是对整个体系架构作出了革命性的变革，逐步趋近于典型的i p 宽带 网结构【l 】【2 1 。 从3 g p p 标准化研究过程的历史来分析，自3 g p p 创建r 9 9 ，到2 0 0 4 年正式开展r 7 的工作，一直将标准的后向兼容性作为首要因素来进行考 虑。由于实际工作量远远超出预计，实际上到2 0 0 8 年底完成了r 8 版本的 系列规范的工作，l t er 8 系列规范也成为第一个l t e 可商用的标准文本。 随后对该系列规范进行了相应的维护和修改。2 0 0 8 年底随之启动了l t e r 9 的工作。目前的进展来看，r 9 版本已经正式发布，并完成了部分功能 性冻结，后续主要进行维护和修改工作。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 2t d l t e 的研究发展和标准化进程 l t e 项目被视为第三代移动通信的演进。针对第三代移动通信技术中 分为频分双工和时分双工的特点，l t e 需要满足这两种方向的演进需求。 按照双工方式可分为基于频分双工的f d d l t e 和基于时分双工的 t d d l t e 。t d d l t e 和f d d l t e 协议一致性非常高，它们大部分的代 码可以共享，从产业链的角度看，硬件、芯片、软件的代码都很容易共用， 其差别主要在物理层上。较之而言，t d d l t e 具有优势体现在：( 1 ) 不需要 成对的频段，具有灵活的配置权限；( 2 ) 通过调制上下行时隙，来灵活利用 无线信道资源；( 3 ) 非常适合i p 等分组业务的需求；( 4 ) 可以充分运用其在 信道估计、测量和多天线技术等方面具有的先天性特点。 2 0 1 0 年1 0 月在重庆举行的i t u rw p 5 d 第9 次会议上，我国提交的 t d 。l t e a d v a n c e d 技术最终成为i m t - a d v a n c e d 国际标准。 t d l t e a d v a n c e d 移动通信技术成为继t d s c d m a 之后的又个国际通 信标准。除t d l t e a d v a n c e d 技术外，成为i m t - a d v a n c e d 国际移动通信 标准的技术还有l t e a d v a n c e df d d 和8 0 2 16 m 两项技术【3 】1 4 】。 我国自主开发的t d l t e 正是在以t d s c d m a 为基础前提下进行规 划的，t d l t e 的研发受到了国家战略层面的高度重视。在多层次、多参 与单位的关注和积极工作下，取得了显著进展。2 0 10 年分别在上海和广州 两次得到了成功的局部网络演示，采集的测试结果较好的达到了系统级的 需求目标。目前t d l t e 在国内的发展即将从技术试验阶段迈向多城市规 模试验阶段。 1 3 项目背景简述 无线综合测试仪表开发( 2 0 0 9 z x 0 3 0 0 2 0 0 9t d l t e ) 其目标是促进 t d l t e 技术和产品研发，依据3 g p pt s 3 6 系列r e l e a s e8 、9 、t d l t e 标准，研制硬件平台和设计软件模块，开发出符合3 g p p 及行业标准要求 的t d l t e 无线综合测试仪表。具体指标包括：首先提供两套无线综合测 试仪表样机，用于技术试验；随后提供两套无线综合测试仪表，用于规模 试验，实现t d l t e 物理层、高层协议设计，支持多种m i m o 技术方案、 支持自适应调制编码技术、支持h a r q 技术，支持多种信道环境的信道模 拟研究与验证，支持终端射频指标分析与测量算法。 综测仪中的l t e 协议测试主要用来验证一些信令功能，例如呼叫建立 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 和释放、呼叫重配置、状态处理和移动性等。此外为了保证终端协议栈可 以处理高数据率的数据，用户还需要测试、验证终端吞吐量，另外l t e 物 理层由于具有很多重要功能，包括小区搜索、h a r q 协议、调度安排、链 路自适应、上行时间控制和功率控制等，因此用户也需要对物理层进行完 全测试以保证l t e 的性能。 1 4 论文结构和章节安排 本文共分为七章，各章节和主要内容安排如下： 第一章绪论暨项目选题背景。分别从l t e 的技术架构演进、t d l t e 的研究发展和标准化进程和论文所属项目的背景三个方面来进行阐述。 第二章介绍了l t e 协议栈的整体框架以及层2 相关层的结构与功能。 首先从介绍l t e 系统设计目标和需求指标展开描述，接着以接入网为重点 描述了l t e 的整体网络架构，然后介绍了终端协议栈数据链路层框架和数 据流程处理，最后概括了相应各层的具体功能。 第三章重点介绍了协议中对p d c p 层开发中详细需求分析和项目实现 功能等内容。主要涉及p d c p 层的功能和流程处理、数据格式、终端的数 据收发处理、重建中p d c p 层的操作、无损切换等内容。该章节是项目开 发与论文的关键步骤，后续设计和仿真全赖于此。 第四章基于前期的开发要求并结合已有的t d s c d m a 协议栈研发经 验，设计了p d c p 层相关的通信原语i 内部接口与参数、状态划分与转移 等内容。 第五章以p d c p 层的加密和完整性保护功能为核心，在分析l t e 安全 性机制的基础上，通过a e s 和s n o w3 g 两种核心算法仿真来详细描述了 安全性功能的实现过程。通过结合动态的密钥生成体系和静态的算法仿真 验证了l t e 中数据传输的安全与可靠。 第六章以s d l 和t t c n 两种协议仿真和测试软件为手段，在前期开 发的基础上，搭建仿真测试平台。通过设计信令流程和编写相关数据模式 处理流程和具体测试工作，验证了通信原语设计和p d c p 层协议交互流程 的正确性、可行性。测试结果显示基于p d c p 的信令设计和处理模块能够 完成本层与系统中相关联层的通信。 第七章在总结本论文工作的基础上，进一步探讨了未来的的研究方向 和后续工作。 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 协议栈网络架构与功能 第二章l t e 协议栈网络架构与功能 2 1l t e 设计目标和性能要求 2 1 1l t e 系统的设计目标 l t e 项目是3 g 的演进，力求开发出一套满足更低传输时延、提供更 高用户传输速率、增加系统容量和覆盖、减少运营费用、优化网络架构、 采用更大载波带宽，并以优化数据分组业务传输为目标的新一代移动通信 标准。网络运营商对l t e 系统性能提出了新要求，确保l t e 必须成为有 相当竞争力的宽带无线业务提供方式。因此，l t e 系统的设计主要考虑以 下几个总体目标l z j ： ( 1 ) 对每比特的运营成本进行合理降低；( 2 ) 拓宽业务的种类，提 升提供业务的能力：争取用户能够感受到较低成本、丰富优质的服务、最 佳体验的数据业务；( 3 ) 灵活使用现有的架构，开放接口；( 4 ) 实现合理 的终端功耗：( 5 ) 把新一代的传输技术和智能的的多天线技术引入到接口 的物理层新设计中；( 6 ) 对整个协议栈信令流程进行优化设计；( 7 ) 确定 无线接入网络的架构和无线接入网网元之间的功能定位；( 8 ) 对射频设计 进行优化。 2 1 2l t e 系统需求指标 ( 1 ) 系统容量需求 系统容量包括对更高传输峰值速率和更低传输时延的需求【l 】。 峰值速率请求：l t e 无线接入系统应显著提高瞬时峰值速率，具体的 峰值速率大小和传输带宽成正比。对于下行传输峰值速率，当终端采用2 天线接收，在2 0 m h z 的载波带宽条件下，瞬时峰值速率应满足1 0 0 m b i t s ； 对于上行传输峰值速率，当终端采用1 天线发送时，应满足5 0 m b i t s 的目 标。对于t d d 系统，如果上行和下行共享传输带宽，不需要同时支持上、 下行峰值速率。 传输时延需求t 传输时延对业务的服务质量、传输速率、业务的建立 和切换以及容量有着重要的影响，在e u t r a n 中，对于传输时延的需求， 分为控制平面和用户平面的时延需求。对于控制平面的时延需求，提出从 驻留状态到激活状态之间的转换时间小于l o o m s ；激活状态与睡眠状态之 4 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 协议栈网络架构与功能 间的转换时间低于5 0 m s ；用户平面的时延定义为u e 发送i p 层数据包到 r a n 边缘节点的单向传输时延。对于e u t r a n 系统的用户平面，在无负 载的小数据i p ( 0 字节的负载和i p 包头) 情况下，少于5 m s 【2 j 。 ( 2 ) 系统性能需求 控制面容量：在e u t r a n 系统中需要支持更多的处于激活态的用户 数，以提升系统质量。对于5 m h z 带宽的小区，能够支持2 0 0 个同时处于 激活状态的用户；对于更大的带宽小区，能够支持至少4 0 0 个同时处于激 活状态的用户。 用户吞吐量：用户吞吐量指标分为用户平均吞吐量和小区边缘吞吐 量。其中，用户平均吞吐量可以通过采用m i m o 等技术有效的提高；而对 于带给用户稳定、可靠业务感受的小区边缘吞吐指标，此时m i m o 技术并 不能直接、有效地提高其性能，因此，苛刻的小区边缘吞吐量指标更难以 实现。具体要求见表2 1 中。 频谱效率需求：此项需求与用户吞吐量需求类似，具体见表2 1 。 移动性需求：e u t r a n 支持在多个小区之间移动和切换。系统在低 速场景( 0 1 5 k m h ) 进行优化设计；在高速场景下( 1 5 1 2 0 k i n h ) 下能 够实现较高性能；能够支持1 2 0 3 5 0 k m h ( 可能需要支持5 0 0 k i n h ) 下的 移动性。对于u t r a n 系统中的电路交换域的实时业务，在e u t r a n 中 需要通过分组交换域实现，并且有同等业务质量1 2 l 。 表2 1l t e 系统主要需求指标 需求项目需求指标 峰值数据率2 0 m h z 系统带宽下，下行瞬间峰值速率1 0 0 m b i t s ，上行 瞬间峰值速率5 0 m b i t s 控制面延迟从驻留状态到激活状态的时延小于l o o m s 控制面容量每个小区在5 m h z 带宽下最少支持2 0 0 个用户 用户面延迟小i p 分组条件下单向延迟小于5 m s 用户面吞吐下行每兆赫兹平均用户吞吐量为r 6 的3 - 4 倍，上行每兆 量赫兹平均用户吞吐量为r 6 的2 3 倍 频谱效率在实际网络负载中，下行为r 6 的3 4 倍，上行为2 - 3 倍 移动性对o 1 5 k m h 低速移动进行优化，1 5 1 2 0 k m h 高速移动下 实现高性能，在1 2 0 3 5 0 k m h 下能够保持网络移动性 覆盖 半径在5 k i n 以下的小区中吞吐率、频率效率、移动性指标 完全满足，在半径3 0 k i n 的小区中有小幅下降 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 协议栈网络架构与功能 覆盖需求：e u t r a n 系统应该灵活、有效地支持各种覆盖场景，在 各种覆盖场景中，其系统性能应满足以下指标：小区覆盖在5 k m 范围以内， 上述各种指标应完全满足；小区覆盖半径在3 0 k m 范围内，其移动性需求 完全满足，其余各指标允许略微下降，而频谱效率允许明显下降；能够支 持1 0 0 k m 半径的小区覆盖。 上述所有具体指标见表2 1 所示。除此之外，l t e 系统需求还包括： 系统部署相关需求、网络架构及迁移需求、无线资源管理需求、复杂性需 求、成本相关需求、业务相关需求等1 2 j 。 2 2l t e 系统架构与协议栈体系 2 2 1 总体框架概述 与以往的蜂窝系统所采用的电路交换模式不同，l t e 仅支持分组数据 交换业务。旨在在用户终端和分组数据网络间建立无缝的移动i p 连接。 l t e 既包括无线接入技术演进，也包含系统架构演进，后者含有演进后的 分组数据交换核心网( e p c ) 。l t e 和s a e 共同构成了演进分组系统。e p s 承载提供一个公共分组数据网网关到用户终端的i p 路由。e p s 通过i p 连 接使用户通过公共数据网接入互联网，以提供诸如v o l p 等业务。一个e p s 承载通常具有一定的q o s ，一个用户可以建立多个e p s 承载，从而具有不 同的q o s 等级或连接到不同的p d n 。 l t e 对传统的3 g 网络架构进行了优化，采用扁平的网络结构，接入 网仅包含e n o d eb ，不再有r n c 。整个l t e s a e 系统由核心网、基站和 用户设备三部分组成【5 】。整体网络架构如图2 1 ，其中包括网元和标准化接 口。在高层，该网络是由核心网和接入网( e u t r a n ) 组成的。核心网由 较多逻辑节点组成，而接入网基本只有一个节点，即是与u e 相连接的 e n o d eb 。 ， 卣：宁叮回等 图2 1 演进分组系统网元架构 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 协议栈网络架构与功能 2 2 2 核心网 核心网负责对用户终端的全面控制和有关承载的建立。e p c 的主要逻 辑节点有：p d n 网关( p g w ) 、服务网关( s g w ) 、移动性管理实体。除 此以外还包含用户归属服务器( h s s ) 、策略控制和计费规则功能( p c r f ) 箜【3 】 寸o p c r f ：负责策略控制的决策，也负责位于p g w 中策略控制加强功 能中基于流量收费的功能；归属位置寄存器：h l r 中包含用户的s a e 开 户消息，如所归属e p s 的服务质量配置信息和用户漫游的接入限制等； p g w ：其负责用户i p 地址分配和服务质量保证，基于用户的包过滤、合 法监听、u ei p 地址分配、下行传输级包标识、上下行业务级计费、网关 和速率限制和基于a p n a m b r 的下行速率限制；s g w 用户i p 数据包 通过该节点发送，用户在e n o d eb 之间移动时，s - g w 作为数据承载的本 地移动性管理实体，当用户处于空闲状态时，s g w 将保留承载信息并临 时把下行数据存储在缓存区中，以及发起网络出发的业务请求、合法监听、 分组路由和转发、上下行传输包标记等；m m e 是处理u e 和核心网络之 间信令交互的控制节点，在u e 和核心网络之间所执行的协议栈称为非接 入层协议。 2 2 3 接入网 接入网部分如图2 2 所示，l t e 的接入网e u t r a n 仅由e n o d eb 构 成的，它没有中心节点，是一种扁平结构，其提供了用户平面和控制平面 的协议栈。e n o d eb 之间由x 2 接口互连，每个e n o d eb 又和演进型分组 核心网通过s 1 接口相连。s 1 接口的用户面终止在服务网关( s g w ) 上， s 1 接口的用户平面终止在移动性管理实体上【6 】【引。控制面和用户面的另一 端终止在e n o d eb 上。e n o d eb 与u e 之间协议为接入层协议。e n o d eb 与u e 之间通过u u 接口相连。 图2 2l t e 接入网架构 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 协议栈网络架构与功能 e n o d eb 的功能集中包括【3 儿9 j ：( 1 ) 无线资源管理，无线承载控制， 无线许可接入，连接移动性控制，上行和下行资源动态分配；( 2 ) i p 头压 缩和用户数据流加密；( 3 ) 终端附着时m m e 的选择；( 4 ) 从m m e 发起 寻呼消息的调度和发送；( 5 ) 从m m e 或者o & m 发起的广播信息的调度 和发送；( 6 ) 用于移动性和调度的测试与测量上报配置。 m m e 的主要功能包括：( 1 ) 将寻呼消息分发到e n o d eb ；( 2 ) 安全控 制；( 3 ) 空闲状态下的移动性控制；( 4 ) s a e 承载控制；( 5 ) 非接入层信 令的加密和完整性保护。 2 2 4l t e 协议栈平面结构 图2 3 是用户平面协议栈，其中包含p d c p 层，r l c 层，m a c 层，这 些子层在网络侧终止于e n o d eb ，分别实现头压缩，加密，自动重传请求 和混合自动重传请求等功能。 u e e n b 亘二虻卫 i 耍二 斗 卫l i 巫二m 卫i ； 亘 矩 亘 i 图2 3e u t r a n 用户面协议栈 控制平面协议栈如图2 4 所示，非接入层协议也是u e e p c 通信的一 部分。p d c p 层提供加密解密，完整性保护功能。r l c 和m a c 子层控制 面中提供的功能与用户面相同。r r c 提供广播，寻呼，r r c 连接管理， 无线承载管理，移动性，u e 测量上报和控制等功能【们。 ；谨0 r j 谝e _ 1 怔 ；喇b m 眶 广1 丽 o o 二 厂蕊r ：l _ j ：l - 一： 一； ir r c 叫r r ci ! 苣五 崔 l； i 亘二 卫| ；一 一； ! ；im a c | 叶_ 叫m a ci ；= = 二= ；= 二= = ；i 1 p h y h 叫p h y i 一暑= = = = = _ 一； i ? _ = i ；。- _ 一。- ，- - - 一_ - - - j 图2 4e u t r a n 控制面协议栈 l t e 协议栈层2 ，也就是数据链路层，主要是由m a c ，r l c ，p d c p 子层组成。图2 5 给出了下行层2 的流程处理框架。图中层与层之间的连 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 协议栈网络架构与功能 接点称为服务接入点( s a p ) 。物理层为m a c 子层提供传输信道级的服务， m a c 子层为r l c 子层提供逻辑信道级的服务，p d c p 向上提供的服务是 无线承载，提供可靠头压缩功能和安全保护。r l c 和m a c 之间服务为逻 辑信道。m a c 提供逻辑信道到传输信道的复用与映射。在发送端，每一 层从高层接收服务数据单元，为该层提供业务，并向低层输出协议数据单 元。在接收端，过程相反，每层都向上层发送s d u ，上层作为p d u 接收。 图2 5 层2 。f 行架构图 m a c 层主要提供的功能包括【2 】【9 】：( 1 ) 逻辑信道与传输信道之间的映 射；( 2 ) r l c 协议数据单元的复用和解复用；( 3 ) 业务量的测量和上报； ( 4 ) 通过h a r q 进行错误纠正；( 5 ) 同一个u e 不同逻辑状态的管理；( 6 ) 通过动态调度进行的u e 之间的优先级管理；( 7 ) 传输格式选择；( 8 ) 填 充。与现有m a c 实体相比，l t e 中的m a c 有以下特点：每个小区只存 在一个m a c 实体，负责实现m a c 相关的全部功能。 r l c 主要作用具体在：( 1 ) 对上层p d u 的传输支持确认模式( a m ) 或者非确认模式( u m ) ；( 2 ) t m 透明模式数据传输；( 3 ) 通过a r q 机制 进行数据错误修正；( 4 ) 对传输块动态分段；重传时对p d u 进行重分段； 顺序传送上层的p d u ：重复检测；底层协议错误检测和恢复；s d u 丢弃。 p d c p 层用于控制平面和用户平面的功能是有区别的，分别描述如下： p d c p 层用于用户平面主要功能：( 1 ) 头压缩与解压缩，仅支持一种算法， r o h c 算法；( 2 ) 在p d c p 重建过程中，支持r l c 确认模式下逻辑信道向 高层进行按序递交数据，即对低层s d u 数据的重复检测；( 3 ) 切换过程 中，支持对r l c 确认模式的逻辑信道的p d c ps d u 的重传；( 4 ) 加密和 解密；( 5 ) 业务平面数据的传输；( 6 ) 上行基于定时器的s d u 丢弃机制。 用于控制平面的功能：( 1 ) 加密和完整性保护；( 2 ) 控制平面数据的传输。 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 协议栈网络架构与功能 与t d s c m a 中的p d c p 层相比，l t e 中p d c p 有以下特点9 】【1 2 】：( 1 ) t d s c d m a 中头压缩算法是两种：r f c 2 5 0 7 和r f c 3 0 9 5 ，其中r f c 2 5 0 7 非 r o h c ，l t e 压缩算法简单，只支持一种。( 2 ) 不支持无损重定位。随着 接入网结构的优化，接入网结构更加扁平化，原来u m t s 的r n c 和n o d e b 两个节点简化到只有一个e n o d eb 节点，以前通过设置一个重排序窗口 来实现的无损重定位功能将不再实现；( 3 ) 要进行加密，3 g p pr 9 9 r 7 加 密在r l c 和m a c 层中实现；( 4 ) 需要替代r r c 层对控制面数据进行完 整性保护。 2 3 本章小结 本章作为协议栈总述部分，分别从l t e 系统性能需求和协议栈结构两 方面进行了总结描述。l t e 的设计目标主要是从网络商用的角度出发，以 降低运营成本和给用户带来更好服务为核心进行规划的：性能要求则着重 从系统容量、性能指标、覆盖指标等因素来考虑。协议栈结构中以核心网 和接入网为代表进行了整体介绍，再以协议栈层2 为重点，对各层进行了 对比分析。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第三章l t e 协议栈中p d c p 层结构与功能 第三章l t e 协议栈中p d c p 层结构与功能 3 1p d c p 层概述 l t e 空中无线接1 2 1 协议栈包含：用户平面与控制平面两种结构。用户 平面协议栈包括物理层、m a c 层、r l c 层、p d c p 层；控制平面协议栈在 上述结构上还有高层的r r c 层、n a s 层。 罾i 辔ll 勰鬻性l 囤l i p 张入层i 孥il 华i 甲l l i l l e 眦层s 咖陬b l砖r 舷 r 肋r 踟 完整性保护 lr o 孵l p d c p 层 加密 l 加密i 一 目匪弓申申 申申 r t e 层! 也 图3 1p d c p 相关层功能架构 图3 1 以下行为代表描述了整个协议栈中与p d c p 层相关的子层之间 的架构，可以看出在整个协议栈中直接与p d c p 层进行交互的有非接入层、 r r c 层、r l c 层。其中与非接入层主要是用户平面数据的交互，r r c 层 则用于配置和调度p d c p 层，r l c 层向p d c p 层提供了确认模式、非确认 模式两种模式的数据传送【1 3 】【1 5 1 。 每个p d c p 实体根据所传输的无线承载的特征和r l c 模式，与一个 或两个r l c 实体相关联【1 5 】。单向无线承载，即对应r l cu m 模式的无线 承载，其p d c p 实体对应两个r l cu m 实体，分别用于上下行数据处理； 双向无线承载，即对应于r l ca m 的无线承载，r l ca m 实体能够处理上 下行数据。p d c p 子层模块如图3 2 。 u f r 雁- t j t i r a i 4 壬垃量t 图3 2p d c p 层结构视图 重庆邮电大学硕士论文 第三章l t e 协议栈中p d c p 层结构与功能 p d c p 运用下层r l c 子层提供的服务，且p d c p 仅用于映射到专用控 制信道和专用业务信道两个逻辑信道的无线承载，不再用于其它任何逻辑 信道【1 3 】。综合看来，p d c p 层协议支持的功能包括： ( 1 ) 运用r o h c 协议对用户平面数据流进行头压缩和解压缩； ( 2 ) 数据调度处理( 用户平面和控制平面) ； ( 3 ) 维持p d c p 序列号； ( 4 ) 当低层发生重建时，进行重排序，向高层按序发送p d u ；重建 中，对于映射到r l c 确认模式下的无线承载，避免重复接收下层的s d u ； ( 5 ) 对用户平面和控制平面相关数据进行加密和解密： ( 6 ) 对控制平面数据进行完整性保护和校验； ( 7 ) 配置开启定时器，基于定时器的丢失； ( 8 ) 重复检测与丢弃。 3 2p d c p 层处理流程描述 p d c p 层对应的实体处理流程如图3 3 所示，具体描述如下。 u 自e _ u n 洲毒l ，n 聃n 幔 魏7 一 、塌卜一 i 序一号( s h ) 爱_ f f 发基和i 夏植翻 l仅用户平面ll i 头压缩l 仅用户平面数据i i 头懈压缩l 仪用户平蕾数据i i 与一个p c l c ps d u 喇 与一个p d 仁ps d u 帽关勇岫分组妻盯 相关联韵分组 制 o 口 完整住校验 舡 o 舞口 l 。仅控橱平面教据i辜 l 仅拄橱平面数据 3o a曲 加密 i c 监o 謦密 c f 番加p p 头 l 去掉p o c p 头 i 。s + 辩， 一 至些苎呈! 坐! 图3 3p d c p 实体功能图 p d c p 实体初始化 当进行连接建立时，r r c 层将配置空状态的p d c p 实体，建立无线承 载，存储配置参数，准备接收和发送数据。无线资源控制层对分组数据汇 聚协议层实体进行参数配置或者重新设置包含以下几种情形：在终端向网 络发起初始连接建立、网络端触发的连接重配置、终端要求连接重建三个 过程中【15 1 。下图3 4 是高层配置p d c p 子层的部分主要参数与其相应的类 型、取值和使用等信息。 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第三章l t e 协议栈中p d c p 层结构与功能 ，t 名 类塑与囊量使用 牧羊类型：s o , i 1 5 0 , 3 m , n _ 冒定时毒衙由奇蜃墨t 蛳7 蛐- 1 5 呻m 1 无曩 蛀h 咖r t