（通信与信息系统专业论文）lte终端无线资源控制子层空闲模式的研究与实现.pdf

摘要 摘要 长期演进技术( l t e ) 是由3 g p p 在2 0 0 4 年底经过认真的讨论后，制定出的 一种移动通信标准。由于其采用了o f d m 和m i m o ，以及高阶调制等核心技术， 因而使l t e 具有频谱利用率高、信道容量大、低时延、低复杂度，低成本等优点。 所以，l t e 技术在最近几年乃至未来的一段时间里将是通信界研究的重点。正是 基于这样的背景，本文系统地阐述了l t e 系统中，协议栈的r r c 层在空闲模式下 的主要过程，重点介绍了小区选择和重选从协议分析到实现，再到测试验证的完 整的开发过程。 本文首先对l t e 系统进行了简要介绍，重点介绍了l t e 系统的性能目标和核 心技术。其次，立足l t e 协议栈的r r c 层，对r r c 层的空闲模式的协议进行详 细分析，包括系统信息的获取，小区选择，小区重选，寻呼的监听等，着重分析 了小区选择和重选过程。然后，重点对l t e 系统的r r c 层的小区选择和重选进行 设计与实现，包括r r c 层状态转移图的设计，层间交互接口的设计，小区选择和 重选流程图的设计，以及r r c 的s d l 实现的设计。最后，在t t c n 中编写小区 选择和重选成功和出现异常时的测试例，然后采用t t c n 与s d l 协仿真的测试方 法，通过对测试生成的m s c 图中的信号流程、消息交互以及数据流等与预期的情 况进行比较。验证了l t e 终端小区选择和重选流程设计的正确性。同时也验证了 t t c n 与s d l 协仿真测试方法的有效性。 关键词：空闲模式，小区选择，小区重选，t t c n 与s d l 协仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t l t ei sam o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r dd e v e l o p e db y3 g p pi nt h ee n do f2 0 0 4 i tu s e sas e r i e so fc o r et e c h n o l o g y , i n c l u d i n go f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) ，m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) ，h i g h e ro r d e rm o d u l a t i o na n ds o o n , w h i c hp r o d u c e st h el t es y s t e mw i t hh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c ya n dc h a n n e lc a p a c i t y , l o wd e l a y , l o wc o m p l e x i t y , l o wc o s te t c t h e r e f o r e ，l t ew i l lb et h es t u d yf o c u so ft h e c o m m u n i c a t i o n si n d u s t r yi nr e c e n ty e a r sa n df u t u r e t h i st h e s i si sb a s e do ns u c h b a c k g r o u n d ，i te l a b o r a t e st h em a i np r o c e s so ft h er r cl a y e ri d l es t a t ei np r o t o c o ls t a c k o fl t es y s t e m ，f o c u so nt h ec o m p l e t ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fc e l ls e l e c t i o na n d r e s e l e c t i o nf r o mt h ep r o t o c o la n a l y s i s ，i m p l e m e n t a t i o n ，t ot e s tv a l i d a t i o n f i r s t l y , t h i st h e s i sg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h el t es y s t e m ，f o c u so nt h e p e r f o r m a n c eo ft h el t es y s t e m ，o b j e c t i v e sa n dc o r et e c h n o l o g y s e c o n d l y , b a s e do nt h e r r cl a y e ro fl t ep r o t o c o ls t a c k , i ti n t r o d u c e st h er r cl a y e rp r o t o c o li nd e t a i l ， i n c l u d i n gt h ea c q u i s i t i o no fs y s t e mi n f o r m a t i o n ，c e l ls e l e c t i o na n dc e l lr e s e l e c t i o n , t h e m o n i t o r i n go fp a g i n g ，f o c u so nt h ep r o c e s so fc e l ls e l e c t i o na n dr e s e l e c t i o n t h e ni t c a r r i e so u tt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fc e l ls e l e c t i o na n dr e s e l e c t i o np r o c e s s ， i n c l u d i n gt h ed e s i g no fs t a t et r a n s i t i o nd i a g r a m ，i n t e r a c t i v eb e t w e e nr r ca n do t h e r l a y e r , f l o wd i a g r a mo fc e l ls e l e c t i o na n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h es d lb l o c kd i a g r a m i i lr r cl a y e r f i n a l l y , b a s e do nt h et e s tc a s eo ft h ec e l ls e l e c t i o na n dr e s e l e c t i o nu n d e r t h ec a s eo fn o r m a lo ra b n o r m a li nt h et t c n ，i ta n a l y s e st h em s cd e t a i l e d l y t h e ni t c o m p a r e st h ee x p e c t a n ts i t u a t i o n 诚mt h es i g r l a lf l o wd i a g r a m ，m e s s a g e sa n dd a t ai n m s c u s i n gt t c na n ds d l c o s i m u l a t i o nt e s t i n gm e t h o d ，v e n f i e st h ec o r r e c t n e s so ft h e d e s i g np r o c e s so fc e l ls e l e c t i o na n dr c s e l e c t i o n , a n dv e r i f i e se f f e c t i v e n e s so ft t c na n d s d i ，c o s i m u l a t j o nt e s ta tt h es a m et i m e k e y w o r d s ：i d l es t a t e ，c e l ls e l e c t i o n ，c e l lr e s e l e c t i o n , t t c na n ds d lc o s i m u l a t i o nt e s t i i 缩略表 3 g p p a g w a s a m a s n 1 a t c a s p b c c h b c h c d m a c s c m a s c p c m d s p d l s c h d r x e p c e m m e s m e u t r a n e t w s e p l m n e h p l m n e f s m e t s e p r e f d m a f d d f d m f s m g g s n g e r a n h s d p a i m s i i m s i p t i s o i e c 缩略表 3 mg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t a c c e s sg a t e w a y a c c e s ss t r a t u m a c k n o w l e d g e dm o d e a b s t r a c ts y n t a xn o t a t i o n 1 a b s t r a c tt e s tc a s e a b s t r a c ts e r v i c ep r i m i t i v e s b r o a d c a s tc o n t r o lc h a n n e l b r o a d c a s tc h a n n e l c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c i r c u i ts w i t c h i n g c o m m e r c i a lm o b i l ea l e r ts y s t e m c y c l i cp r e f i x c o n n e c t i o nm a n a g e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g d o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l d i s c o n t i n u o u sr e c e p t i o n e n h a n c e dp a c k e tc o r e e p sm o b i l i t ym a n a g e m e n t e p ss e s s i o nm a n a g e m e n t e v o l v e du n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i o a c c e s sn e t w o r k e a r t h q u a k ea n dt s u n a m iw a r n i n gs y s t e m e q u i v a l e n tp l m n e q u i v a l e n th o m ep l m n e x t e n d e df s m e x e c u t a b l et e s ts u i t e e n e r g yp e rr e s o u r c ee l e m e n t f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g f i i l i t es t a t em a c h i n e g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e g s me d ( 还r a d i oa c c e s sn e t w o r k h i 曲s p e e dd o w n l i n kp a c k a g e a c c e s s i n t e r n a t i o n a lm o b i l es u b s c r i b e ri d e n t i t y i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m i n t e m e tp r o t o c o l i m p l e m e n t a t i o nu n d e rt e s t i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d s i n t e r n a t i o n a le l e c t r ot e c h n i c a lc o m m i s s i o n v 第三代合作项目 接入网关 接入层 确认模式 抽象语法描述 抽象测试例 抽象服务原语 广播控制信道 广播信道 码分多址接入 电路交换 商业移动预警系统 循环前缀 连接管理 数字信号处理 下行链路共享信道 非连续接收 演进分组核心 e p s 移动管理 e p s 会话管理 演进全球无线接入网络 地震海啸预警系统 等价p l m n 等价归属p l m n 扩展有限状态机 抽象测试集 每个资源元素的能量 频分多址接入 频分双工 频分多路复用 有限状态机 网关g p r s 支持节点 g s m ，e d g e 无线接入网 高速下行链路分组接入 国际移动用户识别码 i p 多媒体子系统 网络协议 被测试实体 国际标准化组织 国际电工委员会 缩略表 l t e l 1 l 2 l 3 l t m i m o m a c m m m i b m b s f n m s c n a s o f d m o f d m a o p l n n 呵 o s i p s p d c p p d u p o p 砷m s i p l m n p r n t i p d c c h p f p c o q p s k q 舢v i r n c r r c r l c r n t l r s r p r p l n r n i u d s m r s s c f d m a s g s n s d l s i b l o n gt e r me v o l u t i o n l a y e r1 l a y e r 2 l a y e r 3 l o w e rt e s t e r 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 e d i u ma c c e s sc o n t r o l m o b i l i t ym a n a g e m e n t m a s t e ri n f o r m a t i o nb l o c k m u l t i m e d i ab r o a d c a s tm u l t i c a s ts e r v i c e s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k m e s s a g es e q u e n c ec h a r t s n o na c c e s ss t r a t u m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s o p e r a t o rp l m n o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t p a c k e ts 、耐t c l l i n g 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 p a g i n go c c a s i o n p a 曲a gt m s i p u b f i cl a n dm o b i l en e t w o r k p a g i n gr n t i p h y s i c a ld o w n l i n kc o n t r o lc h a n n e l p a g i n gf r a m e p o i n t so fc o n t r o la n do b s e r v a t i o n q u a d r a t u r ep h a s es 1 1 i rk e y i n g q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r r a d i or e s o u r c ec o n t r o l r a d i ol i n kc o n t r o l r a d i on e t w o r kt e m p o r a r yi d e n t i f i e r r e f e r e n c es i g n a lr e c e i v e dp o w e r r e g i s t e r e dp l m n r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m r a d i oa c c e s st e c h n o l o g y r e f e r e n c es i g n a l s i n g l ec a r t i e rf d m a s e r v i c i n gg p r ss u p p o r tn o d e s p e c i f i c a t i o nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e s y s t e mi n f o r m a t i o nb l o c k v i 长期演进 层l 层2 层3 下测试器 多输入多输出 媒体接入控制 移动性管理 主信息块 多播广播单频网络 消息序列图 非接入层 正交频分复用 正交频分多址接入 操作者p l m n 开放互连系统 分组电路 分组数据汇聚协议 协议数据单元 寻呼时刻 寻呼t m s i 公共陆地移动网络 寻呼r n t i 物理下行链路控制信道 寻呼帧 控制观察点 四相相移键控 正交幅度调制 无线网络控制器 无线资源控制 无线链路控制 无线网络临时标识 参考信号接收功率 登记的p l 实时系统 无线接入技术 参考信号 单载波频分复用技术 g p r s 服务支持节点 规范与描述性语言 系统信息块 缩略表 s i s i r n t i s f n s i p t d m a t d d t t c n 卫m t m s i t a c t a j u e u m u s 蹦 u p l n f n u t u t r a n 、，o i p w c d m a s y s t e mi n f o r m a t i o n s y s t e mi n f o r m a t i o nr n t i s y s t e mf r a m en u m b e r s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m ed i v i s i o nd u p l e x m ea n d 厅6 u l a rc o m b i n e dn o t a t i o n t r a n s p a r e n tm o d e t e m p o r a r ym o b i l es u b s c r i b e ri d e n t i t y t r a c k i n ga r e ac o d e t 】r a e k i n ga r e ai d e n t i t y u s e re q u i p m e n t u n a c k n o w l e d g e dm o d e u n i v e r s a ls u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d u l e u s g rp l m n u p s i d et e s t e r u m v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s n e t w o r k v o i c eo v e ri p w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s v i i 系统信息 系统信息r n t i 系统帧号 会话发起协议 时分多址接入 时分双工 树表结合表示法 透明模式 临时识别码 跟踪区域码 跟踪区域标识 用户设备 非确认模式 用户识别设备 用户p l m n 上测试器 全球无线接入网络 模拟声音信号数字化 宽带码分多址接入 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 回顾移动通信的发展，第一代移动通信以模拟技术和f d m a 技术为基础仅提 供语音业务。但是，频谱利用率低，移动设备复杂，费用较高，业务种类受限制 以及通话易被窃取等，最主要的问题是其容量已不能够满足日益增长的移动用户 的需求。于是第二代移动通信由此诞生。它以数字技术和时分多址( t d m a ) ，码 分多址( c d m a ) 为主要技术，从而大大提高了频谱利用率，保密性增强，同时 能提供语音和数据业务。但是在第二代数字移动通信系统中，通信标准的无序性 所产生的百花齐放局面，虽然极大的促进了移动通信前期局部性的高速发展，但 比较强地制约了移动通信后期全球性的进一步拓展。随着移动通信全球化进程的 推进，通信标准之间的差异性和频带利用的无计划性，就成为移动通信进一步发 展的阻碍，使得“全球通”漫游业务很难真正实现。同时现有的带宽也无法满足信息 内容和数据类型日益增加的需求。为了实现以宽带化为基础的无线通信与国际互 联网等多媒体通信相结合的新一代移动通信系统，第三代移动通信由此诞生。它 能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供高速网页浏览、电话会议、 电子商务等多种信息服务。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数 据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2 m b p s 、 3 8 6 k b p s 以及1 4 4 k b p s 的传输速率。但任何一种技术都有自己的优点，也存在一定 的问题，为了更好的实现“移动通信的宽带化”，移动通信的下一步就是向第四代移 动通信的发展，但是为了完成3 g 到4 g 的平滑过渡，3 g p p 提出了基于o f d m 技 术的l t e 技术，主要提出了两方面的设计目标：一是顺应无线宽带化的发展趋势， 实现大大高于3 g 系统的通信带宽和频谱效率，提出了下行和上行分别实现 1 0 0 m b p s 和5 0 m b p s 的系统峰值速率的设计目标，二是更简单的网络结构，更低的 运营成本，同时提供对网络部署场景和业务需求的灵活支持。l t e 作为3 g 到4 g 过渡的关键技术，其重要的地位和美好的市场前景是显而易见的，所以研究这种 技术，生产出符合其要求的终端产品，并尽快投入商用就显得至关重要7 - t l j l 2 。 1 2l t e 系统简介 1 2 1l t e 的提出和主要性能目标 l t e 技术，最初是由3 g p p 在2 0 0 4 年底提出的，但是当时对这项技术的目标 重庆邮电大学硕士论文 和关键特性还不是很明确。2 0 0 5 年6 月的魁北克会议，解决了技术目标和关键特 性的问题，这也标志着l t e 概念的正式确立。 l t e 的目标是提供长期的，有竞争力的无线通信解决方案。其致力于低资源 消耗，高的数据吞吐率，包级优化，灵活的带宽，同时支持现有的频带和新的频 带，减少产品功耗，简化系统结构，合理的系统、终端复杂度和功耗。 l t e 的目标是在2 0 m h z 频谱带宽下，提供下行1 0 0 m b p s 和上行5 0 m b p s 的峰 值速率。其下行采用o f d m 技术，同时支持q p s k ，1 6 q a m 和6 4 q a m 调制技术。 而上行采用s c f d m a 技术，同时支持b p s k ，q p s k ，8 p s k 和16 q a m 调制技术。 l t e 定义的带宽在1 2 5 2 0 m 之间，可灵活配置1 2 5 m h z ，2 5 m h z ，1 0 m h z ，1 5 m h z ， 2 0 m h z 多种带宽【2 j 。 主要需求指标和技术还包括： 优化支持o 1 5 k m h 的低速移动终端，同时保证1 5 1 2 0 k m h 的速度； 在保持现在规划的3 g 小区覆盖范围大致不变的情况下，提高小区边缘的比 特率； 用户面延迟( 单向) 小于5 m s ，控制面延迟小于l o o m s ； 同时支持f d d 和t d d 技术： 支持增强的i m s 和核心网，尽可能后向兼容，但应该仔细考虑性能改进和 后向兼容之间的平衡； 支持与现有3 g p p 和非3 g p p 系统的互操作，及增强型的广播多播( m b m s ) 业务； 实现合理的终端复杂度、成本和耗电； 降低建网和维护的成本，实现从r 6 的低成本演进； 取消c s 域，c s 域的业务和其他实时业务都在p s 域实现，如采用v 0 p 技 术； 以尽可能相似的技术同时支持成对( p a j r e d ) 和非成对( u n p m r e d ) 频段， 并尽可能支持简单的邻频共存【2 1 。 为了实现l t e 系统的上述目标性能，需要改善和增强现有3 g 系统的空中接 口技术以及网络结构。3 g p p 初步确定l t e 的架构为演进型u t r a n 结构。具体为 由w c d m a h s d p a 阶段的n o d eb 、r n c 、s g s n 、g g s n 四个主要网元，演进为 e n o d e b 和接入网关( a g w ) 两个主要网元。后者是一个边界节点，若将其视为核 心网的一部分，则接入网主要由演进型n o d e b 一层构成。演进型n o d e b 不仅具有 原n o d e b 的功能，还能完成原r n c 的大部分功能。e n o d e b 之间将采用网格方式 直接互联，这也是对原有u t r a n 结构的重大修改。核心网采用全i p 分布式结构， 支持i m s 、v o p 、s i p 、m o b i l ei p 等各种先进技术【1 。3 1 。 2 第一章绪论 1 2 2l t e 的核心技术及标准化进展 前一节简述了l t e 的性能目标，而要实现这些目标就需要相应的关键技术的 支撑，下面就对l t e 的核心技术及标准化的进展进行简单说明。 ( 1 ) o f d m 技术。o f d m 的基本原理是将高速串行数据分成多路并行的低速 数据加以调制，并行的低速数据在频率间隔相等的各路子载波上进行传输。通过 设定子载波的频率间隔，使各子载波的频谱重叠，同时要保证子载波间两两正交， 就能有效提高频谱利用率。同时时域的每个o f d m 符号的持续时间相对于单载波 要长的多。另外o f d m 系统还引入循环前缀( c p ) ，有效地减少码间干扰，从而 克服了无线信道由于多径所带来的频率选择性衰落。各子载波可用同一种数字调 制方法，也可用不同的调制方法。 下面就普通的f d m 和o f d m 方式通过图形来加以描述。 传统f d mo f l ) m 图1 1f d m 和o f d m 频带利用示慈图 从图1 1 可以看出，正是基于子载波间两两正交的特性，o f d m 与f d m 相比， 频带利用率明显提高。 o f d m 技术是l t e 系统的技术基础和主要特点，o f d m 系统参数的设定对整 个系统的性能具有重要的影响，其中载波间隔又是o f d m 系统的最基本的参数， 经过理论分析与仿真比较最终将载波间隔确定为1 5 k h z 。上下行的最小资源块为 3 7 5 k h z ，也就是2 5 个子载波宽度，数据到资源块的映射方式可采用集中( 1 0 c a l i z e d ) 方式和离散( d i s t r i b u t e d ) 方式。循环前缀的长度决定了o f d m 系统的抗多径能力 和覆盖能力。长c p 有利于克服多径干扰，支持大范围覆盖，但系统开销也会相应 增加，导致数据传输能力下降，为了达到小区半径l o o k m 的覆盖要求，l t e 系统 采用长短两套循环前缀方案，根据具体场景进行选择，短c p 方案为基本选项，长 c p 方案用于支持l t e 大范围覆盖和多个小区的广播业务。 3 g p p 组织就l t e 系统物理层下行传输方案采用先进成熟的o f d m a 技术。 对于上行，因为o f d m 的峰均比比较高，峰均比会增加终端的功放成本和功率损 耗，限制终端的使用时间，最后确定上行采用峰均比比较低的单载波方案 s c f d m a 。 重庆邮电大学硕士论文 ( 2 ) m i m o 技术。此技术能利用空间信道的弱相关性，结合时间与频率上的 选择性，提高信道传输的可靠性，改善接收信号的信噪比。同时，能够结合其它 技术改善信道容量。 多天线接收机利用空时编码处理技术，能够分开译码数据子流，从而实现最 佳的处理，若各发射一接收天线间的信道相对独立，则多输入多输出系统可以创造 多个并行空间通道，通过这些并行空间通道独立地传输信息，数据速率必然得到 提高。m i m o 将多径无线通道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现较 高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对 消处理技术。当功率和带宽固定时，m i m o 系统的最大容量或容量上限随最小天 线数的增加而线性增加。而在同样条件下，采用多天线或天线数组的普通智能天 线系统的接收端或发射端，其容量仅随天线数的增加而对数增加。 l t e 已确定m i m o 天线个数的基本配置是下行2 * 2 、上行1 2 ，但也在考虑 4 * 4 的高阶天线配置，北电的专利技术虚拟m i m o 也被l t e 采纳作为提高小区边 缘数据速率和系统性能的主要手段。另外，l t e 也正在考虑采用小区干扰抑制技 术来改善小区的数据速率和系统容量。被考虑的技术还包括空间复用、空分多址、 预编码、自适应以及开环发射分集等。 ( 3 ) 高阶调制技术。l t e 在下行方向采用q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m ，在上 行方向采用q p s k 和1 6 q a m 。高峰值传送速率是l t e 下行链路需要解决的主要问 题。为了实现系统下行1 0 0 m b p s 峰值速率的目标，在3 g 原有的q p s k 、1 6 q a m 基础上，l t e 系统增加了6 4 q a m 高阶调制。6 4 q a m 的频谱利用率高，但是其归 一化比特信噪比与q p s k 相比降低了很多，即频谱利用率的提高是在牺牲信噪比 和可靠性的前提下获得的。采用6 4 q a m 从通道利用率的角度看，可以将通道利用 率提高6 0 ，在以高速数据传输为主要目的l t e 中，是一个很好的解决方梨2 1 。 1 3 研究背景 l t e 以其突出的技术优势和美好的市场前景，将成为未来移动通信市场的主 流。目前爱立信、诺基亚西门子、华为等世界主要的电信设备生产商正着力于这 个技术的开发，期待早日生产出相关的终端产品。那么生产出来的产品如何，也 就是说终端产品的性能如何，是否完全遵从相关标准，以及是否能够互联互通等 是投入商用的前提，于是基于终端产品的性能测试设备的生产也就成为市场的迫 切需求。l t e 综测仪( l t e 终端综合测试仪) 是一种简单的终端测试设备，它能 够模拟l t ee n o d e b 和e p c 的部分功能，完成被测终端在l t e 终端设备规范中规 4 第一章绪论 定的功能和一般流程，支持向被测试终端发送标准的n a sl 3 消息来激活和去激 活终端的逻辑测量功能，支持完整的信令流程，支持功率控制等。 自2 0 0 9 年3 月以来，作者亲自参与l t e 综测仪开发项目，主要负责l t e 协 议栈的研发。综测仪是模拟网络来测试终端性能的仪器，而3 g p p 标准的制定是以 终端作为制定标准的对象的，所以要展开对综测仪的开发，前提是熟悉和深入理 解终端的相关标准，并进行必要的设计，实现和验证，从而为网络端的开发做准 备，本文是对l t e 终端的r r c 层空闲模式的深入研究和实现。 1 4 论文安排 全文的安排如下： 第一章：绪论。首先介绍移动通信的发展历史，l t e 的技术特征、论文的研 究背景；然后，概括论文的内容安排。 第二章：无线资源控制子层的协议分析。首先介绍了r r c 层的主要功能，然 后就空闲模式下的每个功能进行分析，重点分析了小区选择和小区重选过程。 第三章：无线资源控制子层的设计。本章是全文的重点章节。首先介绍有限 状态机原理，和空闲模式下无线资源控制子层与其它子层之间的接口原语，然后 根据有限状态机原理来划分r r c 的子状态，并对空闲模式下r r c 每一子状态下 的任务进行了简要的逻辑描述，最后重点介绍了小区选择与重选过程的流程设计。 第四章：无线资源控制子层的实现。在简要介绍s d l 基本概念的基础上，根 据r r c 层的小区选择和重选的详细过程，设计r r c 层的s d l 实现，包括系统图、 功能块图和进程图，以及进程图中调用的c 语言函数设计和调用方式的简单描述。 然后根据协议栈软件开发需求，采用t t c n 与s d l 协仿真测试方法对l t e 终端小 区选择和重选的实现进行测试，并通过对测试结果的分析，验证l t e 终端小区选 择和重选的正确性。 第五章：论文总结及进一步思考。回顾和总结论文内容，并展望下一步研究 工作的重点。 重庆邮电大学硕士论文 6 第二章无线资源控制子层协议分析 2 1 概述 第二章无线资源控制子层协议分析 本论文的研究重点是l i e 协议栈的r r c 层，而研究r r c 层的前提是对整个 协议栈的体系架构有个清晰的认识，所以作者结合项目设计的r r c 层与其它子层 的接口结构，对协议栈的架构做一个简单的介绍，然后对r r c 层进行具体的协议 分析。 2 2r r c 层与其它子层接口结构图 图2 1r r c 与其它子层接口结构图 图2 1 是r r c 层与其它子层的接口结构图。e m m 位于l 3 的高层n a s 层。 r r c 位于l t e 协议栈中l 3 的最底层，主要完成无线资源的控制和管理等功能。 从r r c 到最底层的物理层统称为a s 层，a s 按功能和任务分为三层：物理层( l 1 ) 、 数据链路层( l 2 ) 和网络层( l 3 的r r c 子层) 。其中l 2 又分为三个子层：m a c ， r l c ，p d c p 。由于本文主要研究无线资源控制子层在空闲模式下的行为，而p d c p 和r l c 子层在空闲模式下没有相应的操作，故在后面的空闲模式研究中将其忽略。 r r c 位于a s 的项层，它是a s 的主要控制中心，控制着层间的主要接口，不 仅要为上层提供来自网络的无线资源参数，同时还要控制下层的参数和行t 9 1 。 n a s 属于核心网功能，它包括演进会话管理( e s m ) 和演进移动性管理( e m m ) 。 顾名思义就是对u e 在连接和移动时的性能进行管理和协调【1 4 1 。p d c p 的主要功能 是对发送和接收的数据进行头压缩和解压缩，加密，解密和完整性保护等【6 】。r l c 7 重庆邮电大学硕士论文 为上层提供三种模式的数据传输服务：透明模式( t m ) 、非确认模式m ) 和确认 模式( a m ) f j 。m a c 主要完成逻辑信道与传输信道之间的映射，公共传输通道上 u e 的标识，把高层的p d u 复用为传送给物理层的公共传输通道上的传输块，业 务流量测量，传输通道类型的切换等【8 】。l 1 的主要任务是为上层提供数据传输服 务以及完成其它一些基本过程，如物理层测量、小区选择、随机接入，同步建立 等【l 川，在本论文具体的设计中以d s p 来指代物理层进行相关的操作。 2 3r r c 协议分析 在协议3 6 3 3 1 中，以是否建立了r r c 连接为判断标准，将r r c 划分为两种 模式：空闲模式和连接模式1 9 。下面就围绕这两种模式对r r c 的主要过程进行详 细介绍。 2 3 1 空闲模式 从u e 开机到发送r r c 连接建立请求消息给e u t r a n 为止，其状态将一直 处于空闲。在空闲时，u e 的所有连接在a s 上都是关闭的，u e 的标识是通过非 接入层标识，如i m s i 、t m s i 和p t m s i 来区别的。e u t r a n 若要寻呼一个指定 的u e ，它只能在一个跟踪区域内向所有的u e 或监听同一寻呼的所有u e 发送寻 呼信息等。 在空闲模式下，u e 的主要动作是，监控寻呼信道来监测进入的呼叫、系统信 息的改变，对具有e t w s 能力的u e 进行e t w s 通知；执行邻近小区测量和小区 选择重选；获取系统信息【9 】。 2 3 2 连接模式 只有在发送r r c 连接建立请求消息后，u e 才能发起从空闲模式到连接模式 的转移，这一事件是由网络发送的寻呼请求或u e 的高层发起呼叫请求来触发的。 在收到r r c 连接建立的确认消息后，u e 将进入连接模式，如果连接建立失败， u e 将返回空闲模式。 r r c 连接建立后，将主要完成以下的动作：监控寻呼通道和s i b l 内容，来检 测系统信息是否改变；对于具有e t w s 能力的u e 检测e t w s 通知；监控与共享 数据信道相关的控制信道，确定是否有给自己的数据调度；提供信道质量和回馈 信息；执行邻近小区测量和测量上报；获取系统信息【9 】。 8 第二章无线资源控制子层协议分析 2 4r r c 空闲模式的协议分析 u e 在空闲模式下的主要任务可分为p l m n 选择，小区选择、小区重选以及位 置更新。u e 开机将选择一个p l m n ，同时选择一个属于该p l m n 的合适小区进行 驻留，调整到该小区的控制信道，并通过该小区来使用网络资源。当u e 成功驻留 到小区后，就可接收系统信息和监听寻呼。如果丢失覆盖或者发现更好的小区， 则u e 重选到更好的小区上，如果新的小区在不同的跟踪区，需执行位置更新( i o 】。 图2 2 空闲模式下的主要过程 p l m n 选择、小区选择、小区重选和位置更新这些过程的关系如图2 2 所示。 以下对这几个过程，特别是小区选择和小区重选进行详细分析。 2 4 1 系统信息 系统信息的获取是小区选择和小区重选中的重要过程，所以在这里首先简单 介绍一下系统信息。 2 4 1 1 过程描述 系统消息通常在一个小区内向所有的u e ( 处于空闲或连接模式) 发送。系统 消息中主要包含的是a s 和n a g 层的相关倍息。 系统信息主要由主信息块( m i b ) 和1 2 个( 3 6 3 3 lv 9 0 0 ) 系统信息块( s i b ) 组成。m i b 包含下行带宽，系统帧号等参数信息，由网络端的r r c 层配置，然后 映射到b c c h ，通过m a c 映射在b c h 上发送。至于1 2 个s i b 信息块，s i b l 和 m i b 一样是独立传输的，即映射到b c c h ，然后在d l s c h 上传输，通过s i r n t i 9 重庆邮电大学硕士论文 来寻址。而其他的s i b 是由s i b l 进行灵活的动态调度，同时由s i 来进行承载的， 也就是说s i b 2 s i b1 2 是映射在不同的s i 上来进行传输的，而且只有具有相同调度 要求的s i b 才能映射到相同的s i 上。其中s i b 2 总被映射到s i b l 调度的s i 消息 列表的首位。 系统信息过程如图2 3 所示： 图2 3 系统信息传输过程 系统信息的主要内容：m i b 定义最基本的物理层参数，如d 1 b a n d w i d t h ( 下行 带宽) ，s f n ( 系统帧号) 等。s i b l 主要定义一个u e 是否被允许接入到小区的判 定参数和对其他s i b 的调度信息。s i b 2 主要是物理信道的一些公共配置信息。 s i b 3 s i b 8 主要定义小区重选的信息：s i b 3 是关于当前驻留的服务小区的重选参 数；s i b 4 是关于和服务小区同频的小区的重选参数；s i b 5 是关于e u t r a n 的异 频小区的重选参数；s i b