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UMTS无线接入网络协议(Rel99)发布时间：2005-8-18 UMTS无线接入网络协议(Rel99)A Study on UMTS Radio Access Network Protocols关键词 刘寅摘 要 3GPP于2001年3月完成了UMTS(Rel99)规范的最终版本，目前，基于UMTS(Rel99)的第三代移动通信系统已逐步投入商用。本文先介绍了UMTS(Rel99)的无线接入网络结构和UTRAN协议模型与结构，然后介绍了Iu、Iur、Iub和Uu接口协议。关键词 CN，UTRAN，RNC，Node B，Iu，Iur，Iub，Uu，控制面，用户面UMTS(Rel99,又称为R3)是目前较成熟的由3GPP制定的以GSM(包括GPRS)Phase 2+演进的核心网为基础并采用WCDMA空中接口的第三代移动通信系统，也是目前签订合同数量最多的3G系统。它支持IMT-2000的接入速率要求(室外高速移动：144kbps，室外慢速移动：384kbps，室内：2Mbps)。UMTS(Rel99)网络由核心网（CN）、无线接入网(UTRAN)和用户设备(UE)组成。文中介绍了UTRAN结构、UTRAN和CN与UE之间的接口协议(Iu或Uu)以及UTRAN的内部接口协议(Iur或Iub)。1 UTRAN结构图1 UTRAN结构UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network)由通过Iu(分为IuCS和IuPS)与CN(分为电路域CS和分组域PS)连接的一组无线网络子系统(RNS)构成(如图1所示)。RNS由一个RNC和一个或几个Node B组成，Node B通过Iub与RNC相联。RNC负责系统信息广播、接入控制、切换控制、RNC重定位、功率控制、宏分集合并和无线资源分配与管理等功能，RNC之间可以通过Iur接口相联。Node B负责无线信道的编码和资源管理，根据规范要求，Node B应能支持多种接入方式：FDD模式、TDD模式或者双模。Node B与UE之间通过空中接口Uu相联。一个RNC节点根据完成功能的不同在逻辑上划分为C-RNC(Controlling RNC) 、S-RNC(Serving RNC)和D-RNC(Drift RNC)三种。C-RNC是指Node B接入的RNC，负责Node B的操作与维护、负载控制、接入控制和码的分配等功能。S-RNC是对接入UTRAN的UE而言，负责执行的功能包括传送UE与CN之间的信令和数据、流量控制、处理UE的位置信息、无线资源的管理(分配、释放和重配置等)、外环功率控制、切换判决和发起、软切换时数据的合并(CN方向)和分发（UE方向）等。一个接入UTRAN的UE有且只有一个S-RNC，S-RNC通常与C-RNC位于同一个RNC节点，但也可以不同，S-RNC可以通过迁移程序改变。D-RNC是UE连接的除S-RNC外的其他RNC，D-RNC与CN之间不存在任何逻辑连接，在宏分集时，D-RNC把数据透明的通过Iub或Iur分别传送给Node B和S-RNC，一个UE可以接入多个D-RNC。2 UTRAN协议结构UTRAN协议由控制平面和用户平面构成，每个平面又进一步划分为接入层（AS）和非接入层（NAS），其结构如图2所示。控制平面的接入层负责为NAS消息传送提供各种承载(无线承载RB和无线接入承载RAB)和承载的管理以及NAS消息的透明传送，控制面NAS处理的控制信息包括移动性管理(G)MM、会话管理SM和接续控制CM等；用户平面接入层实现各种无线接入承载业务，用户面NAS传送用户的业务数据，如话音或分组数据的传送。用户数据和控制信息(业务请求、资源分配、切换等)通过AS在UE与网络之间交换，Rel99的各种NAS过程与GSM 2+基本相同。图2 UTRAN协议总体结构AS通过业务接入点(SAP)向NAS提供服务，3GPP在Rel99中定义了三种SAP：GC(General Control)、Nt(Notification)和DC(Dedicated Control)，无线接入承载(RAB)就是由接入层的两个SAP提供。接入层协议包括Uu、Iur、Iub和Iu协议，Uu和Iu协议为NAS提供了透明传送NAS消息的机制。NAS消息属于高层信息，因此，本文介绍的是接口的接入层协议。3 UTRAN接口协议本章介绍UTRAN接口协议的通用模型和接口协议(Iu、Iur和Iub)，Uu协议将在下一章介绍。3.1 UTRAN接口协议模型图3 UTRAN接口协议模型图3是UTRAN接口协议(Iu、Iur和Iub)模型。接口协议分为两层三平面，即无线网络层、传输网络层以及控制(平)面、传输网络控制(平)面和用户(平)面。无线网络层处理所有与UTRAN有关的事项，传输网络层是指UTRAN选用的标准传输技术，而且UTRAN对传输没有特定的要求，3GPP在Rel99版本中选用ATM传输技术。控制面由各种应用协议(如RANAP、RNSAP和NBAP等)和传输网用户面的信令承载组成，信令承载总是通过O&M建立，它既可以与传输网控制面的信令承载一样也可以不一样；用户面由需要传送用户数据流(如语音数据、分组数据)和传输网用户面的数据承载构成。为了保持控制面和用户数据承载所选用传输技术之间的独立性，3GPP引入了传输网络控制平面，传输网控制平面负责传输网络层内所有控制信令的处理和数据承载的动态建立。传输网络控制面的核心是接入链路控制协议(ALCAP)，ALCAP是国际电联规范Q.2630.1，ALCAP支持点对点AAL2连接的动态建立、释放和维护。当使用传输网络控制面时，用户面的数据承载需要通过控制面应用协议触发ALCAP来建立；否则数据承载需要预先配置，如IuPS接口的用户面数据承载使用预先配置的虚电路(PVC)传送多种业务的分组数据。ALCAP不能为控制面应用协议或者处于实时操作的ALCAP建立信令承载，并且ALCAP的信令承载总是通过O&M建立的。UTRAN接口协议的各层和面在逻辑上相互独立，以方便标准化组织在未来需要时易于修改协议栈。 3.2 UTRAN接口协议UTRAN接口包括Iu、Iur和Iub,其中Iu接口分为IuCS和IuPS，UTRAN通过IuCS接入电路域(MSC),通过IuPS接入分组域(SGSN)。根据接口协议模型，Iu、Iur和Iub接口划分为二层三面，即传输网络层和无线网络层以及控制面、用户面和传输网络控制面，各接口的协议结构如图4所示。Iu(IuCS、IuPS)、Iur和Iub接口都选用ATM传输技术，传输网络控制面的存在与否取决于数据承载是否需要通过传输网络控制面来建立，如IuCS使用预配置的传输资源，因此无需传输网络控制面。IuCS和Iur信令承载由ATM层、网络间信令ATM适配层(SAAL-NNI)、宽带消息传送部分(MTP3-b)和STC(Q.2150.1)组成；Iur的信令承载还可以使用ATM层、AAL5、SIGTAN(IP、SCTP和M3UA)与STC(Q.2150.1)；Iub则使用ATM层、用户网络接口的信令ATM适配层(SAAL-UNI)和Q.2150.2作为信令承载。IuCS、Iur和Iub都采用ALCAP(Q.2630.1)来建立用户面的数据承载。IuPS由于采用预配置的数据承载，因此，IuPS无需传输网络控制面。图4 Iu(IuCS、IuPS)、Iur和Iub接口协议结构UTRAN接口控制面协议传送控制信息，传输网络层通过提供信令承载为无线网络层的应用提供承载业务。Iu(IuCS、IuPS)、Iur的信令承载由ATM层、网络间的信令ATM适配层(SAAL-NNI)、宽带消息传递部分(MTP3-b)和SCCP构成；而IuPS和Iur还可以使用ATM层、AAL5、SIGTRAN(IP、SCTP和M3UA) 和SCCP作为信令承载；Iub直接使用ATM层和用户网络接口的信令ATM适配层(SAAL-UNI)作为信令承载。Iu、Iur和Iub的无线网络层协议分别为RANAP、RNSAP和NBAP。UTRAN接口的用户面使用数据承载为用户数据提供承载业务。IuCS、Iur和Iub用户面选用AAL2作为数据承载，传送实时或非实时的用户业务数据流。IuPS的数据承载由AAL5、IP/ UDP与GTP组成，用于传送用户移动数据业务的分组。3.2.1 传输网络层物理层(PHY)Iu、Iur和Iub的物理层负责时钟提取、传输质量控制、信元定界和告警的产生与提取等功能，3GPP在8、9和10中规定了UTRAN接口选用的物理层标准，适合我国的主要有STM-1、STM-4和E1等。目前大多数厂家的设备提供STM-1和E1,对于于核心网的连接也可提供STM-4。3.2.2 传输网络层ATM层 由于3G需要支持不同QoS要求的移动业务，3GPP在8、9和10规定了Iu、Iur和Iub接口选用能支持不同QoS业务的ATM传输方式。ATM采用长度为53字节的信元传送实时(话音、视频等)或非实时(图象、文件等)数据，信元头为5字节, 数据48字节。ATM节点之间采用永久虚电路(PVC)或交换虚电路(SVC)连接，虚电路连接可以建立在虚通道或虚通路上。PVC是ATM交换机通过业务预约由管理系统人工建立和拆除的双向点到点或点到多点的逻辑连接；SVC是交换机根据需要通过信令动态建立和拆除的双向点到点或点到多点的逻辑连接。ATM信元分为用户-网络接口(UNI)和网络-网络接口(NNI)两种,其格式如图5所示。 GFC(4位)：用于流量控制。 VPI(8位)或VCI(16位)：虚通道或虚通路标识。ATM信元通过VPI/VCI选路。VC的建立以呼叫为基础，一个ATM传输路径可以包括多个VP，一个VP可以包括多个VC。 图5 ATM信元格式PT(3位)：净荷类型。标识净荷的类型和是否经历拥塞。 CLP(1位)：用于在网络拥塞时的流量控制。CLP=1的信元比CLP=0的信元优先级高。 HEC(8位)：用于ATM信元头部的检错和纠错。3.2.3 传输网络层ATM适配层(AAL)ATM适配层(AAL)分为分段与重组子层(SAR)和汇聚子层(CS)。SAR负责把数据流分段装入48字节ATM信元净荷部分或把净荷重组为原始的业务数据流。CS主要完成数据类型的识别和同步，分为公共部分汇聚子层(CPCS)和业务特定的汇聚子层(SSCS)，其中SSCS随业务的不同而不同，有些业务可以不使用SSCS。ITU定义了五种AAL(AAL1、AAL2、AAL3/4和AAL5)来支持不同类型的业务数据传送。1) AAL1：用于传送实时的固定比特率的面向连接的业务数据，如电路仿真。2) AAL2：用于传送实时的可变比特率的面向连接的业务数据（如视频或音频），一个AAL2通道可以包含在不同的ATM虚通道连接(VPC)中，VPC也可以包含在不同的ATM物理接口中。3) AAL3/4：用于传送非实时面向连接或无连接的可变比特率的业务数据，如LAN仿真。4) 图6 AAL2、AAL5的PDU格式AAL5：用于异步的非实时的面向连接的可变比特率的业务数据，如帧中继等。而UTRAN接口中的AAL5由SAR和CPCS组成。根据传送业务数据流的不同，不同的UTRAN接口不同的平面使用不同的ATM适配层。IuCS、Iub和Iur接口用户面由于需要传送实时的可变比特速率的话音数据(AMR编码) ，因此，选用AAL2作为用户面的数据承载；此时，传输网络层就需要使用传输网络控制面来根据控制面的指示建立用户面的数据承载(AAL2)，不同信道的数据(如FACH、DCH等)复用到同一ATM信元，不同信道数据通过PH(Packet Header)中的通路识别符(CID)区分，最多248个用户（其中CID为1：层管理，2：信令，37：保留，8255：用户实体）。而IuPS用户面由于传送非实时或是实时性不强的移动数据业务，所以选用AAL5作为IuPS的数据承载，多种分组数据流在一个或多个PVC中复用即IuPS用户面使用预定义的传输资源(PVC)。AAL2和AAL5的PDU格式如图6所示。3.2.4 传输网络层信令适配层(SAAL)信令ATM适配层(SAAL：Signaling AAL) 是指用于信令传送的ATM适配层，由AAL5 (SAR、CPCS) 和SSCS (SSCOP、SSCF)组成。其中SSCOP提供信令实体间连接的建立与释放以及采用选择重发的方式保证消息的顺序可靠传送；SSCF主要完成相当于MTP2的链路定位功能，分为SSCF-NNI和SSCF-UNI，SSCF-NNI用于网络与网络的接口，SSCF-UNI用于用户与网络的接口。根据SSCF的不同，SAAL分为SAAL-NNI和SAAL-UNI。前者由AAL5 (SAR、CPCS) 和SSCS (SSCOP、SSCF-NNI) 组成，后者则包括AAL5和SSCS(SSCOP、SSCF-UNI)。3.2.5 传输网络层信令传递变换器(STC)信令传递变换器(STC：Signalling Transport Converter)包括基于MTP3-b的信令传递变换器(Q.2150.1)、基于SSCF-UNI的AAL2信令传递变换器(Q.2150.2) 和基于SSCOP的信令传递变换器(Q.2150.2)。STC主要完成为用户提供独立于低层传输媒介的数据传送、消息的透明传送以及向STC用户报告低层数据传送业务的可用性。UTRAN接口的传输网络控制面选用了基于MTP3-b的信令传递变换器(Q.2150.1)和基于SSCOP的信令传递变换器(Q.2150.2)。3.2.6 传输网络层SIGTRANSIGTRAN规范1516由IETF制定，由IP协议、简单控制传送协议(SCTP)和MTP3用户适配层(M3UA)组成。SCTP主要用来在IP网上可靠、顺序地传送PSTN信令消息，并利用偶联机制减少了网络故障的影响；M3UA负责网络地址的翻译与映射、流量与拥塞控制、窄带七号信令与M3UA的互通、消息选路以及网络管理等功能。3.2.7 传输网络层MTP3-bMTP3-b是与窄带七号信令系统的MTP3对应的宽带消息传送部分，完成由Q.704和Q.2210建议中规定的功能，包括消息的路由、消息分配、消息识别和信令网管理等功能，为SCCP层提供服务。3.2.8 无线网络层RANAP协议RANAP是Iu接口控制面的应用协议（信令协议），提供CN与RNC、CN与一个或多个UE间的信令交互，使用SCCP提供的面向连接和无连接两种模式的数据传送业务，前者用于特定的UE，后者用于CN与RNS或多个UE之间的通信；RANAP由一些基本过程组成，各个过程可以同时激活并且相互独立，可以灵活地组合成各种应用过程，根据应答方式的不同可以分为三类：无应答过程(如Iu Release Request)、单个应答过程(成功或失败，如Iu Release)和多应答过程(如RAB Assignment)。3GPP规定的RANAP功能主要包括以下几个方面：1) 无线接入承载(RAB)管理。包括RAB建立、修改和释放，RAB特性到Iu、Uu承载的映射以及RAB队列和优先级的管理。RAB是由CN控制的并根据业务类型、QoS和其他业务要求在UE与CN之间建立的承载，RAB通过RAB ID在CN、UTRAN和UE三者之间标识。2) 无线资源管理(RRM)功能。负责无线资源接纳控制和广播信息，前者是指当CN要求建立或修改RAB时，UTRAN对无线资源进行分析来决定是接受请求还是拒绝请求；后者包括UTRAN信息和小区信息的广播。3) Iu链路管理功能。包括Iu信令链、ATM虚通路(VC)、AAL5、AAL2连接建立与释放、GTP-U隧道、TCP和缓冲区的管理等。4) 移动性管理。包含UE位置信息报告、系统内或系统间硬切换、S-RNC重定位和寻呼等。5) Iu用户面管理。用户面用于传送与RAB绑定的用户数据，有透明和支持两种操作模式，透明模式用于传送不需要用户面成帧和控制但需要透明操作的RAB，如用于GTP-U的数据；支持模式使用预置SDU(Service Data Unit)大小的模式，SDU大小与AMR的语音编码对应。用户面的操作模式由CN在RAB建立时根据RAB特性决定，并可因RAB的修改而改变。6) 安全控制。负责保证数据的安全性和完整性。安全性包括数据加密、加密密钥管理和IMSI安全；完整性是指数据的完整性检查和相关加密所需的密钥管理。7) 跟踪管理。UTRAN能够记录特定UE与UTRAN连接有关的所有活动以满足操作与维护需要。8) UE与CN间信令传送：透明传送UE与CN间的直传消息(DTAP)。9) Iu过载控制、复位和下行未传数据量的报告等。3.2.9 无线网络层RNSAP协议RNSAP协议主要用于RNC间的软切换，但是在标准化的进程中，RNSAP增加了额外的功能。RNSAP过程分为无应答和单个应答两种。3GPP在11中定义的RNSAP过程可以分为四个模块：1) RNC间的移动性管理。属于Iur的基本模块，该模块支持RNC之间的SRNC迁移、小区更新、URA更新和寻呼。在转发公共控制信道(CCCH)的Uu消息时，C-RNC、D-RNC和S-RNC分别使用C-RNTI、D-RNTI和S-RNTI标识CCCH中的UE。2) RNC间的专用资源（DCH、DSCH和USCH）管理。负责无线链路的管理（建立、增加、删除和重配置）、专用信道的测量（启动、报告和中止）、下行功率控制、发射分集控制和压缩模式控制等功能。3) 公共资源管理。负责处理通过Iur接口的公共或共享传输信道的数据流。若该功能没有实现，则每一次RNC间的小区更新都将导致S-RNC的迁移，因此，该功能可以有效降低了S-RNC的迁移次数。模块有两个过程：公共传输信道的建立和释放(都是S-RNC向D-RNC发送相关命令)。D-RNC收到建立消息时，在D-RNC内分配D-RNTI，D-RNC收到释放消息时，就释放相应的D-RNTI和UE上下文。4) 全局资源管理。在Iur接口上实现与特定UE无关的C-RNC之间的增强型无线资源管理和操作维护管理。目前，规范中仅定义了“错误指示”过程，在没有适当的失败消息报告消息中发现的错误时，使用该过程报告消息中的错误。3.2.10 无线网络层NBAP协议NBAP是C-RNC与Node B之间Iub接口的无线网络层控制面协议，需要低层提供顺序保证的信令承载，NBAP分为公共NBAP和专用NBAP。前者是指与特定UE无关的过程，是逻辑上的O&M过程，后者指与一个特定UE上下文的关联过程，UE上下文通过UE上下文ID标识。3GPP在10中规定的NBAP功能有：1) 公共NBAP。完成小区配置（建立、更新和删除）、公共信道资源管理（如RACH/FACH、S- CCPCH、 PICH和PCH）、系统信息更新、资源状态管理、系统配置同步、系统公共资源测量、建立一个UE的第一个无线链路、Node B的维护和错误处理等功能。2) 专用NBAP。包括为一个UE增加、释放和重新配置无线链路(RL)，专用资源的测量，下行功率控制，更软切换的合并，专用和共享信道的管理以及压缩模式的控制等功能。 4 Uu接口协议空中接口(Uu)协议用于在UTRAN和UE之间传送用户数据和控制信息，其结构与UTRAN的其他接口的结构类似（如图7所示），分为两平面三层，即在垂直方向上分为控制(平)面和用户(平)面，控制面传送信令信息，用户面传送语音和分组数据；在水平方向上分为物理层(L1)、链路层（L2）和网络层（L3）。 图7 Uu接口协议结构其中链路层分为MAC、RLC、PDCP和BMC子层，网络层分为RRC和重复消除子层。物理层通过传输信道向MAC提供服务，传输信道规定了如何传输数据，MAC子层通过逻辑信道向RLC提供服务，逻辑信道的特征由传送的数据类型决定；RLC为除PDCP和BMC外的上层提供无线承载业务(RB)；PDCP为分组域的移动数据业务提供无线承载(RB)，并提供分组头压缩机制；BMC则提供小区消息广播；RRC通过RRC消息传送NAS消息并通过控制接口管理和配置低层协议实体。在UMTS(REL99)中，逻辑信道、传输信道或物理信道都可以分为专用信道和公共信道，专用信道在小区内只能由单个用户使用，公共信道资源允许小区内的所有用户或一组用户使用。4.1 Uu接口协议物理层UMTS(Rel99)网络的无线接口(Uu)物理层采用WCDMA技术，载频带宽为5MHz，码片速率为3.84Mcps，其物理信道由频率和码(扰码和信道码)标识，信道码为正交可变长扩频码(OVSF)，用于区分同一信源的不同信道，OVSF码的数量与扩频因子(SF：上行4256，下行4512)相等，扰码用于区分用户（上行）和小区(下行)，采用Gold序列，WCDMA的信道编码采用卷积码和Turbo码，MAC或高层数据通过一个或多个传输信道映射到物理信道并形成15个时隙时长为10ms的无线帧在空中传送，物理层通过传输信道向MAC或高层提供服务。物理层在3GPP TS 25.2xx系列规范中定义，完成以下功能： 传输信道到物理信道的映射（如图8所示）。 图8 物理信道、传输信道和逻辑信道的映射(UTRAN侧，灰色：TDD only)实现宏分集和软切换。 前向纠错的编解码。 射频处理。 闭环功率控制。 速率匹配。 (解)扩频和调制(QPSK、BPSK)。 频率、帧、码片、位和时隙同步。 传输信道的错误检测和指示。 无线特性测量（如误帧率FER、信噪比SIR）。4.1.1 物理信道物理信道按照方向的不同分为上行物理信道(UE-Node B)和下行物理信道(Node B-UE)。上行物理信道有DPDCH、DPCCH、PRACH和PCPCH,下行物理信道有DPCH、P,S-CPICH、P,S-CCPCH、PDSCH、AICH、P,S-SCH、AP-AICH、CD/CA-ICH和CSICH等。 上行物理信道1) 专用物理数据信道(DPDCH)：用于传送用户数据，速率可变，上行一个连接最多可以有一个DPCCH和6个DPDCH，当一个连接中超过一个DPDCH时，通常选用SF=4。2) 专用物理控制信道(DPCCH)：采用扩频因子为256的固定速率传送物理层产生的控制信息，包括导频比特、功率控制(TPC)、闭环或站址选择(SSDT)发射分集的控制(FBI)和DPDCH多路复用时的传输格式指示(TFCI)。3) 随机接入物理信道(PRACH)：用于传送用户注册、位置更新、呼叫初始化和短分组数据的传送。PRACH由前导（SF=256）和消息(SF=256，128，64，32)两部分构成。随机接入的传送采用带快速捕获指示(AICH信道)的时隙ALOHA方式。4) 公共分组物理信道(PCPCH)：用于传送CPCH。其传输基于带快速捕获指示的DSMA-CD方法。 下行物理信道1) 专用物理信道(DPCH)：下行的DPDCH和DPCCH在DPCH中时分复用。一个连接中最多为3个并行码(SF=4)，另有一个码用于公共信道。2) 主或辅公共导频物理信道(P,S-CPICH):用于向终端提供信道估计的参考以及其他下行物理信道的相位参考，是通过专用扰码加扰的非调制码信道(SF=256)，每个小区只有一个P-CPICH并在整个小区内发射，可以有多个S-CPICH，允许在小区的某个区内发射。3) 主或辅公共控制物理信道(P,S-CCPCH)：P-CCPCH是承载广播信道（BCH）的物理信道，具有固定的传输速率，SF为256；S-CCPCH用于承载前向接入信道(FACH)和寻呼信道(PCH)，分为带或不带导频信道的TFCI的两种S-CCPCH，CCPCH采用开环发射分集时采用STTD编码。4) 同步信道(SCH)：是用于小区搜索，由主、辅子信道组成，当终端识别出辅同步子信道时，即可获得帧同步、时隙同步并读取所属小区的信息。5) 共享物理信道(PDSCH)：用于传送DSCH，PDSCH总是与一个下行的DPCH关联。6) 捕获指示信道(AICH)：用于向UE指示基站对PRACH特征序列的接收，它由基站的物理层直接控制。7) 寻呼指示信道(PICH)：向终端提供寻呼指示，所有终端都需监听PICH，终端监听的时刻与帧编号有关，由此，支持终端的休眠模式。8) CPCH接入前导捕获指示信道(AP-AICH)、CPCH冲突检测/信道分配指示信道(CD/CA-ICH)和CPCH状态指示信道（CSICH）：都是用于CPCH的接入控制。4.1.2 传输信道传输信道分为公共传输信道和专用传输信道。公共传输信道包括BCH、FACH、RACH、PCH、CPCH、DSCH等，其中CPCH和RACH为上行信道，其他为下行信道，而且公共传输信道不支持软切换；专用传输信道仅有DCH。 专用信道(DCH)：传送上下行的用户数据或高层控制信息（如测量报告），可以实现以10ms帧为单位的业务速率变化、快速功率控制和软切换。 广播信道(BCH)：向整个小区发布系统或小区的特定信息，例如随机接入码、周期登记时间等。 前向接入信道(FACH)：用来向UE发送控制信息或传送突发的短数据分组。一个小区允许多个FACH，但有一个必须是低速的，FACH使用慢速功率控制。 寻呼信道(PCH)：网络通过PCH给UE发送寻呼消息，支持UE休眠模式。 随机接入信道(RACH)：用于传送UE的接入请求、分组数据等，RACH采用开环功率控制。 公共分组信道(CPCH)：用来传送量较小的分组数据，使用快速功率控制。 下行共享信道(DSCH)：用于传送专用控制信息或用户数据，由几个UE共享，并且DSCH必须与DCH关联，允许使用快速功率控制。4.2 Uu接口协议链路层(L2)Uu接口协议的链路层(L2)分为媒体接入控制(MAC)、无线链路控制(RLC)、分组数据汇聚(PDCP)和广播/组播控制(BMC)等子层。其中PDCP和BMC只用于用户面，MAC和RLC由控制面与用户面共用。4.2.1 媒体接入子层媒体接入子层(MAC)向高层提供无确认的数据传送、无线资源重新分配和测量的报告等服务， MAC由MAC-b、MAC-c/sh和MAC-d三个逻辑实体构成。MAC-b负责处理广播信道(BCH)，MAC-c/sh负责PCH、FACH、RACH、CPCH、DSCH和USCH等公共信道和共享信道的处理，MAC-d处理专用信道(DCH)，MAC结构构如图9所示。MAC子层完成的功能有以下几点： 图9 MAC协议层结构逻辑信道与传输信道之间的映射（见图8）。 根据源速率选择传输信道的传输格式，提高了传输信道的传送效率。 通过把高优先级和低优先级数据分别映射进高速率和低速率的传输格式，实现一个UE数据流的优先级处理。 通过动态调度实现UE间在公共或共享信道的优先级处理，提高频谱效率。 UE在公共传输信道上传送数据时，采用C-RNTI或U-RNTI标识UE。 提供高层PDU与传输块之间的复用或解复用。对专用信道的复用只能用于具有相同QoS参数的业务。 测量逻辑信道上业务量并向RRC报告，用于RRC决定是否切换传输信道类型。 根据RRC指示改变传输信道类型 对采用透明RLC模式传送的实时数据进行加密。 选择RACH或CPCH发送的接入业务类型。1) 逻辑信道MAC子层通过逻辑信道为上层提供不同类型的数据传送业务，逻辑信道分为控制信道和业务信道。控制信道传送控制面信息，业务信道传输用户面信息。控制信道： 广播控制信道(BCCH)：广播系统控制信息的下行信道。 寻呼控制信道(PCCH)：系统不知道UE位置(如UE处于空闲状态或URA_PCH状态时，系统不知道UE处于哪一个小区)或UE处于休眠时用于传送寻呼信息的下行信道。 公共控制信道(CCCH)：在网络与UE之间发送控制信息的双向信道。主要是在进入一个新的小区并使用公共传输信道的UE或没有建立RRC连接的UE使用。 专用控制信道(DCCH)：用于UE与网络间传送控制信息的点对点双向信道。DCCH通过RRC建立。 共享信道的控制信道(SHCCH)：传送共享信道控制信息。只用于TDD模式。业务信道： 专用业务信道(DTCH)：专用于传送一个UE的用户信息的点对点双向信道。 公共业务信道(CTCH)：用于传送所有或一组用户信息的点对多点下行信道。4.2.2 无线链路控制子层(RLC)无线链路控制子层(RLC)为业务数据提供分段与重组服务，RLC提供三种操作模式：透明模式(TM)、非确认模式(UM)和确认模式(AM)。RLC为除PDCP或BMC外的上层提供无线承载(RB)，并通过RRC配置；若使用PDCP或BMC为上层提供业务，则由PDCP或BMC提供无线承载。3GPP为RLC规定的功能包括以下几种： 分段与重组。把高层分组数据单元(PDU)分段装入RLC净荷单元(PU)或把RLC PU重组为PDU。 级联。当PDU小于RLC 业务数据单元(SDU)的大小时，可以把多个PDU同时装入SDU中。 纠错。RLC在确认模式下采用重发(ARQ)方式进行纠错。 保证上层PDU的顺序传送。 序列号检查和PDU丢弃。 重复检测，保证高层不会收到重复的PDU。 协议错误检测与恢复。 对非透明模式下数据的加密。 流量控制。4.2.3 分组数据汇聚子层(PDCP)分组数据汇聚子层(PDCP)只存在于用户面并提供给分组域的移动数据业务，从而使网络层协议(如IPv4、IPv6)的引入独立于UTRAN协议，为分组数据提供头压缩或解压缩、用户数据传送和支持无损S-RNC重定位(确认模式)。PDCP使用头部压缩可以提高信道的使用效率。PDCP对不同网路层协议采用不同头压缩方法，网络层使用的协议由PDP激活时指示，一个PDCP实体可以有多种压缩方法，头压缩的协议类型及相关参数由高层配置，PDCP通过分组标识 (PID) 区分不同类型的头压缩协议。目前的压缩方法有RFC2507。一个PDCP实体为只提供一个无线承载(RB)，并且PDCP实体与RLC实体一一对应。4.2.4 广播/组播控制子层(BMC)广播/组播控制子层(BMC)只存在于用户面，用于以无确认方式为公共用户数据提供广播或组播业务，BMC负责消息存储、调度和发送。Rel99版本中唯一使用BMC协议的是SMS小区广播业务。一个BMC实体对应一个小区，一个BMC实体需要RLC提供单个CTCH信道。4.3 Uu接口协议网络层(L3)Uu接口协议网络层(L3)由无线资源控制（RRC）和重复消除两个子层组成。重复消除子层位于CN内，用于避免Iu接口改变时数据的丢失和重复。因此，本节只对属于Uu接口的RRC的功能、信令无线承载和RRC状态进行讨论。RRC由四个逻辑实体构成，分别为路由功能实体(RFE)、寻呼与通知功能实体(PNFE)、专用控制功能实体(DCFE)和广播控制功能实体(BCFE)。RFE负责把NAS消息正确地路由给不同的接收实体 (MM/CM) 或CN域，DCFE传送与一个UE有关的所有功能，PNFEC处理空闲UE的寻呼，BCFE处理系统信息的广播。RRC属于控制面，负责利用RRC消息传送NAS信息 (CM、MM、SM)以及通过控制接口管理和对低层协议实体进行配置，RRC也控制处于连接状态下UE的移动性，如测量、小区更新和切换等。RRC为高层提供通用控制(GC)、通知(Nt)和专用控制(DC)三种业务接入点(SAP)，通过SAP为高层提供服务。4.3.1 RRC协议层功能RRC层处理大多数UE与UTRAN之间的控制信令，其主要完成以下功能： 广播两种消息：CN提供的非接入层(NAS)系统信息和与小区有关的接入层(AS)系统信息。 寻呼UE。 RRC连接、无线承载和无线资源的管理。 RRC连接的移动性管理。其负责对RRC连接移动性的评估、判决和执行。例如切换、小区重选和位置更新等。 报告UE的测量结果和对测量报告的控制。如控制UE的测量内容、测量方法和报告发送方式等。 外环功率控制。 加密控制。控制UE与UTRAN之间是否加密 RRC消息的完整性保护。通过在RRC消息中加入授权码实现。 在空闲模式下初始小区的选取与重选。 支持小区广播业务。4.3.2 RRC信令无线承载当RLC提供的无线承载(RB)用于传送RRC消息时就称为信令无线承载(SRB)。SRB传送的RRC消息主要有RRC产生的消息和高层产生的NAS消息两类，当RRC实体间需要建立信令连接时，通常会建立3到4个无确认模式(UM)或确认模式(AM)的信令无线承载(SRB)，其中2个SRB分别用于无确认模式和确认模式传送RRC产生的消息；再一个SRB用于传送高优先级的NAS消息；第四个SRB可选，用于传送低优先级的NAS消息。随后，根据需要建立多个使用透明传送模式(TM)传送RRC消息的SRB。一个RRC连接可以有一个或多个SRB，同一个RRC连接中的SRB可以使用不同RLC操作模式（RLC-UM、RLC-AM和RLC-TM）。当UE或UTRAN利用RLC不同模式（RLC-AM、RLC-UM或RLC-TM）在CCCH或DCCH上传送RRC消息时，信令无线承载根据以下原则选用： SRB0用于在CCCH上发送所有的消息，下行使用RLC-UM模式，上行使用RLC-TM模式。 SRB1采用RLC-UM模式在DCCH上发送所有RRC消息。 SRB2使用RLC-AM模式在DCCH上发送除携带NAS信息的RRC消息之外的所有消息。 SRB3或SRB4（可选）以RLC-AM模式在DCCH上发送携带NAS信息的RRC消息。 SRB531使用RLC-TM模式在DCCH发送RRC消息。 TDD模式下，当把在SHCCH中传送的RRC消息映射到具有最小传输信道号的RACH/USCH(上行)或FACH/DSCH（下行）中发送时，采用RLC-TM模式。 在CCCH或SHCCH中使用RLC-UM模式发送RRC消息时，RRC应该指示RLC启用专用RLC长度指示语。专用RLC长度指示语用于指示RLC SDU（Service Data Unit）在RLC PDU(Packet Data Unit)的起始位置。4.3.3 RRC状态UE与UTRAN之间如何交换信息以及能够交换哪些信息和系统存放的UE位置信息有关，即UE的RRC模式有关。UE有两个基本的RRC操作模式：空闲模式和连接模式。当UE开机后，UE首先搜索选择PLMN，然后选择合适的小区驻留，并使用该小区提供的各种业务，UE进入空闲模式，UE驻留小区就称为服务小区；空闲模式下的UE接收到系统的寻呼或UE收到上层请求建立RRC连接后，UE进入连接模式。UE在空闲模式和连接模式下各种状态的转移如图10所示。1) 图10 RRC状态转移RRC空闲模式在空闲模式下， UE位置信息只在核心网(CN)里保存(位置区信息LAI)而UTRAN中没有，UE只能通过非接入层标识符识别，如IMSI、P-TMSI和TMSI等；UE与UTRAN之间不能进行控制信息的交换和无线承载的建立。空闲模式的UE接收到系统的寻呼或UE收到上层请求建立RRC连接后，UE进入连接模式(Cell_FACH或Cell_DCH)，进入Cell_FACH还是Cell_DCH状态取决于需要传送的数据量、分组突发是否频繁。2) RRC连接模式在连接模式下，UTRAN拥有UE位置信息，并且为UE分配了一个无线网络临时标识符(RNTI)，用于在公共传输信道传送数据时UE的识别；而RRC连接模式下的四种状态反映了UE连接的层次和允许使用的传输信道。临时标识符(RNTI)分为u-RNTI、s-RNTI、c-RNTI和d-RNTI。u-RNTI有S-RNC ID和s-RNTI组成，用于已建立RRC连接的UE在第一次接入小区或者UTRAN发送的寻呼消息和寻呼响应消息中标识UE；s-RNTI由S-RNC分配并用于D-RNC搜索UE的S-RNC和S-RNC对UE的验证；c-RNTI是UE在接入一个新的小区时由C-RNC分配，其在接入小区中唯一，在同一个RNC，D-RNC知道d-RNTI与c-RNTI之间的关联关系，c-RNTI作为除DCCH和DTCH外所有公共信道内传送的消息中的UE识别符。RRC连接模式的四种状态分别为Cell_FACH、Cell_DCH、Cell_PCH和URA_PCH。RRC的四种状态具有以下特征： Cell_FACH状态Cell_FACH状态下的UE完成监听S-CCPCH上的所有FACH、测量、小区重选和周期更新等任务。此时，系统不分配任何专用信道给UE，UE与UTRAN之间通过公共信道(RACH、FACH和CPCH)传送信令消息和少量的用户数据，允许UE使用DCCH或DTCH。另外，系统可以预先配置DCH的参数。公共信道中的数据分组采用C-RNTI识别，周期性小区更新时使用U-RNTI，UTRAN知道UE所在的小区。当负荷增加或系统要求建立专用信道时，Cell_FACH状态转为Cell_DCH状态；当UE长