3G移动通信理论及应用 第10章

第10章TDSCDMA接口协议与信令流程10.1TDSCDMA移动通信系统10.2TDSCDMA移动通信系统信令流程

10.1

TDSCDMA移动通信系统接口协议

TDSCDMA系统的网络结构完全遵循3GPP指定的UMTS网络结构,可以分为通用地面无线接入网(UTRAN,UniversalTerrestrialRadioAccessNetwork)和核心网(CN,CoreNetwork)。

总体来讲,UMTS系统由用户设备(UE,UserEquipment)域、无线接入网(RAN)域和核心网(CN)域组成,如图10－1所示。图10－1UMTS域和参考点10.1.1UTRAN基本结构

1.UTRAN网络结构

在3GPPR4版本中,TDSCDMAUTRAN的结构可用图102表示。图10－2

UTRAN网络结构

UTRAN由基站控制器(RNC,RadioNetworkController)和基站(NodeB,也称BaseStation,简称BS)组成。

CN通过Iu接口与UTRAN的RNC相连。其中Iu接口又被分为连接到电路交换域的Iu-CS、连接到分组交换域的IuPS和连接到广播控制域的Iu-BC。

NodeB与RNC之间的接口叫做Iub接口。

在UTRAN内部,RNC通过Iur接口进行信息交互。Iur接口可以是RNC之间物理上的直接连接,也可以通过任何合适传输网络的虚拟连接来实现。

NodeB与UE之间的接口叫做Uu接口。

作为接入网,UTRAN的基本结构及其Iu、Iur和Iub等主要接口是TDSCDMA系统网络组成的基础。

2.基站(NodeB)

基站位于Uu接口和Iub接口之间。对于用户端而言,NodeB的主要功能是实现Uu接口的物理功能;对于网络端而言,NodeB的主要任务是通过使用为各种接口定义的协议

栈来实现Iub接口功能。

NodeB是由几个称为小区的逻辑实体组成的。小区是一个最小的无线网络实体,每个小区都有自己的识别号(小区ID),该识别号对每个UE都是公共可见的。当进行无线网络配置时,实际上就是对小区的数据信息进行更改。每个小区都有一个扰码,UE识别一个小区主要通过两个信息:扰码(进入小区就分配)和小区ID(用于无线网络拓扑结构)。

3.无线网络控制器(RNC)

无线网络控制器(RNC)是UTRAN的交换和控制元素。RNC位于Iub和Iu接口之间,也可能会有第三个接口Iur,主要用于RNS间的连接。

RNC的整个功能可以分为两部分:UTRAN无线资源管理(RRM,RadioResourceManagement)和控制功能。UTRANRRM是一系列算法的集合,主要用于保持无线传播

的稳定性和无线连接的QoS。UTRAN控制功能包含了所有和无线承载(RB,RadioBearer)的建立、保持和释放相关的功能,这些功能能够支持RRM算法。

CRNC:ControllingRNC,控制RNC。RNC把NodeB看成两个实体:公共传输和基站通信内容集合体。在RNC中控制这些功能的部分称为CRNC。

SRNC:ServingRNC,服务RNC。SRNC负责启动/终止用户数据的传送、控制和核心网的Iu连接,以及通过无线接口协议和UE进行信令交互。SRNC执行基本的无线资源管理操作。用户专用信道上的数据调度由SRNC完成,而公共信道上的数据调度在CRNC中进行。

DRNC:DriftRNC,漂移RNC。DRNC是指除SRNC以外的其他RNC,控制UE使用的小区资源,可以进行宏分集合并、分裂。和SRNC不同的是,DRNC不对用户平面的数据进行数据链路层的处理,而在Iub和Iur接口间进行透明的数据传输。一个UE可以有一个或多个DRNC。

需要指出的是,以上三个概念只是从逻辑上进行描述的。在实际中,一个RNC通常可以包含SRNC、DRNC和CRNC的功能,这几个概念是从不同层次上对RNC的一种描述。

SRNC和DRNC是针对一个具体的UE和UTRAN的连接,从专用数据处理的角度进行区分的;而CRNC却是从管理整个小区公共资源的角度出发派生的概念。10.1.2UTRAN接口协议模型

1.接入层和非接入层

接入层和非接入层的概念是针对UE与核心网的通信来说的。接入层通过服务接入点(SAP)承载上层的业务;非接入层信令属于核心网功能,作用是在UE和核心网之间传递

消息或用户数据,如图10－3所示。图10－3接入层和非接入层

2.控制面和用户面

在UTRAN系统中,无线网络层每个接口上都有用户面和控制面,其作用分别如下:

(1)控制面的作用:控制无线接入承载及UE和网络之间的连接;透明传输非接入层消息。

(2)用户面的作用:传输通过接入网的用户数据。无线网络层每个接口的控制面协议如下:

(1)Iu接口:RANAP(RadioAccessNetworkApplicationProtocol)协议。

(2)Iur接口:RANSAP(RadioAccessNetworkSubsystemApplicationProtocol)协议。

(3)Iub接口:NBAP(NodeBApplicationProtocol)协议。

(4)Uu接口:RRC(RadioResourceControl)协议。

所有无线网络层的用户面数据和控制面数据都是传输网络层的用户面。传输网络层的控制面协议是ALCAP(AccessLinkControlApplicationProtocol)。

3.UTRAN地面接口的通用协议模型

UTRAN地面接口的通用协议模型如图104所示。

从图104上可以看到,UTRAN层从水平方向上可以分为传输网络层和无线网络层,从垂直方向上则包括四个平面。

(1)控制平面:包含应用层协议,如RANAP、RASAP、NBAP和传输网络层应用协议的信令承载。

(2)用户平面:用户收发的所有信息,例如语音和分组数据,都得经过用户平面传输。

用户平面包括数据流和相应的承载,每个数据流的特征都由一个和多个接口的帧协议来描述。图10－4UTRAN地面接口的通用协议模型

(3)传输网络层控制平面:为传输层内的所有控制信令服务,不包含任何无线网络层信息。它包括为用户平面建立传输承载(数据承载)的ALCAP,以及ALCAP需要的信令承载。

传输网络层控制平面位于控制平面和用户平面之间,它的引入使无线网络层控制平面的应用协议与用户平面中为数据承载而采用的技术之间可以完全独立。

使用传输网络层控制平面的时候,无线网络层用户平面中数据承载的传输建立方式如下:对无线网络层控制平面的应用协议进行一次信令处理,通过ALCAP建立数据承载。

另外值得注意的是:ALCAP不一定用于所有类型的数据承载,如果没有ALCAP的信令处理,传输网络层控制平面就没有存在的必要。在这种情况下,我们采用预先配置的数据承载。

(4)传输网络层用户平面:用户平面的数据承载和控制平面的信令承载都属于传输网络层的用户平面。传输网络层用户平面的数据承载在实时操作期间由传输网络层控制平面

直接控制。

4.UTRAN地面接口

UTRAN地面接口即有线接口,包含三种类型的接口:Iu口、Iub口以及Iur口。

(1)Iu口:Iu口是连接UTRAN和CN的接口,也可以看成是RNS和核心网之间的一个参考点。它将系统分成两部分:用于无线通信的UTRAN,负责处理交换、路由和业务控制的核心网。

结构:一个CN可以和几个RNC相连,而任何一个RNC和CN之间的Iu接口可以分成三个域:电路交换域(IuCS)、分组交换域(IuPS)和广播域(IuBC),它们有各自的协议模型。

功能:Iu接口主要负责传递非接入层的控制信息、用户信息、广播信息及控制Iu接口上的数据传递等。

(2)Iub口:Iub接口是RNC和NodeB之间的逻辑接口,它是一个标准接口,允许不同厂家的设备互连。

标准的Iub接口由用户数据传送、用户数据及信令的处理和NodeB逻辑上的O&M等三部分组成。

功能:管理Iub接口的传输资源、NodeB逻辑操作维护、传输操作维护信令、系统信息管理、专用信道控制、公共信道控制和定时以及同步管理。

(3)Iur口:Iur接口是两个RNC之间的逻辑接口,用来传送RNC之间的控制信令和用户数据。它是一个标准接口,允许不同厂家的设备互连。

功能:Iur口是Iub口的延伸。它支持基本的RNC之间的移动性、公共信道业务、专用信道业务和系统管理过程。

5.空中接口Uu

移动终端和接入网之间的接口Uu通常也称为空中接口。图10－5所示为TD－SCDMA移动通信系统空中接口协议结构。图10－5Uu接口协议结构

L1连接L2的媒体接入控制(MAC)子层和L3的无线资源控制(RRC)子层。物理层通过SAP向MAC子层提供不同的传输信道,传输信道描述的是信息如何在空中接口上传输,信息在无线接口上的传输方式决定了传输信道的特性。MAC子层通过SAP向无线链路控制(RLC)子层提供不同的逻辑信道,逻辑信道描述的是传送何种类型的信息。传输信息的类型决定了逻辑信道的特性。物理信道在物理层定义,用于承载传输信道的消息,一个物理信道由码、频率和时隙共同决定。

L2的控制平面中包括媒体接入控制MAC和无线链路控制RLC两个子层。在用户平面除MAC和RLC外,还有分组数据会聚协议PDCP和广播/多播控制协议BMC。10.1.3Iu口相关协议

图10－6Iu口逻辑结构图10－7Iu－CS接口协议结构图10-8IuPS接口协议结构

Iu口的重点协议如下:

(1)RANAP(无线接入网络应用部分协议):是Iu口控制面最重要的协议,主要实现在RNC和CN之间通过对高层协议的封装和承载为上层业务提供信令传输功能。它具体包括Iu口的信令管理、RAB管理、寻呼功能、UE-CN信令直传功能等。

(2)Iu-UP(Iu口用户面协议):主要用于在Iu接口传递RAB相关的数据,包括透明和支持两种模式。前者用于实时性不高的业务(如分组业务),后者用于实时业务(如Iu-CS的AMR语音数据)。

(3)ALCAP(接入链路控制应用部分协议):主要对无线网络层的命令如建立、保持和释放数据承载做出反应,实现对用户面AAL2连接的动态建立、维护、释放和控制等功能。10.1.4Iub口相关协议

1.NodeB逻辑模型

NodeB的逻辑模型由小区、公共传输信道及其传输端口、NodeB通信上下文及其对应的DSCH、DCH等端口、NodeB控制端口NCP以及通信控制端口CCP等几部分组成。

NodeB通信上下文及其对应的DSCH、DCH端口属于与特定用户业务相关的部分。

一个NodeB上仅有一条NCP链路,RNC对NodeB所有的公用的控制信令都是从NCP链路传送的。在对NodeB进行任何操作维护控制之前,一定先要建立这条链路。

一个NodeB可以有多条CCP链路,RNC对NodeB所有的专用的控制信令都是从CCP链路传送的。一般情况下,NodeB内的一个CELL配置一个通信控制端口CCP(这种配置方式只是一个惯例,并不确定)。

2.Iub口相关协议

Iub口控制面的高层协议是NBAP(基站应用部分协议),用户面则由若干帧协议(FP)构成,其协议结构如图10－9所示。图10－9Iub接口协议结构10.1.5Uu口协议结构

1.Uu口协议结构图10－10Uu口协议结构

(1)PHY:传输信道到物理信道的映射。

(2)MAC:逻辑信道到传输信道的映射,提供数据传输服务,主要包括MAC-b、MAC-c、MAC-d三种实体。

(3)RLC:提供用户和控制数据的分段和重传服务,分为透明传输TM、非确认传输UM、确认传输AM三类服务。

(4)PDCP:提供分组数据传输服务,只针对PS业务,完成IP标头的数据压缩。

(5)BMC:在用户平面提供广播多播的发送服务,用于将来自于广播域的广播和多播业务适配到空中接口。

(6)RRC:提供系统信息广播、寻呼控制、RRC连接控制等功能。

2.UE的工作模式

UE有两种基本的工作模式,各自处在不同的RRC状态中。

(1)空闲模式:UE处于待机(Idle)状态,没有业务的存在,UE和UTRAN之间没有连接,UTRAN内没有任何有关此UE的信息。

(2)连接模式:当UE完成RRC连接建立时,UE才从空闲模式转移到连接模式。在连接模式下,UE有四种状态:Cell-DCH、Cell-FACH、Cell-PCH、URA-PCH。

UE的状态基本是按照UE使用的信道来定义的。

(1)CELL_DCH状态是UE占有专用的物理信道。UTRAN准确地知道UE位于哪个小区。

(2)CELL_FACH状态是UE在数据量小的情况下不使用任何专用信道而使用公共信道:上行使用RACH,下行使用FACH。这个状态下UE可以发起小区重选过程,且

UTRAN可以确知UE位于哪个小区。

(3)CELL_PCH状态下UE仅仅侦听PCH和BCH信道。这个状态下UE可以进行小区重选,重选时转入CELL_FACH状态,发起小区更新,之后再回到CELL_PCH状态。网络可以确知UE位于哪个小区。

(4)URA_PCH状态和CELL_PCH状态相似,但网络只知道UE位于哪个注册(URA)区。CELL_PCH和URA_PCH状态的引入是为了使UE能够始终处于在线状态而又不至于浪费无线资源。

10.2TD－SCDMA移动通信系统信令流程10.2.1小区建立过程小区建立过程是指NodeB与RRC之间通过多次交互建立小区的过程,其交互流程如图10－11所示。图10－11小区建立过程10.2.2UE呼叫过程

UE呼叫的全过程如图10-12所示,主要包括小区搜索、位置更新、待机准备和CS域呼叫等过程。其中涉及到的小区搜索、上行同步与随机接入等具体过程参见2.5节。图10－12呼叫过程

1.小区搜索和小区选择

小区搜索和小区选择是用户(UE)开机后首先完成的动作,它主要完成以下功能:

(1)测量TDD频带内各载频的宽带功率;

(2)在DwPTS时隙搜索下行同步码SYNCDL;

(3)确定小区使用的Midamble码;

(4)建立P－CCPCH同步;

(5)读取BCH得到系统消息(接入层和非接入层);

(6)判断决定是否选择当前小区。2.位置更新图10－13位置更新过程

3.待机及呼叫准备

完成位置更新后,UE的位置信息登记到网络侧,UE进入待机状态(RRC处于Idle状