LTE系统RRC层研究及设计*

【摘要】文章分析了lte协议栈RRC层功能及RRC过程,针对LTE RRC层的管理机制及其特性提出了一种LTE RRC层协议参考实现方案。测试表明,该系统能够灵活地完成rrc层的各项功能,并具有良好的可扩展性。

【关键词】LTERRC连接控制RRC PDU

1 引言

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,3GPP组织于2004年底启动了长期演进计划(LTE,Long Term Evolution)。LTE作为3G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E3G移动通信技术标准。

LTE接入网协议栈在逻辑上分为控制面和用户面[1],其中无线资源控制(RRC,Radio Resource Control)层为协议栈的控制面主体。与传统的3GPP接入网相比,LTE采用了由单层eNodeB(eNB,E-UTRAN Node B)节点组网的扁平化架构,RRC层需要实现原有RNC中大部分功能[2]。由此可知,RRC控制功能对LTE系统的性能和行为有着重要影响,且RRC层控制功能较3G网络更为复杂。RRC层的研究和设计对LTE系统的实现具有重要意义。

2 LTE RRC层研究

如图1所示,LTE协议栈控制面包括物理(PHY)层、媒体接入控制(MAC)层、无线链路控制(RLC)层、分组数据汇聚协议(PDCP)层和RRC层[3]。RRC层作为整个LTE系统的控制实体,完成广播、寻呼、信息安全、无线承载管理、切换和测量管理等功能,并在此过程中对下层协议的行为进行控制。

图1 LTE控制面协议层次划分

2.1 RRC过程分析

RRC过程是UE与eNB的RRC层通过一组消息进行交互的过程,通过此类过程实现RRC对整个协议栈的管理和控制。根据功能范围的不同,RRC过程分为系统信息的获取、RRC连接控制、测量和移动性管理过程[4]。

(1)系统信息获取

系统信息(SI,System Information)是由eNB端的RRC层通过广播的方式发给UE的与整个通信系统相关的一些系统级参数,包括具有固定调度周期的SI和动态调度周期的SI。UE需维护SI窗口以接收SI消息,在不同场景下获取不同的SI作为进行其后续行为的决策依据。

(2)连接控制

LTE使用无线承载(RB,Radio Bearer)分段映射的QoS体系结构,映射到相同RB上的服务数据流具有相同的传送等级,因而LTE系统通过RB实现了无线资源管理。连接控制过程即LTE系统中对RB控制的具体方式,实现了对数据无线承载(DRB,Data Radio Bearer)和信令无线承载(SRB,Signal Radio Bearer)的管理。

连接控制包括寻呼、安全激活、连接(重)建立、配置和释放过程:寻呼过程是网络向跟踪区域内处于RRC空闲状态的UE发寻呼消息,触发UE建立SRB1的过程。安全激活过程是在UE与网络之间建立SRB1后,网络对UE的完整性保护和加密算法进行激活和配置。RRC连接建立过程是UE与eNB之间通过信令交互建立SRB1的过程。RRC连接重建立过程是UE端在无线链路出现问题或切换失败后,发起的重新建立SRB1的过程。RRC连接配置过程是对eNB的管理过程,也可作为UE进行HO(Handover,切换)的触发过程。RRC连接释放是UE释放与eNB相关的所有RB并回到空闲状态的过程。

(3)测量

为了支持LTE系统的移动性,UE执行测量过程并向eNB报告测量结果。RRC层根据服务小区信道质量和测量目标决策需要测量的邻小区,在获得测量结果后根据配置报告测量结果。

(4)移动性管理

RRC层的移动性管理即切换管理,源eNB根据UE的测量报告选取最优目标eNB,通过X2接口与其进行信息交换后通知UE开始切换,UE通过随机接入过程接入到目标eNB。

2.2 RRC层管理机制

RRC层对RRC过程的管理和对下层的管理是统一的,即RRC层在RRC过程的执行中,完成对下层的管理和控制。

RRC在不同的场景下会触发不同的RRC过程,在RRC过程的执行中,不同的条件又会导致对下层的不同控制。如图2所示,RRC通过连接(重)建立、连接配置和释放过程实现对RB的建立、修改和释放;通过连接配置过程控制下层机制和行为,例如半静态调度或传输时间间隙绑定的启用、测量和切换过程的执行等。另外RRC通过SI获取过程、安全激活过程对下层的基本参数进行配置,例如PDCP层的安全模式配置、MAC层和物理层的基本配置。

图2RRC层管理机制

RRC层在RRC过程的执行中,实现了对下层的管理。因此在设计RRC系统中,需要考虑RRC过程管理和下层管理的协调实现。

3 LTE RRC层设计

3.1 LTE RRC系统设计需求

在对LTE RRC层协议栈进行分析和研究的基础上,RRC系统应遵循以下特性:第一,RRC系统具有并行性,即RRC过程的执行并不独占系统;其次,RRC系统具有事务性,即在RRC过程失败后,系统需要恢复到会话前的状态;第三,RRC系统具有实时性,即系统能实时地处理上下层和系统内部的事件。

针对上述特性,我们分析了RRC系统需求,如图3所示:

图3RRC系统需求示意图

RRC系统需要事件检测机制以保证对上下层和系统内部事件处理的实时性;需要决策机制来综合考虑当前触发事件、系统状态和RRC过程的并行性;需要数据和系统状态的存储机制,并为其提供回滚机制;此外,RRC系统需要执行各RRC过程的实体来保证RRC过程的正确性。

3.2 LTE RRC系统设计

(1)RRC系统设计

RRC系统根据上述需求进行设计,如图4所示,将RRC系统划分为下列子系统:

RRC控制子系统;

RRC过程处理子系统;

RRC核心数据管理子系统;

RRC协议数据单元(PDU)处理子系统。

①RRC控制子系统

RRC控制子系统通过事件监测、决策处理、定时器管理和状态管理四个模块的协作,完成RRC系统对整个协议栈的有机管理,保证RRC系统的有序运行。

事件监测模块

事件监测模块实时地监测RRC消息、上下层的事件和定时器超时事件,待决策处理完成当前事务后将事件按序递交给决策处理模块。

决策处理模块

决策处理模块对事件监测模块所提供的事件进行分析并做出决策,触发不同的RRC过程。该模块还监测RRC过程执行中的状态信息,一方面对于不成功的RRC过程提供状态恢复功能,保证了系统的事务性;另一方面可为后续的RRC事件决策提供依据,保证系统的并行性。

定时器管理模块

定时器管理模块负责组织整个RRC系统中的定时器,并提供查询定时器状态、启动和停止定时器的功能。由于各RRC过程都涉及到定时器的操作,若采用分散式管理易出现定时器互斥问题,因此使用定时器管理模块作为整个RRC系统的定时器管理部件。

状态管理模块

状态管理模块维护RRC状态,提供查询和修改当前状态的功能,并在RRC状态改变时进行相应处理。状态管理模块应保证状态转换过程的原子性,即保证转换过程发生错误后,恢复到转换前的状态。

②RRC过程处理子系统

RRC过程处理子系统负责执行前文所述的RRC过程。该子系统包括SI管理、寻呼管理、RRC连接(重)建立、安全激活、RRC连接配置、RRC连接释放、小区(重)选择块、测量管理等模块。

SI管理模块负责维护SI窗口、获取SI消息,并使用核心数据管理子系统提供的功能将SI存储于核心数据结构中。

寻呼管理模块根据RRC状态的不同对寻呼消息区别处理。该模块查看寻呼消息中的SI改变指示并触发SI更新过程;在查看SI更新指示的同时,检测寻呼记录。

如图5所示,RRC连接(重)建立模块通过与多个模块的协作完成RRC连接(重)建立过程。在此过程中,完成对PDCP、MAC和PHY的配置。

图5RRC连接(重)建立模块示意图

安全激活模块根据RRC消息对PDCP层进行安全功能的激活和配置。该模块也具有安全配置的回滚功能。

RRC连接配置模块完成连接配置过程,在分析处理RRC连接配置消息后,分别对不同的IE做出相应处理。该模块也提供回滚机制。

RRC连接释放模块负责释放所有RRC连接并改变UE的状态。

切换模块根据HO命令执行HO过程,包括对PHY、MAC、RLC和PDCP进行配置、触发随机接入过程等。同时提供HO失败后的回滚机制。

测量管理模块根据底层测量结果和配置信息,通过测量执行、测量评估和测量报告三个阶段完成测量过程。

③RRC核心数据管理子系统

RRC核心数据管理子系统保存系统信息、RRC处理过程中的配置信息以及在整个RRC系统运行过程中的全局信息,并向其它模块提供查询、修改和删除这些信息的功能,保证系统对信息处理的一致性。

④RRC协议数据单元处理子系统

RRC协议数据单元(PDU,Protocol Data Unit)处理子系统包含RRC PDU构造和解析模块以及RRC PDU收发模块两部分。

RRC PDU构造和解析模块根据ASN.1标准规定的格式,将输入的RRC消息内容构造为RRC PDU,将接收到的RRC PDU解析为具体的信息。

RRC PDU收发模块将收到的PDCP PDU递交给事件监测模块,将要发送的RRC PDU递交至下层。

(2)功能测试

根据本文所提出的RRC系统架构,我们实现了终端的RRC系统,目前该系统已成功运行于整个LTE协议栈系统中。测试表明,RRC系统支持实时地接收并处理上下层事件,触发相应的RRC过程,支持RRC连接建立、配置、重配置、释放功能,支持安全激活、移动性管理和测量管理功能。

4 总结与展望

本文对LTE RRC层协议进行深入分析,在此基础上,设计了RRC系统。该系统具有并行性、事务性和实时性等特点。下一步的工作是基于LTE QoS体系结构,研究无线承载控制(RBC,Radio Bearer Control)和动态资源分配(DRA,Dynamic Resource Allocation)等关键技术,完善现有RRC系统的无线资源控制功能。