3G移動通信理論及應用 第10章

第10章TDSCDMA接口協(xié)議與信令流程10.1TDSCDMA移動通信系統(tǒng)10.2TDSCDMA移動通信系統(tǒng)信令流程

10.1

TDSCDMA移動通信系統(tǒng)接口協(xié)議

TDSCDMA系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構完全遵循3GPP指定的UMTS網(wǎng)絡結構,可以分為通用地面無線接入網(wǎng)(UTRAN,UniversalTerrestrialRadioAccessNetwork)和核心網(wǎng)(CN,CoreNetwork)。

總體來講,UMTS系統(tǒng)由用戶設備(UE,UserEquipment)域、無線接入網(wǎng)(RAN)域和核心網(wǎng)(CN)域組成,如圖10－1所示。圖10－1UMTS域和參考點10.1.1UTRAN基本結構

1.UTRAN網(wǎng)絡結構

在3GPPR4版本中,TDSCDMAUTRAN的結構可用圖102表示。圖10－2

UTRAN網(wǎng)絡結構

UTRAN由基站控制器(RNC,RadioNetworkController)和基站(NodeB,也稱BaseStation,簡稱BS)組成。

CN通過Iu接口與UTRAN的RNC相連。其中Iu接口又被分為連接到電路交換域的Iu-CS、連接到分組交換域的IuPS和連接到廣播控制域的Iu-BC。

NodeB與RNC之間的接口叫做Iub接口。

在UTRAN內(nèi)部,RNC通過Iur接口進行信息交互。Iur接口可以是RNC之間物理上的直接連接,也可以通過任何合適傳輸網(wǎng)絡的虛擬連接來實現(xiàn)。

NodeB與UE之間的接口叫做Uu接口。

作為接入網(wǎng),UTRAN的基本結構及其Iu、Iur和Iub等主要接口是TDSCDMA系統(tǒng)網(wǎng)絡組成的基礎。

2.基站(NodeB)

基站位于Uu接口和Iub接口之間。對于用戶端而言,NodeB的主要功能是實現(xiàn)Uu接口的物理功能;對于網(wǎng)絡端而言,NodeB的主要任務是通過使用為各種接口定義的協(xié)議

棧來實現(xiàn)Iub接口功能。

NodeB是由幾個稱為小區(qū)的邏輯實體組成的。小區(qū)是一個最小的無線網(wǎng)絡實體,每個小區(qū)都有自己的識別號(小區(qū)ID),該識別號對每個UE都是公共可見的。當進行無線網(wǎng)絡配置時,實際上就是對小區(qū)的數(shù)據(jù)信息進行更改。每個小區(qū)都有一個擾碼,UE識別一個小區(qū)主要通過兩個信息:擾碼(進入小區(qū)就分配)和小區(qū)ID(用于無線網(wǎng)絡拓撲結構)。

3.無線網(wǎng)絡控制器(RNC)

無線網(wǎng)絡控制器(RNC)是UTRAN的交換和控制元素。RNC位于Iub和Iu接口之間,也可能會有第三個接口Iur,主要用于RNS間的連接。

RNC的整個功能可以分為兩部分:UTRAN無線資源管理(RRM,RadioResourceManagement)和控制功能。UTRANRRM是一系列算法的集合,主要用于保持無線傳播

的穩(wěn)定性和無線連接的QoS。UTRAN控制功能包含了所有和無線承載(RB,RadioBearer)的建立、保持和釋放相關的功能,這些功能能夠支持RRM算法。

CRNC:ControllingRNC,控制RNC。RNC把NodeB看成兩個實體:公共傳輸和基站通信內(nèi)容集合體。在RNC中控制這些功能的部分稱為CRNC。

SRNC:ServingRNC,服務RNC。SRNC負責啟動/終止用戶數(shù)據(jù)的傳送、控制和核心網(wǎng)的Iu連接,以及通過無線接口協(xié)議和UE進行信令交互。SRNC執(zhí)行基本的無線資源管理操作。用戶專用信道上的數(shù)據(jù)調(diào)度由SRNC完成,而公共信道上的數(shù)據(jù)調(diào)度在CRNC中進行。

DRNC:DriftRNC,漂移RNC。DRNC是指除SRNC以外的其他RNC,控制UE使用的小區(qū)資源,可以進行宏分集合并、分裂。和SRNC不同的是,DRNC不對用戶平面的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)鏈路層的處理,而在Iub和Iur接口間進行透明的數(shù)據(jù)傳輸。一個UE可以有一個或多個DRNC。

需要指出的是,以上三個概念只是從邏輯上進行描述的。在實際中,一個RNC通常可以包含SRNC、DRNC和CRNC的功能,這幾個概念是從不同層次上對RNC的一種描述。

SRNC和DRNC是針對一個具體的UE和UTRAN的連接,從專用數(shù)據(jù)處理的角度進行區(qū)分的;而CRNC卻是從管理整個小區(qū)公共資源的角度出發(fā)派生的概念。10.1.2UTRAN接口協(xié)議模型

1.接入層和非接入層

接入層和非接入層的概念是針對UE與核心網(wǎng)的通信來說的。接入層通過服務接入點(SAP)承載上層的業(yè)務;非接入層信令屬于核心網(wǎng)功能,作用是在UE和核心網(wǎng)之間傳遞

消息或用戶數(shù)據(jù),如圖10－3所示。圖10－3接入層和非接入層

2.控制面和用戶面

在UTRAN系統(tǒng)中,無線網(wǎng)絡層每個接口上都有用戶面和控制面,其作用分別如下:

(1)控制面的作用:控制無線接入承載及UE和網(wǎng)絡之間的連接;透明傳輸非接入層消息。

(2)用戶面的作用:傳輸通過接入網(wǎng)的用戶數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)絡層每個接口的控制面協(xié)議如下:

(1)Iu接口:RANAP(RadioAccessNetworkApplicationProtocol)協(xié)議。

(2)Iur接口:RANSAP(RadioAccessNetworkSubsystemApplicationProtocol)協(xié)議。

(3)Iub接口:NBAP(NodeBApplicationProtocol)協(xié)議。

(4)Uu接口:RRC(RadioResourceControl)協(xié)議。

所有無線網(wǎng)絡層的用戶面數(shù)據(jù)和控制面數(shù)據(jù)都是傳輸網(wǎng)絡層的用戶面。傳輸網(wǎng)絡層的控制面協(xié)議是ALCAP(AccessLinkControlApplicationProtocol)。

3.UTRAN地面接口的通用協(xié)議模型

UTRAN地面接口的通用協(xié)議模型如圖104所示。

從圖104上可以看到,UTRAN層從水平方向上可以分為傳輸網(wǎng)絡層和無線網(wǎng)絡層,從垂直方向上則包括四個平面。

(1)控制平面:包含應用層協(xié)議,如RANAP、RASAP、NBAP和傳輸網(wǎng)絡層應用協(xié)議的信令承載。

(2)用戶平面:用戶收發(fā)的所有信息,例如語音和分組數(shù)據(jù),都得經(jīng)過用戶平面?zhèn)鬏敗?/p>

用戶平面包括數(shù)據(jù)流和相應的承載,每個數(shù)據(jù)流的特征都由一個和多個接口的幀協(xié)議來描述。圖10－4UTRAN地面接口的通用協(xié)議模型

(3)傳輸網(wǎng)絡層控制平面:為傳輸層內(nèi)的所有控制信令服務,不包含任何無線網(wǎng)絡層信息。它包括為用戶平面建立傳輸承載(數(shù)據(jù)承載)的ALCAP,以及ALCAP需要的信令承載。

傳輸網(wǎng)絡層控制平面位于控制平面和用戶平面之間,它的引入使無線網(wǎng)絡層控制平面的應用協(xié)議與用戶平面中為數(shù)據(jù)承載而采用的技術之間可以完全獨立。

使用傳輸網(wǎng)絡層控制平面的時候,無線網(wǎng)絡層用戶平面中數(shù)據(jù)承載的傳輸建立方式如下:對無線網(wǎng)絡層控制平面的應用協(xié)議進行一次信令處理,通過ALCAP建立數(shù)據(jù)承載。

另外值得注意的是:ALCAP不一定用于所有類型的數(shù)據(jù)承載,如果沒有ALCAP的信令處理,傳輸網(wǎng)絡層控制平面就沒有存在的必要。在這種情況下,我們采用預先配置的數(shù)據(jù)承載。

(4)傳輸網(wǎng)絡層用戶平面:用戶平面的數(shù)據(jù)承載和控制平面的信令承載都屬于傳輸網(wǎng)絡層的用戶平面。傳輸網(wǎng)絡層用戶平面的數(shù)據(jù)承載在實時操作期間由傳輸網(wǎng)絡層控制平面

直接控制。

4.UTRAN地面接口

UTRAN地面接口即有線接口,包含三種類型的接口:Iu口、Iub口以及Iur口。

(1)Iu口:Iu口是連接UTRAN和CN的接口,也可以看成是RNS和核心網(wǎng)之間的一個參考點。它將系統(tǒng)分成兩部分:用于無線通信的UTRAN,負責處理交換、路由和業(yè)務控制的核心網(wǎng)。

結構:一個CN可以和幾個RNC相連,而任何一個RNC和CN之間的Iu接口可以分成三個域:電路交換域(IuCS)、分組交換域(IuPS)和廣播域(IuBC),它們有各自的協(xié)議模型。

功能:Iu接口主要負責傳遞非接入層的控制信息、用戶信息、廣播信息及控制Iu接口上的數(shù)據(jù)傳遞等。

(2)Iub口:Iub接口是RNC和NodeB之間的邏輯接口,它是一個標準接口,允許不同廠家的設備互連。

標準的Iub接口由用戶數(shù)據(jù)傳送、用戶數(shù)據(jù)及信令的處理和NodeB邏輯上的O&M等三部分組成。

功能:管理Iub接口的傳輸資源、NodeB邏輯操作維護、傳輸操作維護信令、系統(tǒng)信息管理、專用信道控制、公共信道控制和定時以及同步管理。

(3)Iur口:Iur接口是兩個RNC之間的邏輯接口,用來傳送RNC之間的控制信令和用戶數(shù)據(jù)。它是一個標準接口,允許不同廠家的設備互連。

功能:Iur口是Iub口的延伸。它支持基本的RNC之間的移動性、公共信道業(yè)務、專用信道業(yè)務和系統(tǒng)管理過程。

5.空中接口Uu

移動終端和接入網(wǎng)之間的接口Uu通常也稱為空中接口。圖10－5所示為TD－SCDMA移動通信系統(tǒng)空中接口協(xié)議結構。圖10－5Uu接口協(xié)議結構

L1連接L2的媒體接入控制(MAC)子層和L3的無線資源控制(RRC)子層。物理層通過SAP向MAC子層提供不同的傳輸信道,傳輸信道描述的是信息如何在空中接口上傳輸,信息在無線接口上的傳輸方式?jīng)Q定了傳輸信道的特性。MAC子層通過SAP向無線鏈路控制(RLC)子層提供不同的邏輯信道,邏輯信道描述的是傳送何種類型的信息。傳輸信息的類型決定了邏輯信道的特性。物理信道在物理層定義,用于承載傳輸信道的消息,一個物理信道由碼、頻率和時隙共同決定。

L2的控制平面中包括媒體接入控制MAC和無線鏈路控制RLC兩個子層。在用戶平面除MAC和RLC外,還有分組數(shù)據(jù)會聚協(xié)議PDCP和廣播/多播控制協(xié)議BMC。10.1.3Iu口相關協(xié)議

圖10－6Iu口邏輯結構圖10－7Iu－CS接口協(xié)議結構圖10-8IuPS接口協(xié)議結構

Iu口的重點協(xié)議如下:

(1)RANAP(無線接入網(wǎng)絡應用部分協(xié)議):是Iu口控制面最重要的協(xié)議,主要實現(xiàn)在RNC和CN之間通過對高層協(xié)議的封裝和承載為上層業(yè)務提供信令傳輸功能。它具體包括Iu口的信令管理、RAB管理、尋呼功能、UE-CN信令直傳功能等。

(2)Iu-UP(Iu口用戶面協(xié)議):主要用于在Iu接口傳遞RAB相關的數(shù)據(jù),包括透明和支持兩種模式。前者用于實時性不高的業(yè)務(如分組業(yè)務),后者用于實時業(yè)務(如Iu-CS的AMR語音數(shù)據(jù))。

(3)ALCAP(接入鏈路控制應用部分協(xié)議):主要對無線網(wǎng)絡層的命令如建立、保持和釋放數(shù)據(jù)承載做出反應,實現(xiàn)對用戶面AAL2連接的動態(tài)建立、維護、釋放和控制等功能。10.1.4Iub口相關協(xié)議

1.NodeB邏輯模型

NodeB的邏輯模型由小區(qū)、公共傳輸信道及其傳輸端口、NodeB通信上下文及其對應的DSCH、DCH等端口、NodeB控制端口NCP以及通信控制端口CCP等幾部分組成。

NodeB通信上下文及其對應的DSCH、DCH端口屬于與特定用戶業(yè)務相關的部分。

一個NodeB上僅有一條NCP鏈路,RNC對NodeB所有的公用的控制信令都是從NCP鏈路傳送的。在對NodeB進行任何操作維護控制之前,一定先要建立這條鏈路。

一個NodeB可以有多條CCP鏈路,RNC對NodeB所有的專用的控制信令都是從CCP鏈路傳送的。一般情況下,NodeB內(nèi)的一個CELL配置一個通信控制端口CCP(這種配置方式只是一個慣例,并不確定)。

2.Iub口相關協(xié)議

Iub口控制面的高層協(xié)議是NBAP(基站應用部分協(xié)議),用戶面則由若干幀協(xié)議(FP)構成,其協(xié)議結構如圖10－9所示。圖10－9Iub接口協(xié)議結構10.1.5Uu口協(xié)議結構

1.Uu口協(xié)議結構圖10－10Uu口協(xié)議結構

(1)PHY:傳輸信道到物理信道的映射。

(2)MAC:邏輯信道到傳輸信道的映射,提供數(shù)據(jù)傳輸服務,主要包括MAC-b、MAC-c、MAC-d三種實體。

(3)RLC:提供用戶和控制數(shù)據(jù)的分段和重傳服務,分為透明傳輸TM、非確認傳輸UM、確認傳輸AM三類服務。

(4)PDCP:提供分組數(shù)據(jù)傳輸服務,只針對PS業(yè)務,完成IP標頭的數(shù)據(jù)壓縮。

(5)BMC:在用戶平面提供廣播多播的發(fā)送服務,用于將來自于廣播域的廣播和多播業(yè)務適配到空中接口。

(6)RRC:提供系統(tǒng)信息廣播、尋呼控制、RRC連接控制等功能。

2.UE的工作模式

UE有兩種基本的工作模式,各自處在不同的RRC狀態(tài)中。

(1)空閑模式:UE處于待機(Idle)狀態(tài),沒有業(yè)務的存在,UE和UTRAN之間沒有連接,UTRAN內(nèi)沒有任何有關此UE的信息。

(2)連接模式:當UE完成RRC連接建立時,UE才從空閑模式轉移到連接模式。在連接模式下,UE有四種狀態(tài):Cell-DCH、Cell-FACH、Cell-PCH、URA-PCH。

UE的狀態(tài)基本是按照UE使用的信道來定義的。

(1)CELL_DCH狀態(tài)是UE占有專用的物理信道。UTRAN準確地知道UE位于哪個小區(qū)。

(2)CELL_FACH狀態(tài)是UE在數(shù)據(jù)量小的情況下不使用任何專用信道而使用公共信道:上行使用RACH,下行使用FACH。這個狀態(tài)下UE可以發(fā)起小區(qū)重選過程,且

UTRAN可以確知UE位于哪個小區(qū)。

(3)CELL_PCH狀態(tài)下UE僅僅偵聽PCH和BCH信道。這個狀態(tài)下UE可以進行小區(qū)重選,重選時轉入CELL_FACH狀態(tài),發(fā)起小區(qū)更新,之后再回到CELL_PCH狀態(tài)。網(wǎng)絡可以確知UE位于哪個小區(qū)。

(4)URA_PCH狀態(tài)和CELL_PCH狀態(tài)相似,但網(wǎng)絡只知道UE位于哪個注冊(URA)區(qū)。CELL_PCH和URA_PCH狀態(tài)的引入是為了使UE能夠始終處于在線狀態(tài)而又不至于浪費無線資源。

10.2TD－SCDMA移動通信系統(tǒng)信令流程10.2.1小區(qū)建立過程小區(qū)建立過程是指NodeB與RRC之間通過多次交互建立小區(qū)的過程,其交互流程如圖10－11所示。圖10－11小區(qū)建立過程10.2.2UE呼叫過程

UE呼叫的全過程如圖10-12所示,主要包括小區(qū)搜索、位置更新、待機準備和CS域呼叫等過程。其中涉及到的小區(qū)搜索、上行同步與隨機接入等具體過程參見2.5節(jié)。圖10－12呼叫過程

1.小區(qū)搜索和小區(qū)選擇

小區(qū)搜索和小區(qū)選擇是用戶(UE)開機后首先完成的動作,它主要完成以下功能:

(1)測量TDD頻帶內(nèi)各載頻的寬帶功率;

(2)在DwPTS時隙搜索下行同步碼SYNCDL;

(3)確定小區(qū)使用的Midamble碼;

(4)建立P－CCPCH同步;

(5)讀取BCH得到系統(tǒng)消息(接入層和非接入層);

(6)判斷決定是否選擇當前小區(qū)。2.位置更新圖10－13位置更新過程

3.待機及呼叫準備

完成位置更新后,UE的位置信息登記到網(wǎng)絡側,UE進入待機狀態(tài)(RRC處于Idle狀