《3G移动通信理论及应用》课件第10章.pptx

1、第10章 TD SCDMA接口协议与信令流程10.1 TD SCDMA 移动通信移动通信系统系统10.2 TD SCDMA 移动通信系统信令移动通信系统信令流程流程10.1 TD SCDMA移动通信系统接口移动通信系统接口协议协议TD SCDMA 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101所示。图

2、101 UMTS域和参考点10.1.1 UTRAN基本结构基本结构1.UTRAN网络结构网络结构在3GPPR4版本中,TD SCDMA UTRAN 的结构可用图10 2表示。图102 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Iu PS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

3、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 TD SCDMA 系统网络组成的基础。2.基站基站(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

4、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

5、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。

6、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

7、度出发派生的概念。10.1.2 UTRAN接口协议模型接口协议模型1.接入层和非接入层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103所示。图103 接入层和非接入层2.控制面和用户面控制面和用户面在 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

8、:(1)Iu接口:RANAP(RadioAccessNetworkApplicationProtocol)协议。(2)Iur 接 口:RANSAP(Radio Access NetworkSubsystem ApplicationProtocol)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

9、地面接口的通用协议模型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10 4所示。从图10 4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104 UTRAN 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

10、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

11、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(Iu CS)、分组交换域(Iu PS)和广播域(Iu

12、BC),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

13、。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 105 所 示 为 TDSCDMA 移动通信系统空中接口协议结构。图105 Uu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

14、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。10.1.3 Iu口相关口相关协议协议图106 Iu口逻辑结构图107 IuCS接口协议结构图10-8 Iu PS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

15、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。10.1.4 Iub口相关协议口相关协议1.NodeB逻辑模型逻辑模型NodeB的逻辑模型由小区、公共传输信道及其传输端口

16、、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

17、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109所示。图109 Iub接口协议结构10.1.5 Uu口协议结构口协议结构1.Uu口协议口协议结构结构图1010 Uu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

18、)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

19、-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

20、 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。10.2 TDSCDMA移动通信系统信令流程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1011所示。图1011 小区建立过程10.2.2 UE呼叫过程呼叫过程UE呼叫的全过程如图10-12所示,主要包括

21、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1012 呼叫过程1.小区搜索和小区选择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SYNC DL;(3)确定小区使用的 Midamble码;(4)建立 PCCPCH 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.位置更新位置更新图1013 位置更新过程3.待机及呼叫准备待机及呼叫准备完成位置更新后,UE

22、的位置信息登记到网络侧,UE进入待机状态(RRC处于Idle状态),可以进行主叫或被叫。主叫与被叫的区别是被叫有一个寻呼过程。呼叫准备过程的具体内容有:(1)UE监听寻呼信道 PCH;(2)RRC检测寻呼信息中的ID信息;(3)RRC接收系统消息并进行更新;(4)RRC控制物理层进行测量;(5)RRC控制进行小区重选;(6)如果收到寻呼消息(被叫)或主动进行呼叫(主叫),需要进行位置更新,高层指示RRC与网络侧建立 RRC连接。4.呼叫过程呼叫过程呼叫过程可以由 UE主动发起呼叫,也可以由网络发起呼叫。在呼叫建立过程中,需要在 CN 与 UE间以及 UTRAN 与 UE间进行信令交互,分以下三

23、个步骤进行:(1)建立 RRC连接;(2)建立 NAS信令连接;(3)建立 RAB连接。在通信过程中,UE的状态会进行迁移,于是会进入小区的更新和信道重配置过程。呼叫结束后有释放过程。10.2.3 CS域呼叫过程域呼叫过程CS域呼叫过程包括 CS域起呼、终呼和呼叫释放三个过程。1.CS域起呼流程CS域的起呼可以是 RRC 建立在公共信道上或专用信道上,其流程分别如图1014和图1015所示。图1014 RRC建立在公共信道上的 CS起呼流程图1015 RRC建立在专用信道上的 CS起呼流程2.CS终呼流程终呼流程图1016 CS终呼流程3.CS域释放流程域释放流程CS域的释放可以由CN发起或 UE发起,其释放流程分别如图1017和图1018所示。图1017 CS域 CN 发起的释放流程图1018 CS域 UE发起的释放流程