RAN高层信令过程.docx

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RAN高层信令过程

RAN高层信令过程学员手册

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第1章TD-SCDMA接口协议及信道类型

1.1TD-SCDMA系统结构

1.1.1概述

TD-SCDMA无线系统由若干个通过Iu接口连接到CN的无线网络子系统RNS组成。

其中一个RNS包含1个RNC和1个或多个NodeB，而NodeB通过Iub接口与RNC相连接。

在无线网络内部，RNC之间通过Iur接口进行信息交互，Iu和Iur接口是逻辑接口，Iur接口可以是RNC之间的直接物理连接，也可以通过任何合适传输网络的虚拟连接来实现。

图11TD-SCDMA系统结构

RNC主要负责接入网无线资源的管理，包括接纳控制、功率控制、负载控制、切换和分组调度等。

通过RRC协议执行的相应过程来完成这些功能。

NodeB主要功能是进行空中接口的物理层处理，如信道交织和编码、速率匹配和扩频等。

同时它也执行无线资源管理部分的内环功控。

OMC-R作为TD-SCDMA无线系统的操作维护中心，主要完成对RNS系统的网络设备RNC、NodeB以及OMC-R自身的操作维护，提供包括配置维护管理、告警管理、性能管理、软件管理、日志管理、安全管理等功能。

在系统开通过程中能够对网络设备进行数据配置，在系统运行过程中能够监控网络的运行状况和质量，并提供系统软件和数据升级功能。

1.1.2主要接口

1.1.2.1Uu接口

TD-SCDMA系统中移动用户终端UE和无线接入网UTRAN之间的接口为Uu接口，如图所示。

Uu接口的协议主要是用来建立、重新配置和释放各种3G移动通信无线承载业务的。

不同的Uu接口协议使用各自的无线传输技术（RTT）,第三代移动通信的主流标准TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000，它们的主要区别就是体现在空中接口的无线传输技术上。

TD-SCDMA终端通过空中接口（Uu接口）与无线接入网设备连接。

Uu接口主要用来传输用户数据、或是相关信令，对应分为用户平面和控制平面。

Uu接口从协议的角度可分为以下三个协议层：

物理层（L1）、数据链路层（L2）和网络层（L3）。

其中，L2层又可分为媒质接入控制（MAC）、无线链路控制（RLC）、分组数据聚合协议（PDCP）和广播/多播控制（BMC）。

L3层包括RRC和NAS，L3层分为控制平面和用户平面。

图12和图13分别给出了系统中Uu接口控制平面和用户平面的协议结构。

图12Uu接口到Iu接口控制平面协议示意图

图13Uu接口到Iu接口用户平面协议示意图

从上图可以看出，在Uu接口，UE和网络中都存在物理层、MAC、RLC、RRC、NAS、PDCP、BMC等对等的协议层。

物理层通过传输信道为MAC层提供相应的服务，MAC层通过逻辑信道为RLC提供相应的服务。

RLC在控制平面通过信令无线承载（SRB）为RRC层传递信令，在用户平面通过无线承载（RB）承载PDCP，BMC和其他高层用户平面功能的业务。

PDCP和BMC层位于L2层的用户平面，PDCP用于对分组业务数据进行头压缩，提高Uu接口的传输效率，以及对IP和其他网络协议进行适配，使UMTS网络能够方便地传送多种网络协议的数据。

BMC用于在空中接口上传递由小区广播中心产生的消息。

RRC主要用于进行无线资源控制、连接的建立和管理等功能。

NAS层包括GMM、MM、SM、CC、GSMS、SS，主要完成UE的移动性管理、业务的接续等功能。

1.1.2.2Iu接口

Iu接口是连接UTRAN和核心网之间的接口，也可以把它称作是RNS和核心网之间的一个参考点。

同GSM的A接口一样，Iu也是一个开放接口，它将系统分成用于无线通信的UTRAN和负责处理交换、路由和业务控制的核心网两部分。

其设计的主要原则是对于Iu-CS和Iu-PS的控制平面应该基本保持一致。

图14Iu接口位置图

从结构上来看，一个核心网可以和几个RNC相连，而任何一个RNC和核心网之间的Iu接口可以分成三个域：

电路交换域、分组交换域和广播域。

从功能上看，Iu接口主要负责传递非接入层的控制消息、用户信息、广播信息及控制Iu接口上的数据传递等。

无线接入承载管理功能：

主要负责无线接入承载的建立、修改和释放，并完成无线接入承载特征参数和Uu承载和Iu传输承载参数的映射。

无线资源管理功能：

在无线接入承载建立时执行用户身份的鉴定和无线资源状况的分析，并根据此接收或拒绝该请求。

连接管理功能：

负责UTRAN和核心网之间的Iu信令连接的建立和释放，为UTRAN和核心网之间的信令和数据传输提供可靠的保证。

用户平面管理功能：

基于无线接入承载的特性提供用户平面相应的模式：

透明模式或支持模式；并根据不同的模式决定其帧结构。

移动性管理功能：

跟踪终端当前位置信息和对终端进行寻呼。

安全管理：

在信令和用户数据传输的过程中对其进行加密并校验其完整性；对用户的身份和权限进行审核。

Iu-CS的协议结构如图1-5，同样包括无线网络层和传输网络层。

所有与无线接入网有关的都属于无线网络层，传输网络层的用户层面和控制层面共用一个通用的ATM传输，而物理层可以选择多种传输技术如SONET、STM1、E1等。

图1-5中的无线网络控制层面包括RANAP（RadioAccessNetworkApplicationPart）和基于宽带（BB）七号信令（SS7）的信令承载。

所适用的协议有：

SCCP－SignallingConnectionControlPart

MTP3b－MessageTransferPart

SAAL-NNI－SignallingATMAdaptationforNetworktoNetworkInterfaces对此又可以细分为：

SSCF－ServiceSpecificCoordinationFunction

SSCOP－ServiceSpecificConnectionOrientedProtocol

AAL5－ATMAdaption5

其中，SSCF和SSCOP是为了在ATM网络中传输信令而设计的，并且也执行如信令连接管理等功能。

AAL5的作用是将数据分割到不同的ATM单元。

关于SSCP、MTP3b、SAAL-NNI协议的详细介绍请参阅ITU-T系列建议。

传输网络控制层面的协议包括建立AAL2的信令协议（Q.2630.1及Q.2150.1）和宽带七号信令协议。

其中宽带七号信令协议除不包括SCCP外，其它与前面相同。

在传输网络的用户层面，对于每一个电路交换业务都会保留一个专用的AAL2连接。

图15Iu-CS接口协议结构

接口将UTRAN与核心网络中的分组交换（PacketSwitched，PS）模块相连接。

Iu-PS接口的协议结构图7.5所示。

Iu-PS在许多性能方面与Iu-CS相同，所有的层面通过ATM传输，并且在物理层也可选用SONET、STM1、E1等传输技术。

无线网络层的控制层面与Iu-CS协议一样，包括RANAP和宽带七号信令的信令承载。

在这里，协议SCCP和AAL5对两者是通用的。

除此之外，还设置了基于IP的信令承载，主要包括：

M3UA：

SS7MTP3UserAdaptation

SCTP：

SimpleControlTransmissionProtocol（为信令在因特网传输而设计）

IP：

InternetProtocol

在Iu-PS协议的用户层面，多个分组数据流复用在一个或几个AAL5的永久虚电路上。

GTP-U是一个复用层，它为各个分组数据流提供标识。

每个数据流都使用面向无连接的UDP（UserDatagramProtocol）传输，并使用IP地址。

在无线网络控制层面的RANAP是Iu接口的信令协议，它包括所有无线网络层的控制信息。

RANAP定义了以下各种功能：

SRNC（servingRNC）的重新定位。

从而将SRNC的功能和相关的Iu接口资源从一个RNC转移到另一个RNC。

全部无线接入承载的管理，包括其建立、修改和释放。

对要建立的无线接入承载排队，将一些请求的无线接入承载放置在队列中，并通知接收端。

请求释放无线接入承载。

虽然整个无线接入承载的管理由核心网CN来完成，但UTARN可以请求释放接入承载。

释放与一个Iu连接有关的所有资源。

转发SRNS的上下文本。

控制过载，能够调整Iu接口的负载。

Iu接口的重新复位。

将UE的通用ID发送到RNC。

寻呼用户，给CN提供了寻呼UE的能力。

对跟踪UE活动进行控制，允许对于给定的UE设置跟踪模式。

同时对于已经建立的跟踪去激活。

在UE和CN之间传输非接入层信息。

控制在UTARN里的安全模式，便于向陆地无线接入网发送密钥，并对安全功能设置工作模式。

对于位置报告进行控制。

报告数据流量。

对于特定的无线接入承载，可以报告未成功通过UTARN的下行发送数据流量。

报告错误状况。

图16Iu-PS接口协议结构

1.1.2.3Iub接口

Iub接口是RNC与NodeB之间的接口，用来传输RNC和NodeB之间的信令及无线接口数据。

其主要功能包括管理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、专有信道控制、公共信道控制和定时以及同步管理。

Iub接口的协议栈是典型的三平面表示法，即无线网络层、传输网络层和物理层。

图17Iub接口协议结构

NodeB的应用部分（NBAP）由两部分组成：

即通用NBAP和专用NBAP。

通用NBAP定义了信令通过通用信令链路的全部过程。

其主要功能：

对某个UE建立其第一个无线链路，并选择业务终接点。

配置小区。

处理RACH/FACH和PCH信道。

对小区或节点B执行特定的测量的初始化和报告。

故障的管理。

专用NBAP定义了信令通过专用信令链路的全过程。

其主要功能：

完成对于某个UE的无线链路的增加、释放和重新配置。

处理专用信道和共享信道。

处理更软切换时的合并。

对无线链路特定的测量的初始化和报告。

对无线链路故障的管理。

用户层面的帧协议也可以分为通用传输信道用户层面的帧协议及专用传输信道用户层面的帧协议。

其主要功能是对不同的传输信道定义了不同的帧结构，并确定基本的控制过程。

需要说明的是，根据网络运营商的实际需要，在两个RNS之间可以只实现上述四个功能模块中的一部分。

1.2TD-SCDMA系统信道类型

1.2.1TD-SCDMA物理层

图18Uu接口协议结构

物理层是空中接口的最底层，支持比特流在物理介质上的传输。

物理层与数据链路层MAC子层及网络层的RRC子层相连。

物理层向MAC层提供不同的传输信道，传输信道定义了信息是如何在空中接口上传输的，物理信道在物理层定义，物理层受RRC的控制。

物理层向高层提供数据传输服务，这些服务的接入是通过传输信道来实现的。

为提供数据传输服务，物理层需要完成下列功能：

传输信道错误检测和上报

传输信道的FEC编译码

传输信道和编码组合传输信道的复用和解复用

编码组合传输信道到物理信道的映射

频率和时钟（码片、比特、时隙和子帧）同步

功率控制

物理信道的功率加权和合并

RF处理

速率匹配

无线特性测量，包括FER、SIR、干扰功率等

上行同步控制

上行和下行波束赋行（智能天线）

UE的定位

1.2.2物理信道和传输信道

1.2.3无线信道类型

根据3GPP的TD-SCDMA规范，系统将信道分为三大类：

物理信道，传输信道，逻辑信道，下面分别介绍以上三种信道以及信道间的相互映射

1.2.3.1物理信道

所有的物理信道都采用四层结构：

系统帧号、无线帧、子帧和时隙/码，依据不同的资源分配方案，子帧或时隙/码的配置结构可能有所不同。

所有物理信道在每个时隙中需要有保护符号。

时隙用于在时域和码域上区分不同用户信号，它具有TDMA特性。

图3-1给出了TD-SCDMA的物理信道的帧格式。

图19TD-SCDMA物理信道帧格式

一个物理信道是由频率、时隙、信道码和无线帧分配来定义的。

建立一个物理信道的同时，也就给出了它的初始结构。

物理信道的持续时间可以无限长，也可以是分配所定义的持续时间。

专用物理信道（DPCH）：

DPCH用于承载来自专用传输信道（DCH）的数据

公共物理信道:

 是一类物理信道的总称，根据所承载传输信道的类型，它们又可进一步划分为一系列的控制信道和业务信道。

在3GPP的定义中，所有的公共物理信道都是单向的（上行或下行）

主公共控制物理信道（P-CCPCH）：

它仅用于承载来自传输信道BCH的数据，提供全小区覆盖模式下的系统消息广播

辅公共控制物理信道（S-CCPCH）：

它用于承载来自传输信道FACH和PCH的数据

快速物理接入信道（FPACH）：

它不承载传输信道消息，因而与传输信道不存在映射关系。

NODEB使用FPACH来响应在UpPTS时隙收到的UE接入请求，调整UE的发送功率和同步偏移

物理随机接入信道（PRACH）：

用于承载来自传输信道RACH的数据

寻呼指示信道（PICH）：

不承载传输信道的数据，但却与传输信道PCH配对使用，用以指示特定的UE是否需要解读其后跟随的PCH信道（映射在S-CCPCH上）

1.2.3.2传输信道

传输信道是由L1提供给高层的服务，它是根据在空中接口上如何传输及传输什么特性的数据来定义的。

传输信道一般可分为两组：

公共信道：

在这类信道中，当消息是发给某一特定的UE时，需要有内识别信息；

专用信道：

在这类信道中，UE是通过物理信道来识别

专用传输信道（DCH）：

用户携带归用户专有的实时和非实时数据，信道一经配置，就由用户独占使用

公共传输信道有六种类型：

BCH,FACH,PCH,RACH

随机接入信道（RACH）：

UE使用RACH来完成上行同步的建立或传输一些数据有限的用户数据。

RACH传输信道的典型特征是信道所映射到的物理信道是一个竞争信道。

由于竞争性的存在，RACH上的数据不存在着物理复用。

前向接入信道（FACH）：

FACH一般用于网络响应从RACH信道上接收到的信息。

该信道也可用来传送一些短的用户数据。

广播信道（BCH）：

用来承载系统广播消息

寻呼信道（PCH）：

PCH用来携带用户的寻呼信息

1.2.3.3逻辑信道

MAC层在逻辑信道上提供数据传送业务。

根据MAC提供数据传送业务的不同，定义了一系列逻辑信道类型。

逻辑信道可分为两大类：

传输控制平面信息的控制信道和传输用户平面信息的业务信道

广播控制信道（BCCH）：

广播系统控制消息的下行信道

寻呼控制信道（PCCH）：

传输寻呼信息的下行信道

公共控制信道（CCCH）：

在网络和UE之间发送控制信息的双向信道。

当没有RRC连接或当小区重选后接入一个新的小区时使用该信道

专用控制信道（DCCH）：

在UE和网络之间发送专用控制信息的点对点双向信道通过RRC连接建立过程，建立该信道

共享控制信道（SHCCH）：

在网络和UE之间发送上行链路和下行链路的控制信息的双向信道

专用业务信道（DTCH）：

UE专用的传输用户信息的点对点的双向信息

公共业务信道（CTCH）：

UTRAN对全部或一组特定的UE传输专用用户信息的点对多点的单向信道

1.2.3.4逻辑信道和传输信道之间的映射

表11逻辑信道和传输信道之间的影射关系表

逻辑信道

传输信道

上行方向

CCCH

随机接入信道RACH

DCCH

专用信道DCH、随机接入信道RACH

DTCH

专用信道DCH

SHCCH

专用信道DCH

下行方向

BCCH

广播控制信道BCH、前向接入信道FACH

CCCH

前向接入信道FACH

CTCH

前向接入信道FACH

DCCH

专用信道DCH、前向接入信道FACH

DTCH

专用信道DCH、前向接入信道FACH

PCCH

寻呼信道PCH

SHCCH

前向接入信道FACH

1.2.3.5传输信道和物理信道之间的映射

表12传输信道和物理信道之间的映射表

传输信道

物理信道

DCH

专用物理信道（DPCH）

BCH

主公共控制物理信道（P-CCPCH）

PCH

辅助公共控制物理信道（S-CCPCH）

FACH

辅助公共控制物理信道（S-CCPCH）

PICH

RACH

物理随机接入信道（PRACH）

1.2.4无线信道管理

无线信道管理包括对TD-SCDMA中各种类型的无线信道进行管理 ，这个过程发生在一个连接的建立、重配以及释放阶段

专用控制信道管理

RAN负责管理可用的专用控制信道，当UE在RACH上发出一个随机接入请求后，RAN将负责分配专用控制信道，RAN将根据该信令类型选择相应的传输信道，传输格式，传输格式组合集以及物理信道参数（所占时隙，码道，调制方式等）发送给UE同时RAN还负责专用信道的链路监控和释放

业务信道管理

RAN负责管理所有配置的业务信道，当一个业务建立时，CN告知RAN所要建立的业务类型，RAN将根据该业务类型选择相应的传输信道，传输格式，传输格式组合集以及物理信道参数（所占时隙，码道，调制方式等）发送给UE，RAN还负责这些业务信道的测量和释放

广播信道和公共控制信道管理

RAN对可用的广播信道和公共控制信道的管理包括寻呼消息的调度，RACH和PRACH的控制以及BCCH信息的广播

1.3TD-SCDMA系统主要参数

表13TD-SCDMA系统主要参数表

特性

TD-SCDMA

载频间隔

1.6MHz

码片速率

1.28Mcps

帧长

10ms（包含两个子帧）

NodeB同步

需要，GPS同步

功率控制

开环、闭环

200KHz

切换类型

硬切换

接力切换

监测方式

联合检测

编码方式

卷积码

Turbo码

第2章基本信令流程

2.1UE的状态与寻呼流程

2.1.1UE状态

UE有两种基本运行模式：

空闲模式和连接模式。

UE开机后停留在空闲模式下。

通过非接入层表示，如：

IMSI，P-TMSI，TMSI等标识来区分。

UTRAN不保留空闲模式下的UE信息。

仅能够寻呼LAC区中的所有UE或同一寻呼时刻的所有UE。

当UE完成RRC连接建立后，才会从空闲模式转移到连接模式，CELL-FACH或CELL-DCH。

当RRC连接释放后UE从连接模式到空闲模式。

UE连接模式共有四种状态：

CELL-PCH，URA-PCH，CELL-FACH，CELL-DCH。

图3.1UE状态跃迁示意图

2.1.1.1Idle状态

UE开机后，在一个小区中读取系统消息，监听寻呼信息，处于Idle状态。

在Idle状态下，UE的所有连接在接入层都是关闭的，UE的识别通过非接入层标识（如IMSI、TMSI和P-TMSI）来区别。

UTRAN中没有为处于空闲模式的UE建立上下文，如果要寻址一个特定的UE，只能在一个小区内向所有的UE或向监听同一寻呼时段的多个UE发送寻呼消息。

2.1.1.2CELL_DCH状态

CELL_DCH状态的基本特征是，UE被分配了专用的物理信道。

在该状态下，除了上下行专用物理信道DPCH外，UE还可能被分配物理上下行共享信道PUSCH和/或PDSCH。

根据UTRAN的分配情况，UE可以使用专用传输信道DCH、上行共享传输信道USCH、下行共享传输信道DSCH，以及这些传输信道的组合。

UTRAN根据当前的激活信道集知道该UE已经处在小区识别等级上。

2.1.1.3CELL_FACH状态

CELL_FACH状态的基本特征是，UE与UTRAN之间不存在专用物理信道连接，UE在下行方向将连续监视FACH传输信道，而在上行方向可以使用公共或共享传输信道（如RACH），UE在任何时候都可以在相关传输信道上发起接入过程。

根据UTRAN的分配情况，UE在此状态下可以使用USCH或DSCH传输信道，UTRAN也可以根据UE最后一次执行的小区更新过程，知道UE当前所处的小区。

如果UE选择了一个新的小区，UE将把当前的位置信息通过小区更新过程报告给UTRAN。

UTRAN也可以在FACH上直接给UE发送数据，而不必先发起寻呼。

UTRAN将把系统信息的变化通过相应的调度信息在FACH上及时地广播给UE，以便UE重新读取相应的系统信息。

2.1.1.4CELL_PCH状态

CELL_PCH状态的基本特征是：

UE与UTRAN之间不存在专用物理信道连接，而且UE也不可以使用任何上行物理信道。

在该状态下，UE为节省功耗，可以使用DRX方式去监听PICH所指示的PCH信道。

UTRAN根据UE上次在CELL_FACH状态下执行的最后一次小区更新过程，知道UE当前所处的小区。

如果UE需要发送上行数据（响应寻呼或者发起呼叫），必需先从CELL_PCH状态转移到CELL_FACH状态。

在该状态下，RRC子层通过小区重选过程执行连接移动性管理。

2.1.1.5URA_PCH状态

URA_PCH状态的基本特征是：

UE与UTRAN之间不存在专用物理信道连接，而且UE也不可以使用任何上行物理信道。

在该状态下，UE为节省功耗，可以使用DRX方式去监听PICH所指示的PCH信道。

UTRAN根据UE上次在CELL_FACH状态下执行的最后一次URA更新过程，知道UE当前所处的URA。

如果UE需要发送上行数据（响应寻呼或者发起呼叫），必需先从URA_PCH状态转移到CELL_FACH状态。

在该状态下，RRC子层通过小区重选过程执行连接移动性管理。

2.1.1.6空闲模式与连接模式的跃迁

在UE发起RRC连接请求后，UE从空闲模式转移到连接模式下的CELL_DCH状态或者CELL_FACH状态。

如果连接建立失败，则返回空闲模式。

在UE发起释放RRC连接请求后，UE从CELL_DCH状态或者CELL_FACH状态下转移到空闲模式。

2.1.1.7CELL_DCH状态与CELL_FACH状态的跃迁

UE可以在CELL_FACH状态下通过建立一个专用物理信道而进入CELL_DCH状态。

而处于CELL_DCH状态的UE也可以通过释放所有的专用物理信道而进入CELL_FACH状态。

2.1.1.8CELL_DCH状态与CELL_PCH（URA_PCH）状态的跃迁

CELL_DCH状态下的UE执行重配置过程，根据来自UTRAN的指示，可以进入CELL_PCH状态或者URA_PCH状态。

但是，处于CELL_PCH状态或者URA_PCH状态的UE不能直接跃迁到CELL_DCH状态，必需先跃迁到CELL_FACH状态。

2.1.1.9CELL_FACH状态与CELL_PCH（URA_PCH）状态的跃迁

处于CELL_PCH（URA_PCH）状态下的UE，如果小区（URA）重选时选择了一个新的URA小区，则UE将跃迁到CELL_FACH状态，并在新的小区发起小区（URA）更新过程。

在小区（URA）更新过程完成后，如果UTRAN和UE都没有数据要发送，则UE将回到CELL_PCH（URA_PCH）状态。

2.1.2寻呼流程

与固定通信不一样，移动通信中的通信终端位置是不固定的。

为了建立一次呼叫，核心网（CN）通过Iu接口向UTRAN发送寻呼信息，UTRAN通过Uu接口上的寻呼过程发送给UE，使被寻呼的UE发起与CN的信令连接建立过程。

当UTRAN收到某个CN域（CS域或PS域）的寻呼消息时，首先判断UE是否与另一个CN域建立了信令连接，如果没有建立信令连接，那么UTRAN只能知道UE当前所在的服务区，并通过寻呼控