LTE系統(tǒng)中RRC消息傳輸方案的設(shè)計與改進(jìn)*

王 志1, 羅思齊

(1.重慶郵電大學(xué) 重郵信科設(shè)計有限公司, 重慶400065；2. 重慶郵電大學(xué) 通信新技術(shù)應(yīng)用研究所，重慶400065)

1 引 言

LTE(Long Term Evolution)系統(tǒng)作為通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)技術(shù)的長期演進(jìn)項(xiàng)目，以其高峰值速率、高頻譜效率及低延遲等優(yōu)勢[1]成為了近年來各個通信企業(yè)的研究熱點(diǎn)課題，隨著LTE標(biāo)準(zhǔn)的完善，LTE系統(tǒng)的商用價值也會逐漸體現(xiàn)出來。目前，根據(jù)文獻(xiàn)[2-3]，在現(xiàn)行的無線通信系統(tǒng)中，需要定義大量的層間接口原語、參數(shù)以建立初始的層2環(huán)境，因此消耗大量時間在層間進(jìn)行信令消息的交換通信，這會導(dǎo)致通信的延遲和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。基于此，本文從3GPP高層協(xié)議出發(fā)，針對接口原語、參數(shù)配置及消息序列圖進(jìn)行研究設(shè)計，并對初始系統(tǒng)接入和無線資源控制(RRC)連接過程進(jìn)行改進(jìn)，以提高無線電資源利用效率，增加無線接入的成功率，從而減小通信延遲并且簡化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

2 系統(tǒng)模型

LTE系統(tǒng)控制面協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)如圖1所示，滿足3GPP協(xié)議對分層結(jié)構(gòu)要求[4]，在研究與應(yīng)用過程中可以根據(jù)控制和軟件的需要添加一些模塊，每個模塊分別完成不同的功能。不同模塊之間的信息交換由系統(tǒng)接口完成，這些信息的交換通過原語(信號)來實(shí)現(xiàn)。表1簡要介紹了以RRC為中心與各個子層的接口交互和功能。

圖1 LTE系統(tǒng)控制平面協(xié)議接口示意圖

表1 RRC層間接口及其功能實(shí)體描述

2.1 RLC子層的透明傳輸模式

由文獻(xiàn)[6]知道，在RRC連接建立初始階段，并沒有建立無線鏈路控制(RLC)非確認(rèn)傳輸模式(UM)和確認(rèn)傳輸模式(AM)實(shí)體，在透明模式(TM)下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，與AM和UM不同，消息發(fā)送方?jīng)]有包含消息序列識別符，其中AM、UM均包括可以用于對序列分組進(jìn)行識別/重新排列、對丟失分組進(jìn)行識別的消息序列識別符以及頭處理，AM另外還提供了錯誤重傳處理。圖2所示為TM傳輸實(shí)體的模型，在透明模式下RLC不需要增加任何協(xié)議消息，即不對高層或低層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)做任何的處理。

圖2 RLC透明模式對等實(shí)體的模型

2.2 LTE系統(tǒng)的RRC消息傳輸模型

當(dāng)用戶最初接通終端UE時，選擇公共陸地移動網(wǎng)絡(luò)(PLMN)(如中國移動)并且UE搜索小區(qū)進(jìn)行駐留后在對應(yīng)的小區(qū)保持RRC空閑狀態(tài)，可以由網(wǎng)絡(luò)或用戶終端發(fā)起初始RRC連接[1]。圖3所示為RRC連接建立過程消息及資源分配流程，針對空閑狀態(tài)下的UE發(fā)起的連接情況，UE需要初始連接到網(wǎng)絡(luò)并且向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送RRC連接請求消息。

圖3 RRC連接建立過程資源分配鏈路圖

UE獲得臨時標(biāo)識符并且在UL消息中將該TC-RNTI通過Uu接口發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，消息中同時還包含有“建立原因cause”和“全局UE ID”。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接收到RRC連接請求消息時，執(zhí)行準(zhǔn)入控制并結(jié)合建立原因及UE ID分配物理資源：RNTI值、可替換的臨時UE ID。

網(wǎng)絡(luò)發(fā)送包含DL調(diào)度批準(zhǔn)指示的競爭解決信息，消息中包含對特定UE進(jìn)行尋址的臨時ID和分配物理資源的描述。當(dāng)接收到競爭解決消息時，UE對該短調(diào)度消息進(jìn)行解碼并對比本地臨時標(biāo)識ID，若一致則說明競爭解決成功，隨后對較長的RRC連接建立消息進(jìn)行解碼，未由調(diào)度批準(zhǔn)消息進(jìn)行尋址的其它UE不需要花費(fèi)CPU或電池資源對RRC連接建立或其它長消息進(jìn)行解碼來確定其消息是否是發(fā)送給它的。

最后，UE通過利用確認(rèn)模式準(zhǔn)備并發(fā)送RRC連接建立完成消息，對接收及處理后的RRC連接建立消息進(jìn)行響應(yīng)。此后，UE由空閑狀態(tài)進(jìn)入了連接狀態(tài)。

3 RRC消息傳輸過程

根據(jù)前面RRC傳輸模型，完整的信令交互過程可以用流程圖[2]表示出來，如圖4所示。RRC連接請求消息由UE中的RRC層發(fā)起，RRC通過“RLC-TM-DATA-REQ”原語要求RLC層以透明模式(TM)在邏輯信道CCCH上發(fā)送請求消息，同時開啟定時器T300。RLC通過“MAC-DATA-REQ”把請求消息傳送給MAC層，MAC在向網(wǎng)路發(fā)送RRC連接請求消息前，首先利用“PHY-ACCESS-REQ”請求層1啟動PRACH過程取得UE臨時ID。如果在PDCCH上收到隨機(jī)接入響應(yīng)，則層1通過“PHY-ACCESS-CNF”原語向MAC層報告“UL-grant、時間校準(zhǔn)、TC-RNTI”等信息。

通過“PHY-DATA-REQ”原語，MAC子層請求層1把攜帶了“RRC請求消息”通過空中接口Uu發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)端。當(dāng)接收到“RRC連接請求”消息時，網(wǎng)絡(luò)端的層1在PUSCH信道上以“PHY-UL-RECE-IND”原語向MAC層發(fā)送該消息。MAC層通過邏輯信道CCCH向上層RLC發(fā)送消息。與終端相對應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)端RLC也使用透明傳輸模式，當(dāng)RRC接收到該消息后，進(jìn)行準(zhǔn)入控制、替換臨時標(biāo)示符、可選的RNTI值的分配及資源的分配。

在準(zhǔn)入控制和臨時ID的可選替換以及RNTI值的可選分配以后，RRC層形成要在透明模式下發(fā)送的RRC連接建立消息。在發(fā)送“RRC連接建立消息”前，MAC層通過PDSCH信道“PHY-HARQ-REQ”向?qū)?發(fā)送調(diào)度批準(zhǔn)消息到UE。UE的層1接收指示攜載RRC連接建立消息的物理資源調(diào)度批準(zhǔn)，MAC層還在下行共享DL-SCH信道上和在分配的“PHY-DL-TASK-REQ”物理資源上并行地向?qū)?發(fā)送RRC連接建立消息。層1通過空中接口Uu向UE發(fā)送“RRC連接建立消息”。監(jiān)視空中接口的每個UE僅對短消息進(jìn)行解碼以確定所包含的消息是否尋址本UE，如若不是尋址本終端，則丟棄RRC連接建立消息和其它消息，終端的RRC子層根據(jù)消息內(nèi)容建立層2鏈路并停止定時器。

最后，UE利用確認(rèn)模式(AM)在DCCH上發(fā)送“RRC連接建立完成消息”至網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行響應(yīng)。

圖4 RRC連接建立過程

4 改進(jìn)的RRC消息流程方案

在終端UE RRC層向網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送“RRC連接請求”前，MAC子層首先需要獲得UE臨時ID，這個過程由MAC子層和物理層通過發(fā)送前導(dǎo)和接收隨機(jī)接入響應(yīng)共同控制，根據(jù)分析RLC透明傳輸模式實(shí)體，TM模式對信號中數(shù)據(jù)不做任何處理。因此，“RRC連接請求”消息的發(fā)送通過設(shè)計定義MAC-RRC的層間接口CMAC-RANDOM-ACC-REQ完成。

MAC子層在RRC連接建立過程中，當(dāng)接收到RRC層的建立請求原語后，馬上就要啟動選擇隨機(jī)接入前導(dǎo)(preamble)(代表用戶的ID信息)并發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際中，用戶前導(dǎo)發(fā)送后不一定能成功收到對應(yīng)前導(dǎo)的響應(yīng)RAR，當(dāng)不同的UE根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息中分配的參數(shù)選擇了相同的前導(dǎo)，導(dǎo)致在網(wǎng)絡(luò)側(cè)產(chǎn)生沖突(burst)而無法接收到本地UE的RAR。如果終端在超過前導(dǎo)最大重傳次數(shù)后仍舊無法正常接收RAR，MAC子層及物理層需要不停監(jiān)視PDSCH信道以期望能重新完成接入過程，造成資源的浪費(fèi)與終端耗電。如果設(shè)計在MAC子層與RRC層定義原語CAMC-ACC-STATUS-IND在隨機(jī)接入響應(yīng)成功或失敗后都向RRC子層指示，若響應(yīng)失敗，RRC子層能盡快執(zhí)行下一步操作，避免加大系統(tǒng)延遲。

對于網(wǎng)絡(luò)端來說，在接收到“RRC連接請求”消息后，由RRC子層執(zhí)行準(zhǔn)入控制、C-RNTI值的可選分配，再向終端UE發(fā)送“RRC連接建立”消息。由于調(diào)度批準(zhǔn)消息不涉及RRC過程，網(wǎng)絡(luò)端MAC子層在接收到“RRC連接請求”消息以“CMAC-CCCH-INFO-IND”形式傳輸?shù)絉RC的同時，通過下行控制信道PDCCH向物理層反饋調(diào)度批準(zhǔn)消息(競爭解決信息)。RRC子層在接收到“RRC連接請求”消息時，根據(jù)此時網(wǎng)絡(luò)情況選擇適合本地UE的無線資源參數(shù)，根據(jù)ASN.1編碼組裝成“RRC連接建立”消息以原語“CMAC-CCCH-INFO-REQ”發(fā)送至MAC子層，MAC子層在下行鏈路共享信道DL-SCH分配的資源上發(fā)送消息。改進(jìn)后的具體流程(成功情形)如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后的RRC連接流程圖(接入成功情形)

這種方案設(shè)計定義了層間接口原語以及原語中的參數(shù)。

(1)CMAC-RANDOM-ACC-REQ: RRC子層請求MAC子層發(fā)起隨機(jī)接入過程。

當(dāng)前駐留小區(qū)包含的參數(shù)有頻率和物理小區(qū)ID。

隨機(jī)接入前導(dǎo)選擇的參數(shù)(基于競爭解決)：

prach-configindex：整型(0～63)；

numberOfRA-Preamble：枚舉(n4～n64)，步長是n4，SIB2中RACH公共配置；

路損(pathloss)參數(shù)：計算PRACH第一次發(fā)送前導(dǎo)的功率及目標(biāo)前導(dǎo)接收功率；

prembleTransMax: 整型(n3～n20)，表明前導(dǎo)傳輸?shù)淖畲笾担_(dá)到最大值后仍無法接收響應(yīng)說明隨機(jī)接入過程失敗，并上報高層RRC；

ra-ResponseWindowSize：整型(sf2～sf10),該參數(shù)指示了UE發(fā)送前導(dǎo)后等待響應(yīng)的窗大?。?/p>

mac-ContentionResolutionTimer：枚舉型(sf8～sf64)，該參數(shù)指示了MAC在競爭解決中的開啟時間，若超時則競爭解決失??；

timeAlignmentTimer：上行同步定時器，終端在選擇合適小區(qū)駐留后和網(wǎng)絡(luò)保持同步狀態(tài)。

(2)CAMC-ACC-STATUS-IND:MAC子層向RRC子層指示隨機(jī)接入響應(yīng)的接收情況。

Cause:布爾型，隨機(jī)接入成功響應(yīng)失敗0，成功1；

TA: 比特串，長度為11 bit，定時提前量，UE用于調(diào)整上行鏈路的發(fā)送時間提前量，保持上行同步；

UL-grant：比特串，長度為20 bit，上行授權(quán)，包括調(diào)頻標(biāo)示、TPC命令、CQI請求和UL延遲等，用于指示SRB1資源的下行分配；

T-RNTI：比特串，長度為16 bit，網(wǎng)絡(luò)分配的臨時標(biāo)識，該參數(shù)用于在該小區(qū)內(nèi)標(biāo)識該UE。

(3)CMAC-CCCH-INFO-REQ：網(wǎng)絡(luò)端RRC請求MAC層發(fā)送“RRC連接建立”消息。

CCCHLength：透明傳輸模式下邏輯信道CCCH的資源剩余空間；

data[MAX-CCCHLength]：“RRC連接建立”消息中的所有數(shù)據(jù)，以bit為單位。

5 結(jié)束語

隨著LTE協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)，其應(yīng)用乃至商用都變得指日可待，與LTE系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備研發(fā)與測試使用顯得尤為重要。本文結(jié)合項(xiàng)目的具體要求，對LTE系統(tǒng)中傳輸RRC消息過程中涉及的典型問題進(jìn)行了研究，給出了針對LTE系統(tǒng)傳輸過程中的接口原語設(shè)計及參數(shù)定義，提出了一種消息傳輸?shù)暮喕桨?，滿足3GPP協(xié)議所要求的RRC消息發(fā)送功能及TD-LTE無線綜合測試儀表項(xiàng)目基本要求，并簡化了測試儀的實(shí)施復(fù)雜度及減少系統(tǒng)延遲。本文只討論了隨機(jī)接入響應(yīng)與競爭解決成功的情況，關(guān)于無法正確接收RAR和競爭解決失敗的問題沒有進(jìn)行討論，這部分將在后續(xù)的文章中繼續(xù)討論。本文提出的簡化接口原語與參數(shù)可選項(xiàng)的消息傳輸流程，可以作為進(jìn)一步研究異常情況等問題的基礎(chǔ)。隨著中國移動對未來通信方向的規(guī)劃，TD-LTE系統(tǒng)廣闊的市場和應(yīng)用前景將會逐漸體現(xiàn)。

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