LTE系統(tǒng)中RRC連接建立過程的設(shè)計

楊玉彬，付睿智，王 強(qiáng)

（1.新疆軍區(qū)指揮自動化工作站 新疆 烏魯木齊 830042；2.68058部隊(duì) 甘肅 蘭州 730000）

LTE視頻傳輸系統(tǒng)需要對流媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸，傳輸前終端必須與基站之間建立連接，而連接管理功能由RRC層提供。因此，RRC層在LTE視頻傳輸系統(tǒng)中起著非常重要的作用。RRC（無線資源控制）層屬于LTE系統(tǒng)空中接口的層3協(xié)議，在MAC（媒體接入）層、PDCP（包數(shù)據(jù)集中協(xié)議）層和RLC（無線鏈路控制）層之上，屬于接入層[1]。該層主要提供了RRC連接控制、系統(tǒng)信息廣播、尋呼、切換、安全功能、通用協(xié)議錯誤處理等無線資源的管理和控制功能。RRC層消息攜帶了建立、修改和釋放層2和層1協(xié)議實(shí)體所需的全部參數(shù)。同時，RRC層在它的負(fù)載中還要承載高層信令[2-4]。

RRC連接控制包括RRC的連接建立、連接重建、連接釋放，而RRC連接建立是連接控制中的第一個過程，也是最主要的過程。當(dāng)UE（終端）需要與eNode（基站）進(jìn)行通信時，UE初始化連接建立過程，隨后執(zhí)行其它的相關(guān)操作，最終完成RRC連接建立過程。本文將LTE標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于雙向無線視頻傳輸系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)中終端與基站的RRC連接建立過程，并將RRC的空閑狀態(tài)和連接狀態(tài)均細(xì)分為2個子狀態(tài)，有效降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度。

1 RRC狀態(tài)設(shè)計以及狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移

在標(biāo)準(zhǔn)LTE協(xié)議中，RRC只有2個狀態(tài)：空閑狀態(tài)和連接狀態(tài)。這兩個狀態(tài)可以互相遷移，即空閑狀態(tài)遷移到連接狀態(tài)，連接狀態(tài)遷移到空閑狀態(tài)。發(fā)生狀態(tài)的遷移時，系統(tǒng)處理的任務(wù)比較多，尤其是RRC從空閑狀態(tài)遷移到連接狀態(tài)，處理過程比較復(fù)雜，如發(fā)起隨機(jī)接入請求和連接請求，處理連接建立消息等。

為了降低系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度，本設(shè)計將RRC的狀態(tài)分為以下4個狀態(tài)：空狀態(tài)、空閑狀態(tài)、接入狀態(tài)和連接狀態(tài)[5]。RRC狀態(tài)遷移圖如圖1所示。當(dāng)發(fā)生狀態(tài)遷移時，可以明確需要處理的任務(wù)，同時也減少了每個狀態(tài)在遷移過程中處理的任務(wù)。

圖1中RRC層4個狀態(tài)的功能和作用如表1所示。

圖1 RRC狀態(tài)遷移圖Fig.1 RRC state transition diagram

根據(jù)圖1可知，RRC的狀態(tài)遷移有6種情況，如表2所示。

表1 RRC狀態(tài)功能表Tab.1 Table of the RRC state function

表2 RRC狀態(tài)遷移表Tab.2 Table of the RRC state transition

2 RRC連接建立過程的研究

RRC連接建立過程的目的是要建立一個UE（終端）與eNodeB（基站）之間的RRC連接，以達(dá)到UE與eNodeB能夠相互通信的目的。RRC連接是UE與eNodeB進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的首要條件。每個UE最多只有一個RRC連接，當(dāng)UE處于空閑模式時，如果需要數(shù)據(jù)通信，就會發(fā)出RRC連接建立的請求，進(jìn)行連接建立的過程。

RRC連接建立成功的消息流程圖[6]如圖2所示。

圖2 RRC連接建立成功的消息流程圖Fig.2 Message flow diagram of connection successful

RRC連接建立成功的過程采用了3次握手方式，包含3個通信信令：“RRC 連接請求消息”（UE 至 eNodeB）、“RRC 連接設(shè)置消息”（eNodeB至UE）和“RRC連接設(shè)置完成消息”（UE至eNodeB）。RRC的連接是由UE端RRC層請求觸發(fā)的。

UE建立RRC連接前，首先進(jìn)行隨機(jī)接入過程，由eNodeB給UE分配上行資源和信道，UE通過分配獲得的物理上行共享信道（PUSCH）中映射到隨機(jī)接入信道（RACH）的部分，將 “RRC連接請求消息”發(fā)送給eNodeB的RRC層。eNodeB的RRC層接收到該消息后進(jìn)行處理，如果有空閑信道，則會給UE發(fā)送“RRC連接設(shè)置消息”，告知UE端可以進(jìn)行接入。在UE收到該消息后，會給eNodeB發(fā)送“RRC連接設(shè)置完成消息”。至此完成了RRC連接建立過程，系統(tǒng)進(jìn)入連接狀態(tài)。

RRC連接建立過程可能存在失敗的情況。當(dāng)基站接收到“RRC連接建立請求消息”后，如果發(fā)生同步失敗、資源不足等情況，基站就會拒絕終端的連接建立請求，并創(chuàng)建“RRC連接請求拒絕消息”，該消息通過上行公共控制信道（CCCH）進(jìn)行傳輸。當(dāng)UE接收到“RRC連接請求拒絕消息”后，停止定時器計時，復(fù)位MAC并釋放MAC配置，重建所有已經(jīng)建立的RLC實(shí)體，終止RRC連接建立過程，并通知上層連接建立失敗，過程結(jié)束。

3 RRC連接建立過程的設(shè)計

根據(jù)以上對RRC連接建立過程的研究，本節(jié)對RRC連接建立過程進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。

3.1 RRC連接建立過程系統(tǒng)設(shè)計

雙向無線視頻傳輸系統(tǒng)中的RRC連接建立過程的系統(tǒng)設(shè)計如圖3所示。圖中事件監(jiān)聽主要監(jiān)聽底層的事件，底層代表RRC層之下的RLC層、MAC層等。

圖3 RRC連接建立過程系統(tǒng)設(shè)計圖Fig.3 System- of RRC connection

如圖3所示，在雙向無線視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計中，將RRC連接建立過程劃分為以下5個模塊：

1）定時器模塊

定時器模塊具有啟動定時器、停止定時器、查詢定時器狀態(tài)的功能。此模塊為整個RRC連接管理提供了定時器的功能。

2）RRC連接過程處理模塊

RRC連接過程處理模塊負(fù)責(zé)RRC連接建立的整個過程，處理與連接相關(guān)的事件以及RRC消息，對RRC消息內(nèi)容做出判別并執(zhí)行相應(yīng)的處理。同時還包括發(fā)啟隨機(jī)接入、安全管理、設(shè)置系統(tǒng)配置等。

3）RRC狀態(tài)管理模塊

RRC狀態(tài)管理模塊為RRC連接過程提供了RRC狀態(tài)的查詢、修改的功能。同時在狀態(tài)發(fā)現(xiàn)改變時執(zhí)行相應(yīng)的處理。

4）RRC消息接收和解析模塊

RRC消息接收和解析模塊提供了從底層接收RRC消息的功能，通過調(diào)用與低層通信的接口接收對端發(fā)送的RRC消息。同時也提供了解析RRC消息的功能，從接收到的消息中解析出RRC消息并遞交給RRC連接過程處理模塊進(jìn)行處理。

5）RRC消息創(chuàng)建和發(fā)送模塊

當(dāng)RRC層需要發(fā)送RRC消息時，需要調(diào)用由RRC消息創(chuàng)建和發(fā)送模塊提供的創(chuàng)建消息功能，創(chuàng)建需要發(fā)送的RRC消息。同時此模塊還提供了發(fā)送RRC消息的功能，供RRC層在創(chuàng)建完RRC消息后調(diào)用相應(yīng)的接口發(fā)送RRC消息。

圖4 RRC連接建立過程的處理流程圖Fig.4 Process flow diagram of the RRC connection

3.2 RRC連接建立過程軟件設(shè)計

RRC連接建立過程流程如圖4所示。當(dāng)終端開機(jī)或者上層指示需要進(jìn)行RRC連接建立時，由終端初始化此過程。UE端在發(fā)送RRC連接請求前，需要判斷當(dāng)前狀態(tài)是否處于連接狀態(tài)，如果處于空閑狀態(tài)就得與基站建立RRC連接。于是RRC層向MAC層發(fā)送命令請求發(fā)起隨機(jī)接入過程，等待MAC層向RRC層匯報隨機(jī)接入的結(jié)果。

如果MAC層指示隨機(jī)接入失敗，則RRC層需要向上層匯報隨機(jī)接入失敗，不能完成RRC連接建立過程；如果MAC層指示隨機(jī)接入成功，則RRC層重置定時器，同時將封裝好的“RRC連接請求建立消息”傳送給MAC層，并要求MAC層發(fā)送給基站，從而向基站請求RRC連接建立請求，然后等待基站端的響應(yīng)信息。如果在未收到MAC層的響應(yīng)信息的情況下定時器超時，則RRC層需要向上層匯報無法建立RRC連接，連接建立過程結(jié)束。

基站對連接建立請求的響應(yīng)信息有兩種可能，一種是“RRC連接建立設(shè)置信息”，此消息包含了一些對UE底層的配置信息。當(dāng)UE收到此信息時，UE根據(jù)配置信息中的內(nèi)容配置低層，配置完成后需要向基站發(fā)送連接建立完成消息，告訴基站此次RRC連接成功完成，同時設(shè)置RRC狀態(tài)為連接狀態(tài)，并向上層匯報RRC連接過程建立完成；另外一個消息是“RRC連接拒絕消息”，此消息反饋到UE，基站無法接收此次連接，RRC連接建立失敗，同時RRC層向上層反饋連接建立失敗，連接建立過程結(jié)束。

3.3 系統(tǒng)仿真

RRC連接建立程序的開發(fā)，編譯和仿真使用賽靈思公司的Xilinx SDK開發(fā)工具集，系統(tǒng)仿真在PC機(jī)上進(jìn)行，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.5 Results of system simulation

UE端初始化完成以后向基站端發(fā)送 “RRC連接請求消息”，此消息能夠被基站成功接收，并向UE端發(fā)送了“RRC連接建立設(shè)置消息”。UE端也能成功的接收到此消息，處理完成后向基站端發(fā)送“RRC連接設(shè)置完成消息”，并且基站端能夠接收到“RRC連接設(shè)置完成消息”。圖5的仿真結(jié)果驗(yàn)證了RRC連接建立過程的系統(tǒng)設(shè)計是正確的，同時表明了LTE視頻傳輸系統(tǒng)中RRC連接建立過程能夠成功的完成。

4 結(jié) 論

本文對雙向無線視頻傳輸系統(tǒng)中的RRC連接建立過程進(jìn)行了研究和詳細(xì)設(shè)計，與LTE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議相比，本設(shè)計把RRC層的兩個狀態(tài)分成了4個子狀態(tài)，降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度和各模塊之間的耦合度。通過在PC機(jī)上進(jìn)行模擬調(diào)試，結(jié)果表明RRC連接建立過程能夠順利完成，從而實(shí)現(xiàn)UE與eNode之間的連接。RRC連接建立過程是RRC連接管理的一部分，通過對RRC連接建立過程的研究與設(shè)計，為基于LTE的雙向無線視頻傳輸系統(tǒng)的視頻傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。

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