TD-SCDMA無線資源管理之RRC研究

李 萍

【摘要】文章從無線資源管理(RRM)的組成和功能入手，介紹了RRC的結構和功能，分析7TD-SCDMA Uu口協議棧的分層結構，對RRC的幾個重要過程進行了闡述，提出了RRM未來發展所面臨的挑戰。

【關鍵詞】TD-SCDMA RRM RRC無線承載NAS eNB

1前言

在保證TD-SCDMA網絡服務質量(QoS)的前提下，為了最大限度地提高頻譜利用率和系統容量，需要對系統中有限的無線資源進行有效的管理和分配。RRM(Radi0Resource Management，無線資源管理)是移動通信系統中一個重要的功能模塊，是提高和優化網絡性能的核心技術，也是影響TD-SCDMA系統性能的關鍵部分。

研究無線資源管理一方面是對無線通信系統由線到點的微觀切入。另一方面能對無線網絡規劃、優化提供很好的理論支撐，對規劃中分析和使用網管數據、確定無線網絡的工作指標起到良好的指導作用。

2RRM的基本組成和功能

對于整個移動通信系統而言，RRM功能模塊在協議層中的位置如圖1所示：

從功能上劃分，RRM分為資源控制、資源分配、資源調度；從組成上劃分，RRM模塊包括算法模塊、決策模塊、資源分配模塊、無線資源數據庫和對外接口模塊。其中起決定作用的是算法模塊。同T系統RRM相關的算法包括功率控制算法、負荷控制算法、接納控制算法、切換控制算法、AMR模式控制算法、包調度控制算法以及動態信道分配算法等。在TD-SCDMA系統中，RRM的關鍵算法主要在RNC中實現。

在RNC中所實現的RRM算法功能包括功率控制、切換控制、接納控制、負荷控制、分組調度以及資源管理等。在Node B中實現的主要RRM算法功能包括功率控制和負荷控制。在UE中完成的RRM算法功能主要有功率控制。

RRM模塊各種算法功能的實現均在協議層中的RRC(Radio Resource Control)層完成，本文著重論述RRC的結構、功能、協議和控制過程。

3RRC層的結構和功能

RRC層的結構如圖2所示：

RRC層包括如下功能實體，各實體之間的信息交互因RRM要完成功能的不同而采用不同的協議(圖2中只給出了用到的SAP(業務接八點／會話廣播協議))，不同的功能實體使用不同的協議類型：

◆路由功能實體(RFE)：處理高層消息到不同的移動管理，連接管理實體(UE側)或不同的核心網絡域(UTRAN側)的路由選擇。

◆廣播控制功能實體(BCFE)：處理廣播功能。該實體用于發送一般控制接入點(GC-SAP)所需要的RRC業務。8CFE能使用低層透明模式接入點(Tr-SAP)和非確認模式接入點(UM-SAP)提供的服務。

◆尋呼及通告功能實體(PNFE)：控制尋呼沒有RRC連接的UE。該實體用于發送通告接入點(Nt-SAP)所需要的RRC業務，能使用低層Tr-SAP和UM-SAP提供的服務。

◆專用控制功能實體(DCFE)：處理特定的某個UE的所有功能。該實體用于發送專用控制(DC-SAP)所需要的RRC業務，根據發送的消息和當前UE服務狀態，它可使用低層Tr-SAP和UM／AM-SAP提供的服務。

◆共享控制功能實體(SCFE)：控制PDSCH和PUSCH的分配。該實體使用低層Tr-SAP和UM-SAP提供的服務。在TDD模式下，SCFE還用于協助專用控制功能實體。

◆傳輸模式實體(TME)：處理RRC層內不同實體和RLC提供的接入點之間的映射。

RRC層的主要功能有：接入層控制、系統信息廣播、RRC連接管理、無線承載管理、RRC移動性功能、尋呼和通知、高層信息路由、加密和完整性保護、測量控制和功率控制等。具體來講，RRC執行以下功能：

廣播由非接入層提供的信息，廣播與接八層相關的信息，建立、維持及釋放UE和UTRAN之間的RRC連接，建立、重新配置及釋放無線承載，分配、重新配置及釋放用于RRC連接的無線資源。RRC連接移動功能，控制所需的QoS，uE測量的報告和對報告模式的控制，外環功率控制，安全模式控制，慢速動態信道分配，尋呼，初始小區選擇和重選。上行鏈路DCHJc_：~線資源的仲裁，RRC消息完整性保護，定時提前，CBS(小區廣播業務)控制等。

4RRC層的協議

RRC協議是UE和UTRAN之間的重要協議，在TD-SCDMA系統中，UE的所有狀態都是由RRC協議進行調度的。其協議結構見圖3。

協議棧主要分三層，物理層、數據鏈路層(L2)和網絡層(L3)。

物理層由傳輸子層和物理子層構成，接受Layer1Management的控制管理。Layerl Management與RNC中的RRC層通信，RRC層通過業務訪問點直接訪問LayerlManagement。傳輸子層完成基帶信號的處理，物理子層完成擴頻和加擾調制以及射頻調制。

L2被分成四個子層，從控制平面上看，包括媒體接入控制層(MAC)和無線鏈路控制層(RLC)；而在用戶平面上除了這兩個子層之外，還包含處理分組業務的分組數據協議匯聚子層(PDCP)和用于廣播／多播業務的BMC子層。

L3是指無線資源控制層(RRC)，位于接入網的控制平面。它主要處理UE和UTRAN的第三層控制平面的信令。UTRAN RRC與UE RRC之間的消息交互是通過RLC實現的，RLC通過Tr-SAP(透明業務接入點)、UMSAP(非確認業務接入點)、AM-SAP(確認業務接入點)向RRC提供業務。RLC層向RRC層提供業務，RRC層對RLC層進行控制。RRC除了控制RLC之外，還控制第二層子層MAC層、物理層、用戶平面PDCP和BMC層。

5RRC的相關控制過程

5.1RRC連接管理過程

RRC連接是為了建,-"zUE和UTRAN之間的信令連接(SRBl-SRB4)，可以通過CCH或者DCH；如果建立在DCH。上下行各占用1個碼道(SF=16)，在高速業務建立的時候。要占用兩個碼道。

(1)RRC連接請求

當UE請求建立RRC連接的時候，在邏輯信道CCCH上發送RRC連接請求消息給UTRAN。RRC連接請求消息中的信息單元如圖4所示：

(2)RRC連接建立

RRC連接過程指在UE和UTRAN之間建立一個RRC連接，RRC連接指的是空中接口的信令連接，UE和UTRAN之間最多只能存在一條RRC連接。在RRC連接建立時，通常會在UTRAN和UE之間建立4個SRB(信令無線承載)，其中2個用于承載RRC消息，另2個用于承載NAS(非接八層)層消息。分配給NAS的2個SRB中。一個分配給優先級高的信令，另一個分配給優先級低的信令。

用戶數據RAB(無線接入承載j有時需要有時不需要，取決于RRC連接請求的目的。如果RRC連接請求是為了建立語音或數據呼叫，則需要建立用戶RAB；如果RRC連接請求是為了位置區更新或路由區更新，則不需要建立用戶RAB。

當RRC連接建立以后，UE從空閑模式轉到CELL-DCH或CELL-FACH狀態。UTRAN在邏輯信道CCCH上發送“RRC連接建立”消息，RRC連接建立消息包含的信息單元如圖5所示：

(3)RRC連接建立完成

UE根據RRC連接建立消息的信息初始化無線承載、傳輸信道和物理信道配置，并停止計時器T300；在成功進入連接模式后，uE在上行鏈路的DCCH發送“RRC連接建立完成”消息給UTRAN。RRC連接建立完成消息的信息單元見圖6：

(4)RRC連接釋放

RRC連接釋放意味著斷開RRC連接，包括UE和UTRAN之間所有的RAB和SRB。在RRC連接釋放過程中，NAS層在通話結束時先執行釋放過程并釋放SRB，當最后的SRB釋放后，UTRAN便釋放RRC連接。當UE處于CELL-DCH或CELL-FACH狀態時，UTRAN隨時可以在DCCH信道上通過非確認RLC模式發送“RRC連接釋放”消息；如果UE處于CELL-FACH狀態，并且沒有下行鏈路DCCH信道。UTRAN可以在CCCH信道上發送“RRC連接釋放”消息。

“RRC連接釋放”消息包含釋放原因信息單元，釋放原因包括：正常釋放、異常搶先釋放、擁塞、重新建立駁回、指定信令連接重新建立等。

5.2無線承載控制過程

無線承載(RB)是UE與UTRAN之間RLC向上層提供的業務，用于接入網中承載相關信令和數據。無線承載可分為兩大類：

(1)信令無線承載(SRB)：在RNC和UE之間。在無線接入網層面用來傳送RRC和NAS信令的RB。用于控制平面的信令，用戶面的信令承載不屬于SRB而是RB。SRB通常在RRC連接建立期間建立。

(2)無線接八承載(RAB)：指UE和CN之間的承載。具體可以看作是UE與CN之間接八層向非接八層提供的業務，主要用于用戶數據的傳輸。它直接與uE的業務需求相關。涉及接入層各協議模塊。在空口上，RAB反映為無線承載。

無線承載只在連接模式下使用，UE的呼叫狀態決定建立無線承載的類型。當UE~CELL-PCH和URA-PCH狀態時，沒有SRB或RAB。當UE準備傳送信令信息或發起呼叫時，必須先轉換到CELL-FACH狀態，再映射到CCCH上發送信令消息給UTRAN。此時，UTRAN啟動無線承載建立過程，建立SRB。在無線承載釋放時，UTRAN可能先釋放RAB而保留SRB，也可能同時釋放RAB和SRB。

5.3UE移動性過程

UE移動性管理包括：小區重選、小區，URA更新、切換、RAT問切換等過程，具體選擇哪個過程要看當時UE處于哪種狀態。

(1)小區重選

當UE處于空閑模式、CELL—PCH、URA-PCH或cELL-FACH狀態時，會不斷地搜索更好的小區，并根據從系統消息中收到的參數自主決定是否進行小區重選，由UE側的RRC來控制小區重選機制。在空閑模式下，UE的RRC利用SIB3和SlBl 1中的小區重選參數決定鄰小區是否比當前小區更好；在CELL-PCH、URA-PCH或CELL-FACH狀態下，UE的RRC利用SIB4~I：]SlBl2中的參數進行小區重選，并啟動小區更新或URA更新過程。

當UE處于CS呼叫狀態，需要進行切換時，使用激活集更新或RAT間切換過程；當UE處于PS呼叫狀態，需要進行RAT間小區更新時，啟動小區重選過程。

(2)RAT問切換

不同RAT問的移動性涉及到UE與UTRAN之間連接的轉移，在CS域，u E在cELL-DOH狀態時，UTRAN發送切換命令給UE，將CS連接從UTRAN轉到GSM；在PS域，UE在CELL-DCH或CELL-FACH狀態時，UTRAN發送小區變更命令給UE，將PS連接從UTRAN轉到GPRS。

5.4測量控制過程

UTRAN通過S舊11和S舊12或測量控制消息來控制UE執行測量。當UE處于CELL-DCH或CELL-FACH狀態時，UTRAN可以發送測量控制消息給UE。測量控制消息包含測量標識、測量內容、報告內容、測量報告準則、測量效力、測量報告模式、附加測量標識和壓縮模式信息。UE可以執行的測量有同頻測量、異頻測量、RAT間測量、業務量測量、質量測量、uE內部測量等，每種測量都與RRM的DCA、PC、HC功能模塊密切相關，通過測量過程來協調RRM各個功能模塊之間的關系。

RRM的RLS邏輯模塊實時地把系統中各個UE的測量報告通知給RRM的其它功能模塊，這些功能模塊根據RLS的監測數據采取相應的動作，提高網絡的QoS。

5.5NAS消息傳遞過程

NAS消息傳遞也是RRC的任務之一。UE RRC和UTRANRRC通過接入層協議，使用初始直接傳遞、上行鏈路直接傳遞、下行鏈路直接傳遞在UE的NAS和UTRAN的NAS之間進行消息傳遞。初始直接傳遞用在上行鏈路，用于建立信令連接和在空口上傳送初始UE NAS消息。當UE傳送NAS消息時，UE RRC發起初始直接傳遞過程，由UE的RRC將此消息透傳給UTRAN的RRC，UTRAN的RRC再把消息傳遞給CN。上、下行鏈路直接傳遞分別用于上、下行鏈路，在空口上傳遞NAS消息。下行鏈路直接傳遞由UTRAN的RRC發起；上行鏈路直接傳遞是當高層需要在已建立的信令連接上發送NAS消息時，由UE發起。

6RRM未來的發展

GSM無線資源管理主要由手機終端和BSC中的RR進行管理，通過手機終端測量得到的RXLEV和RXQUAL進行小區選擇／重選和定位，以及專用信道的調撥、檢測和釋放。

3GPP中LTE采用分布式RRM，即RRC終結于eNB。同時RRM功能也在eNB實現。eNB在控制平面上負責RRM的各個子模塊，在用戶平面RRC、RLC、MAC、PHY都終結于eNB。aGW在控制平面上負責系統架構演進承載(SAEBearer)的控制和其它非接入層的信令，PDCP在aGW用戶平面進行處理。這樣可以避免復雜的信令流程。E-UTRAN可以獲得較低的時延和較高的QoS。

從無線移動通信系統的發展趨勢和多系統融合來看，不難看出未來移動通信系統網絡構架將是包括不同無線接入網絡的全IP的分層式網絡構架。未來移動通信系統平臺將采用分層式并具有良好彈性的構架，以支持不同系統、多種新技術、各種增值業務，滿足通用移動通信的需要，這勢必會給系統的無線資源管理帶來諸多新的挑戰。

7結束語

隨著無線通信技術的迅速發展，移動通信業務越來越豐富多彩，用戶使用新業務的需求不斷增加，無線資源(如頻率、功率、有效空間)日漸稀缺。所以有必要深入研究無線資源管理過程，以實現無線資源的使用效率最大化，達到資源的最優分配。眾所周知，TD-SCDMA系統包含功率控制、接納控制、負載控制、動態信道分配、切換等關鍵技術，這些技術的實現都離不開無線資源管理。而研究無線資源管理，應當首先從控制資源管理的RRC層開始。