子层协议

子层协议（精选4篇）

子层协议 篇1

分组数据汇聚协议(PDCP)在接入层(AS)协议栈中的位置位于RLC层之上,受RRC的调度和控制,将来自上层的用户数据传输到RLC子层。PDCP提供给上层的服务是PDCP SDU传递。协议栈的结构图可参考协议3GPP TS25.301。

1 PDCP结构与功能描述

图1给出PDCP模块的详细结构。每个PS域的无线接入承载(RAB)都和1个RB相关联,每个RB又和1个PDCP实体相关联。根据RLC模式的不同,每个PDCP实体可和1个或2个RLC相关联,1个PDCP可和2个非确认模式/透明模式的RLC实体(1个上行和1个下行)或1个确认模式(AM)RLC实体相关联。PDCP可使用1种或多种压缩算法(RFC 2507和RFC3095,当前只使用RFC 2507),也可不使用压缩算法。

在实现PDCP功能时,可将PDCP分为2个子模块:PDCP控制部分,主要完成对PDCP控制服务接入点的处理,通过PDCP和RRC接口发送原语,并产生、配置和删除PDCP实体,RRC给PDCP配置所有首部压缩所需参数,并把PDCP和RAB、RB关联起来;二是PDCP用户部分,主要完成从RB接收数据,在上行链路上,压缩IP分组数据包首部,然后发送到相应的实体;在下行链路上,PDCP从RLC接收首部压缩数据,进行解压缩后传送到上层。

PDCP实现的功能有:一是在发送方或接收方的PDCP实体中IP数据流的头压缩和解压缩。头压缩是针对特定的网络层、传输层或上层协议组合。当一个PDP上下文被激活时需知道网络层协议,PDCP可以通过PID值标识头压缩协议的不同类型。PDCP配置由UTRAN设置;用户数据的传输,这个功能被用于在PDCP服务的用户之间的数据汇聚。PDCP实例被配置成功后可进行数据传输,在上行链路数据传输过程中PDCP收到RABM发送的数据,根据配置信息将数据组装成PDU以原语形式发送给RLC。在下行链路数据传输过程中PDCP收到RLC送来的数据后将数据组装成PDCP SDU发送到RABM实体;如果PDCP应用于SRNS重定位,则PDCP需要保存对于RB的SDU序列号。只有当RLC配置为确认模式(AM)且顺序传输时才支持无丢失SRNS重定位。虽然RLC提供可靠的数据传输服务,但是当SRNS重定位时并不能保证传输的可靠性,所以PDCP在SRNS重定位时需要保存PDCP序列号以避免数据丢失。

2 PDCP接口描述

接口结构图如图2所示。PDCP接口主要与RRC,RABM和RLC相连接,通过PDCP_RRC接口RRC给PDCP配置所需参数。在完成控制部分相关操作完成后PDCP通过PDCP_RAB和RLC_PDCP接口完成与RABM和RLC之间的数据传递,实现上下行的数据传输。

3 过程实现

3.1 PDCP数据传输过程(RLC-AM模式)

UE开始进行数据传送,首先PDCP处于空状态,RRC没有对PDCP进行配置。RRC向PDCP发送1条“CPDCP_CONFIG_REQ”原语,进行PDCP实例的配置,保留配置参数后准备收发数据。然后RRC通知RABM可进行数据传输,RABM将数据以“PDCP_DATA_REQ”原语发送到PDCP,PDCP将完成IP头压缩等操作,将PDCP SDU组装成PDCP PDU,并以“RLC_AM_DATA_REQ”原语发送到RLC实例。如果支持无丢失SRNS重定位,PDCP收到“RLC_AM_DATA_CNF”消息时;如果指示PDU发送成功,则PDCP将释放掉该数据;如果不成功,PDCP需重发该数据。如果不支持无丢失SRNS重定位,可省去该消息。然后PDCP收到RLC的“RLC_AM_DATA_IND”消息,将PDU进行解压缩处理等,组装成“PDCP_DATA_IND”原语发送RABM实体。如果PDCP配置了无丢失SRNS重定位,就需要维护序列号,可通过“CPDCP_RELOC_REQ/CNF”原语进行操作。在数据传输过程中,如果RRC需要对PDCP进行重配置实例,发送“CPDCP_CONFIG_REQ”进行该操作。数据收发完成后RRC向PDCP发送“CPDCP_RELEASE_REQ”消息释放PDCP实例,PDCP回到空状态。

以上的各种消息里包含一些参数,参数列表见表1。

图3给出RLC-AM的PDCP数据传输过程。

3.2 PDCP数据传输过程(UM-RLC模式)

UM-RLC的PDCP数据传输过程与AM-RLC过程大致相同,这里不进行详细说明。不同之处在于:PDCP在上行链路数据传输时,PDCP将SABM发送来的SDU组装成PDU后以“RLC_UM_DATA_REQ”原语形式发送到RLC;当下行链路进行数据传输时RLC将PDU以“RLC_UM_DATA_IND”原语形式发送到PDCP。“RLC_UM_DATA_REQ/IND”和“RLC_AM_DATA_REQ/IND”参见协议3GPP TS25.322;因为只有RLC配置为AM模式且顺序传输时才支持无SRNS重定位,所以在该过程是不支持无SRNS重定位的,则“CPDCP_RELOC_REQ/CNF”和“RLC_AM_DATA_CNF”消息在该过程中将被视为无效。

3.3 PDCP数据传输过程(TM-RLC模式)

TM-RLC的PDCP数据传输过程与UM-RLC过程基本相同,不同在于PDCP将上层送下来的SDU组装成PDU后以RLC_UM_DATA_REQ发送到RLC;下行链路数据传输时RLC将数据以RLC_UM_DATA_IND发到PDCP。

4 结 语

TD-SCDMA标准是我国向ITU提出并被采纳的第一个国际性通信标准,它在频谱利用率、业务支持的灵活性和成本等方面具有独特的优势。在用户数据业务空前发展的今天,只有满足用户的需求、提供优质的服务才能更好的占据市场。PDCP就是用户数据平面里L2的子层,本文就它的结构、功能、实现过程进行了描述,对于了解PDCP子层功能、PDCP工程实现有一定的帮助。

摘要：PDCP是TD-SCDMA系统中终端协议栈L2的一个子层,只适用于数据域(PS)。PDCP子层在用户数据传输过程中起着非常重要的作用,设计合理的PDCP子层将保证用户数据有效地进行传输。基于该目的,对PDCP在用户数据传输过程中进行研究,首先根据协议介绍PDCP子层的结构、功能描述和相关接口,然后主要设计PDCP子层在AM-RLC模式(RLC确认模式)下的数据传输过程的实现方法,包括PDCP链路建立、数据传输、链路释放过程。对PDCP子层的学习有一定的帮助。

关键词：PDCP,TD-SCDMA,RLC模式,原语

参考文献

[1]3GPP TS25.323 V4.6.0-2002.3rd Generation PartnershipProject;Technical Specification Group Radio Access Net-work;Packet Data Convergence Protocol(PDCP)Specifica-tion[S].

[2]3GPP TS25.301 V4.4.0-2002.3rd Generation PartnershipProject;Technical Specification Group Radio Access Net-work;Radio Interface Protocol Architecture[S].

[3]3GPP TS25.331 V7.3.0-2006.3rd Generation PartnershipProject;Technical Specification Group Radio Access Net-work;Radio Resource Control(RRC)Protocol Specifica-tion[S].

[4]3GPP TS25.322 V7.1.0-2006.3rd Generation PartnershipProject;Technical Specification Group Radio Access Net-work;Radio Link Control(RLC)Protocol Specification[S].

[5]李小文,李贵勇,陈贤亮,等.TD-SCDMA第三代移动通信系统、信令及实现[M].北京:人民邮电出版社,2003.

子层协议 篇2

关键词：长期演进,移动性管理实体,SDL,协议测试,附着过程

引言

LTE是3GPP标准化组织设立的一个无线移动通信系统演进计划,其系统设计目标已经成为3G移动通信系统的主流演进方向。TD-LTE技术作为TD-SCDMA的未来演进技术是中国继TD-SCDMA之后,提出的具有自主知识产权的新一代移动通信技术。这种以OFDM/FDMA为核心的技术可以被看作“准4G”技术。目前TD-LTE各项规范协议正在日趋完善成熟,测试工作也在逐步开展[1]。

信令软件的实现有许多方式,SDL描述就是其中一种常用方式。SDL语言在1988年推出第一个正式版,以后每四年一次增补更新,目前最新版本为SDL-2009。主要优点是开发周期可以缩短40%～75%;可以明显改善软件质量;作为正式规范描述语言,可以提高质量在10%～15%;可以大幅降低系统的差错率;可以快速原型化,验证实现是否满足需求,并在开发的早期进行测试,即使系统未完全实现;对系统图形化、直观、易于维护。正是这些特点,SDL在开发协议软件中起着不可比拟的作用[2][3]。

本文模拟TD-LTE系统EMM子层信令软件的编程实现。通过对移动性管理实体(MME)端的EMM子层协议分析,用SDL把整个软件系统分成若干Block或Process,各部分可以独立进行开发和测试,完全独立于硬件和操作系统,以流程图的方式描述系统,在此基础上设计SDL的状态机,最后单步发送原语,配置消息参数产生对应的MSC (Message Sequence Chart,消息序列图)仿真图。

1 TD-LTE系统与EMM子层功能模块

1.1 LTE协议栈架构

TD-LTE协议栈是一个相当复杂的网络结构通信协议,整个分层结构借鉴OSI开放式系统,但也保持了无线通信的特性,如图1,从下到上分为物理层(L1)、数据链路层(L2)和网络层(L3)。其中L2和L3又被分为多个子层,L3分为无线资源控制(RRC,Radio Resource Control)、移动性管理(MM,Mobile Management)和连接管理(CM,Connection Management)等3个子层。而后两者均属于非接入层。

非接入层在整个协议栈中有着举足轻重的地位。非接入层处于整个协议栈的高层,可以分为CM子层和MM子层,共有EMM和ESM两个实体。EMM模块是TD-LTE通信系统非接入层中一个重要的模块,主要功能是提供用户设备的移动性管理,还给CM子层的SM和SMS实体提供连接管理,同时还提供数据的管理特性,其主要完成提供用户设备的移动性管理,以及EPS承载上下文的建立,修改,去激活等功能[[4][[5]。

1.2 接口原语设计

在设计接口原语时,根据协议接口图,EMM向上与ESM交互,向下与接入层的RRC交互,简化层间信令交互接口,设计了两个接口RRC-EMM与EMM-ESM。

在功能划分上,根据3GPP协议的层间划分体系,RRC子层负责分析控制信息和资源的管理,EMM负责附着过程,移动性管理,非接入层的鉴权过程与安全模式控制过程。ESM负责PDN连接建立和激活默认EPS承载上下文。终端刚开机时,先进行物理下行同步,搜索测量进行小区选择,选择到一个适合的或者可接受的小区后,驻留并进行附着过程,RRC在终端和eNodeB连接建立完成消息中携带附着请求,在网络端向上传个EMM,EMM收到附着请求,核对信息元素(IE),如果正确则对终端发起鉴权请求,如果有ESM的内容,则传给ESM。

主要原语说明如下:

EMMAS一INITIAL_UE_MESSAGE:RRC传输初始L3消息给EMM,用于初始附着和业务请求;

EMMAS_DATA_IND:RRC将接受到的数据传送给EMM;

EMMAS_DATA_REQ:EMM请求RRC发送NAS的数据给对等层;

EMMAS_CONTEXT_SETUP_RSP:RRC向EMM指示终端上下文的建立情况;

EMMAS_CONTEXT_SETUP_REQ:在初始附着过程(包含NAS消息)中或业务请求过程(也可能包含NAS消息)中,提供给RRC相关参数和或NAS PDU,请求RRC进行重配置。适用场景如:业务请求过程或初始附着过程。

EMMESM_DATA_IND:将接收到的ESM消息发送给ESM子层;

EMMESM_DATA_REQ:请求EMM传送ESM消息给对等层;

EMMESM_CONTEXT_SETUP_RSP:RRC向EMM指示终端上下文的建立情况;

EMMESM_CONTEXT_SETUP_FAIL:RRC向EMM指示由于底层失败等致使上下文的建立不成功。

2 EMM协议实现

MME端的EMM状态设计

根据对协议的分析,对MME端模型分为四个状态:去注册状态(EMM_DER)、一般过程初始化状态(EMM_CIN)、注册状态(EMM_REG)和去注册初始化状态(EMM_DIN)。根据这四个状态变化,用C语言编写,分为EMM_DER,EMM_CIN,EMM_REG,EMM_DIN(去注册过程初始化)四个C文件,把交互原语定义为结构体,并编写处理相应原语的函数,按协议配置消息参数[6]。

首先,我们在分析协议的基础上,加上前面的分析设计和选取密钥算法,如图3所示终端注册过程详细设计流程图,定义相关原语EMMAS_DATA_REQ,EMMAS_DATA_IND,当终端发来附着请求,请求注册到网络,网络端的MME与HSS(Home Subscriber Server,归属用户地服务器)会要求对终端进行鉴权,于是发起鉴权请求,只有合法的终端才能注册到网络。完成鉴权后,EM-MAS_DATA_REQ原语从MME到eNodeB传送SECURITY MODE COMMAND消息含安全算法和UE安全能力。EMM进入一般过程初始化状态(CIN),然后eNodeB和UE通过原语DI_INFORMATION TRANSFER和原语UL_INFORMATION TRANSFER进行交互,最后eNodeB通过EMMAS_DATA_IND原语把SECURITY MODE COM-PLETE消息传给MME,MME收到该消息后关闭定时器T3460,并对该消息进行解密和完整性合适,开始下行加密,当在定时器有效时间内收到终端附着完成并且EMM进入到注册状态(REG)。

3 SDL设计与仿真结果

3.1 SDL状态机设计

根据前面对EMM子层流程分析,和状态跃迁设计,设计SDL状态机。SDL将C程序代码转化为PR文件,通过分析执行后再转化为可执行的EXE文件。按图3详细设计结合C代码,设计如图4的SDL状态机,收发原语然后调用完成消息处理和转发的C语言函数。终端通过发送附着请求给网络,网络收到后会对消息进行核对,如果终端移动性标识合法,就会让EMM给终端发鉴权请求,否则退出附着过程。当终端收到鉴权请求会由USIM卡计算鉴权响应值返回给网络。网络再次比对本地响应值和收到的响应值,如果相等则进入安全模式控制过程,否则鉴权失败。由于安全模式过程发生在鉴权和密钥协商过程后,安全模式控制过程测试流程,SDL按上分析收发原语,进行状态跳变,在通常实验条件下,用无线综合测试仪模拟基站,实现终端和网络相互鉴权,鉴权发生在移动性终端向网络请求附着的时候,而安全模式控制过程属于整个附着过程的一部分。用此SDL状态机图测试编写的附着过程代码能否让终端通过成功注册到网络。[7][8]

3.2 仿真结果

终端刚开机的非注册状态(EMM_DER),运用SDL软件,按照协议正确配置消息参数:附着请求,鉴权过程,安全模式控制过程,默认EPS承载上下文建立过程和UE能力获取等。得出如图5终端附着成功MSC图,PEMM_1_1是模拟综合测试仪的移动性管理实体进程,本身对安全性并无影响但是属于整个终端注过程的部分。e_v_0仿真环境,按参考文献[4]配置消息参数,在原语EMMAS_INITIAL_UE_MESSAGE携带ATTACH REQUEST(附着请求),然后进行鉴权(AKA)过程,之后SMC消息用原语EMMAS_DATA_REQ和原语EMMAS_DATA_IND在RRC层和EMM层之间传递,最后终端注册成功说明包含在附着过程内的所有过程都成功通过,终端进入注册状态(EMM_REG),可以正常通信,测试成功。图6,当配置从网络端发来的消息为附着拒绝,附着过程会失败,终端回到非注册状态。从图7中可以看出当终端非法或者USIM卡无效,当网络端发起鉴权过程,MME进入EMIM_CIN状态,待终端回过来的原语包含鉴权失败消息,网络端收到会终止鉴权过程,同时拒绝终端的附着。MME又回到EMM_DER状态,这样保证了合法用户才能注册到网络。这三个MSC图展示了终端附着过程的主要三种情况,非常具有代表性。

4 结束语

在实际通信网络中,EMM属于核心网,完全实现EMM子层协议是一个难点,仅仅依靠人工编码来实现系统是非常危险的。但通过SDL设计EMM子层状态机,再结合C代码,对协议软件系统进行分析验证,能非常有效解决这一难题。而且可以通过原语配置不同的信息以测试不同结果,上面三个仿真图就很好的体现了这点,给出了一个终端附着成功图和两个附着失败的仿真图。如果配置鉴权拒绝或安全模式控制过程失败或定时器超时等都会导致附着失败,同时当终端进入注册状态可以发寻呼,回环测试等,分离请求等,限于篇幅没有一一罗列,但是通过该测试方法都可以全部实现。并且在实际项目中都已经应用、该测试方法也适合LTE协议栈其它子层的开发,值得推广使用。

参考文献

[1] Motorola.Co.Ltd.Long term evolution(LTE):A technical overview[R],US,2007:4-10

[2]王颖,倪朝,艾波.SDL形式语义定义现状及其改进[J].通信学报,2000,04:75-79

[3]刘宇红,白伟.SDL语言及其在通信系统中的应用[J].通信技术,2002,12:16-18

[4] 3GPP TS 24.301 V920-2009.Non-access-stratum(NAS) protocol for evolved packet system(EPS);Stage 3[S],2009

[5] 3GPP TS 23.401.V900-2009,General packet radio service (GPRS) enhancements for evolved universal terrestrial radio access network(E-UTRAN) access(Release 9);Stage 2[S],2009

[6]李小文,肖垒,宋海贝.TD-LTE系统移动性管理实体测试与研究[J].光通信研究,2011,4:57-61

[7] 3GPP TS 36.523-1 V830-2009.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA) and evolved packet core(EPC); User equipment(UE) conformance specification;Part 1: Protocol conformance specification[S],2009

子层协议 篇3

关键词：LTE,分组数据汇聚协议,OPNET,UMTS

0 引 言

3GPP希望通过升级诸如HSDPA和HSUPA这样的无线接口技术,来确保未来10年或者更长的时间内,保持竞争能力。因此LTE长期演进主要是以降低时延、提高用户数据速率、改善系统容量以及覆盖,并且降低运营商的成本为目标。为了实现这些目标,LTE系统设计涵盖了无线接口和无线网络架构两个方面。

本文研究的分组数据汇聚协议(Packet Data Convergence Protocol,PDCP)层属于无线接口协议栈的第二层,处理控制平面上的无线资源管理(RRC)消息以及用户平面上的因特网协议(IP)包。在用户平面上,PDCP子层得到来自上层的IP数据分组后,可以对IP数据分组进行头压缩和加密,然后递交到RLC子层。PDCP子层还向上层提供按序提交和重复分组检测功能。在控制平面,PDCP子层为上层RRC提供信令传输服务,并实现RRC信令的加密和一致性保护,以及在反方向上实现RRC信令的解密和一致性检查。

1 PDCP子层功能

PDCP子层的主要功能如图1所示。

PDCP协议包括以下具体支持的功能[1,2]:

(1) 用户平面数据的报头压缩和解压缩。

(2) 安全性功能:

① 用户和控制平面协议的加密和解密;

② 控制平面数据的完整性保护和验证。

(3) 数据的传输功能:

① 下层重建时,对向上层发送的PDU顺序发送和重排序;

② 对映射到AM模式的RB的下层SDU进行重排序。

(4) 数据包的丢弃。

1.1 报头压缩

在LTE系统中,规定PDCP子层支持由IETF(互联网工程任务组)定义的健壮性报头压缩协议(ROHC)来进行报头压缩。在LTE中,因其不支持通过电路交换域(CS)传输的语音业务,为了在分组交换域(PS)提供语音业务且接近常规电路交换域的效率,必须对IP/UDP/RTP报头进行压缩,这些报头通常用于VoIP业务。

典型的,对于一个含有32 B有效载荷的VoIP分组传输来说,IPv6报头增加60 B,IPv4报头增加40 B,即188%和125%的开销。

为了解决这个问题,在LTE系统中,设定在激活周期内PDCP子层采用ROHC报头压缩技术,在压缩实体初始化之后,这一开销可被压缩成4～6个字节,即12.5%～18.8%的相对开销,从而提高了信道的效率和分组数据的有效性。

IETF在“RFC 4995”中规定了一个框架,ROHC框架中有多种头压缩算法,称为Profile,每一个Profile与特定的网络层、传输层和更上层的协议相关,如TCP/IP和RTP/UDP/IP等。具体的报头压缩协议及属性如表1所示[3]。

报头压缩协议可以产生两种类型的输出包[4]:

(1) 压缩分组包,每一个压缩包都是由相应的PDCP SDU经过报头压缩产生的;

(2) 与PDCP SDU不相关的独立包,即ROHC的反馈包。

压缩包总是与相应的PDCP SDU采用相同的PDCP SN和COUNT值;ROHC反馈包不是由PDCP SDU产生的,没有与之相关的PDCP SN,也不加密。

1.2 安全性功能

LTE的安全性是在PDCP层负责的,通过加密(控制平面RRC数据和用户平面数据)及完整性保护(仅控制平面数据)实现[5]。

1.2.1 加密/解密

在LTE系统中,加密功能位于PDCP实体中,加密对象包括:

(1) 控制平面,被加密的数据单元是PDCP PDU的数据部分(未压缩的用户面或控制面的PDCP SDU或压缩的用户平面PDCP SDU)和MAC-I域(完整性消息鉴权码)。

(2) 用户平面,被加密的数据单元是PDCP PDU的数据部分。

PDCP实体所使用的加密算法和密钥(KEY)由高层协议配置。一旦激活安全功能,加密功能即被高层激活,该功能应用于高层指示的所有PDCP PDU。PDCP用于加密的参数包括以下2个:COUNT;DIRECTION(传输的方向)。

RRC协议提供给PDCP加密功能所需要的参数包括以下2个:BEARER;KEY(控制平面使用KRRCenc,用户平面使用KUPenc)。

加密是通过对消息和加密流做异或(XOR)运算来实现的,这里加密流是由基于接入层(AS)导出密钥、无线承载ID、传输方向(上行或下行)以及COUNT值的加密算法所生成的。加密仅适用于PDCP数据PDU。控制PDU(如ROHC反馈或PDCP状态报告)既不使用加密,也不适用完整性保护。

1.2.2 完整性保护

完整性保护功能包括完整性保护和完整性验证两个过程,完整性保护功能仅应用于SRB。用于PDCP实体的完整性保护功能的算法和KEY由上层配置。一旦激活安全功能,完整性保护功能即被高层激活,该功能应用于高层指示的所有PDCP PDU。PDCP用于完整性保护的参数包括以下2个:COUNT;DIRECTION(传输的方向)。

RRC协议提供给PDCP完整性保护功能的参数包括以下2个:BEARER;KEY(控制平面使用KRRCint)。

UE基于上述输入的参数计算X-MAC,进行PDCP PDU的完整性验证。如果计算出的X-MAC与MAC-I相同,则完整性保护验证成功。

1.3 数据的传输

控制平面的PDCP PDU和用户平面的PDCP数据PDU都拥有一个序列号SN字段,PDCP子层的发送和接收实体就是通过设置和检查SN字段来实现PDCP PDU的按序发送和接收[6]。PDCP子层在发送侧和接收侧分别维护一个重排序窗口的大小是SN范围的50%。当SN为0～4 095时,即“最大PDCP SN”的值为4 095时,重排序窗口的大小为2 048。

在非切换状态下,RLC子层位为PDCP子层提供按序提交和重复包丢弃服务。而在切换状态下,由于UE与两个eNodeB同时通信,因此其RLC子层无法保证按序提交和重复包丢弃,从而需要由PDCP子层来完成这些功能。

下面以UE侧的操作为例说明PDCP子层的发送和接收流程。

1.3.1 上行发送

每一个PDCP SDU对应一个Discard Timer,一旦由高层接收到一个PDCP SDU,即启动该SDU对应的Discard Timer。同时,进行发送相关的状态变量更新及加密、完整性保护等,具体过程如图2所示。

1.3.2 下行接收

在不需重建的普通工作模式下,PDCP实体在接收到RLC AM实体提交的PDCP PDU时,不需执行重排序过程,因为RLC AM在向PDCP实体提交PDCP PDU时, 已保证顺序递交。以切换引起的PDCP重建为例,UE先从源eNodeB收到一些PDCP SDU,重建开始后从目的eNodeB接收PDCP SDU(其中部分是源eNodeB转给目的eNodeB的,并且有一些是源eNodeB已发给UE但尚未得到确认的),因此,UE的PDCP实体收到的PDCP SDU可能是乱序并且有重复的,因此对于RLC AM模式,在重建情况下,PDCP接收实体需对接收的PDCP SDU进行重排序和重复检测。

综合上述各种情况,对映射到RLC AM模式的DRB接收处理过程如下:定义接收的PDCP序列号为SN,接收端上一次提交给高层的PDCP SDU序列号为Last_Submitted_PDCP_RX_SN,Reordering_Window为序列号空间50%长度的重排序窗,RX_HFN为接收端当前HFN,Next_PDCP_RX_SN为接收端期待的下一个接收的PDCP序列号,具体流程如图3所示。

1.4 数据包丢弃

LTE的PDCP层的丢弃功能基于定时器,发射机从高层接收到每一个PDCP SDU时该定时器启动,当定时器溢出时UE仍未发起PDCP SDU传输,那么丢弃该PDCP SDU。如果定时器被设置到一个合适的值来满足无线承载所要求的QoS,这一丢弃机制可以防止发射机的过渡延时和排队现象。具体的处理过程如下[7]:

1.4.1 上行发送

当高层要求PDCP重建时,映射到RLC AM模式的DRB处理过程:

(1) 重置上行头压缩协议。

(2) 在重建过程中,应用高层提供的加密算法以及密钥。

(3) 由第一个还没有确认成功发送的PDCP SDU开始执行重传,或者按COUNT升序,优先于重传过程发送所有已关联了PDCP序列号的PDCP SDU。

① 按照第一节报头压缩中提及的压缩算法,执行PDCP SDU报头压缩过程。

② 按照安全性功能介绍的加密过程,执行PDCP SDU加密过程。

③ 将经过上述处理的PDCP数据PDU递交给下层。

1.4.2 下行接收

当高层要求PDCP重建时,映射到RLC AM模式的DRB处理过程:

(1) 处理所有由于下层重建而由下层接收的PDCP数据PDU。

(2) 重置下行头压缩协议。

(3) 在重建过程中,应用高层提供的加密以及完整性保护算法。

2 PDCP在OPNET中的实现

2.1 PDCP传输的实现

在OPNET中PDCP传输的实现是通过直接改变数据包的大小来仿真网络流量,PDCP在OPNET中压缩侧的实现流程图如图4所示。

PDCP的传输过程是在收到来自上层的数据流时调用,进入strm==FROM_HIGHER分支之后执行lte_gmm_client_packet_process(pkptr)函数,在这个函数中GMM层完成对上层数据包的处理,并生成向RLC转发的数据包rlc_pkptr以及接口控制信息ICI包pdu_iciptr,并将ICI包绑定在传给RLC的数据包上。当获取ICI中断,如果有ICI的中断,那说明当前状态为收到上层发来的IP数据包,如果没有ICI中断,那么需要转发的是命令消息。但是不管是数据包还是命令包,都进入lte_support_pdcp_header_comp_size_compute函数得到压缩后的大小,公式为:

size = size - (header_size_to_compress * (1 - comp_ratio));

这里的comp_ratio就是从GMM属性中获取的PDCP压缩率,保存在pdcp_comp_info变量之中[8]。

2.2 仿真结果

为了验证头压缩在LTE中空口的应用,设计了一个简单的网络模型,主要由用户终端UE、eNodeB、核心网CN和外部网络FTP组成。分别对UE设定在采用PDCP和没有采用PDCP的两种情况下,仿真eNodeB的上下行吞吐量性能。在这个场景中,设置了30个移动终端UE执行FTP业务,并且假设已经建立了PS信令连接[9],并且在仿真期间一直保持。

这种FTP背景类业务对吞吐量要求很高,图5表示从eNodeB采集到的上行吞吐量性能,采用了PDCP压缩技术的曲线(虚线),相对于没有使用PDCP的曲线(实线)的吞吐量缓慢的提升,这是由于FTP这种业务特性决定的[10]。当用户激活背景类业务时,网络首先对该类用户进行接入控制,判断网络是否有剩余容量接入该用户,如果有容量则允许该用户接入,但是并不给该业务预留带宽。当系统拥塞时,允许对该类型用户进行丢弃操作。背景类业务对时延和时延抖动要求较低,采用尽力而为的方式进行转发。图6显示的是下行链路的吞吐量情况,采用PDCP技术后吞吐量得到了明显的提升。

3 结 论

LTE作为3GPP中GSM和UMTS家族的技术演进,被看作完成了业务扩展这一趋势,即从简单的语音业务向建立多业务空中接口的转变,并且所有的业务都是基于分组交换模式,这就对系统容量的需求非常大。诸如在实时业务VoIP中,空中接口资源有限,应用PDCP层中优化的头压缩技术,能够有效地降低包头的开销,提高空口的传输效率,而且PDCP层还支持加密功能,让传输更具有可靠性。由此可见,LTE中的PDCP层的设计,在功能上体现了LTE系统的高数据速率、低时延和分组优化的设计目标。

参考文献

[1]3 GPP.TS 3 6.3 2 3(V8 3 0)on packet data convergenceprotocol(PDCP)specification[EB/OL].[2 0 0 9-1 2-2 1].http://www.huaye-direction.com.

[2]3GPP.TS 25.323(V9.0.0)on packet data convergenceprotocol(PDCP)specification[EB/OL].[2009-12-18].http://www.huaye-direction.com.

[3]IETF.RFC4995 on the robust header compression(RO-HC)framework[EB/OL].[2007-07-30].http://www1.ietf.org/mailman/listinfo/ietf-announce.

[4]NAIDU Devishree,TAPADIYA Rakhi.Implementation ofheader compression in 3GPP LTE[C]//Proceedings ofSixth International Conference on Information Technology:New Generations.Las Vegas,Nevada:ITNG,2009:257-266.

[5]SESIA Stefania,TOUFIK Issam,BAKER Matthew.LTE-UMTS long term evolution:from theory to practice[M].United States:John Wiley&Sons Ltd,2009.

[6]张新程,田韬,周晓津.LTE空中接口技术与性能[M].北京:人民邮电出版社,2009.

[7]Harri Holma,Antti Toskala.WCDMA for UMTS:HSPAEvolution and LTE[M].United States:John Wiley&SonsLtd.,2007.

[8]李小文,胡现岭.3G系统中PDCP子层ROHC的研究和实现[J].重庆邮电学院学报:自然科学版,2010,22(2):174-178.

[9]李馨,叶明.OPNET Modeler网络建模与仿真[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006.

子层协议 篇4

随着LTE技术的发展, 对于高层协议栈的控制中心RRC子层提出了更高的要求。本文根据项目所从事特点, 详细介绍和设计了基于X2, S1接口的切换技术及切换过程的一般流程。LTE系统结构由e Node Bs, 移动性管理实体 (MME) 和SAE网关组成。e Node Bs通过S1接口与MME/SAE网关相连, 通过X2接口与相邻的e Node Bs相连。后者只存在需要相互通信的相邻的e Node Bs之间。在e Node B间切换时, X2接口用来在用户平面上发送临时用户下行数据。

1 切换的简介

在移动通信系统中, 对于正在通信中的移动台, 当它从一个基站的覆盖区域移动到另外一个基站的覆盖区域时, 为了保证通信的连续性, 网络控制系统会启动切换过程, 将移动台和网络之间的通信链路从当前基站转移到新的基站, 以保证用户业务的连续传输。所谓切换 (Handover, HO) , 通常指移动台在通信期间, 由于位置发生改变, 而改变与网络的连接关系, 以保持与网络的持续连接的过程, 也称为越区切换。切换处理对于蜂窝移动通信系统来说是非常重要的。因为网络系统由多个小区构成, 在不同的小区覆盖区域之间的切换经常发生。此外, 进行切换可以使移动台以最小的功率和

信号最强的基站进行通信, 减少了移动用户的功率消耗。

LTE系统是蜂窝移动通信系统, 当用户从一个小区移动至另一个小区时, 与其连接的小区将发生变换, 执行切换操作。按照源小区和目标小区的从属关系和位置关系, 可以将切换做如下的分类:

(1) LTE系统内切换:通过X2的e Node B间切换、通过S1的e Node B间切换。

(2) LTE与异系统之间的切换:由于LTE系统与其他系统在空口技术上的根本不同, 从LTE小区切换到其他系统的小区, UE不仅需要支持LTE的OFDM接入技术, 还需要支持其他系统的空口接入技术, 可能出现的情形包括:LTE与GSM之间的切换、LTE与UTRAN之间的切换、LTE与Wi MAX之间的切换等。

触发切换的原因一般有:信号强度引起的切换, 功率预算引起的切换, 信号质量引起的切换, 移动台到基站距离引起的切换以及话务切换。引起切换的原因很多, 主要还是因为空中接口的连接不能再满足现在业务要求或者有更高质量的链路接入, 为了满足更高质量来保证移动用户的顺利进行, 就需要切换。

传统的切换主要划分为:硬切换, 软切换及接力切换。

硬切换的特点是“先断后连”, 即移动台首先与当前的服务基站断开连接, 然后向其他基站发出接入申请。硬切换意味着切换过程中只有一个业务时处于激活状态。当然如果新的链路不能很顺利的建立话, 往往会产生通信中断, 而且移动台在两个小区来回的移动, 有可能造成源小区和目标小区来回切换的“乒乓效应”, 但是也提高了切换的效率。在TD-LTE系统中, 就采用了硬切换技术。

软切换首先要建立一条新的链路, 然后再断掉原有链路, 因此, 同“先断后连”的硬切换相比, 采用软切换可大大降低系统的掉话率。此外, 软切换的用户同时同多个基站相连, 可采用分集接收, 对信号进行最大比合并或选择性合并。在以CDMA多址技术为基础的3G系统中, WCDMA系统和CDMA2000系统均采用了软切换技术。

接力切换是利用精确的定位技术, 对移动台的距离和方位进行定位的基础上, 根据移动台方位和距离作为辅助信息来判断移动台是否移动到了可进行切换的相邻基站邻近区域。

2 基于X2/S1的切换过程

2.1 切换总体过程

LTE切换过程总体可以分为三个过程:测量过程、判决过程及执行过程。如图1所示, 测量结果可以以事件或周期性上报给网络侧, 供网络侧参考判决。切换过程是在UE端触发的, 在测量阶段, UE周期性地进行基于来自服务小区和最强邻小区的参考信号的RSRP (Reference Signal Received Power) 和RSRQ (Reference Signal Received Quality) 的测量, 同时基站侧也不断测量UE的上行链路信号, 测量结果发送给e Node B, e Node B此时进入相应的网络判决阶段。在网络端判决测量结果是否达到预定义的门限, 选择目标小区, 如果达到门限值, 则进入到切换执行阶段。

判决过程是网络RRC的一个重要功能。具体判决是对UE上报的事件和内容进行判决, 如果不满足门限和条件, 则不予理会, 如果满足给定的条件, 选择好要切换的目标小区, 则下发PHYSICAL CHANNEL RECONFIGU-RATION消息给UE, 启动切换过程。

在RRC给UE下发PHYSICAL CHANNEL RECON-FIGURATION消息之前, 需要对目标小区进行无线链路的建立配置, 当配置完成之后再下发消息。此消息里含有目标小区ID、载波频率以及物理层的新配置信息等, 不同的配置就决定了不同的切换。

2.2 基于S1的切换

当RRC连接存在的时候, UE的移动性表现为切换, 在E-UTRAN内部的切换要遵循以下原则: (1) 切换是基于网络控制的, E-UTRAN决定什么时候发起切换和切换的目标小区; (2) 切换是基于UE测量的, UE测量和测量报告是有E-UTRAN给出的参数来控制的; (3) 在E-UTRAN里的切换要求通过源e Node B和目标e Node B之间的包转发来满足它的无损切换; (4) 只有当无损切换完成的时候, 核心网S1连接才被更新。

当如下条件中的任何一个成立时则会触发S1接口的e Node B间切换: (1) 源e Node B和目标e Node B之间不存在X2接口; (2) 源e Node B尝试通过X2接口切换, 但被目标e Node B拒绝。从LTE网络结构来看, 可以把两个e Node B与MME之间的S1接口连同MME实体看做是一个逻辑X2接口。其流程如图2所示, 具体步骤分析如下所示: (1) 在源e Node B中间, UE的上下文包含关于漫游区域限制的信息。这些信息在连接重建立和TA (跟踪区) 更新的时候被提供; (2) 源e Node B根据区域限制信息, 来配置UE的测量过程; (3) 根据系统信息, 规格说明等中所设置规则的要求, 触发UE发送测量报告; (4) 源e Node B基于测量报告和无线资源管理信息作出UE切换的决定; (5) 源基站向MME发送切换需求; (6) MME向目标e Node B发送切换请求进行资源的分配, 并传送必要的信息; (7) 如果同意分配资源的话, 目标e Node B执行准入控制。目标e Node B根据所接收的E-RAB的Qo S信息和预留的C-RNTI和可选的RACH前导, 配置所需的资源。 (8) 目标e Node B切换请求确认发送给MME现在已经准备接受引入切换。 (9) 收到切换请求确认后, MME向源基站发送切换命令 (10) 源e Node B生成RRC连接重配置消息, 且包含移动控制信息。 (11) 源e Node B发送SN状态转换信息给目标e Node B为了传达E-RABs的上行PDCP SN接收状态和下行PDCP SN发送状态给PDCP状态保存机制即RLC AM。 (12) 在接收到包含移动控制信息的RRC连接重配置消息后, UE执行同步到目标e Node B, 并通过RACH接入到目标小区, 如果在移动控制信息中包含一个专用RACH Preamble (前导) , 进行无竞争进程;如果没有专用前导, 进行基于竞争解决的进程。 (13) 目标e Node B响应UL资源分配和定时提前; (14) 此时MME向目标e Node B发送转态转换消息 (15) 当UE成功接入到目标小区, UE发送RRC连接重配置完成消息 (包含C-RNTI) 去证实切换成功, 同时上报缓冲状态报告, 发送到目标e Node B去指示切换进程对于UE已完成。当目标e Node B证实了此标识就开始数据的传输; (16) 目标e Node B向MME发送路径转换请求信息, 通知UE已经变换的小区; (17) MME向服务网关发送用户平面更新请求信息; (18) 服务网关转换下行数据路径到目标e Node B; (19) 服务网关发送用户平面更新响应到MME; (20) MME发送UE上下文连接释放到源e Node B, 源e Node B触发资源的释放; (21) 一旦接收到UE上下文释放信息, 源e Node B释放无线资源和与UE上下文相关联的控制平面上的相关的资源。

2.3 基于X2的切换

一般情况下, e Node B间切换一般都要通过X2接口进行, 即使同时存在S1接口, 也优先选择通过X2接口切换, 这样也减轻了核心网的负担。相比较于通过S1接口的流程, 通过X2接口切换的流程在切换准备过程和切换完成过程有所不同, 其流程如图3所示, 其中步骤1到7为切换准备过程, 步骤8到14为切换执行过程, 步骤15到19为切换完成过程, 其不同之处在于, 切换请求过程改为源e Node B向目标e Node B发送请求, 然后目标基站向源e Node B发送切换;在源e Node B释放资源之前, 是由目标基站通知。

3 异系统间的切换

异系统间切换的情形发生在LTE小区与非LTE小区之间的切换, 切换过程中设计到的信令流程主要集中在核心网。以UE从UTRAN切换到E-UTRAN为例说明, UE所在的RNC向UTRAN的SGSN发送切换请求, SGSN需要与LTE的MME之间进行消息交互, 为业务在E-UTRAN上创建承载, 同时需要UE具备双模功能, 使UE的空口切换到E-UTRAN上来, 最后再由MME通知SGSN释放源UTRAN上的业务承载。

4 无线测量与测量报告

UE根据E-UTRAN提供的测量配置报告测量信息。E-UTRAN通过专有信令为连接状态下的UE提供可用的测量配置, 也就是使用RRCConnection Reconfiguration消息。切换测量通过E-UTRAN与UE间的“测量控制”和“测量报告”信令交互来完成, 如图4所示。测量控制, 是E-UTRAN下发给UE的测量要求;测量报告, 是UE按照其测量控制要求进行测量后, 上报给E-UTRAN的测量结果。

测量控制中包括以下信息:

测量对象:即UE执行测量的对象, 可以分为几种, 同频和异频测量, 一个测量对象就是一个单独的E-UTRAN载频;E-UTRAN能配置特殊偏移小区和黑名单小区的列表, 在时间评估和测量报告中, 黑名单小区不参与考虑;对于inter-RAT UTRAN测量, 一个测量对象就是一组单独的UTRAN载频上的小区。

(2) 测量报告配置:触发UE发送信息报告的准则, 它可以是周期上报或事件上报。

(3) 测量标识:每个测量标识连接一个有测量报告配置的测量对象, E-UTRAN建立、修改、释放测量和UE进行测量报告时使用的参考序号, 用户标识不同的测量过程;

(4) 测量命令:包括建立一个新的测量、修改先前配置的测量、释放一个测量并删除先前的测量配置;

(5) 测量量:指定UE具体的测量量, 如接受信号强度指示 (RSSI) 、参考信号接受功率 (RSRP) 、参考信号接受质量 (RSRQ) 等。

在UE侧RRC层接收到E-UTRAN的测量控制消息后, 就通过测量原语要求UE物理层对测量量进行测量。物理层和RRC层对测量结果进行平滑滤波, UE侧RRC会根据事件触发准则进行事件评估, 当E-UTRAN要求的测量报告准则满足时, UE将向E-UTRAN发送测量报告消息。

5 结束语

LTE系统是3GPP组织为了长期保持市场竞争力推出的项目, 随着移动通信技术的迅速发展, LTE得到越来越多的认可, 并随着人们越来越重视用户体验, 对于现有的系统仍需有很大的改进, 尤其对于切换过程的实现仍需进一步完善, 需要有更为高效简洁的切换技术, 这也对从事LTE的研究人员提出了更多的挑战, 相信LTE有着广阔的市场前景并能够为人们的生活带来改变。

摘要：切换过程是LTE (Long Time Evolution) 系统中的一个关键技术, LTE无线网络的目标是提供无缝移动性, 通常情况下, 移动性会导致网络的复杂性提高。根据项目所从事的特点, 详细设计了RRC (radio resource control) 子层中基于S1, X2接口的切换技术及切换过程的一般流程, 最后介绍了异系统间的切换, 基于UE端的无线测量和测量报告。

关键词：LTE,LTEA上行,多天线技术

参考文献

[1] 3GPP TS 36.331 v10.2.0.Evolved Universal Terrestrial RadioAccess (E-UTRA) Radio Resource Control (RRC) , Protocolspecification[S].

[2]李小文, 李贵勇, 陈贤亮等.TD-SCDMA第三代移动通信系统, 信令及实现[M].北京:人民邮电出版社, 2003:400-401.

[3] 3GPP TS 36.300 V10.2.0, Evolved Universal TerrestrialRadio Access (E-UTRA) and Evolved UniversalTerrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) ;Overalldescription;Stage2[S].

[4] Stefania Sesia, lssam Toufik, Matthew Baker, 马霓等译, LTE-UMTS长期演进理论与实践[M], 人民邮电出版社, 2009-12.

[5] 3GPP TS 36.401 v9.1.0.Evolved Universal TerrestrialRadio Access Network (E-UTRAN) .Architecturedescription[S].2011年3月.

[6]沈嘉, 索士强, 全海洋.3GPP长期演进 (LTE) 技术原理与系统设计[M], 人民邮电出版社, 2008年11月.