LTE系统中RRC消息传输方案的设计与改进*

王 志1, 罗思齐

(1.重庆邮电大学 重邮信科设计有限公司, 重庆400065；2. 重庆邮电大学 通信新技术应用研究所，重庆400065)

1 引 言

LTE(Long Term Evolution)系统作为通用移动通信系统(UMTS)技术的长期演进项目，以其高峰值速率、高频谱效率及低延迟等优势[1]成为了近年来各个通信企业的研究热点课题，随着LTE标准的完善，LTE系统的商用价值也会逐渐体现出来。目前，根据文献[2-3]，在现行的无线通信系统中，需要定义大量的层间接口原语、参数以建立初始的层2环境，因此消耗大量时间在层间进行信令消息的交换通信，这会导致通信的延迟和系统实现复杂度。基于此，本文从3GPP高层协议出发，针对接口原语、参数配置及消息序列图进行研究设计，并对初始系统接入和无线资源控制(RRC)连接过程进行改进，以提高无线电资源利用效率，增加无线接入的成功率，从而减小通信延迟并且简化系统实现复杂度。

2 系统模型

LTE系统控制面协议栈的结构如图1所示，满足3GPP协议对分层结构要求[4]，在研究与应用过程中可以根据控制和软件的需要添加一些模块，每个模块分别完成不同的功能。不同模块之间的信息交换由系统接口完成，这些信息的交换通过原语(信号)来实现。表1简要介绍了以RRC为中心与各个子层的接口交互和功能。

图1 LTE系统控制平面协议接口示意图

表1 RRC层间接口及其功能实体描述

2.1 RLC子层的透明传输模式

由文献[6]知道，在RRC连接建立初始阶段，并没有建立无线链路控制(RLC)非确认传输模式(UM)和确认传输模式(AM)实体，在透明模式(TM)下进行数据传输时，与AM和UM不同，消息发送方没有包含消息序列识别符，其中AM、UM均包括可以用于对序列分组进行识别/重新排列、对丢失分组进行识别的消息序列识别符以及头处理，AM另外还提供了错误重传处理。图2所示为TM传输实体的模型，在透明模式下RLC不需要增加任何协议消息，即不对高层或低层传输的数据做任何的处理。

图2 RLC透明模式对等实体的模型

2.2 LTE系统的RRC消息传输模型

当用户最初接通终端UE时，选择公共陆地移动网络(PLMN)(如中国移动)并且UE搜索小区进行驻留后在对应的小区保持RRC空闲状态，可以由网络或用户终端发起初始RRC连接[1]。图3所示为RRC连接建立过程消息及资源分配流程，针对空闲状态下的UE发起的连接情况，UE需要初始连接到网络并且向网络发送RRC连接请求消息。

图3 RRC连接建立过程资源分配链路图

UE获得临时标识符并且在UL消息中将该TC-RNTI通过Uu接口发送到网络，消息中同时还包含有“建立原因cause”和“全局UE ID”。网络设备接收到RRC连接请求消息时，执行准入控制并结合建立原因及UE ID分配物理资源：RNTI值、可替换的临时UE ID。

网络发送包含DL调度批准指示的竞争解决信息，消息中包含对特定UE进行寻址的临时ID和分配物理资源的描述。当接收到竞争解决消息时，UE对该短调度消息进行解码并对比本地临时标识ID，若一致则说明竞争解决成功，随后对较长的RRC连接建立消息进行解码，未由调度批准消息进行寻址的其它UE不需要花费CPU或电池资源对RRC连接建立或其它长消息进行解码来确定其消息是否是发送给它的。

最后，UE通过利用确认模式准备并发送RRC连接建立完成消息，对接收及处理后的RRC连接建立消息进行响应。此后，UE由空闲状态进入了连接状态。

3 RRC消息传输过程

根据前面RRC传输模型，完整的信令交互过程可以用流程图[2]表示出来，如图4所示。RRC连接请求消息由UE中的RRC层发起，RRC通过“RLC-TM-DATA-REQ”原语要求RLC层以透明模式(TM)在逻辑信道CCCH上发送请求消息，同时开启定时器T300。RLC通过“MAC-DATA-REQ”把请求消息传送给MAC层，MAC在向网路发送RRC连接请求消息前，首先利用“PHY-ACCESS-REQ”请求层1启动PRACH过程取得UE临时ID。如果在PDCCH上收到随机接入响应，则层1通过“PHY-ACCESS-CNF”原语向MAC层报告“UL-grant、时间校准、TC-RNTI”等信息。

通过“PHY-DATA-REQ”原语，MAC子层请求层1把携带了“RRC请求消息”通过空中接口Uu发送到网络端。当接收到“RRC连接请求”消息时，网络端的层1在PUSCH信道上以“PHY-UL-RECE-IND”原语向MAC层发送该消息。MAC层通过逻辑信道CCCH向上层RLC发送消息。与终端相对应，网络端RLC也使用透明传输模式，当RRC接收到该消息后，进行准入控制、替换临时标示符、可选的RNTI值的分配及资源的分配。

在准入控制和临时ID的可选替换以及RNTI值的可选分配以后，RRC层形成要在透明模式下发送的RRC连接建立消息。在发送“RRC连接建立消息”前，MAC层通过PDSCH信道“PHY-HARQ-REQ”向层1发送调度批准消息到UE。UE的层1接收指示携载RRC连接建立消息的物理资源调度批准，MAC层还在下行共享DL-SCH信道上和在分配的“PHY-DL-TASK-REQ”物理资源上并行地向层1发送RRC连接建立消息。层1通过空中接口Uu向UE发送“RRC连接建立消息”。监视空中接口的每个UE仅对短消息进行解码以确定所包含的消息是否寻址本UE，如若不是寻址本终端，则丢弃RRC连接建立消息和其它消息，终端的RRC子层根据消息内容建立层2链路并停止定时器。

最后，UE利用确认模式(AM)在DCCH上发送“RRC连接建立完成消息”至网络进行响应。

图4 RRC连接建立过程

4 改进的RRC消息流程方案

在终端UE RRC层向网络端发送“RRC连接请求”前，MAC子层首先需要获得UE临时ID，这个过程由MAC子层和物理层通过发送前导和接收随机接入响应共同控制，根据分析RLC透明传输模式实体，TM模式对信号中数据不做任何处理。因此，“RRC连接请求”消息的发送通过设计定义MAC-RRC的层间接口CMAC-RANDOM-ACC-REQ完成。

MAC子层在RRC连接建立过程中，当接收到RRC层的建立请求原语后，马上就要启动选择随机接入前导(preamble)(代表用户的ID信息)并发送到网络。在实际中，用户前导发送后不一定能成功收到对应前导的响应RAR，当不同的UE根据网络系统信息中分配的参数选择了相同的前导，导致在网络侧产生冲突(burst)而无法接收到本地UE的RAR。如果终端在超过前导最大重传次数后仍旧无法正常接收RAR，MAC子层及物理层需要不停监视PDSCH信道以期望能重新完成接入过程，造成资源的浪费与终端耗电。如果设计在MAC子层与RRC层定义原语CAMC-ACC-STATUS-IND在随机接入响应成功或失败后都向RRC子层指示，若响应失败，RRC子层能尽快执行下一步操作，避免加大系统延迟。

对于网络端来说，在接收到“RRC连接请求”消息后，由RRC子层执行准入控制、C-RNTI值的可选分配，再向终端UE发送“RRC连接建立”消息。由于调度批准消息不涉及RRC过程，网络端MAC子层在接收到“RRC连接请求”消息以“CMAC-CCCH-INFO-IND”形式传输到RRC的同时，通过下行控制信道PDCCH向物理层反馈调度批准消息(竞争解决信息)。RRC子层在接收到“RRC连接请求”消息时，根据此时网络情况选择适合本地UE的无线资源参数，根据ASN.1编码组装成“RRC连接建立”消息以原语“CMAC-CCCH-INFO-REQ”发送至MAC子层，MAC子层在下行链路共享信道DL-SCH分配的资源上发送消息。改进后的具体流程(成功情形)如图5所示。

图5 改进后的RRC连接流程图(接入成功情形)

这种方案设计定义了层间接口原语以及原语中的参数。

(1)CMAC-RANDOM-ACC-REQ: RRC子层请求MAC子层发起随机接入过程。

当前驻留小区包含的参数有频率和物理小区ID。

随机接入前导选择的参数(基于竞争解决)：

prach-configindex：整型(0～63)；

numberOfRA-Preamble：枚举(n4～n64)，步长是n4，SIB2中RACH公共配置；

路损(pathloss)参数：计算PRACH第一次发送前导的功率及目标前导接收功率；

prembleTransMax: 整型(n3～n20)，表明前导传输的最大值，达到最大值后仍无法接收响应说明随机接入过程失败，并上报高层RRC；

ra-ResponseWindowSize：整型(sf2～sf10),该参数指示了UE发送前导后等待响应的窗大小；

mac-ContentionResolutionTimer：枚举型(sf8～sf64)，该参数指示了MAC在竞争解决中的开启时间，若超时则竞争解决失败；

timeAlignmentTimer：上行同步定时器，终端在选择合适小区驻留后和网络保持同步状态。

(2)CAMC-ACC-STATUS-IND:MAC子层向RRC子层指示随机接入响应的接收情况。

Cause:布尔型，随机接入成功响应失败0，成功1；

TA: 比特串，长度为11 bit，定时提前量，UE用于调整上行链路的发送时间提前量，保持上行同步；

UL-grant：比特串，长度为20 bit，上行授权，包括调频标示、TPC命令、CQI请求和UL延迟等，用于指示SRB1资源的下行分配；

T-RNTI：比特串，长度为16 bit，网络分配的临时标识，该参数用于在该小区内标识该UE。

(3)CMAC-CCCH-INFO-REQ：网络端RRC请求MAC层发送“RRC连接建立”消息。

CCCHLength：透明传输模式下逻辑信道CCCH的资源剩余空间；

data[MAX-CCCHLength]：“RRC连接建立”消息中的所有数据，以bit为单位。

5 结束语

随着LTE协议标准的冻结，其应用乃至商用都变得指日可待，与LTE系统相关的设备研发与测试使用显得尤为重要。本文结合项目的具体要求，对LTE系统中传输RRC消息过程中涉及的典型问题进行了研究，给出了针对LTE系统传输过程中的接口原语设计及参数定义，提出了一种消息传输的简化方案，满足3GPP协议所要求的RRC消息发送功能及TD-LTE无线综合测试仪表项目基本要求，并简化了测试仪的实施复杂度及减少系统延迟。本文只讨论了随机接入响应与竞争解决成功的情况，关于无法正确接收RAR和竞争解决失败的问题没有进行讨论，这部分将在后续的文章中继续讨论。本文提出的简化接口原语与参数可选项的消息传输流程，可以作为进一步研究异常情况等问题的基础。随着中国移动对未来通信方向的规划，TD-LTE系统广阔的市场和应用前景将会逐渐体现。

参考文献：

[1] 胡宏林，徐景. 3GPP LTE无线链路关键技术[M]. 北京：电子工业出版社, 2008:8-9.

HU Hong-lin, XU Jing. Key Technologies in 3GPP Long Term Evolution radio link [M].Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2008:8-9.(in Chinese)

[2] 陈吕洋，李小文. TD-SCDMA系统终端RRC连接建立过程研究[J]. 现代电子技术,2005(4):79-84.

CHEN Lv-yang, LI Xiao-wen. Research of TD-SCDMA System RRC Connection Setup Procedure[J]. Modern Eletronics Technique,2005(4):79-84.(in Chinese)

[3] IP无线有限公司. 在无线通信系统中发送RRC消息的方法:中国，101375622[P]. 2009-02-25.

IP Wireless LLC. Method for setting up RRC message in a mobile communication system:China，101375622[P]. 2009-02-25.(in Chinese)

[4] 3GPP. TS 36.331 V9.1.0, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specificaion Group Radio Access Netword; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC) Protocol Specification[S].

[5] 3GPP. TS 36.321 V9.1.0, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specificaion Group Radio Access Netword; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Medium Access Control (MAC) protocol specification[S].

[6] 3GPP. TS 36.322 V9.0.0, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specificaion Group Radio Access Netword; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Link Control (RLC) protocol specification [S].