TD-SCDMA无线资源管理之RRC研究

李 萍

【摘要】文章从无线资源管理(RRM)的组成和功能入手，介绍了RRC的结构和功能，分析7TD-SCDMA Uu口协议栈的分层结构，对RRC的几个重要过程进行了阐述，提出了RRM未来发展所面临的挑战。

【关键词】TD-SCDMA RRM RRC无线承载NAS eNB

1前言

在保证TD-SCDMA网络服务质量(QoS)的前提下，为了最大限度地提高频谱利用率和系统容量，需要对系统中有限的无线资源进行有效的管理和分配。RRM(Radi0Resource Management，无线资源管理)是移动通信系统中一个重要的功能模块，是提高和优化网络性能的核心技术，也是影响TD-SCDMA系统性能的关键部分。

研究无线资源管理一方面是对无线通信系统由线到点的微观切入。另一方面能对无线网络规划、优化提供很好的理论支撑，对规划中分析和使用网管数据、确定无线网络的工作指标起到良好的指导作用。

2RRM的基本组成和功能

对于整个移动通信系统而言，RRM功能模块在协议层中的位置如图1所示：

从功能上划分，RRM分为资源控制、资源分配、资源调度；从组成上划分，RRM模块包括算法模块、决策模块、资源分配模块、无线资源数据库和对外接口模块。其中起决定作用的是算法模块。同T系统RRM相关的算法包括功率控制算法、负荷控制算法、接纳控制算法、切换控制算法、AMR模式控制算法、包调度控制算法以及动态信道分配算法等。在TD-SCDMA系统中，RRM的关键算法主要在RNC中实现。

在RNC中所实现的RRM算法功能包括功率控制、切换控制、接纳控制、负荷控制、分组调度以及资源管理等。在Node B中实现的主要RRM算法功能包括功率控制和负荷控制。在UE中完成的RRM算法功能主要有功率控制。

RRM模块各种算法功能的实现均在协议层中的RRC(Radio Resource Control)层完成，本文着重论述RRC的结构、功能、协议和控制过程。

3RRC层的结构和功能

RRC层的结构如图2所示：

RRC层包括如下功能实体，各实体之间的信息交互因RRM要完成功能的不同而采用不同的协议(图2中只给出了用到的SAP(业务接八点／会话广播协议))，不同的功能实体使用不同的协议类型：

◆路由功能实体(RFE)：处理高层消息到不同的移动管理，连接管理实体(UE侧)或不同的核心网络域(UTRAN侧)的路由选择。

◆广播控制功能实体(BCFE)：处理广播功能。该实体用于发送一般控制接入点(GC-SAP)所需要的RRC业务。8CFE能使用低层透明模式接入点(Tr-SAP)和非确认模式接入点(UM-SAP)提供的服务。

◆寻呼及通告功能实体(PNFE)：控制寻呼没有RRC连接的UE。该实体用于发送通告接入点(Nt-SAP)所需要的RRC业务，能使用低层Tr-SAP和UM-SAP提供的服务。

◆专用控制功能实体(DCFE)：处理特定的某个UE的所有功能。该实体用于发送专用控制(DC-SAP)所需要的RRC业务，根据发送的消息和当前UE服务状态，它可使用低层Tr-SAP和UM／AM-SAP提供的服务。

◆共享控制功能实体(SCFE)：控制PDSCH和PUSCH的分配。该实体使用低层Tr-SAP和UM-SAP提供的服务。在TDD模式下，SCFE还用于协助专用控制功能实体。

◆传输模式实体(TME)：处理RRC层内不同实体和RLC提供的接入点之间的映射。

RRC层的主要功能有：接入层控制、系统信息广播、RRC连接管理、无线承载管理、RRC移动性功能、寻呼和通知、高层信息路由、加密和完整性保护、测量控制和功率控制等。具体来讲，RRC执行以下功能：

广播由非接入层提供的信息，广播与接八层相关的信息，建立、维持及释放UE和UTRAN之间的RRC连接，建立、重新配置及释放无线承载，分配、重新配置及释放用于RRC连接的无线资源。RRC连接移动功能，控制所需的QoS，uE测量的报告和对报告模式的控制，外环功率控制，安全模式控制，慢速动态信道分配，寻呼，初始小区选择和重选。上行链路DCHJc_：~线资源的仲裁，RRC消息完整性保护，定时提前，CBS(小区广播业务)控制等。

4RRC层的协议

RRC协议是UE和UTRAN之间的重要协议，在TD-SCDMA系统中，UE的所有状态都是由RRC协议进行调度的。其协议结构见图3。

协议栈主要分三层，物理层、数据链路层(L2)和网络层(L3)。

物理层由传输子层和物理子层构成，接受Layer1Management的控制管理。Layerl Management与RNC中的RRC层通信，RRC层通过业务访问点直接访问LayerlManagement。传输子层完成基带信号的处理，物理子层完成扩频和加扰调制以及射频调制。

L2被分成四个子层，从控制平面上看，包括媒体接入控制层(MAC)和无线链路控制层(RLC)；而在用户平面上除了这两个子层之外，还包含处理分组业务的分组数据协议汇聚子层(PDCP)和用于广播／多播业务的BMC子层。

L3是指无线资源控制层(RRC)，位于接入网的控制平面。它主要处理UE和UTRAN的第三层控制平面的信令。UTRAN RRC与UE RRC之间的消息交互是通过RLC实现的，RLC通过Tr-SAP(透明业务接入点)、UMSAP(非确认业务接入点)、AM-SAP(确认业务接入点)向RRC提供业务。RLC层向RRC层提供业务，RRC层对RLC层进行控制。RRC除了控制RLC之外，还控制第二层子层MAC层、物理层、用户平面PDCP和BMC层。

5RRC的相关控制过程

5.1RRC连接管理过程

RRC连接是为了建,-"zUE和UTRAN之间的信令连接(SRBl-SRB4)，可以通过CCH或者DCH；如果建立在DCH。上下行各占用1个码道(SF=16)，在高速业务建立的时候。要占用两个码道。

(1)RRC连接请求

当UE请求建立RRC连接的时候，在逻辑信道CCCH上发送RRC连接请求消息给UTRAN。RRC连接请求消息中的信息单元如图4所示：

(2)RRC连接建立

RRC连接过程指在UE和UTRAN之间建立一个RRC连接，RRC连接指的是空中接口的信令连接，UE和UTRAN之间最多只能存在一条RRC连接。在RRC连接建立时，通常会在UTRAN和UE之间建立4个SRB(信令无线承载)，其中2个用于承载RRC消息，另2个用于承载NAS(非接八层)层消息。分配给NAS的2个SRB中。一个分配给优先级高的信令，另一个分配给优先级低的信令。

用户数据RAB(无线接入承载j有时需要有时不需要，取决于RRC连接请求的目的。如果RRC连接请求是为了建立语音或数据呼叫，则需要建立用户RAB；如果RRC连接请求是为了位置区更新或路由区更新，则不需要建立用户RAB。

当RRC连接建立以后，UE从空闲模式转到CELL-DCH或CELL-FACH状态。UTRAN在逻辑信道CCCH上发送“RRC连接建立”消息，RRC连接建立消息包含的信息单元如图5所示：

(3)RRC连接建立完成

UE根据RRC连接建立消息的信息初始化无线承载、传输信道和物理信道配置，并停止计时器T300；在成功进入连接模式后，uE在上行链路的DCCH发送“RRC连接建立完成”消息给UTRAN。RRC连接建立完成消息的信息单元见图6：

(4)RRC连接释放

RRC连接释放意味着断开RRC连接，包括UE和UTRAN之间所有的RAB和SRB。在RRC连接释放过程中，NAS层在通话结束时先执行释放过程并释放SRB，当最后的SRB释放后，UTRAN便释放RRC连接。当UE处于CELL-DCH或CELL-FACH状态时，UTRAN随时可以在DCCH信道上通过非确认RLC模式发送“RRC连接释放”消息；如果UE处于CELL-FACH状态，并且没有下行链路DCCH信道。UTRAN可以在CCCH信道上发送“RRC连接释放”消息。

“RRC连接释放”消息包含释放原因信息单元，释放原因包括：正常释放、异常抢先释放、拥塞、重新建立驳回、指定信令连接重新建立等。

5.2无线承载控制过程

无线承载(RB)是UE与UTRAN之间RLC向上层提供的业务，用于接入网中承载相关信令和数据。无线承载可分为两大类：

(1)信令无线承载(SRB)：在RNC和UE之间。在无线接入网层面用来传送RRC和NAS信令的RB。用于控制平面的信令，用户面的信令承载不属于SRB而是RB。SRB通常在RRC连接建立期间建立。

(2)无线接八承载(RAB)：指UE和CN之间的承载。具体可以看作是UE与CN之间接八层向非接八层提供的业务，主要用于用户数据的传输。它直接与uE的业务需求相关。涉及接入层各协议模块。在空口上，RAB反映为无线承载。

无线承载只在连接模式下使用，UE的呼叫状态决定建立无线承载的类型。当UE~CELL-PCH和URA-PCH状态时，没有SRB或RAB。当UE准备传送信令信息或发起呼叫时，必须先转换到CELL-FACH状态，再映射到CCCH上发送信令消息给UTRAN。此时，UTRAN启动无线承载建立过程，建立SRB。在无线承载释放时，UTRAN可能先释放RAB而保留SRB，也可能同时释放RAB和SRB。

5.3UE移动性过程

UE移动性管理包括：小区重选、小区，URA更新、切换、RAT问切换等过程，具体选择哪个过程要看当时UE处于哪种状态。

(1)小区重选

当UE处于空闲模式、CELL—PCH、URA-PCH或cELL-FACH状态时，会不断地搜索更好的小区，并根据从系统消息中收到的参数自主决定是否进行小区重选，由UE侧的RRC来控制小区重选机制。在空闲模式下，UE的RRC利用SIB3和SlBl 1中的小区重选参数决定邻小区是否比当前小区更好；在CELL-PCH、URA-PCH或CELL-FACH状态下，UE的RRC利用SIB4~I：]SlBl2中的参数进行小区重选，并启动小区更新或URA更新过程。

当UE处于CS呼叫状态，需要进行切换时，使用激活集更新或RAT间切换过程；当UE处于PS呼叫状态，需要进行RAT间小区更新时，启动小区重选过程。

(2)RAT问切换

不同RAT问的移动性涉及到UE与UTRAN之间连接的转移，在CS域，u E在cELL-DOH状态时，UTRAN发送切换命令给UE，将CS连接从UTRAN转到GSM；在PS域，UE在CELL-DCH或CELL-FACH状态时，UTRAN发送小区变更命令给UE，将PS连接从UTRAN转到GPRS。

5.4测量控制过程

UTRAN通过S旧11和S旧12或测量控制消息来控制UE执行测量。当UE处于CELL-DCH或CELL-FACH状态时，UTRAN可以发送测量控制消息给UE。测量控制消息包含测量标识、测量内容、报告内容、测量报告准则、测量效力、测量报告模式、附加测量标识和压缩模式信息。UE可以执行的测量有同频测量、异频测量、RAT间测量、业务量测量、质量测量、uE内部测量等，每种测量都与RRM的DCA、PC、HC功能模块密切相关，通过测量过程来协调RRM各个功能模块之间的关系。

RRM的RLS逻辑模块实时地把系统中各个UE的测量报告通知给RRM的其它功能模块，这些功能模块根据RLS的监测数据采取相应的动作，提高网络的QoS。

5.5NAS消息传递过程

NAS消息传递也是RRC的任务之一。UE RRC和UTRANRRC通过接入层协议，使用初始直接传递、上行链路直接传递、下行链路直接传递在UE的NAS和UTRAN的NAS之间进行消息传递。初始直接传递用在上行链路，用于建立信令连接和在空口上传送初始UE NAS消息。当UE传送NAS消息时，UE RRC发起初始直接传递过程，由UE的RRC将此消息透传给UTRAN的RRC，UTRAN的RRC再把消息传递给CN。上、下行链路直接传递分别用于上、下行链路，在空口上传递NAS消息。下行链路直接传递由UTRAN的RRC发起；上行链路直接传递是当高层需要在已建立的信令连接上发送NAS消息时，由UE发起。

6RRM未来的发展

GSM无线资源管理主要由手机终端和BSC中的RR进行管理，通过手机终端测量得到的RXLEV和RXQUAL进行小区选择／重选和定位，以及专用信道的调拨、检测和释放。

3GPP中LTE采用分布式RRM，即RRC终结于eNB。同时RRM功能也在eNB实现。eNB在控制平面上负责RRM的各个子模块，在用户平面RRC、RLC、MAC、PHY都终结于eNB。aGW在控制平面上负责系统架构演进承载(SAEBearer)的控制和其它非接入层的信令，PDCP在aGW用户平面进行处理。这样可以避免复杂的信令流程。E-UTRAN可以获得较低的时延和较高的QoS。

从无线移动通信系统的发展趋势和多系统融合来看，不难看出未来移动通信系统网络构架将是包括不同无线接入网络的全IP的分层式网络构架。未来移动通信系统平台将采用分层式并具有良好弹性的构架，以支持不同系统、多种新技术、各种增值业务，满足通用移动通信的需要，这势必会给系统的无线资源管理带来诸多新的挑战。

7结束语

随着无线通信技术的迅速发展，移动通信业务越来越丰富多彩，用户使用新业务的需求不断增加，无线资源(如频率、功率、有效空间)日渐稀缺。所以有必要深入研究无线资源管理过程，以实现无线资源的使用效率最大化，达到资源的最优分配。众所周知，TD-SCDMA系统包含功率控制、接纳控制、负载控制、动态信道分配、切换等关键技术，这些技术的实现都离不开无线资源管理。而研究无线资源管理，应当首先从控制资源管理的RRC层开始。