LTE系统中RRC连接建立过程的设计

杨玉彬，付睿智，王 强

（1.新疆军区指挥自动化工作站 新疆 乌鲁木齐 830042；2.68058部队 甘肃 兰州 730000）

LTE视频传输系统需要对流媒体数据进行处理和传输，传输前终端必须与基站之间建立连接，而连接管理功能由RRC层提供。因此，RRC层在LTE视频传输系统中起着非常重要的作用。RRC（无线资源控制）层属于LTE系统空中接口的层3协议，在MAC（媒体接入）层、PDCP（包数据集中协议）层和RLC（无线链路控制）层之上，属于接入层[1]。该层主要提供了RRC连接控制、系统信息广播、寻呼、切换、安全功能、通用协议错误处理等无线资源的管理和控制功能。RRC层消息携带了建立、修改和释放层2和层1协议实体所需的全部参数。同时，RRC层在它的负载中还要承载高层信令[2-4]。

RRC连接控制包括RRC的连接建立、连接重建、连接释放，而RRC连接建立是连接控制中的第一个过程，也是最主要的过程。当UE（终端）需要与eNode（基站）进行通信时，UE初始化连接建立过程，随后执行其它的相关操作，最终完成RRC连接建立过程。本文将LTE标准应用于双向无线视频传输系统，研究了系统中终端与基站的RRC连接建立过程，并将RRC的空闲状态和连接状态均细分为2个子状态，有效降低了系统设计的复杂度。

1 RRC状态设计以及状态间的转移

在标准LTE协议中，RRC只有2个状态：空闲状态和连接状态。这两个状态可以互相迁移，即空闲状态迁移到连接状态，连接状态迁移到空闲状态。发生状态的迁移时，系统处理的任务比较多，尤其是RRC从空闲状态迁移到连接状态，处理过程比较复杂，如发起随机接入请求和连接请求，处理连接建立消息等。

为了降低系统设计的复杂度，本设计将RRC的状态分为以下4个状态：空状态、空闲状态、接入状态和连接状态[5]。RRC状态迁移图如图1所示。当发生状态迁移时，可以明确需要处理的任务，同时也减少了每个状态在迁移过程中处理的任务。

图1中RRC层4个状态的功能和作用如表1所示。

图1 RRC状态迁移图Fig.1 RRC state transition diagram

根据图1可知，RRC的状态迁移有6种情况，如表2所示。

表1 RRC状态功能表Tab.1 Table of the RRC state function

表2 RRC状态迁移表Tab.2 Table of the RRC state transition

2 RRC连接建立过程的研究

RRC连接建立过程的目的是要建立一个UE（终端）与eNodeB（基站）之间的RRC连接，以达到UE与eNodeB能够相互通信的目的。RRC连接是UE与eNodeB进行数据通信的首要条件。每个UE最多只有一个RRC连接，当UE处于空闲模式时，如果需要数据通信，就会发出RRC连接建立的请求，进行连接建立的过程。

RRC连接建立成功的消息流程图[6]如图2所示。

图2 RRC连接建立成功的消息流程图Fig.2 Message flow diagram of connection successful

RRC连接建立成功的过程采用了3次握手方式，包含3个通信信令：“RRC 连接请求消息”（UE 至 eNodeB）、“RRC 连接设置消息”（eNodeB至UE）和“RRC连接设置完成消息”（UE至eNodeB）。RRC的连接是由UE端RRC层请求触发的。

UE建立RRC连接前，首先进行随机接入过程，由eNodeB给UE分配上行资源和信道，UE通过分配获得的物理上行共享信道（PUSCH）中映射到随机接入信道（RACH）的部分，将 “RRC连接请求消息”发送给eNodeB的RRC层。eNodeB的RRC层接收到该消息后进行处理，如果有空闲信道，则会给UE发送“RRC连接设置消息”，告知UE端可以进行接入。在UE收到该消息后，会给eNodeB发送“RRC连接设置完成消息”。至此完成了RRC连接建立过程，系统进入连接状态。

RRC连接建立过程可能存在失败的情况。当基站接收到“RRC连接建立请求消息”后，如果发生同步失败、资源不足等情况，基站就会拒绝终端的连接建立请求，并创建“RRC连接请求拒绝消息”，该消息通过上行公共控制信道（CCCH）进行传输。当UE接收到“RRC连接请求拒绝消息”后，停止定时器计时，复位MAC并释放MAC配置，重建所有已经建立的RLC实体，终止RRC连接建立过程，并通知上层连接建立失败，过程结束。

3 RRC连接建立过程的设计

根据以上对RRC连接建立过程的研究，本节对RRC连接建立过程进行了详细设计。

3.1 RRC连接建立过程系统设计

双向无线视频传输系统中的RRC连接建立过程的系统设计如图3所示。图中事件监听主要监听底层的事件，底层代表RRC层之下的RLC层、MAC层等。

图3 RRC连接建立过程系统设计图Fig.3 System- of RRC connection

如图3所示，在双向无线视频传输系统的设计中，将RRC连接建立过程划分为以下5个模块：

1）定时器模块

定时器模块具有启动定时器、停止定时器、查询定时器状态的功能。此模块为整个RRC连接管理提供了定时器的功能。

2）RRC连接过程处理模块

RRC连接过程处理模块负责RRC连接建立的整个过程，处理与连接相关的事件以及RRC消息，对RRC消息内容做出判别并执行相应的处理。同时还包括发启随机接入、安全管理、设置系统配置等。

3）RRC状态管理模块

RRC状态管理模块为RRC连接过程提供了RRC状态的查询、修改的功能。同时在状态发现改变时执行相应的处理。

4）RRC消息接收和解析模块

RRC消息接收和解析模块提供了从底层接收RRC消息的功能，通过调用与低层通信的接口接收对端发送的RRC消息。同时也提供了解析RRC消息的功能，从接收到的消息中解析出RRC消息并递交给RRC连接过程处理模块进行处理。

5）RRC消息创建和发送模块

当RRC层需要发送RRC消息时，需要调用由RRC消息创建和发送模块提供的创建消息功能，创建需要发送的RRC消息。同时此模块还提供了发送RRC消息的功能，供RRC层在创建完RRC消息后调用相应的接口发送RRC消息。

图4 RRC连接建立过程的处理流程图Fig.4 Process flow diagram of the RRC connection

3.2 RRC连接建立过程软件设计

RRC连接建立过程流程如图4所示。当终端开机或者上层指示需要进行RRC连接建立时，由终端初始化此过程。UE端在发送RRC连接请求前，需要判断当前状态是否处于连接状态，如果处于空闲状态就得与基站建立RRC连接。于是RRC层向MAC层发送命令请求发起随机接入过程，等待MAC层向RRC层汇报随机接入的结果。

如果MAC层指示随机接入失败，则RRC层需要向上层汇报随机接入失败，不能完成RRC连接建立过程；如果MAC层指示随机接入成功，则RRC层重置定时器，同时将封装好的“RRC连接请求建立消息”传送给MAC层，并要求MAC层发送给基站，从而向基站请求RRC连接建立请求，然后等待基站端的响应信息。如果在未收到MAC层的响应信息的情况下定时器超时，则RRC层需要向上层汇报无法建立RRC连接，连接建立过程结束。

基站对连接建立请求的响应信息有两种可能，一种是“RRC连接建立设置信息”，此消息包含了一些对UE底层的配置信息。当UE收到此信息时，UE根据配置信息中的内容配置低层，配置完成后需要向基站发送连接建立完成消息，告诉基站此次RRC连接成功完成，同时设置RRC状态为连接状态，并向上层汇报RRC连接过程建立完成；另外一个消息是“RRC连接拒绝消息”，此消息反馈到UE，基站无法接收此次连接，RRC连接建立失败，同时RRC层向上层反馈连接建立失败，连接建立过程结束。

3.3 系统仿真

RRC连接建立程序的开发，编译和仿真使用赛灵思公司的Xilinx SDK开发工具集，系统仿真在PC机上进行，仿真结果如图5所示。

图5 系统仿真结果Fig.5 Results of system simulation

UE端初始化完成以后向基站端发送 “RRC连接请求消息”，此消息能够被基站成功接收，并向UE端发送了“RRC连接建立设置消息”。UE端也能成功的接收到此消息，处理完成后向基站端发送“RRC连接设置完成消息”，并且基站端能够接收到“RRC连接设置完成消息”。图5的仿真结果验证了RRC连接建立过程的系统设计是正确的，同时表明了LTE视频传输系统中RRC连接建立过程能够成功的完成。

4 结 论

本文对双向无线视频传输系统中的RRC连接建立过程进行了研究和详细设计，与LTE标准协议相比，本设计把RRC层的两个状态分成了4个子状态，降低了系统设计的复杂度和各模块之间的耦合度。通过在PC机上进行模拟调试，结果表明RRC连接建立过程能够顺利完成，从而实现UE与eNode之间的连接。RRC连接建立过程是RRC连接管理的一部分，通过对RRC连接建立过程的研究与设计，为基于LTE的双向无线视频传输系统的视频传输奠定了基础。

[1]Harri Holma，Antti Toskala.LTE for UMTS-OFDMA and SCFDMA Based Radio Access[M].郎为民，焦巧，译.北京:机械工业出版社，2010.

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

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[6]3GPP TS 36.331 v.9.3.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）:Radio Resource Control（RRC）； Protocol specification[S].2010.