4-WCDMA无线协议结构与信令流程

第1章 UTRAN接口和协议

? 知识点

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Iu口协议栈结构和功能。 Iub口协议栈结构和功能。 Iur口协议栈结构和功能。 Uu口协议栈结构和功能。

1.1 UTRAN接口概述

WCDMA系统包含无线接入网UTRAN和核心网CN，如图1.1-1所示。UTRAN系统的主要接口有：

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UTRAN和核心网之间的接口Iu UTRAN和UE之间的接口Uu

UTRAN内部，RNC和Node B之间的接口Iub UTRAN内部，RNC和RNC之间的接口Iur

CNMSC server/CS-MGWSGSNIuUTRANRNSRNCIubNode BcellUuMENode BNode BcellIurRNCIubNode BRNSSIMUSIMUE 1

图1.1-1 WCDMA系统主要接口

上述接口可以分为两大类：

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地面接口：Iu、Iub、Iur，有通用的协议模型。 空中接口：Uu，有单独的协议模型。

1.2 UTRAN地面接口

1.2.1 UTRAN地面接口协议的通用模型

3GPP TS 25.401中定义了UTRAN地面接口协议的通用模型，如图1.2-1所示。从水平方向看，UTRAN地面接口协议的通用模型可以分为无线网络层和传输网络层；从垂直方向看，UTRAN地面接口协议的通用模型可以分为传输网络控制面和传输网络用户面。

无线网络层控制平面应用协议用户平面数据流传输网络层传输网络层用户平面传输网络层控制平面ALCAP(s)传输网络层用户平面信令承载信令承载信令承载物理层 图1.2-1 UTRAN地面接口协议的通用模型

1.2.1.1 水平平面

如图1.2-1所示，在水平面上，UTRAN地面接口协议包含两层：无线网络层和传输网络层。所有与UTRAN相关的内容只在无线网络层存在；传输网络层则描绘

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了被UTRAN使用的标准传输技术（ATM技术）的协议结构。这两层是相互独立的，UTRAN并没有对传输网络层的技术提出特定的要求。

1.2.1.2 垂直平面

如图1.2-1所示，垂直平面在无线网络层分为控制面和用平面，在传输网络层分为传输网络控制面和传输网络用户面。无线网络层的控制面和用户面的数据都通过传输网络的用户面传输。 1． 控制面

控制平面包含各种应用协议，如RANAP、RNSAP和NBAP，以及传输应用协议的信令承载。

另外，应用协议也用于建立无线网络层的承载（比如无线接入承载或者无线链路）。

承载应用协议的信令承载可能和承载ALCAP信令的信令承载一样，也可能不一样。信令承载总是通过O&M操作建立。 2． 用户面

用户平面包括数据流和数据流的承载，每个数据流的特征都由一个或多个该接口特定的帧协议来描述。 3． 传输网络控制面

传输网络控制面不含有任何无线网络层的信息，它完全处于传输层。传输网络控制面包含ALCAP协议，用于建立用户面的传输承载，它也包含了一些承载ALCAP的信令承载。

传输网络控制面工作于控制面和用户面之间。引入传输网络控制面后，无线网络层的应用协议就和用户面中承载用户数据的传输技术完全隔离（完全实现了用户面与控制面的相互隔离）。

需要注意的是，ALCAP也并不用于建立所有类型的用户面承载。如果不需要使用到ALCAP信令交互的话，也就不需要传输网络的控制面：如果数据承载是预配置的（不需要ALCAP动态配置），或者两个IP UTRAN节点间/IP UTRAN节点和IP CN节点间使用了IP UTRAN选项，则不需要传输网络层控制面。

如果使用了传输网络层控制面，用户面的传输承载就会按照如下方式建立：首先是控制面应用协议的交互，然后触发ALCAP建立用户面的数据承载。

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4． 传输网络用户平面

用户平面的数据承载和控制平面应用协议的信令承载都属于传输网络用户平面。在前面的描述中可以看到，在实际操作过程中，传输网络层用户面的数据承载完全受到传输网络控制面的控制。但是，建立应用协议信令承载的控制行为是由O&M过程决定的。

1.2.2 Iu口协议栈结构和功能

本节从以下几个方面描述UTRAN和CN之间的接口Iu口：

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Iu接口的类别 Iu接口的功能 Iu接口的物理连接 Iu-CS接口的协议栈 Iu-PS接口的协议栈 Iu-BC接口的协议栈

Iu接口控制面应用协议RANAP

? 说明

本节中描述的Iu接口基于3GPP Release 99。

1.2.2.1 Iu接口的类别

按照不同的连接实体，Iu接口可以分为三类：Iu-PS（Iu Packet Switched）、Iu-CS（Iu Circuit Switched）以及Iu-BC（Iu Broadcast），如图1.2-2所示。

Iu-CS与Iu-PS分别用于将UTRAN连接至电路交换（CS）CN和连接至分组交换（PS）CN。Iu-PS是与分组域（PS）核心网之间的接口；Iu-CS是与电路域（CS）核心网之间的接口。

Iu-BC是与广播域核心网之间的接口。Iu-BC支持小区广播业务，用于连接UTRAN到CN的广播域。

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UTRANCore Network (CN)CSDomainRNCIu-CSPSDomaininIu-PSRNCNode BNode BNode BNode BBCDomainIu-BCIu Interface 图1.2-2 Iu接口示意图

在CN侧，Iu-CS和Iu-PS既可以独立在不同的设备中，也可以组合在一个设备中。在分离式结构下，RNC面向PS和CS域无论是用户面还是控制面都应该有独立的信令和用户数据连接；在组合式结构下，RNC面向PS和CS域，在用户面各有独立的用户数据连接，在控制面有各自独立的SCCP连接。

对于PS域和CS域，每个RNC最多只能连接到一个CN接入点；而对于BC域，每个RNC可以连接到一个或多个接入点。

1.2.2.2 Iu接口的功能

Iu接口功能如下：

1． RAB管理，包括：RAB建立、修改和释放；将RAB特性映射到Uu承载；

将RAB特性映射到Iu传输承载；RAB排队、预占和优先级。 2． Iu无线资源管理，包括：无线资源接纳控制；广播信息管理。

3． Iu连接管理，包括：Iu信令连接管理；ATM虚连接管理；AAL2连接建立

和释放；AAL5管理；GTP-U隧道管理；TCP管理；缓冲区管理。 4． Iu UP（RNL）管理，包括：Iu UP帧协议模式选择；Iu UP帧协议初始化。

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Iub接口的物理连接 Iub接口的协议栈 Iub接口的逻辑模型

Iub接口控制面应用协议NBAP

1.2.4.1 Iub接口的功能

Iub接口是RNC与Node B的接口。Iub接口的功能如下： 1． Iub接口传输资源的管理。

2． Node B的操作维护，包括：Iub链路管理、小区配置管理、无线网络性能

管理、资源管理、公共传输信道管理、无线资源管理、系统信息更新。 3． 实现专用的O&M传送。

4． 公共信道的业务管理，包括：管理控制、功率控制、数据传送、 5． 专用信道的业务管理，包括：无线链路建立、信道分配/取消分配、功率管

理、测量报告、专用传输信道管理、数据传送。

6． 上/下行共享信道的业务管理，包括：信道分配/取消分配、功率管理、传

输信道管理、数据传送。

7． 定时和同步管理，包括：传输信道同步（帧同步）、基站与RNC的同步、

基站间的同步。

1.2.4.2 Iub接口的物理连接

Iub接口采用ATM传输方式，ATM层和ATM适配层符合ITU-T l.761、ITU-Tl.363.2、ITU-TI.363.5、ITU-TI.371.1标准。

1.2.4.3 Iub接口的协议栈

3GPP Release 5中Iub接口的协议栈如图1.2-7所示，由2个功能层组成： 1． 无线网络层（Radio Network Layer）：定义与Node B操作相关的过程，包

括无线网络控制面和无线网络用户面。

2． 传输层（Transport Layer）：定义了在Node B和RNC之间建立物理连接的

过程。

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无线网络层控制平面传输网络层控制平面用户平面HS-DSCH FPPCH FPDCH FPRACH FPFACH FPDSCH FPNodeB 应用部分（NBAP）传输网络层ALCAPQ.2630.2Q.2150.2SSCF-UNISSCOPAAL5ATMSCTPIP数据链路层SSCF-UNISSCOPAAL5ATM物理层AAL2ATMUDPIP数据链路层USCH FP无线网络层FP PCH2HCTF FCPIC 图1.2-7 Iub接口的协议栈

1.2.4.4 Iub接口的逻辑模型

为了达到Iub口开放的目标，3GPP规定了如图1.2-8所示的Iub口逻辑模型。

控制RNC……Node B控制端口IubRACH数据端口Iub FDDRACH 数据端口IubFACH数据端口IubPCH数据端口HS-DSCH数据端口IubDSCH数据端口Iub TDDUSCH 数据端口IubDCH数据端口通信控制端口HS-DSCH数据端口IubDSCH数据端口Iub TDDUSCH 数据端口IubDCH数据端口通信控制端口业务终止点Node B带属性的公共传输信道带属性的Node B通信上下文业务终止点小区小区……小区小区小区小区小区小区 图1.2-8 Iub口逻辑模型

每个Node B控制着若干个小区，保存着Node B下有关的各个公共传输信道的属性信息以及呼叫状态下的通信上下文信息（一般对应着一个UE）。在与RNC的接口上，它由控制端口NCP、通信端口CCP以及各种公共和专用传输信道传输端口组成。

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1.2.4.5 Iub接口控制面应用协议NBAP

3GPP TS 25.433详细描述了NBAP协议，本节从以下几个方面进行描述：

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NBAP的业务 NBAP的基本过程

【NBAP的业务】

除非在过程描述中明确指明，否则任何时刻一个协议端口最多只能有一个正在进行的与某一个Node B通信上下文相关的专用NBAP过程。 【NBAP的基本过程】

基本过程（EP）：NBAP协议由EP组成。一个基本过程为CRNC与Node B之间的一个交互单元。一个EP由一个启动消息和可能的响应消息组成。NBAP使用两种EP：

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Class 1：带有响应（成功或失败）的基本过程。这些过程如表1.2-6所示。 Class 2：不带响应的基本过程。这些过程如表1.2-7所示。

表1.2-6 NBAP Class 1的EPs

Elementary Procedure Cell Setup Cell Reconfiguration Cell Deletion Message CELL SETUP REQUEST CELL Successful Outcome Response message CELL SETUP RESPONSE Unsuccessful Outcome Response message CELL SETUP FAILURE CELL RECONFIGURATION FAILURE DELETION TRANSPORT SETUP TRANSPORT RECONFIGURATION CELL RECONFIGURATION RESPONSE CELL RESPONSE COMMON CHANNEL RESPONSE CHANNEL RECONFIGURATION RESPONSE TRANSPORT COMMON DELETION CHANNEL RESPONSE TRANSPORT REQUEST CELL DELETION REQUEST TRANSPORT Common Transport COMMON Channel Setup Common Transport Channel Reconfiguration Common Transport Channel Deletion TRANSPORT COMMON SETUP CHANNEL FAILURE TRANSPORT COMMON CHANNEL CHANNEL SETUP REQUEST COMMON CHANNEL RECONFIGURATION REQUEST COMMON CHANNEL REQUEST TRANSPORT COMMON RECONFIGURATION FAILURE DELETION 18

Elementary Procedure Physical Channel Reconfigure [TDD] Audit Block Resource Radio Link Setup Shared Message PHYSICAL CHANNEL RECONFIGURATION REQUEST AUDIT REQUEST BLOCK REQUEST RADIO REQUEST UPDATE REQUEST COMMON MEASUREMENT INITIATION REQUEST LINK Successful Outcome Response message SHARED PHYSICAL CHANNEL RECONFIGURATION RESPONSE AUDIT RESPONSE RESPONSE SETUP RADIO LINK RESPONSE Unsuccessful Outcome Response message SHARED CHANNEL RECONFIGURATION FAILURE AUDIT FAILURE RESOURCE LINK SETUP FAILURE SHARED PHYSICAL RESOURCE BLOCK RESOURCE BLOCK SETUP RADIO FAILURE System Information SYSTEM Update Common Measurement Initiation Radio Addition Radio Link Deletion Synchronised Radio Link Reconfiguration Preparation Unsynchronised Radio Dedicated Measurement Initiation Reset Reconfiguration INFORMATION SYSTEM COMMON INFORMATION SYSTEM INFORMATION UPDATE FAILURE COMMON MEASUREMENT INITIATION FAILURE FAILURE LINK UPDATE RESPONSE MEASUREMENT INITIATION RESPONSE RESPONSE Link RADIO RADIO LINK LINK ADDITION RADIO LINK ADDITION RADIO LINK ADDITION DELETION RADIO LINK DELETION RESPONSE LINK RADIO RECONFIGURATION READY LINK RADIO RECONFIGURATION RESPONSE DEDICATED INITIATION RESPONSE RESET RESPONSE REQUEST REQUEST RADIO RECONFIGURATION PREPARE RADIO REQUEST DEDICATED REQUEST RESET REQUEST LINK RADIO FAILURE LINK RADIO FAILURE DEDICATED MEASUREMENT RECONFIGURATION LINK Link RECONFIGURATION RECONFIGURATION MEASUREMENT INITIATION MEASUREMENT INITIATION FAILURE 表1.2-7 NBAP Class 2的EPs

Elementary Procedure Resource Status Indication Audit Required Common Measurement Reporting Common Measurement Termination Common Measurement Failure Synchronised Radio Link Reconfiguration Commit Message RESOURCE STATUS INDICATION AUDIT REQUIRED INDICATION COMMON MEASUREMENT REPORT COMMON MEASUREMENT TERMINATION REQUEST COMMON MEASUREMENT FAILURE INDICATION RADIO LINK RECONFIGURATION COMMIT 19

Elementary Procedure Synchronised Radio Link Reconfiguration Cancellation Radio Link Failure Radio Link Restoration Dedicated Measurement Reporting Dedicated Measurement Termination Dedicated Measurement Failure Downlink Power Control [FDD] Compressed Mode Command [FDD] Unblock Resource Error Indication Downlink Power Timeslot Control [TDD] Radio Link Pre-emption Message RADIO LINK RECONFIGURATION CANCELLATION RADIO LINK FAILURE INDICATION RADIO LINK RESTORE INDICATION DEDICATED MEASUREMENT REPORT DEDICATED REQUEST DEDICATED MEASUREMENT FAILURE INDICATION DL POWER CONTROL REQUEST COMPRESSED MODE COMMAND UNBLOCK RESOURCE INDICATION ERROR INDICATION DL POWER TIMESLOT CONTROL REQUEST RADIO LINK PREEMPTION REQUIRED INDICATION MEASUREMENT TERMINATION NBAP协议的功能可以划分为：

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Node B逻辑操作维护功能 专用NBAP功能

Node B逻辑操作维护功能主要包括小区、公共信道的建立、重配置和释放以及小区和Node B相关的一些测量控制，还有一些故障管理功能，例如资源的闭塞、解闭塞、复位等基本过程。

专用NBAP功能主要包括无线链路的增加、删除和重配置、无线链路相关测量的初始化和报告、无线链路故障管理等基本过程。

1.3 UTRAN空中接口

UTRAN的空中接口是Uu口。

谈及UTRAN空中接口前，先介绍一下UMTS的系统结构。图1.3-1采用实体（UE、UTRAN、CN）的形式描绘了UMTS的结构。图中显示了实体之间的参考点Uu（空中接口）和Iu（CN-UTRAN的接口）。

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Non-GCNtDCAccess Stratum (NAS)GCAccess Stratum (AS)NtDCend AS entityRelayGCNtDCUuRRCL2/L1Stratum(UuS)L2/L1RRCIuStratumGCNtDCGCNtDCGCend AS entityNtDCUERadio(Uu)UTRANIuCore Network

图1.3-1 UMTS的结构

如图1.3-1所示，UMTS系统可以分为非接入层（NAS）和接入层（AS），AS通过以下业务接入点向NAS提供服务：

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公共控制业务接入点 通知业务接入点 专用控制业务接入点

从图1.3-1所示的模型还可以看出，终端AS实体向高层提供服务，而本地实体则仅在各自的接口（Uu、Iu）上提供服务。

图1.3-1中的UuS图块就包含了下面小节将介绍的空中接口协议栈。 在下面的小节里，将从以下几个方面进行描述：

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UTRAN空中接口的协议模型 无线资源控制协议RRC

1.3.1 Uu口的协议模型

在3GPP Release 99中，Uu接口的协议栈如图1.3-2所示。Uu由下至上，依次分为物理层（L1）、数据链路层（L2）和网络层（L3）。其中，数据链路层包括媒体

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接入（MAC）子层、无线链路控制（RLC）子层、分组数据汇聚（PDCP）子层、广播/组播控制（BMC）子层。RRC层是Uu口的最高层，也是接入层的最高层，在其之上是非接入层。

GCNtDCGCC-planesignallingDuplicationavoidanceDNCtU-planeinformationUuSboundaryRRCcontrolcontrolcontrolL3RadioBearersPDCPPDCPL2/PDCPBMCcontrolcontrolL2/BMCRLCRLCRLCRLCRLCRLCRLCRLCL2/RLCLogicalChannelsMACL2/MACTransportChannelsPHYL1 图1.3-2 Uu接口的协议栈

1.3.1.1 物理层的功能

在OSI参考模型中，物理层处于最底层，向MAC子层提供传输信道服务，传输信道定义为数据如何和以什么样的特征进行传输，例如传输的时间间隔、每个时间间隔内传输块的大小、多少等。 物理层的功能具体包括：

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宏分集的分解/合成和软切换

传输信道上的错误检测和到高层的指示 传输信道的FEC编码/解码

传输信道的复用和码组合传输信道（CCTrCH）的解复用 编码传输信道到物理信道上的速率匹配 码组合传输信道到物理信道的映射 功率的加权和物理信道的组合 物理信道的调制和扩频/解调和解扩 频率和时间同步（码片、比特、时隙、帧）

无线特性的测量（包括FER，SIR，干扰功率）和到高层的指示 内环功率控制 RF的处理

1.3.1.2 MAC层的功能

MAC子层向RLC子层提供逻辑信道服务，逻辑信道服务可以归结为传输何种类型的数据，因此一般可以分成控制和业务两大类。 MAC层的功能具体包括：

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逻辑信道和传输信道之间的映射。

根据瞬时源速率为每个传输信道选择适当的传送格式。 UE数据流之间的优先级处理。

UE之间采用动态调度方法的优先级处理。

DSCH和FACH上几个用户的数据流之间的优先级处理。 公共传输信道上UE的标识。

将高层PDU复用为通过公共传输信道传送给物理层的传送块，并将通过公共传输信道来自物理层的传送块解复用为高层PDU。

? 将高层PDU复用为通过专用传输信道传送给物理层的传输块，并将通过专用传输信道来自物理层的传输块解复用为高层PDU。

? 业务量监视。

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传输信道类型切换。 透明RLC模式的数据加密。

RACH传输和CPCH传输的接入业务等级选择

1.3.1.3 RLC层的功能

RLC一般可以分成透明、无应答、应答三种模式，在控制面向RRC子层提供信令无线承载服务；在用户面和PDCP子层一起提供业务无线承载服务并向BMC子层提供信息广播和多播所需的业务接入功能。 RLC层的功能具体包括：

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分段和重组。 串接。 填充。 用户数据传输。 错误检测。

高层PDU的按序投递。 重复检测。 流量控制。 序列号检查。 数据信息加密。

数据传输的挂起和恢复功能。

1.3.1.4 PDCP层的功能

PDCP一般只存在于分组域，用于将不同类型的网络层协议适配到无线接口，并通过头压缩等算法提高信道的利用率。 PDCP层的功能具体包括：

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在发送与接收实体中分别执行IP数据流的头部压缩与解压缩（头部压缩方法对应于特定的网络层、传输层或上层协议的组合）

? 传输用户数据

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? 将非接入层送来的PDCP-SDU转发到RLC层，将多个不同的RB复用到同一个RLC实体。

1.3.1.5 BMC层的功能

BMC用于在无线接口传递广播和组播信息。在3GPP R99中唯一定义的广播服务，就是从GSM继承而来的小区广播短消息。 BMC层的功能具体包括：

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小区广播消息的存储

业务量监测和为CBS请求无线资源 BMC消息的调度 向UE发送BMC消息

向高层（NAS）传递小区广播消息

1.3.1.6 RRC层的功能

在控制面，L3的最低子层是RRC层，它属于接入层，终止于UTRAN。高层信令层如移动管理（MM）和呼叫控制（CC）属于非接入层。

RRC协议用于向非接入层提供服务，例如用于将呼叫控制、会话管理、移动性管理等消息封装之后在控制接口传输，此外RRC还提供对其下各层协议的控制和管理功能。

RRC层的功能具体包括：

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广播由非接入层（核心网）提供的信息 广播与接入层相关的信息

建立、维持及释放UE和UTRAN之间的RRC连接 建立、重配置及释放无线承载

分配、重配置及释放用于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的控制 外环功率控制

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hcqv.html