UMTS无线接口协议体系

摘要　无线接口协议主要用于在UTRA平台上建立、修正和释放无线承载业务。本文给出了UMTS无线接口协议结构，分析了物理层和链路层中的业务与功能、PDCP业务与功能、广播与组播控制业务与功能、网络层的Uu子层业务与功能、无线资源控制（RRC）功能。

1、协议结构

无线接口协议主要用于在UTRA平台上建立、修正和释放无线承载业务。这些协议在第1～3层包含有相关功能，使用OSI（开放系统互连）的术语，这3层分别是物理层（L1）、链路层（L2）和网络层（L3）。同时，链路层（L2）包含了如下子层：媒体接入控制（MAC）、无线链路控制（RLC）、包数据集中协议（PDCP）和广播与组播控制（BMC）。第3层（L3）和RLC子层是由控制平面（C平面）和用户平面（U平面）组成。PCDP和BMC只存在于用户平面中。

第3层在C平面中包含有子层。最低子层为无线资源控制（RRC），它与第2层通过接口相连，并终接于UTRAN。下一个子层提供复制避免功能，终接于CN。该子层是接入层的一部分，主要用于为高层提供接入层业务。但是，我们通常假定不属于非接入层，这些高层信令包括移动性管理（MM）和呼叫控制（CC）等。

在体系结构示意图（见图1）中，每个模块都代表各自协议的实例。在子层之间的接口处，我们使用椭圆来表示业务接入点（SAP），SAP可用于进行对等通信。MAC层和物理层之间的SAP可提供传输信道，RLC子层和MAC层之间的SAP可提供逻辑信道。在C平面上，通用控制（GC）使用通知（Nt）SAP和专用控制（DC）SAP，来定义复制避免和较高L3子层（呼叫控制和移动性管理）之间的接口。

图1　无线接口协议体系结构（椭圆表示业务接入点）　

图1同时也给出了RRC与MAC之间以及RRC与L1之间的连接，这些连接可提供本地层间控制业务。同时，在RRC与RLC子层之间、RRC与PDCP子层之间以及RRC与BMC子层之间，我们使用相同的接口控制机制。这些接口支持RRC对低层配置进行控制。因此，在RRC和每个低层（PDCP，RLC，MAC和L1）之间存在着已定义的分立控制SAP。

RLC子层与实用无线传输技术结合，能够提供ARQ（自动请求重传）功能。在这种情况下，我们无法将C平面和U平面中的RLC实例区分开来。当Iu连接点不发生变化时，CN可能会向UTRAN请求完全数据保护。但是，当Iu连接点发生变化时（如SRNS重新定位、改进等），UTRAN可能无法保证完全数据保护，这最终取决于CN中的复制避免功能实体。

2、业务与功能

2.1　物理层中的业务与功能

原则上，我们可以将物理层的传输信道分为两类：通用信道和专用信道（见表1）。第一类在涉及到某类UE时，具有UE的带内识别功能。第二类专用物理信道对UE进行识别，即FDD模式中的代码与频率，以及TDD模式下的代码、时隙和频率。

表1　传输信道小结

当每种传输信道（FAUSCH除外）具有固定或慢速变化速率时，会获取一种相关的传输格式，或者当传输信道具有快速变化速率时，会获取一种相关的传输格式集。我们将传输信道定义为编码、交织、比特率的组合，并将其映射到物理信道上。我们将传输格式集定义为一组传输格式。在传输格式集环境中，具有可变速率的DCH包含一个传输格式集，即针对每种速率都对应一种传输格式，而固定速率DCH只具有单一的传输格式。

2.2　链路层中的业务与功能

MAC层中的业务与功能特点：

（1）数据传输：无须分段，即可在对等MAC实体之间为MAC层SDU提供非确认传输。

（2）无线资源和MAC参数的重新分配：根据RRC请求，执行无线资源分配和MAC参数变化功能。此外，在TDD模式中，MAC能够以自治的方式进行资源分配。

（3）测量结果报告：报告本地测量结果，如流向RRC的数据流量和质量指示。

MAC层可在逻辑信道上提供数据传输业务。我们将逻辑信道分为两类：用于控制平面信息传送的控制信道和用于用户平面信息传送的流量信道（见表2）。表3给出了逻辑信道和传输信道之间的连接关系。

表2　逻辑信道汇总

表3　逻辑信道和传输信道之间的连接关系

图2和图3分别给出了从UE端和UTRAN端看，FDD和TDD模式下传输信道与逻辑信道之间的映射关系。

图2　从UE端看逻辑信道与传输信道之间的映射关系

图3　从UTRAN端看逻辑信道与传输信道之间的映射关系

2.3　PDCP业务与功能

包数据集中协议（PDCP）业务可在确认/非确认和透明RLC模式中，提供网络PDU的传输与接收功能。作为PDCP功能的一部分，首先它将来自于某种网络协议的网络PDU映射到某一RLC实体上。其次，它在传输实体端将冗余网络PDU控制信息进行压缩，并在接收端将冗余网络PDU控制信息数据进行解压缩（报头压缩/解压缩），必要时可进行TCP/IP报头压缩和解压缩。

2.4　广播和组播控制业务与功能

BMC能够在无线接口上的用户平面，以透明或非确认的方式为通用用户数据提供广播/组播传输业务。其功能主要包括：

（1）存储蜂窝广播消息：为调度传输存储通过CBC-RNC接口接收到的消息。

（2）针对CBS的流量监控和无线资源请求：在UTRAN端，根据从CBC-RNC接口接收到的消息，BMC为蜂窝广播业务计算所需的传输速率，并向RRC请求适当的CTCH/FACH资源。

（3）BMC消息的调度：BMC通过CBC-RNC接口上接收调度消息和每个蜂窝的广播消息。根据UTRAN调度信息，BMC生成调度消息，并据此对BMC消息序列进行调度。在UE端，BMC计算调度消息，并向RRC公布调度参数。对于CBS不连续接收的情况，RRC可使用这些参数来对低层进行配置。

（4）将BMC消息传送给UE：根据调度消息，将BMC消息（调度消息和蜂窝广播消息）传送给UE。

（5）将蜂窝广播消息传送给高层（NAS）：在UE端，将接收到的蜂窝广播消息准确地传送给高层（NAS），在此过程中，不传送已破坏的消息。

2.5　网络层中的Uu子层业务与功能

主要的Uu子层业务包括通用控制、通知和专用控制。通用控制为某一地理区域内的所有UE提供通用信息广播业务。通知业务可为某一地理区域内的特定UE提供寻呼和通知广播业务。专用控制可为连接的建立/释放和使用该连接进行的消息传输提供业务支持。连接建立阶段传送信息也是可能实现的。

2.6　无线资源控制（RRC）功能

RRC层可对UT和UTRAN之间的第3层的控制平面信令进行处理。其主要功能包括：

（1）对由接入层和非接入层（核心网）提供的信息进行广播。RRC功能实体能够将信息从网络以广播的形式传送给所有UE。系统信息通常规律性地进行重复。

（2）UE和UTRAN之间RRC连接的建立、重建、维护和释放。高层请求UE端为UE建立第一个信令连接。RRC连接的建立包括可选的蜂窝重选、接入控制和第2层信令链路建立。

（3）无线承载的建立、重新配置和释放。根据来自于高层的需求，RRC功能实体可在用户平面完成无线承载的建立、重新配置和释放功能。

（4）RRC连接中无线资源的分配、重新配置和释放。RRC功能实体可完成RRC连接所需的无线资源分配（如代码和CPCH信道），包括来自于控制平面和用户平面的需要。

（5）RRC连接移动性功能。在RRC连接建立期间，可完成与RRC连接移动性相关的评估、决策和执行功能，如根据UE完成测量结果，执行切换、系统间切换准备、蜂窝重选和蜂窝/寻呼区域更新过程。

（6）寻呼/通知。必要时，当在网络端接收到来自于高层的请求后，可以将寻呼信息从网络以广播的形式传送到所选的UE处，或者可以在RRC连接建立期间发起呼叫。

（7）高层PDU的路由。将UE端的高层PDU路由到UTRAN端正确的高层实体，最终路由到适当的RANAP实体。

（8）对所需QoS的控制。它能保证无线承载所需的QoS得到满足，如有足够的无线资源可供分配。

（9）UE测量结果报告和对报告的控制。RRC能够根据测量什么、什么时候测量和如何报告，对由UE完成的测量结果进行控制，同时也可对UMTS空中接口和其他系统的测量结果进行控制。RRC层可以将测量结果由UE报告给网络。

（10）外环功率控制。RRC层能够对闭环功率控制目标值的设定进行控制。

（11）加密控制。在UE和UTRAN之间，提供设置加密功能（开/关）的过程。

（12）慢速DCA。该功能仅适用于TDD模式，根据长期决策标准，RRC功能实体可对优先级高的无线资源进行动态分配。

（13）对上行DCH中无线资源分配的控制。使用广播信道来为所有相关用户发送控制信息，实现对上行DCH中的快速无线资源分配的控制。

（14）空闲模式中的初始蜂窝选择和新选。根据空闲模式中的测量结果和蜂窝选择标准，选择合适的蜂窝。

（15）完整性保护。在敏感和/或包含第三信息的RRC消息中，增加消息认证码（MAC）。

（16）针对CBS的初始配置。在BMC子层，RRC功能实体可进行初始配置。

（17）为CBS分配无线资源。根据BMC指示的流量要求，RRC功能实体可为CBS分配无线资源。

（18）CBS不连接接收配置。当UE监听为CBS分配的资源时，RRC功能实体可对UE的低层（L1和L2）进行配置。

（19）定时提前控制。控制定时提前操作，该功能仅适用于TDD模式。

3、结束语

UMTS业务构件集将会不断进行演变，UMTS应用和业务引擎也将不断发展。因此，从业务提供商的角度来看，用户属于哪类行业无关紧要，最终随着移动业务、免费互联网和业务提供商选择的不断深入发展，用户将只关心服务质量、业务收费和应用价值。业务区分的理想平台即将出现，使用完全3G能力来实现新型业务的进程仍将继续。