WCDMA协议栈和信令流程.docx

WCDMA协议栈和信令流程目 录 第1章 UTRAN接口和协议 . 3 1.1 UTRAN接口概述 . 3 1.2 UTRAN地面接口 . 4 1.2.1 UTRAN地面接口协议的通用模型 . 4 1.2.2 Iu口协议栈结构和功能 . 6 1.2.3 Iur口协议栈结构和功能 . 13 1.2.4 Iub口协议栈结构和功能 . 17 1.3 UTRAN空中接口 . 22 1.3.1 Uu口的协议模型 . 23 1.3.2 RRC协议 . 28 第2章 基本信令流程 . 33 2.1 RRC连接建立流程 . 33 2.1.1 RRC连接建立在专用信道上 . 34 2.1.2 RRC连接建立在公共信道上 . 35 2.2 NAS信令连接建立 . 36 2.3 直传流程 . 36 2.3.1 上行直传 . 37 2.3.2 下行直传 . 37 2.4 RAB建立流程 . 38 2.4.1 DCH - DCH Establishment - Synchronised. 38 2.4.2 DCH - DCH Establishment Unsynchronised . 41 2.4.3 RACH/FACH - DCH Establishment . 43 2.4.4 RACH/FACH - RACH/FACH Establishment . 44 2.5 寻呼流程 . 45 2.6 RRC连接释放流程 . 46 2.6.1 释放DCH信道上的RRC连接 . 47 2.6.2 释放公共传输信道上的RRC连接 . 48 2.7 CS域位置更新 . 48 i 2.8 PS域附着 . 51 2.9 PS域去附着 . 51 2.10 CS域主叫 . 52 2.11 CS域被叫 . 54 2.12 PS域PDP激活 . 55 2.13 并发业务 . 56 2.14 软切换 . 57 2.14.1 无线链路增加 . 57 2.14.2 无线链路删除 . 60 2.15 硬切换 . 61 2.16 前向切换 . 64 2.16.1 带SRNS重定位的小区更新 . 64 2.16.2 经过Iur口不带SRNS重定位的小区更新 . 65 2.17 系统间切换 . 66 2.17.1 CS域3G到2G . 67 2.17.2 CS域2G到3G . 69 2.17.3 PS域3G到2G . 70 2.17.4 PS域2G到3G . 70 ii 第1章 UTRAN接口和协议 & 知识点 l l l l 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： l l l l 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图1.1-1 WCDMA系统主要接口 3 上述接口可以分为两大类： l l 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；传输网络层则描绘了被UTRAN使用的标准传输技术的协议结构。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。 4 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。 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。 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，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。 4 传输网络用户平面 5 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： l l l l l l l 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 U 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-CS以及Iu-BC，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CN和连接至分组交换CN。Iu-PS是与分组域核心网之间的接口；Iu-CS是与电路域核心网之间的接口。 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。 6 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管理，包括：Iu UP帧协议模式选择；Iu UP帧协议初始化。 7 5 移动性管理，包括：位置信息更新功能；切换和重定位功能；RNC间硬切换功能，不使用或不提供Iur接口；SRNS重定位功能；系统间切换功能；寻呼触发。 6 安全管理，包括：数据机密性；无线接口加密；密钥管理；数据完整性；完整性检查；完整性密钥管理。 7 业务及网络接入，包括：核心网络信令数据传输；数据流量报告；UE跟踪；位置报告。 8 寻呼协调。 1.2.2.3 Iu接口的物理连接 根据3GPP Release 99规范的要求，Iu接口的物理层接口可采用E1 / J1 / T1 / E2 / J2 / E3/ T3 / STM-0 /STM-1 / STM-4等传输技术，应符合ITU-T G.703 / G.704 / G.823 / G.751 / G.824 / G.957 / G.825 / G.826 / I.432.2规范和ATM Forum AF-PHY-0064.000的要求。 1.2.2.4 Iu-CS接口的协议栈 Iu-CS接口的协议栈结构如图1.2-3所示，其中控制面、用户面、传输网络控制面共享ATM传输。 8 RadioNetworkLayerControl PlaneRANAPUser PlaneIu UP ProtocolLayerTransportNetworkLayerTransportNetworkUserPlaneTransport NetworkControl PlaneQ.2630.1TransportNetworkUserPlaneSCCPMTP3bSSCF-NNISSCOPAAL5Q.2150.1MTP3bSSCF-NNISSCOPAAL5AAL2ATMPhysical Layer图1.2-3 Iu-CS接口的协议栈结构 Iu-CS的控制面的应用协议是RANAP，构筑在宽带七号信令之上。各个协议层次依次为信令连接控制部分SCCP，消息传递部分MTP3b，信令ATM适配层。信令ATM适配层又可进一步分为SSCF，SSCOP以及AAL5等几层。其中SSCF除将SCCP映射到SSCOP外，还提供SAAL连接管理、链路状态以及远端处理器状态监视等功能；SSCOP负责建立和释放连接，保证信令消息的可靠传输；AAL5则将上层协议适配到底层ATM信元。 Iu-CS的传输网络控制面协议栈包括AAL2连接建立的信令协议Q.2630.1和Q.2150.1，它们也承载在宽带七号信令之上。 Iu-CS用户面协议栈包括Iu用户面协议和AAL2。 1.2.2.5 Iu-PS接口的协议栈 Iu-PS接口的协议栈结构如图1.2-4所示，Iu-PS的接口协议与Iu-CS类似，包括控制面和用户面，也都承载在ATM之上，物理层要求和Iu-CS相同。 9 RadioNetworkLayerControl PlaneRANAPUser PlaneIu UP ProtocolLayerTransportNetworkLayerTransportNetworkUserPlaneSCCPM3UAMTP3-BSCTPSSCF-NNISSCF-NNISSCOPAAL5IPTransport NetworkControl PlaneTransportNetworkUserPlaneGTP-UUDPIPAAL5ATMPhysical LayerATMPhysical Layer图1.2-4 Iu-PS接口的协议栈结构 Iu-PS的控制面协议栈与Iu-CS不同，IP信令成为一种可以替换宽带七号信令的选择，IP信令包括M3UA，SCTP以及IP。其中SCTP是IETF制定的用于在IP网上传递各种信令的协议栈，M3UA则提供了SCCP到SCTP的适配功能。 Iu-PS用户面协议栈包括一个透明的Iu UP协议栈以及GTP-U加上IPOA。GTP-U提供了在IP地址上复用多个用户的隧道功能。 对于Iu-PS来说，不包括传输网络控制面，建立GTP隧道所需的IP地址等信息包含在RANAP的RAB指派消息中。 1.2.2.6 Iu-BC接口的协议栈 Iu-BC接口只有一个面，如图1.2-5所示，包括SABP协议，承载在TCP之上。 10 Radio Network Layer SA Broadcast Plane SABP Protocol Layer Transport Network Layer Transport Network User Plane TCP IP AAL5 ATM Physical Layer 图1.2-5 Iu-BC接口的协议栈结构 SABP协议与GSM中BSC与CBC之间的接口协议基本相当，功能包括小区广播短消息的添加、删除以及状态查询等。 1.2.2.7 Iu接口控制面的应用协议RANAP 3GPP TS 25.413详细描述了RANAP协议，本节从以下几个方面进行描述： l l RANAP的业务 RANAP的基本过程 RANAP提供UTRAN和CN间的信令业务，基于业务接入点，RANAP的业务分为三种： 1 通用控制业务：与RNC和逻辑CN域间的整个Iu接口实例有关，通过通用控制SAP接入CN。使用无连接的Iu信令承载传送。 11 2 通知业务：与特定的UE或特定区域的所有UE有关，通过通知SAP接入CN。使用无连接的Iu信令承载传送。 3 专用控制业务：与特定的一个UE相关，通过专用控制SAP接入CN。提供这些业务的RANAP功能与UE的Iu信令连接相关。使用面向连接的Iu信令承载传送。 基本过程：RANAP协议由基本过程构成，基本过程是分别定义的RNS和CN间交互的功能单元，目的是以一种灵活的方式来构建完全序列。基本过程之间可以被并行且独立地调用。 RANAP的基本过程分为三类： l Class 1：如果成功时，会收到一条成功响应消息；如果不成功，有一条或者没有响应消息。Class 1的EPs如表1.2-1所示。 表1.2-1 RANAP Class 1的EPs Elementary Procedure Iu Release Relocation Preparation Allocation Relocation Cancel SRNS Transfer Security Control Data Volume Report Reset Reset Resource Initiating Message IU RELEASE Successful Outcome Response message IU RELEASE COMPLETE RELOCATION COMMAND RELOCATION ACKNOWLEDGE RELOCATION ACKNOWLEDGE CONTEXT SRNS CONTEXT RESPONSE SECURITY MODE COMPLETE DATA VOLUME REPORT RESET ACKNOWLEDGE RESET ACKNOWLEDGE RESOURCE CANCEL REQUEST RELOCATION PREPARATION FAILURE RELOCATION FAILURE SECURITY MODE REJECT Unsuccessful Outcome Response message COMMAND RELOCATION REQUIRED REQUEST RELOCATION CANCEL REQUEST Mode SECURITY MODE COMMAND DATA RESET RESET RESOURCE l Relocation Resource RELOCATION Context SRNS VOLUME REPORT REQUEST Class 2：不管成功与否，都没有响应消息。Class 2的EPs如表1.2-2所示。 12 表1.2-2 RANAP Class 2的EPs Elementary Procedure RAB Release Request Iu Release Request Relocation Detect Relocation Complete SRNS Data Forwarding Initiation SRNS Context Forwarding from Source RNC to CN SRNS Context Forwarding to Target RNC from CN Paging Common ID CN Invoke Trace CN Deactivate Trace Location Reporting Control Location Report Initial UE Message Direct Transfer Overload Control Error Indication l Message RAB RELEASE REQUEST IU RELEASE REQUEST RELOCATION DETECT RELOCATION COMPLETE SRNS DATA FORWARD COMMAND FORWARD SRNS CONTEXT FORWARD SRNS CONTEXT PAGING COMMON ID CN INVOKE TRACE CN DEACTIVATE TRACE LOCATION REPORTING CONTROL LOCATION REPORT INITIAL UE MESSAGE DIRECT TRANSFER OVERLOAD ERROR INDICATION Class 3：根据具体情况，可以有多条响应消息。Class 2的EPs如所示。 表1.2-3 RANAP Class 3的EPs Elementary Procedure RAB Assignment Initiating Message RAB ASSIGNMENT REQUEST Response Message RAB ASSIGNMENT RESPONSE x N (N>=1) EP间存在如下规则： l l l 复位过程比所有的其它EP的优先级高。 除复位过程外，复位资源过程比所有的其它EP的优先级高。 除复位过程和复位资源过程外，Iu释放过程比所有的其它EP的优先级高。 1.2.3 Iur口协议栈结构和功能 本节从以下几个方面描述RNC和RNC之间的接口Iur口： l l Iur接口的功能 Iur接口的协议栈 13 l Iur接口控制面应用协议RNSAP 1.2.3.1 Iur接口的功能 Iur接口属于UTRAN内部接口，连接不同的RNC，其作用是支持RNC之间的软切换。Iur接口功能如下： 1 RNC之间的移动性管理 RNC之间的移动性管理功能包括SRNC重定位、RNC之间的小区和UTRAN注册区的更新、RNC之间的寻呼、协议错误报告等功能。 2 专用信道数据传输 专用信道数据的传输用于在两个RNC之间传输专用信道数据。使用和Iub接口一样的数据帧协议进行数据传输，并通过AAL2控制信令建立数据传输所需要的地面承载。专用信道数据的传输具体功能包括在DCH状态下为软硬切换建立更改和释放专用信道、建立和释放Iur接口专用传输信道的建立和释放、SRNC和DRNC之间的DCH传输信道块的传输、DRNS的无线链路管理等。 3 公共信道数据传输功能 公共信道数据传输功能包括建立和释放Iur接口公共信道数据流传输所需的传输连接、MAC-d和MAC-c功能的分离、MAC-d和MAC-c之间的流量控制。 4 全局资源管理功能 全局资源管理功能则包括RNC间小区测量信息的传递、RNC间的Node B定时信息的传递等。 1.2.3.2 Iur接口的协议栈 Iur接口的接口协议栈如图1.2-6所示，与Iu接口基本相同。 14 RadioNetworkLayerControl PlaneRNSAPUser PlaneIur DataStream(s)TransportNetworkLayerTransportUserNetworkPlaneTransport NetworkControl PlaneALCAP Q.2630.1TransportUserNetworkPlaneSCCPMTP3BSSCF-NNISSCOPAAL5M3UASCTPIPSTC Q.2150.1MTP3BSSCF-NNISSCOPAAL5M3UASCTPIPAAL2ATMPhysical Layer图1.2-6 Iur接口的协议栈 1.2.3.3 Iur接口控制面的应用协议RNSAP 3GPP TS 25.423详细描述了RNSAP协议，本节从以下几个方面进行描述： l l RNSAP的业务 RNSAP的基本过程 Iur接口RNSAP的过程可分为以下四个模块： l RNSAP Basic Mobility过程 包含了UTRAN 中移动的处理过程。 RNSAP DCH过程 l 15 包含了处理两个RNS间DCHs、DSCHs和USCHs的过程。如果相应的RNS之间有DCH、DSCH和USCH业务流量，则在特定的Iur接口上必须使用这个模块中的过程。 l RNSAP Common Transport Channel过程 包含了控制Iur 接口上公共传输信道数据流的过程。 l RNSAP Global过程 RNSAP Global过程模块所包含的过程不与某特定的UE相关。与前三类过程有