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WCDMA 系统无线接入网络介绍——RAN Ix和高层协议

3G 培训资料之五（第二部分）

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目 录1 、 Ix(Iub 、 Iu 和 Iur) 接口2 、无线通信协议分层介绍3 、呼叫、切换和功率控制流程

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1 、 Ix(Iub 、 Iu 和 Iur) 接口

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RNS

RNC

RNS

RNC

核心网络 （CN）

Node B Node B Node B Node B

Iu Iu

Iur

Iub Iub Iub Iub

UE UE

Uu Uu

WCDMA 无线接入网络系统（ RAN ）由一组通过 Iu 连到核心网（ CN ）的无线网络子系统（ RNS ）组成。 一个 RNS 由一个基站控制器（ RNC ）和一个或多个基站 Node B 组成。 RNC 和 Node B 之间通过 Iub 接口连接。 UE 通过空中接口（ Uu ）接入 RNS 。

无线接入网络总体描述

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RNC 负责管理控制同一 RNS 内的小区资源，为移动用户提供接入控制和无线资源分配功能，并为控制信令和各种业务提供无线接入承载。 Node B 可处理 1 个或多个小区，包含可选的宏分集功能，通过空中接口 Uu 与移动终端接口。

Node B 和 RNC 功能回顾

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Ix 接 口 综 述 Ix 接口包含 Iub ， Iur ， Iu 三大接口，分别用于 NodeB

和 RNC ， RNC 和 RNC ，以及 RNC 和 CN 之间的互连，并支持业务数据流和信令流在其上的传输。 与 GSM 不同， Ix 接口都是开放的接口。 Ix 在协议结构上分为无线网络层和传输网络层。无线网络层实现所有与 WCD

MA 无线接入网络相关的功能，传输网络层实现一种标准传输技术，与无线网络层特定功能无关。 3GPP Ix 接口协议结构如下图。

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Ix 协 议 结 构 图应用协议

数据流

ALCAP(s)

传输网络层

物理层

信令承载

传输用户

网络面

控制面 用户面

传输用户

网络面

传输网络控制面

无线网络层

信令承载

数据承载

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Iub 接 口 Iub 为 RNC 和 NodeB 之间的开放接口，控制面应用协议是 NBAP ，用户面处理协议为 Iub-FP 。 Iub 接口在 WCDMA 无线接入网中的地位类似于 GSM BSS 中的 Abis口，它实现如下功能：

Iub接口传输资源管理 Node B逻辑操作维护特定操作维护传输的实现 系统信息管理

公共信道传输管理 专用信道传输管理

共享信道传输管理 定时与同步管理

NBAP 协议由一组为完成以上功能而设计的 RNC 与 Node B 之间消息交互流程组成。 Iub-FP 协议是一种数据传输帧协议。该协议按空中接口（ Uu ）的传输时间间隔（ TTI ）将传输信道上数据块组帧，由传输网络层传输到 Iub 接口的对端，或从传输网络层接收数据帧，按协议规范帧为传输块。

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目前，在传输层采用 ATM 传输技术的情况下， NodeB 与 RNC之间一般采用以下两种物理传输方式：

E1 （含 IMA 方式）STM-1 光传输

在逻辑上， Iub 接口采用 ATM PVC 来承载控制面消息（ AAL5 ）和用户面数（ AAL2 ）。

Iub 接 口

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Iu 接口 Iu 为 RNC 和 CN 之间的开放接口，控制面应用协议是RANAP ，用户面处理协议为 Iu-UP 。 Iu 接口包括两个域： Iu-CS 和 Iu-PS 。 Iu-CS 域连接RNC 和 CN 的电路域，为电路数据业务如话音、 ISDN 数据业务提供传输承载； Iu-PS 为RNC 与 CN 之间的分组数据业务如 IP 、 X.25 等提供传输承载。

Core Network (CN)UTRAN

RNCCS

Domain

PSDomain

Node B

Node B

Node B

Node B

RNC

Iu Interface

“Iu-PS”

“Iu-CS”

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Iu 接口在 WCDMA 无线接入网中的地位类似与 GSM 中的 A 接口，它具有如下功能：无线接入承载（ RAB ）管理无线资源管理速率适配Iu 链路管理Iu 用户面管理移动性管理安全性管理业务及网络接入功能

RANAP 协议由一组为完成以上功能而设计 RNC 与 CN 之间消息交互流程组成。 Iu-UP 协议用于传输与 RAB 关联的数据流，支持两种传输方式：透明传输方式和预定义 SDU 大小支持模式。

Iu 接口

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目前，在传输层采用 ATM 传输技术的情况下， CN 与 RNC 之间一般采用 SDH 传输如： STM-1/STM-4/STM-16 等。 由于 CN 存在 CS 和 PS 两个域， CS 数据采用 PVC+AAL2方式承载； PS 数据采用 IPOA+GTP-U 方式传送分组数据。 RNC 和 CN 之间的信令连接由 SCCP 链路承载。

Iu 接口

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Iur 接口 Iur 为具有相邻小区的两个 RNC 之间的开放接口，控制面应用协议是 RNSAP ，用户面处理协议为 Iur-FP 。 在 WCDMA 无线接入网中引入一个开放的接口 -Iur 的主要目的是当一个与网络处于连接态的 UE 在不同小区（可以属于不同 RNC ）之间移动时由无线接入网络（多个 RNS 组成）通过该接口传递信令和数据来跟踪和保持该 UE 的各种信息（ UE 上下文）和数据通路，而不是频繁地由 UE 和 CN 重新建立连接，即 CN 尽可能只关心业务本身而不关心 UE 在无线接入网中的位置。 目前，在传输层采用 ATM 传输技术的情况下， RNC 之间一般采用 STM-1 光传输。两个 RNC 可以物理直联，也可以通过CN 成网。

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2 、无线通信协议分层介绍

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Uu （空中接口）总体描述L3

cont

rol

cont

rol

cont

rol

cont

rol

LogicalChannels

TransportChannels

C-plane signalling U-plane information

PHY

L2/MAC

L1

RLC

DCNtGC

L2/RLC

MAC

RLCRLC

RLCRLC

RLCRLC

RLC

Duplication avoidance

UuS boundary

BMC L2/BMC

RRCcontrol

PDCPPDCP L2/PDCP

DCNtGC

空中接口协议结构

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无线资源控制层（ RRC ）是层 3 （ L3 ）最下面的一个子层，属于控制面。它与每个下层协议实体（ PDCP 、 BMC 、RLC 、 MAC 和 PHY ）之间都存在一个控制服务接入点（ SAP ）。 RRC 通过这些控制 SAP 配置和控制这些下层协议实体。因此 RRC 是整个空中接口协议的控制核心。

L2 包括 PDCP 、 BMC 、 RLC 、 MAC ，其中 PDCP 、BMC仅位于用户面， RLC被分成控制面和用户面两部分。RLC 与 MAC 之间的 SAP体现为逻辑信道； MAC 与物理层之间的 SAP体现为传输信道。

若以 Uu 接口为分界线，两端的协议栈功能是不对称的。 这里只讨论 Uu 接口的 RRC 、 RLC 和 MAC 层无线接入网侧（网络侧）协议栈，其它层如 L3 的 CC| 、 MM 、 PDCP 、

BMC 、物理层协议以及所有协议 UE侧另作介绍。

Uu （空中接口）总体描述

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RRC 层介绍 RRC 是 Uu 接口的核心，它负责对整个空中接口资源的分

配和控制，负责对下层协议直接控制。 RRC 在 Node B 和 RNC 上都有分布，但完成的功能有所不同。 RRC 主要有以下几部分的功能：

系统广播和通知无线资源分配移动性管理测量的管理和控制系统接入和拥塞控制对下层协议的配置和控制

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RRC 消息流程分为以下几类： RRC 连接管理流程，包括：系统信息广播流程、 UE寻呼流程和信令连接流程 ;无线承载控制流程，包括：无线承载、传输信道和物理信道的控制流程 ;RRC 移动性管理流程，包括：小区更新、 URA更新和硬切换等流程 ;测量流程 ;通用流程。

U E U T R A N

RRC REQUEST MESSAGE

RRC REPLY MESSAGE

RRC 层介绍

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无线资源管理策略 从本质上说， WCDMA 是一个自干扰系统，影响系统接入能力的最重要的是码资源和发射功率两种无线资源。因此，对于商用 WCDMA 系统来说，无线资源管理策略尤其重要。无线资源管理的策略包括：

切换策略，包括软切换和硬切换。接纳控制，避免系统性能严重下降。无线承载控制，动态进行信道配置和切换。码资源分配策略。功率控制算法。

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L2 介绍 ---RLC RLC 由三种模式的实体组成：透明模式实体、非确认模式实体和确认模式实体。

Transm.Tr-Entity

Transmissionbuffer

Segmentation

Tr-SAP

BCCH/PCCH/CCCH/DTCH

ReceivingTr-Entity

Receiver buffer

Reassembly

BCCH/PCCH/CCCH/DTCH

Tr-SAP

Radio Interface

Transm.UM-Entity

Transmissionbuffer

UM-SAP

ReceiverUM-Entity

Receiverbuffer

UM-SAP

Radio Interface

Segmentation &Concatenation

Ciphering

Add RLC header

Reassembly

Deciphering

Remove RLCheader

BCCH/PCCH/CCCH/DCCH/DTCH

BCCH/PCCH/CCCH/DCCH/DTCH

透明模式 非确认模式

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Transmissionbuffer

Retransmissionbuffer &

mangement

MUX

Set fields in RLC Header (e.g. setpoll bits). Optionally replace PAD

with piggybacked information.

RLC Control Unit

Received acknowledgem

ents

Acknowledgements

DCCH/DTCH

AM-SAP

DCCH/DTCH

DCCH/DTCH

AM-Entity

Demux/Routing[F.F.S]

DCCH/DTCH

DCCH/DTCH

DCCH/DTCH

Receiver buffer &Retransmission

management

Transmitting Side Receiving Side

Segmentation/Concatenation

Ciphering

Add RLC header

Reassembly

Deciphering

Remove RLC header & ExtractPiggybacked information

Piggybacked status

确认模式

1． RLC连接建立 /释放2．透明数据传输业务 分段和重组 用户数据传送3．非确认数据传输业务 分段和重组 串接

用户数据传送4．确认数据传送业务 分段和重组 串接 用户数据传送 纠错 高层 PDU顺序传送 重复检测 流量控制

协议错误检测和恢复5．服务质量（ QoS ）设定6．不可恢复错误通知7．高层消息多点传送

RLC 向上层提供的服务

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信道结构介绍SCCH

(BCCH

PCCH

DCCHDCCHCCCH

控制信道

DTCH 业务信道

ODCCH

OCCCH

ODTCH

CTCH

SHCCH

逻辑信道结构传输信道结构RACH

FACH

DSCH

DSCH控制CPCHUSCH

公共信道

DCH 专用信道

ORACH

BCH

FAUSCH

ODCH

PCH

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信 道 结 构 介 绍 逻辑信道位于 RLC 和 MAC 层之间，属于控制面传输控制信令消息的逻辑信道称为控制逻辑信道；位于用户面传输用户业务数据的逻辑信道为业务逻辑信道。 传输信道位于 MAC 层和物理层之间，分为公共传输信道和专用传输信道。公共传输信道为小区内所有 UE共同使用；专用传输信道仅为特定 UE使用。

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L2 介绍 ---MAC

FACH RACH

DCCH DTCHDTCH

DSCH

MAC Control

Iur or local

MAC Control

DCH DCH

MAC-d

USCHTDD only

MAC- shMAC-c

CPCHFDD only

CCCH CTCHBCCH SHCCH TDD o nly

PCCH

FACHPCH

右图说明了 UTRAN侧MAC实体的互连关系。相应于小区内每一个UE存在一个MAC-d，每一个MAC-d又与小区的MAC-sh和MAC-c相关。MAC-c和MAC-sh位于控制RNC（ controlling RNC），MAC-d位于服务 RNC（ serving RNC）。MAC控制 SAP用于 RRC向 UE所属MAC实体传送控制信息。

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CTCH

FACH

MAC-cto MAC –d

RACH

MAC – Control

CPCH(FDD only )

CCCH

Flow ControlMAC-c / MAC-d

FACH

UE IdMUX

TCTF MUX

BCCH SHCCCHPCCH

PCH

TFC selection

Scheduling / Priority Handling/ CTCH: CB- Scheduling

DCCH

UE

DTCH DTCH

DCH DCH

MAC-dto MAC-c

to MAC- sh

C/T MUX/ Prioritysetting

MAC-Control

FAUSCH Handling

FAUSCH

Deciphering

C/TMUX

DL scheduling/priority handling (2)

Ciphering

Flow ControlMAC–c /MAC-d

Flow ControlMAC-sh/MAC-d

C/T MUX/ Prioritysetting

Channel sw itching

L2 介绍 ---MAC

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MAC 层提供的功能：逻辑信道与传输信道的映基于瞬时源速率为传输信道选择适当的传输格式同属一个 UE的不同数据流的优先级处理通过动态调度实现不同 UE的优先级处理DSCH和 FACH上不同用户的数据流之间的优先级处理在公用传输信道上标识不同的 UE高层 PDU和经公共传输信道上接收 /发送的传输块之间的复用 /解复用

L2 介绍 ---MAC

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L2 介绍 ---MACMAC 层提供的功能：

高层 PDU和经专用传输信道上接收 /发送的传输块之间的复用 /解复用业务量监视链路资源监视高层信令路由

对等MAC实体信令连接维护动态传输信道类型切换加密 RACH 接入业务类别选择

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3 、呼叫、切换和功率控制流程

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3.1呼叫建立过程 3.1.1 UE起呼 3.1.2UE被呼3.2 呼叫释放过程3.3 切换过程 3.3.1软切换 3.3.2硬切换3.4 功率控制过程

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呼叫建立过程 ----UE 起呼 用户拨号 ,发起呼叫请求 UE 的 NAS 层向 AS 层发起 RRC 连接建立指示 RRC 连接建立 NAS 信令连接建立 RAB 建立 呼叫成功 UE 与 CN 之间数据传送

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呼叫建立过程示意图UE CNRNCNodeB

Radio Bearer Setup

Radio Bearer Setup Complete

RAB Assignment Request

RAB Assignment Response

Radio Link Setup Request

Radio Link Setup Response

Direct TransferDownlink Direct Transfer

RRC Connection Request

RRC Connection Setup

RRC Connection Setup Complete

RRC 连接建立

Initial Direct TransferInitial UE Message

信令连接建立

RAB 建立

用户拨号

通话 通话

地面资源及空中资源分配

Allocate RNTI,Select L1 and L2 parameter

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RRC 连接建立 RRC 连接在协议层中的位置 RRC 连接建立消息交互 RRC 连接建立流程详细说明

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RRC 连接在协议层中的位置

U E

R R C

R L C

P H Y

U T R A N = N o d e B + R N C

R R C

R L C

P H Y

M A C M A C

RRC连接

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RRC 连接建立消息交互UE UTRAN

RRC CONNECTION REQUEST

RRC CONNECTION SETUP

RRC CONNECTION SETUP COMPLETE

RRC 连接建立成功

UE UTRAN

RRC CONNECTION REQUEST

RRC CONNECTION REJECT

RRC 连接建立失败

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RRC 连接建立流程详细说明UE CNRNCNodeB

Allocate RNTI,Select L1 and L2 parameter

RRC Connection Request

RRC Connection Setup

RRC Connection Setup Complete

Radio Link Setup Request

Radio Link Setup Response

ALCAP Iub Data Transport Bearer Setup

可选择

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NAS 信令连接建立UE CNRNCNodeB

Initial Direct Transfer

Initial UE Message

RRC Connection Establishment

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RAB 建立UE CNRNCNodeB

Allocate RNTI,Select L1 and L2 parameter

Radio Link Reconfiguration Request

Radio Link Reconfiguration Response

ALCAP Iub Data Transport Bearer Setup

Radio Bearer Setup

Radio Bearer Setup Complete

ALCAP Iu Data Transport Bearer Setup

RAB Assignment Request

RAB Assignment Response

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UE 呼叫流程 ----UE 被呼UE CNRNCNodeB

RRC 连接建立

Paging Type1Paging

RAB 建立

Initial Direct Transfer

Initial UE Message

Downlink Direct TransferDirect Transer

Data Transfer

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UE发起的呼叫建立过程 用户拨号 ,发起呼叫请求 UE侧 RRC 接收 NAS 层呼叫请求 UE向 RNC发起 RRC 连接建立请求 ,建立 RRC 连接 建立 NAS 信令连接 建立 RAB 承载 呼叫建立成功 ,传输用户数据UE被呼 CN 通过 RNC向 UE发起呼叫请求 UE 接收呼叫信息 ,并发起 RRC 连接请求 其它过程与 UE被呼相同

呼叫建立过程总结

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呼 叫 释 放用户终止业务UE向 CN发送链路拆除请求Iu 口资源释放RAB释放 信令 RB释放

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呼叫释放过程所示意图UE CNRNCNodeB

Uplink Direct Transfer

用户终止业务Direct Transfer

Iu Release Command

Iu Release Complete

信令 RB释放

RAB释放

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切换过程 ---- 软切换 软切换特点 软切换分类 软切换过程 软切换过程示意图 NodeB 内的软切换 NodeB 间的软切换 不同 RNC 之间的软切换

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软切换特点切换前后 UE 所在小区的频率相同 ;

同时存在多条无线链路 ;

在切换过程中 ,始终存在无线链路 , 链路不中断 ;

在切换过程中 , 业务不中断 .

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增加无线链路删除无线链路增加并删除无线链路

软切换分类

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软切换过程 UE 移动 , 造成无线链路的质量变差 ; UE 对相邻小区进行测量 ,并将测量结果传送给 RNC; RNC根据测量结果选择一个合适的小区 , 若该小区与

以前的小区频率相同 , 则可以进行软切换 ; RNC 在该小区建立一条新的无线链路 , 此时 UE 与 RN

C 之间存在多条无线链路 ; 删除以前的无线链路 ( 也可以不删除 ); 软切换过程完成 .

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RNC

NodeB

CELL CELL

UE

NodeB 内的软切换 --- 切换过程示意图RNC

NodeB

CELL CELL

UE

RNC

NodeB

CELL CELL

UE

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同一 RNC 不同 NodeB 之间的软切换RNC

NodeB

CELL CELL

UE

NodeB

切换中

RNC

NodeB

CELL CELL

UE

NodeB

切换后

RNC

NodeB

CELL CELL

UE

NodeB

切换前

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不同 RNC 之间的软切换RNC

NodeB

CELL CELL

UE

NodeB

切换前

T_RNC RNC

NodeB

CELL CELL

UE

NodeB

切换中

T_RNC RNC

NodeB

CELL CELL

UE

NodeB

切换后

T_RNC

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切换过程 ---- 硬切换 硬切换概念 同一 NodeB 内不同小区间的硬切换 不同 NodeB 内的硬切换 不同 RNC 间的硬切换

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硬切换 UE 与 UTRAN 之间链路的频点发生改变 ,切换在异频小

区之间进行 ;

切入小区不支持宏分集 ;

模式改变 (TDD 与 FDD 之间的切换 );

切换过程中仅有一条正常无线链路 ;

业务出现短暂的中断

触发条件 :

特点 :

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UE 移动 , 造成无线链路的质量变差 ; UE 对相邻小区进行测量 ,并将测量结果传送给 RNC; RNC根据测量结果选择一个合适的小区 , 若该小区与以前

的小区 频率不同 ,模式不同 ,或该小区不支持宏分集 , 则进行硬切换 ;

在所选小区与目标 RNC 之间建立无线链路 ; 对物理信道进行重配置 ; 以前的无线链路失败 ,并删除该无线链路 ; 硬切换过程结束 .

硬切换过程

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硬切换示意图 ( 同一 RNC, 不同 NodeB)RNC

NodeB

CELL CELL

UE

NodeB

切换后

RNC

NodeB

CELL CELL

UE

NodeB

切换前

RNC

NodeB

CELL CELL

UE

NodeB

切换中

无线链路建立 ,物理信道重配

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功率控制过程 在 WCDMA 系统中，上行功控的主要目的是为了保证系统容量，下行功控的主要目的是减小干扰。整个功控过程包括上、下行开环功控，上、下行闭环功控，上、下行外环功控。其中开环功控用于确定物理信道的初始发射功率；闭环功控作为功控过程的主体在 DPCH 存在的整个过程都发生作用，用于克服无线传播路径上的快衰落；外环功控作为闭环功控的辅助，通过设置闭环功控用到的目标 SIR 来保证无线链路的质量。

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RADIO LINK SETUP REQUEST

UE 物理层UE RRC Node B RNC

RRC CONNECTION SETUP

计算 DPCCH 初始功率

启动上行外环功控启动上行 DPCH 内环功控

确定 上行 DPCH 功控参数

修改上行 DPCH 功控参数

DEDICATED MEASUREMENT REPORT

MEASUREMENT REPORT

RADIO LINK RECONFIGURATION PREPARE

RADIO BEARER RECONFIGURATION 、 TRANSPORT CHANNEL RECONFIGURATION 、 or PHYSICAL CHANNEL RECONFIGURATION

RRC CONNETCTION REQUEST

功率控制过程

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中兴通讯衷心感谢您的支持！谢谢大家！