协议体系结构

• LTE无线接口协议总体架构可分为用户平面协议和控制平面协议
• U-UTRAN协议栈如图所示

用户平面

• IP报文在P-GW和eNodeB之间建立隧道，发送到终端。
• 可以使用不同的隧道协议。3GPP使用的隧道协议称为GPRS隧道协议(GTP)[8]。
• LTE第二层用户面协议栈由三个子层组成:
  • 分组数据汇聚协议(PDCP)
  • 无线链路控制协议(RLC)
  • 媒体访问控制协议(MAC)
• 这些子层在网络侧的eNodeB中终止

• 下面将详细解释每一个角色

  分组数据汇聚协议(PDCP)

• 分组数据汇聚协议(PDCP)是数据链路层中的一个子层。

• PDCP协议一方面在eNB中终止，另一方面在终端中终止，同时在用户平面和控制平面均起作用。

• 该层处理控制平面的RRC (Radio Resource Control)报文和用户平面[8]的IP (Internet Protocol)报文。

• PDCP服务：

• PDCP既向上层提供业务，也向下层提供业务。

• PDCP向上层提供服务:
  • 用户平面数据传输
  • 控制平面数据传输
  • 首部压缩
  • 加密
  • 完整性校验

• PDCP向下层提供服务:

  • 确认的数据服务，包括成功交付PDCP pdu的指示
  • 未确认的数据传输服务
  • 按顺序交付，除了在重建较低的层
  • 重复丢弃，除了在重建较低的层

• PDCP功能：

• 报文数据汇聚协议支持以下功能:

• 分别在发送和接收实体使用ROHC协议对IP数据流进行报头压缩和解压缩
• 数据传输(用户面或控制面)。此功能用于PDCP服务用户之间的数据传输
• 维护映射在RLC上的无线电载波的PDCP序列号点
• 切换时上层pdu (Protocol Data Unit)的顺序交付
• 对映射在RLC AM上的无线电bearers进行切换时，底层业务数据单元(sdu)的重复消除
• 用户平面数据和控制平面数据的加密和解密
• 控制平面数据的完整性保护和完整性校验
• 时基丢弃

• 重复丢弃

  无线链路控制(RLC)

• 无线链路控制(RLC)是数据链路层的另一个子层。

• 它位于PDCP和MAC之间，E-UTRAN协议层的主要目的是接收/发送来自/到对等RLC实体的数据包。
• RLC层和PDCP层之间的通信通过服务接入点SAP (Service Access Point)完成
• RLC层和MAC层之间的通信通过逻辑通道完成。
• 由于RLC位于PDCP和MAC之间
• 它在传输时间内从PDCP层接收到一些PDCP的PDCP pdu，并将其重新格式化后发送给MAC层。
• 在接收时间，RLC从MAC接收RLC pdu，并将其重新组装后发送给PDCP层。

• RLC的另一个功能是重新排序。

• RLC提出了三种传输模式

  • 透明模式(TM)
  • 非确认模式(UM)
  • 确认模式(AM)

• 透明模式(TM):

  • TM模式是最简单的一种模式，它不改变或改变上层数据。
  • 这种模式通常用于不需要RLC层进行特殊处理的 BCCH 或 PCCH 逻辑信道传输。
  • RLC透明模式实体从上层接收数据，并简单地将其传递给底层MAC层。
  • 没有RLC头的添加，数据分割或连接。
• 非确认模式(UM):
  • 正如其名称所示，非确认模式没有任何重传。
  • 因此，使用UM实体提供更少的延迟和更多的错误概率。
  • UM模式的附加价值是允许检测包丢失(接收实体可以检测到RLC包没有被正确接收)，并提供包的重新排序和重组。
  • 由于 RLC 报文头中存在序列号(serial Number, SN)，可以执行这些操作。

• 确认模式(AM):

  • 最后，AM模式是最复杂的一种。
  • AM RLC是唯一提供双向数据传输的模式。
  • AM RLC与UM RLC的显著区别是重传
  • 因此，所有由UM RLC执行的功能也适用于AM RLC。
  • 这种机制，特定于AM模式，可以支持无错误传输，被称为ARQ(自动重复请求)。
  • 因此，AM模式只适用于 DCCH 或 DTCH 逻辑通道。

    媒体访问控制(MAC)

• MAC层是LTE无线协议栈第二层架构的最低子层，位于RLC层和物理层之间。

• 逻辑通道将MAC连接到RLC，传输通道将MAC连接到物理层
• 因此，MAC层的主要职责是将逻辑通道映射到传输通道
• 这一层也执行多路复用的数据，从不同的无线电持有人
• 因此，每个终端只有一个MAC实体
• MAC层决定每个无线电承载能传输的数据量，并指示RLC层提供数据包的大小，目的是为每个无线电承载实现协商的服务质量(QoS)

• 对于上行链路，这个过程包括向eNodeB报告需要传输的缓冲数据量

• MAC层主要支持以下功能:

• 逻辑通道和传输通道的映射关系:

  • 当标准为给定的逻辑信道提供不同的数据传输选项时，就由MAC层根据操作员定义的配置选择传输信道
• 传输格式选择:
  • 这是指例如，MAC层选择传输块大小和调制方案，作为物理层的输入参数。
• 优先级处理:
  • 一个终端的逻辑通道之间以及终端之间的优先级处理。
  • 优先级处理是MAC层支持的主要功能之一，是指从不同的等待队列中选择数据包提交到底层物理层，在无线接口上传输的过程。
  • 这个过程是复杂的，因为它考虑到要传输的不同信息流
  • 包括纯用户数据(DTCH逻辑通道)以及由UTRAN或EPC (DCCH逻辑通道)发起的具有相对优先级的信令
  • 在已发送的数据包没有被另一端正确接收的情况下，还有数据包重复。
  • 因此，MAC层的优先级处理部分与Hybrid ARQ部分紧密耦合。

• 混合自动重传请求HARQ:

  • 混合自动重复请求(HARQ)是基于传统的停止-等待ARQ协议的。
  • 对每个接收到的数据包进行CRC检查，以确保正确接收。
  • 确认(ACK)或否定确认(NACK)将根据数据包是否被成功解码而返回，如果是NACK，则会进行重传。
  • 然后，HARQ操作支持多个同时进行的ARQ进程，以提高通道吞吐量。
  • 重传可以使用软组合，这意味着相同的数据在重传中发送，或者增量冗余，这意味着在重传中使用额外的冗余，以增加正确接收的概率。
  • 将接收到的数据包进行组合以进行额外的编码和解码，并对组合的数据包进行决策。
  • 在E-UTRAN中，HARQ由几个并行部分组成，因此当其中一个进程被重传卡住时，传输可以在其他进程上继续进行。
  • 在下行链路中，HARQ基于自适应传输参数的异步重传。
  • 在上行链路中，HARQ是基于同步重传的。

    控制平面

• 控制平面和用户平面有共同的协议，它们执行相同的功能，但控制平面协议没有头文件压缩。

• 在接入层协议栈和PDCP之上，有一个被认为是第三层协议的无线电资源控制(RRC)协议。

• RRC在eNodeB和UE之间发送信令，建立和配置接入层各底层的无线承载。

• 访问层(AS)与非访问层(NAS)相互作用，后者也被称为上层。

• NAS控制协议包括PLMN (Public Land Mobile Network)选择、跟踪区域更新、寻呼、认证和EPS (evolution Packet System)承载的建立、修改和释放等功能。

• 终端有两种RRC (Radio Resource Control)状态:RRC- idle和RRC- connected。

• 当UE处于RRC-IDLE模式时，它决定它所宿营的cell。
• 第一个决策称为单元格选择，接下来的所有决策称为单元格重选。
• RRC-IDLE模式下的终端可以从寻呼通道收到来电通知。

• 系统信息参数是重新选择单元格所必需的。

  无线资源控制(RRC)

• RRC (Radio Resource Control)层是一个关键的信令协议，它支持终端和eNodeB之间的许多功能。

• RRC协议支持通用NAS信息和专用NAS信息的传输，通用NAS信息适用于所有终端，专用NAS信息只适用于特定终端。

• 另外，对于RRC_IDLE中的终端，RRC支持来电通知功能。

• RRC的主要功能如下:

• 系统信息广播

  • 处理系统信息的广播，系统信息包括NAS公共信息
  • 其中部分系统信息仅适用于RRC-IDLE类型的终端，其他系统信息也适用于RRC-CONNECTED类型的终端
• RRC连接管理
  • 涵盖了RRC连接的建立、修改和释放的所有相关程序
  • 包括寻呼、初始安全激活、信令无线电承载(SRB)和携带用户数据的无线电承载(data Radio Bearers, DRB)的建立、LTE内的切换(包括UE RRC上下文信息的传输)，底层协议层的配置、访问类限制和无线链路故障
• 无线电资源的建立和释放
  • 这涉及到在终端和eNodeB之间传输信令消息或用户数据的资源分配
• 分页
  • 通过PCCH逻辑控制通道执行
  • 分页的主要用途是对处于RRC-IDLE状态的终端进行分页
  • 分页还可以用于在RRC-IDLE和RRC-CONNECTED模式下通知终端系统信息更改或SIB10和SIB11传输
• 与EPC之间的信令消息的传输
  • 这些消息(称为NAS的非访问层)通过RRC与终端之间的传输
  • 然而，它们被RRC视为透明消息
• 切换
  • 由eNodeB根据终端接收到的测量报告触发切换。
  • 根据交接的来源地和目的地，可以将交接分为不同的类型。
  • 切换可以在E-UTRAN中开始和结束，可以在E-UTRAN中开始和结束
  • 也可以从另一个RAT (Radio Access Technology)中开始和结束，也可以从另一个RAT中开始和结束。
• 测量控制
  • 指终端要执行的测量的配置和上报到eNodeB的方法
• 支持蜂窝间移动程序
  • 这也称为切换

• 用户上下文传递:

  • 在eNodeB交接时

    无线电资源控制状态

• RRC协议的主要功能是管理终端与EUTRAN接入网之间的连接。

• 为此，定义了RRC协议状态，如下图所示。

• 它们实际上对应着连接的状态，描述了网络和终端如何处理终端移动性、寻呼消息处理、网络系统信息广播等特殊功能。
• 在E-UTRAN中，RRC状态机非常简单，并且只局限于两种状态:RRC- idle和RRC- connected。
• 在RRC-IDLE状态下，终端与eNodeB之间没有连接，即终端实际上不为E-UTRAN接入网所知。

• 从应用程序级别的角度来看，终端用户是不活动的，这并不意味着无线电接口级别上什么都没有发生。

• 然而，终端行为是为了尽可能地节省电池电量而指定的，实际上限制在三个主要项目上

• E-UTRAN广播系统信息的周期性解码

  • 当信息被网络动态更新时，需要进行这个过程
• 寻呼消息的解码
  • 使终端可以在传入会话的情况下进一步连接到网络

• 小区重选

  • 终端通过自己的无线电测量和基于网络系统信息参数周期性地评估它应该选择的最佳小区
  • 当达到这个条件时，终端自主地选择一个新的服务单元

• 在RRC-CONNECTED状态下，终端和eNodeB之间有一个活动连接

• 这意味着该终端的eNodeB中存储了一个通信上下文
• 双方可以在逻辑通道上交换用户数据和或发送信令消息
• 与RRC-IDLE状态不同，终端位置在单元级别上是已知的
• 终端移动是在网络切换过程的控制下，该决策是基于许多可能的标准
• 包括终端的测量报告由eNodeB本身的物理层