（通信与信息系统专业论文）lte网络端mac层连接模式的研究与设计.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着全球通信产业的飞速发展及用户需求的日益增长 为了实现更低的延迟 更高的用户数据率 更大的系统容量 更广的覆盖和更低的成本 3 g p p 开始了对长 期演进 l t e 系统的研究和标准化的工作 本文基于国家科技重大专项 t d l t e 无 线综合测试仪表开发 的科研背景 重点研究了t d l t e 网络端m a c 层数据传输流 程 并结合t e l e l o g i ct a u 公司提供的s d l 平台对l t e 网络端m a c 层连接模式进行了 设计与实现 本文首先介绍t d l t e 的研究背景和技术指标 简要阐述了l t e 系统接入网的 优越性 其次从l t e 无线接1 2 协议栈的角度对各层的功能和架构进行描述 m a c 子层作为l t e 协议栈的重要组成部分 其m a cp d u 格式的正确处理与数据传输纠 错能力是影响系统性能的重要因素 然后通过对3 g p p 协议与相关文档的研究 详细分析了网络端m a c 层的功能 数据处理过程及调度等过程 网络端m a c 层协议流程大致分为三个过程 调度系 统信息 随机接入过程 数据传输与纠错 对应于状态划分可以分成四个子状态 空状态 n u l l 空闲状态 i d l e 接入状态 a c c 与连接状态 c o n 根据m a c 层与p h y 层 r l c 层 r r c 层之间的联系 本文设计了网络端m a c 层的层间接 口原语和相关参数 并在状态跃迁转移图及跃迁条件的基础上设计了m a c 层连接 状态下的上下行数据传输的正常过程 重建立 m a cp d u 处理及异常处理流程m s c 图 最后 为了验证设计方案的合理性与可行性 本文对网络端m a c 层进行了s d l 实现 针对t e l e l o g i ct a u 公司提供的产品t t c ns u i t e s 详细构造t r c n 典型测试例 通过t t c n 与s d l 协仿真 将仿真得到的信号流图与设计阶段设计的信号流图进 行比较 发现两者信号交互一致 t t c n 产生的m s c 图中的数据与预期设置的一致 初步验证了软件设计的正确性 仿真结果达到了预期的目的 并对下一阶段研究工 作的进行了阐述 关键词 t d l t e 媒介接入控制 混合自动重传请求 调度 消息序列图 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n si n d u s t r ya n dt h eg r o w i n gd e m a n db y t h eu s e ru p i no r d e rt oa c h i e v el o w e rl a t e n c y h i g h e ru s e rd a t ar a t e s g r e a t e rs y s t e m c a p a c i t y w i d e rc o v e r a g ea n dl o w e rc o s t s 3 g p ps t a r t e dt h er e s e a r c ha n ds t a n d a r d i z a t i o n w o r ko fl o n g t e r me v o l u t i o n e r e s y s t e m b a s e do nn a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y m a j o rp r o j e c t s t d l t ew t r e l e s si n t e g r a t e dt e s ti n s m m a e n td e v e l o p m e n t s c i e n t i f i c b a c k g r o u n d t h ep a p e re s p e c i a l l ys t u d i e dt h er e a l i z a t i o no fm a cd a t at r a n s m i s s i o n p r o c e s so nt d l t en e t w o r ks i d e d e s i g n e da n di m p l e m e n t a t e dt h e m a cl a y e r c o n n e c t i o ns t a t eu n d e rs d lp l a t f o r mp r o v i d e db yt e l e l o g i ct a n t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt e c h n i c a lc a p a c i t yo ft d l t e b d e f l yi n t r o d u c e dt h ea d v a n t a g e so f l t er a d i oa c c e s ss y s t e m si nt h eb e g i n n k n g s e c o n d l y t h i sa r t i c l ed e s c r i b e dt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fl t er a d i o i n t e r f a c ep r o t o c o ls t a c k m a c l a y e rp r o t o c o li sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n t o fl t e a n di t sd a t at r a n s m i s s i o nc a p a c i t y a n dm a cp d uf o r m a tc o r r e c t l yh a n d l ep l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ns y s t e mp e r f o r m a n c e t h e na c r o r d i n gt o3 g p pp r o t o c o la n dr e l a t e dt e c h n i c a ld o c u m e n t s d e t a i l e da n a l y s i s o ft h en e t w o r ks i d em a c l a y e rf u n c t i o n s d a t ap r o c e s s i n ga n ds c h e d u l i n gp r o c e s s m a c l a y e rp r o t o c o lf o rn e t w o r k s i d ep r o c e s sc a l lb ed i v i d e di n t ot h r e ep r o c e s s e s s c h e d u l i n g s y s t e mi n f o r m a t i o n r a n d o ma c c e s sp r o c e s s d a t at r a n s m i s s i o na n de r r o rc o r r e c t i o n c o r r e s p o n d st ot h es t a t ec a l lb ed i v i d e d i n t of o u rs u b s t a t e n u l ls t a t ef n u l i d l es t a t e i d l e a c c e s ss t a t u s a c c a n dc o n n e c t i o ns t a t e c o n a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nm a c l a y e ra n do t h e rl a y e r s t h ep a p e rd e s i g n e dt h ei n t e r f a c ep r i m i t i v e sa n d r e l a t e dp a r a m e t e r sb e t w e e nm a c l a y e ra n do t h e rl a y e r s d e s i g n e dt h en o r m a lp r o c e s so f d a t at r a n s f e r r r c c o n n e c t i o n r e e s t a b l i s h m e n t m a cp d up r o c e s s i n ga n de x c e p t i o n h a n d l i n gm s cd i a g r a mb a s e d o nt h et h es t a t et r a n s i t i o nd i a g r a ma n dt r a n s i t i o nc o n d i t i o n s d e s i g no f t h em a cl a y e r f i n a l l y i no r d e rt ov e r i f yt h ed e s i g no ft h er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t y t h ep a p e r r e a l i z e dm a cc o ns t a t eo nmn e t w o r ks i d ea n dc o n s t r u c t e dt t c nt e s tc a s e sb a s e d o nt t c ns u i t e sd e t a i l sp r o v i d e db yt e l e l o g i ct a u b yc o m p a r i n gt h es i g n a lf l o w d i a g r a mc r e a t e db ys i m u l a t i o na n dt h ep r e v i o u sd e s i g nc h a r t i tw a sf o u n dt h a tt h es i g n a l s i n t e r a c t i o ni si d e n t i c a l t h ed a t ao fm s cg e n e r a t e db yt t c ni sa l s oc o n s i s t e n t 谢m0 1 1 i e x p e c t a t i o n s p r e l i m i n a r yv e r i f i e dt h ec o r r e c 恤e s so fs o f t w a r ed e s i g n a n ds h o w i n gt h a t n s 证m i a t i o nr e s u l t sh a da c h i e v et h ed e s i r e dr e s u l t s i nt h ee n dt h ef u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n s a r ed e s c r i b e d k e yw o r d s t d l t e m a c h a r q s c h e d u l i n g m s c i i i 重庆邮电大学硕士论文 缩略表 3 g p p b c c h b c h b s r c c c h c r c c r n n c q i d c c h d l s c h d r x d t c h e n b e i 兀r a n f d d f s m h a r q e e i t u n 玎 l 3 u 匝 m a c m b m s m c c h m c h m c s m o m s c 缩略表 3 棚g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t b r o a d c a s tc o n t r o lc h a n n e l b r o a d c a s tc h a n n e l b u f f e rs t a t u sr e p o r t s c o m m o nc o n t r o lc h a n n e l c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k c e l lr a d i on e t w o r kt e m p o r a r yi d e n t i t y c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r d e d i c a t e dc o n t r o lc h a n n e l d o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l d i s e o n t m u o u sr e c e p t i o n d e d i c a t e d1 r a 面cc h a n n e l e ij r 瓜a nn o d e b e v o l v e du m t st e r r e s t r i a l r a d i oa c c e s sn e t w o r k f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f i n i t es t a t em a c h i n e h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r s i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m i n i c a t i o n su n i o n i m p l e m e n t a t i o nu n d e rt c s t l a y s 3 l o n gt e r me v o l u t i o n m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m u l t i m e d i ab r o a d c a s tm u l t i c a s ts e r v i c e m u l t i c a s tc o n t r o lc h a n n e l m u l t i c a s tc h a n n e l m o d u l a t i o na n dc o d i n gs c h e m e m o b i l eo r i g i n a t e d m e s s a g es e q u e n c ec h a r t s v i 第3 代合作伙伴计划 广播控制信道 广播信道 缓存状态报告 公共控制信道 循环冗余校验 小区无线网络临时标识 信道服务质量 专用控制信道 下行共享信道 非连续接收 专用业务信道 演进型n o d e b 演进型陆地无线接入网 频分双工 有限状态机 混合自动重传请求 电气和电子工程师学会 国际电信联盟 被测实体 第三层 网络层 长期演进 媒介接入控制 多播和广播业务 多播控制信道 多播信道 调制编码方式 移动台发起 消息序列图 重庆邮电大学硕士论文 缩略表 n d i n a s p c c h p c h p d c p p d u p h y p r a c h q o s r a c h r a r r a i t n l r i r l c r n n r r c r v s a e s a p s d l s d u s i s i 疆 t b t d d t d s c d m a 丁刚 r n u e u m t s u l s c h v o 口 w c d m a w i h i a x n e wd a t ai n d i c a t o r n o n a c c e s ss t r a t u m p a g i n gc o n t r o lc h a n n e l p a g i n gc h a n n e l p a c k e td a t ac o n v e r g e n c ep r o t o c o l p r o t o c o ld a t au n i t p h y s i c a ll a y e r p h y s i c a lr a n d o ma c c e s sc h a n n e l q u a l i t yo fs e r v i c e r a n d o ma c c e s sc h a n n e l r a n d o ma c c e s sr e s p o n s e r a n d o ma c c e s sr n 耵 r a d i ol i n kc o n t r 0 1 r a d i on e t w o r kt e m p o r a r yi d e n t i f i e r r a d i or e s o u r c ec o n l r o l r e d u n d a n c yv e r s i o n s y s t e m a r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n s e r v i c ea c c e s sp o i n t s p e c i f i c a t i o nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e s e r v i c ed a t au n i t s y s t e mi n f o r m a t i o n s i g n a l l i n gr a d i ob e a r e r t r a n s p o r tb l o c k t u n ed i v i s i o nd u p l e x t u n ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a t r e ca n dt a b u l a rc o m b i n e dn o t a t i o n t r a n s m i s s i o n1 f i m ei n t e r v a l u s e r e q u i p m e n t u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m u p l i n ks h a r e dc h a n n e l v o i c eo v e ri n t e r a c tp h o n e w i d e b a n dc d m a w o r l d i n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s v i i 新数据指示 非接入层 寻呼控制信道 寻呼信道 分组数据汇聚协议 协议数据单元 物理层 物理随机接入信道 服务质量 随机接入信道 随机接入响应 随机接入r n t i 无线链路控制 无线网络临时标识 无线资源控制 冗余版本 系统架构演进 业务接入点 规范描述语言 服务数据单元 系统信息 信令无线承载 传输块 时分双工 时分同步码分多址 树表结合表示法 传输时间间隔 用户设备 通用移动通信系统 下行共享信道 网络语音电话业务 宽带码分多址 全球微波接入互操作 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 2 0 0 4 年 基于o f d m 技术的w i m a x 标准的横空出世与迅速崛起 为了应对 w i m a x 标准的市场竞争 保证3 g p p 在国际移动通信标准领域的竞争力 3 g p p 开 始了u m t s 技术的长期演进项目i 1 1 u m t s 演进包括s a e 和无线接1 2 的长期演进 l t e l t e 作为高速分组接入 h s p a h s p d a 和h s u p a 统称 与i m t a d v a n c e d 之间的过渡技术 因为采用了o f d m f d m a 等具有4 g 通信技术特征的关键技术f 2 它与u m b w i m a x i e e e 的8 0 2 2 0 移动宽带频分双工 移动宽带时分双工等技术 被业内人士称为 3 9 g 或 准4 g 技术 在l t e 无线接入网结构方面 为了降 低用户面延迟 l t e 系统取消了重要的网元 无线网络控制器r n c t 3 在 e u t r a n 网络中 e n o d e b 使用s 1 接口直接连接到核心网络 因此r n c 支持的功 能分别由e n o d e b 核心网络m m e 或服务网关s g w 等实体来实现 如图1 1 所示 u t r a n 与e u t r a n 网络的总体架构示意图 警一 1 2l t e 关键技术 酝 璐耱 鬣i r e 3 6 系统 b 茹缀 饕i j x 图1 1u t r a n 与e u t r a n 接入技术的比较 u 哐系统 据p y r a m i dr e s e a r c h 公司调查 l t e 将以前所未有的速度在全球范围内部署 2 0 1 0 年到2 0 1 4 年 全球范围内l t e 用户数将以4 0 0 1 拘速度增长 4 截至2 0 0 9 年 1 1 月 华为与全球顶级运营商部署的l t e 商用网络和试验网已经超过2 5 个 在各 核心眄 无线接入网络 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 种标准组织中贡献了超过3 3 0 0 篇l t e s a e 标准提案 与业界分享在l t e 专利方面 取得的领先成就 5 l 这些关键的里程碑大大地推进了l t e 产业的进步与成熟 促进 l t e 价值链上的生态环境日益和谐繁盛 最终必将推动人们沟通和生活方式的进步 虽然大部分早期l t e 用户都在美国 日本等发达地区 但据调查公司预测 这项技 术在以中国为首的新兴市场中也将赢来爆炸性增长 6 目前欧洲 北美和亚洲的l t e 网络正在积极部署之中 l t e 系统网络能提供的技术指标 7 显著提高峰值数据率 上行5 0 m b i t s 下行1 0 0 m b i f f s 提高小区边缘的比特率 支持1 4 m h z 2 0 m h z 带宽 用户面延迟 单向 小于5 m s 控制面延迟小于l o o m s 支持与现有3 g p p 和非3 g p p 系统的互操作性 支持增强型的广播多播业务 将系统和终端的复杂度 成本和耗电控制在合理的水平 有效支持各种业务 尤其是p s 域业务 如v o d 追求后向兼容性 支持对称和非对称频谱中的操作 目前 绝大部分企业及研发机构对l t e 的研究与开发工作主要是基于3 g p p 所 制定的协议而进行的 随着协议规范的逐步完善与冻结 3 g p p 于2 0 0 8 年3 月开始 l t e 演进系统l t e a d v a n c e d 的协议制定和研究工作 1 3l t e 选题及结构 2 0 0 8 年 为了推动我国移动通信事业的跨越式发展 提升在该领域的竞争力和 创新力 国家启动了 新一代宽带无线移动通信网 国家科技重大专项 在专项中 除进一步支持我国自主标准t d s c d m a 的发展之外 其下一代演进l t e t d d 的研 发和产业化也是专项支持的重要内容之一 在整个l t e 产业链中 除了基站 终端 基带芯片 天线外 测试仪表的开发也有着非常重要的意义 本课题在重大专项的 子项目 t d l t e 无线综合测试仪表开发 的支撑下 主要研究协议栈m a c 子层连 接模式的传输技术 希望能给项目开发和测试提供有意义的参考 本文的内容结构安排如下 第一章首先对论文的研究背景进行概述 介绍了l t e 要求达到的性能指标以及 未来l t e 的研究趋势 第二章为l t e 系统控制平面协议栈模型 介绍了准4 g 系统的协议栈及功能实 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 体划分 协议构架图 同时对于层2 部分在t d s c d m a 与l t e 系统中的异同点进 行简单比较 以便更清晰了解移动通信系统中协议栈功能上的区别 第三章为m a c 子层协议分析 从m a c 层的总体模型和功能展开描述 详细 分析了m a c 实现的功能和数据处理过程 为状态划分及流程设计做准备 第四章主要对m a c 层进行接口设计 状态划分以及终端与网络端在通信情况 下的m s c 图 其中重点对连接模式进行分析与设计 包括有h a r q 异常状况 半 持续调度与动态调度等 在接口与流程的基础上撰写开发代码 第五章为本文另一重点部分 利用s d l 仿真实现功能协议 主要实现了初始随 机接入 连接建立 上行与下行h a r q 进程以及m a c 头处理等功能 并利用s d l 与t t c d 协仿真对流程设计进行验证测试 最后一章对全文工作进行总结 并指出继续进行的研究工作和未来可能的研究 方向 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 无线接口协议栈研究 第二章l t e 无线接口协议栈研究 2 1 无线接口协议总架构 成 提供了控制平面和用户平面的协议 e n b 通过s 1 接口与e p c 相连 更细地划 分 与移动管理实体m m e 相连的接1 3 成为s 1 m m e 接口 与s a e 网管相连的接 口成为s 1 u 接口 在设计时可要求s 1 接口支持多个c n b 和多个s a e m m e 之间 的连接 e u t r a n 的总体架构如图2 1 所烈铂 囝囝 嗍e 孓g w 删一孓g w j j 褫 槛 一叫嗍褫 童 毫a 一 州 帅 器多棚l 邮 j 空中接口是指终端与网络端之间的接口 简称为u u 接1 3 该协议主要用于建 立 重配置和释放各种无线承载业务 一般来说 空中接口协议包括控制平面和用 户平面的协议 两者的区别主要在于网络层 u ee n b m m e 一 一 r i 堕 一 堕 l 亟二卜斗叫二亟 i i 巫 卜忙正i 叵i l 1 r l c i i 霉垂戛王萤l l ii i l j 1 里 jil i 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 无线接口协议栈研究 l t e 系统控制面协议栈的结构如图2 2 所示 9 在研究与应用过程中可根据控 制和软件的需要添加一些模块 每个模块分别完成不同的功能 不同模块之间的信 息交换由系统接口完成 这些信息的交换通过原语 信号 来实现 2 2 控制平面协议框架 2 2 1p h y 物理层协议 l t e 系统的主要无线传输技术在物理层 差异在于描述物理层信道相关的信息 和消息元素方面 在设计协议栈高层时会尽量考虑不同的标准之间的兼容性 而高 层的区别并不明显 所以本节简要介绍物理层的传输信道的类型 定义和传输信道 与物理信道的映射关系 0 1 下行传输信道类型 1 广播信道b c h 预定义的固定传输格式 例如具有固定的大小 固定发送 周期 调制编码方式等 除了m i b 消息在专属的物理信道上传输外 其他的广播消 息s i b i s i b l 3 均是在物理共享信道上传输 能够在整个小区覆盖区域内广播 2 下行共享信道d l s c h 使用h a r q 能通过各种调制模式 编码 发送功 率来实现链路适应 能够使用波束赋形 能够在整个小区内发送 支持动态或半静 态资源分配 支持终端d r x 以达到省电模式 支持m b m s 业务传输 3 寻呼信道p c h 支持终端d r x 以达到省电模式 d r x 周期由网络端配置给 终端 要能在整个小区覆盖区域发送 映射到用于业务或其他动态控制信道使用的 物理资源上 4 多播信道m b c h 要求能在整个小区覆盖区域内发送 对于单频点网络支持 多小区的m b m s 传输的合并 使用半静态资源分配 上行传输信道类型 1 上行共享信道u l s c h 能够使用波束赋形 有通过调整发射功率 编码和 潜在的调制模式应用链路适应的能力 使用h a r q 动态或半静态资源调度 2 随机接入信道r a c h 用于指定传输随机接入前导 承载有限的控制 发射 功率等信息 冲突碰撞 同时也能依赖于物理层结果进行开环控制 3 传输信道与物理信道的映射 传输信道与物理信道的映射关系如图2 3 和图2 4 所示 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 无线接口协议栈研究 p m c h p d s c hp d c c h 下行传输信道 下行物理信道 图2 3 传输信道与物理信道的映射关系图 下行 一上行传输信道 一o 上行物理信道 p d c c h 图2 4 传输信道与物理信道映射关系图 上行 l t e 系统协议栈数据链路层l 2 部分包含有三个子层 媒体接入控制层 无线 链路控制层层 分组数据汇聚协议层 上行与下行的层2 结构分别如图2 5 及2 6 所示 位于物理层与m a c 层之间的s a p 提供传输信道 位于m a c 层与r l c 层间 的s a p 提供逻辑信道 m a c 图2 5 层2 协议栈的下行结构 6 一夏 剃亘一 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 无线接口协议栈研究 调度 优先级处理 u e l 复用 二 h a r q 调度 优先级处理 切h 复用 二二 二 h a r q 无线承载 逻辑信道 传输信道 图2 6 层2 协议栈的上行结构 m a c 层执行逻辑信道到传输信道的复用与解复用功能 从图中可看出 上下 行结构的不同点在于下行 m a c 子层除了处理单个u e 的逻辑信道优先级外还包括 多个u e s 优先级处理 r l c 子层提供的主要服务和功能包括分段和组合 a r q 错 误检测 复位和协议的错误发现 恢复机制等 p d c p 层位于无线接口协议架构层2 的最上层 通过其上层r r c 来配置该层参数 p d c p 提供的服务和功能包括 头压 缩和解压缩 使用r o h c 协议的p 数据流 用户平面和控制平面数据的加密 j 樨密 下层s d u 的复制检测等 各层具体的功能与服务在随后介绍 2 2 2 媒介接入控制层协议 m a c 层主要实现和调度 h a r q 相关的功能 具体包括以下内容 实现逻辑信道映射到传输信道 分组数据单元的复用与解复用 调度信息的报告 u e 向e n o d e b 请求传输资源等 基于h a r q 机制的错误纠正功能 通过动态调度的方式 处理不同用户的优先级 以及对同一用户的不同逻辑 信道的优先级处理 主要在u e 端实现 传输格式的选择 通过物理层上报的测量信息 用户能力等 选择相应的传 输格式 从而达到最有效的资源利用 填充 m a c 子层提供逻辑信道上的数据传输服务 为不同类型的数据传输业务定义 一系列的逻辑信道类型 数据传输服务是通过使用传输信道获得的 传输信道提供 嚣芏一 嚣蠢 r 二1 叫罢芏 笔蔫q 1 叫 嚣主一 薰r j 1一 姜圭一 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 无线接口协议栈研究 的服务由传输格式 或传输格式集 进行定义 比如 信道编码 交叉和速率匹配 等 每个逻辑信道是根据传输什么样类型的信息来定义的f 1 2 2 3 无线链路控制层协议 r l c 功能主要有以下几点 1 2 1 对上层p d u 的传输支持t m a m 或u m 模式 通过a r q 机制进行错误修正 c r c 校验由物理层完成1 根据传输块大小进行动态分段 分段产生的r l cp d u 不包含任何填充 重传时对p d u 进行重分段 且重分段的数目没有限制 顺序传送上层的p d u 切换时除外 重复检测与重建 底层协议错误检测与恢复 e n o d e b 和u e 间的流量控制 与t d s c d m a 系统的r l c 功能实体相比 l t e 系统中的r l c 子层主要有如 下特点 u m 模式与t m 模式承载的信道较少 功能实现简单 a m 模式支持 s d u 的动态分段 现有系统只支持固定分段 a m 模式支持二次分段 现有系统都支持 不再支持加密功能 可能需要支持流量控制功能 2 2 4 分组数据汇聚层协议 p d c p 提供服务给l i e 侧的n a s 砒汇 或者e n b 侧的转发 p d c p 子层的主要 功能包括以下几个方面f 1 3 j 头压缩与解压缩 支持r o h c 压缩算法 用户平面数据传输 包括从n a s 层接收数据转发给r l c 层 对上层p d u 的顺序提交 下层s d u 的复制检测 用户平面数据和控制平面数据加密 解密 与现有系统中的p d c p 相比较 l t e 系统中的p d c p 子层有以下特点 压缩算法较简单 只支持一种 不支持无损重定位 支持加密 不再需要无损下行r l cp d u 大小的改变 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 无线接口协议栈研究 2 2 5 网络层协议框架 层3 协议主要是由属于a s 层的r r c 和n a s 层构成 l t e 系统控制平面与用 户平面的区别在于e n b 端不存在n a s 层 本文主要介绍与研究设计时关系较为密 切的r r c 层协议功能 1 4 r r c 层提供的服务与功能 l t e 系统中 r r c 层提供的服务主要包括以下几种 广播a s 层的系统消息和传送n a s 的消息 寻呼 r r c 连接建立 保持和释放 包括临时标识的分配 信令r n s r b 的配置 低优先级和高优先级s r b 安全功能 r r c 消息的完整性保护 点对点无线承载的建立 修改和释放 移动性管理功能 为了小区间和r a t 间移动性进行的报告控制 小区间切 换 u e 小区选择和重选 e n o d e b 间的通信上下文传输 q o s 管理 u e 测量上报及测量控制 r r c 协议状态以及状态跃迁 在l t e 中保留了r r c 的两种状态 空闲状态和连接状态 空闲状态 r r c的状态描述如下 idle n a s 配置特定u e u e s p e c i f i c 的d i 系统消息广播 寻呼 小区选择和重选 l i e 已经有一个可以在跟踪区域范围内唯一的标识 在e n o d e b 中没有保存 础配通信上下文 连接状态 r r c 的状态描述如下 connected u e 有e u t r a n 犯连接 u e 在e u t r a n 中有通信上下文 e u t r a n 知道u e 属于哪个小区 网络可以发送 接收数据 网络控制的移动性 邻小区测量 从p d c p r l c m a c 层可看出以下几点 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 无线接1 2 1 协议栈研究 u e 可以发送数据给网络 也可以接收从网络发来的数据 u e 监听与共享数据信道相关的控制信令来查看在共享数据信道上是否有 分配给此u e 的传输 u e 也要上报信道质量消息和反馈消息给e n o d e b d r x d t x 周期可以根据u e 的活动水平来配置以达到终端节电和提高资源利 用率的目的 这个功能由e n o d e b 进行控制 与u t r a n 系统中u e 的5 种r r c 状态 空闲状态 c e l ld c h 状态 c e l lf a c h 状态 c e l lp c h 状态和u r ap c h 状态 相比 l t e 系统中的状态数 目大大的减少了 这意味着l t e 系统中r r c 的有限状态机更为简单 复杂度也有 了很大的改善 和u t r a n 系统相似 终端开机后将会从p l m n 中选择合适的小区驻留 当 u e 驻留在某个小区后 就可以接收系统信息和小区广播信息 一般情况下u e 首次 开机需要进行注册过程 一方面可以互相认证鉴权 另一方面可以让网络获得此u e 的基本信息 之后u e 可以一直处于空闲状态 直到需要建立r r c 连接 u e 通过 建立r r c 连接才能进入r r c c o n n e c t e d 状态 在r r c c o n n e c t e d 状态下 u e 可以跟网络进行数据的交互 当u e 释放了r r c 连接时 u e 就会从 r r cc 沦陋c t e d 状态跃迁到r r ci d l e 状态 2 3 本章小结 本章简单介绍了空中接1 2 1 协议的架构 物理层 层2 和层3 的主要服务和功能 可以看出在l t e 阶段 对于空中接口协议的主要优化体现在协议状态的简化 这对 设计过程中状态机的划分 跃迁条件的设计具有很重要的意义 l o 重庆邮电大学硕士论文第三章m a c 子层协议分析 第三章m a c 子层协议分析 3 1m a c 子层总体模型 m a c 子层与物理层之间通信使用传输信道 与p d c 层之间使用逻辑信道 因 此 在m a c 子层将完成逻辑信道与传输信道之间的映射功能 并根据逻辑信道的 资源速率为传输信道选择合适的传输格式 同时实现调度和 u 状q 相关的功能 m a c 子层在网络侧与终端实现的功能与服务上有所区别 网络侧还需实现不同u e 逻辑信道的优先级处理等 m a c 层网络侧总体架构如图3 1 所示 l p p e ri a y er p c c h m c c h m t c h b c c hc c c hd c c hd t c hm a c c o n t r o l i 一l j 一lj lj 一 r 一 r t 一 1 7 一 一一 一一 一 p c hm c hb c hd l s c hu l s c hr a c h l o w e rj a y e r 图3 1e n b 端m a c 层实体结构图 3 2m a c 层功能描述 3 2 1 服务与功能 l t e 系统中定义了两个m a c 层实体 分别位于终端与网络端 m a c 层提供以 下服务 数据传输 加m a c 头 控制元素 s d u p d u 复用与解复用 无线资源 分配 l 胀q 信令反馈 调度请求 测量 c q i 上报 上述服务主要通过m a c 层 模块实现的功能来完成 逻辑信道与传输信道的映射 从一个或多个逻辑信道将m a cs d u 复用并传至传输信道上的物理层传 重庆邮电大学硕士论文第三章m a c 子层协议分析 输模块 从一个或多个逻辑信道将m a cs d u 解复用到传输信道上的物理层传输 模块 调度信息报告 通过h a r q 进行数据错误修正 通过动态调度进行的不同u e 之间的优先级处理 逻辑信道的优先级处理 多个u e 的逻辑信道优先级处理 3 2 2 信道结构与映射 d l s c h 上的共享信道数据传输是l t e 无线接入的一个基本过程 共享信道传 输也就是上行信道和下行信道动态的共享时间 频率资源 上行信道和下行信道资 源的分配主要是由m a c 层进行调度 在l t e 中 上行信道和下行信道的调度是分 开进行的 l t e 方案中没有专用信道的概念 取而代之的是共享信道 在共享信道中 用 户之间动态地分配时频资源 使用共享信道能很好地匹配了分组数据对快速资源分 配的要求 也体现了l t e 的优越性 m a c 以逻辑信道的形式为r l c 提供服务 l t e 中逻辑信道的类型包括有 b c c h 广播控制信道 用于系统控制信息在一个小区中从网络端到移动终端 的传输 在接入系统之前 一个移动终端需要读取b c c h 上传输的信息来找出系统 是怎么配置的 例如系统的带宽 p c c h 寻呼控制信道 用于寻呼不被网络所识别的小区上的终端 寻呼信息 需要被传送到多个小区 c c c h 公共控制信道 用于传输上下行控制信令 如r r c c o n n e e t i o n r e q u e s t r r c c o n n e e t i o n r e j e e t 消息等 该信道与r l ct m 实体相对应 d c c h 专用控制信道 用于进行移动终端控制信息的传输 传输专用控制信 息的双向信道 该信道用于移动终端的个人配置例如不同的切换信息 d t c h 专用传输信道 用于终端的连接数据传输 这是用于所有上行信道和 非m b m s 的下行信道用户数据传输的逻辑信道类型 m c c h 多播控制信道 用于被请求接收m t c h 控制信息的传输 m t c h 多播流量 用于m b m s 服务的下行信道的传输 l t e 传输信道的类型在2 2 1 节已经介绍 m a c 子层上下行逻辑信道与传输信 道的映射关系分别在图3 2 和图3 3 中给出 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第三章m a c 子层协议分析 士行逻辑信道 上行传输信道 r a c hu l s c h 图3 2 上行信道映射关系 b c c hc c c hd c c hd t c hm c c hm t c h 图3 3 下行信道映射关系 3 3m a c 层连接模式工作过程研究 3 3 1 混合自动重传请求过程 下行逻辑信道 下行传输信道 对m a c 子层h a r q 控制机制的研究 首先要明确进程中涉及到的一些参数及 定时器的概念 h a r q 信息包括n d i 和t b 大小 对于d l s c h 传输 h a r q 信息 还包括h a r q 进程d 号 而u l s c h 传输h a r q 信息则含有r v 若物理层采用 空分复用时 d l s c h 的发送中h a r q 信息由一组信息组成 分别对应于每一个传 输块的n d i 和t b s 大小 h a r qi 册定时器描述了u e 端期望的d l h a r q 重传之 前的最小子帧总数 在u e 端和网络端中都有一个h a r q 实体 它