Iu接口RANAP信令协议研究

1、宽带交换技术Iu接口RANAP信令协议研究姓 名： 队 别： 指导老师：Iu接口RANAP信令协议研究简介：Iu接口是UMTS系统中，核心网CN和接入网UTRAN之间的接口，主要负责传递非接入层的广播信息、用户信息、控制信息及控制Iu接口的数据传递。其中，Iu接口的无线网络层信令协议RANAP负责Iu接口上CN和RNC之间的信令交互，它可以透明地在CN和UE之间传送消息而不需要UTRAN解释、处理。此协议的功能有：RAB管理、NAS消息流程的透明传输、寻呼、安全模式控制和位置信息报告。本文将针对RANAP的协议结构、信令流程进行介绍。1. 概述RANAP无线接入网络应用（Radio Acces

2、s Network Application Part）是七号信令系统用户层信令，是UMTS陆地无线接入网UTRAN与核心网CN之间的Iu接口协议。UMTS通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications System）作为无线技术采用WCDMA的第三代移动通信系统，它主要由三部分组成，无线接入网、Iu接口和核心网。其标准化工作由3GPP（3rd Generation Partnership Project）组织完成，目前为止推出四个版本，即R99、R4、R5和R6。2. Iu接口2.1. Iu接口概述Iu接口定义在核心网和UTRAN的交界处，对Iu接口而

3、言，UTRAN的接入点为一个RNC（Radio Network Controller）。连接到核心网电路交换（CS）域的Iu接口称为Iu-CS；连接到分组交换（PS）域的称为Iu-PS；连接到广播（Broadcast，BC）域的称为Iu-BC。区分Iu-CS和Iu-PS这两个接口意味着到电路交换和到分组交换将使用不同的信令和用户数据连接。每个CN接入点可以连接一个或者多个UTRAN接入点。对于CS域和PS域，每个UTRAN接入点只能连接到每个CN域中的一个CN接入点；对于BC域，每个UTRAN接入点可连接到一个或者多个CN接入点。Iu接口可以支持的功能包括：无线接入承载的建立、维护和释放过程；

4、系统内切换、系统间切换和SRNS重定位过程；小区广播服务过程；与特定UE无关的一系列通用过程；为了用户特定信令管理，每个UE在协议等级上的分离过程；UE和CN之间非接入层（Non Access Stratum， NAS）信令消息的传递过程；从CN到UTRAN请求的位置服务和从UTRAN到CN的位置信息的传递过程以及提供单个UE同时接入到多个CN域和分组数据流和资源预留机制等。2.2. Iu接口协议结构Iu接口协议栈的所有域可分为无线网络层和传输网络层。在无线网络层中，对于PS域和CS域，Iu接口协议栈分为控制平面和用户平面。对应的协议是RANAP和Iu接口用户平面（Iu UP， Iu User

5、 Plane）帧协议。对于BC域，不区分控制平面和用户平面。对应的协议是服务区广播协议（SABP， Service Area Broadcast Protocol）。RANAP包括在CN和UTRAN之间所有过程的处理机制。它能够在CN和UE之间透明地传输消息，而不需要UTRAN进行解释和处理。在Iu接口上，RANAP具有触发来自CN的UTRAN过程（如寻呼）、移动专用信令管理的每个UE协议等级上的分离过程、非接入层信令的透明传输、通过专用的SAP域对不同类型的UTRAN无线接入承载的请求和实现SRNS的重定位等功能。其中，RANAP的Iu-CS协议结构如图2.2所示，lu-PS的协议结构如图2

6、.3所示，Iu-BC的协议结构如图2.4所示。我们这次主要研究的RANAP协议是Iu-CS控制平面中的。图2.2 Iu-CS接口协议结构图2.3 Iu-PS接口协议结构图2.4 Iu-BC接口协议结构3. RANAP信令协议3.1. RANAP服务RANAP提供UTRAN和CN的信令服务。根据业务接入点（SAP）类型的不同，RANAP服务分为3种：（1） 通用控制服务：与RNC和逻辑CN域之间的整个Iu接口实例有关，通过通用控制SAP接入CN，使用Iu信令承载提供的无连接信令来传递。（2） 通告服务：与特定的UE或规定区域的所有UE有关，通过通告SAP接入CN，使用Iu信令承载提供的无连接信令

7、传递。（3） 专用控制服务：与一个特定的UE有关，通过专用控制SAP接入CN。提供这些服务的RANAP功能与UE的Iu信令连接相关联，使用Iu信令承载提供的面向连接信令来实现。信令传递将为RANAP提供两类不同的业务模式：（1） 面向连接数据传递服务：这种业务由RNC和CN域之间的信令连接来支持，根据需要动态地建立和释放信令连接，每个激活的UE都有自己的信令连接，信令连接提供按序传递RANAP消息的功能。如果信令连接中断，RANAP将会被告知。（2） 无连接数据传递服务：在RANAP消息不能到达对等的RANAP实体的情况下，RANAP将会被告知。3.2. RANAP的主要功能（1） 重定位服务

8、RNC（SRNC， Serving RNC），将SRNC的功能和相关的Iu资源（RAB和信令连接）从一个RNC转移到另一个RNC中。（2） RAB管理，进行RAB的建立、修改和释放的管理。（3） RAB的建立进行排队，将某些请求的RAB置于队列，并向等实体指示。（4） 请求释放RAB，当CN的功能中包括RAB管理时，RNC可以请求释放RAB。（5） 释放所有Iu资源，用于释放与一个Iu连接相关的所有资源。（6） 请求释放所有Iu资源，虽然Iu的释放是由CN管理的，但是UTRAN可以请求释放相应Iu连接中的所有Iu资源。（7） SRNS上、下文前转功能，当数据包转发时发生系统间切换，这个功能负责

9、将SRNS上、下文从RNC发送到CN。（8） Iu接口上的过载控制，允许调整Iu接口上的负载。（9） Iu复位，用于对Iu接口复位。（10） 向RNC发送UE标识，CN可以给RNC发送UE Common Id（永久的NAS UE识别）。（11） 寻呼用户，CN具有寻呼UE的能力。（12） 控制对UE活动的跟踪，允许对一特定的UE设置跟踪模式，也可以激活以前建立的跟踪。（13） UE和CN之间传送NAS消息，将初始NAS信令消息在UE和CN之间透明地传送。（14） 控制UTRAN中的安全模式，用于发送密钥给UTRAN，并设置安全操作模式。（15） 控制位置报告，允许CN设置模式使UTRAN报告U

10、E的位置。（16） 位置报告，将实际的UE位置信息从RNC传送到CN。（17） 数据量报告，报告在UTRAN上对特定RAB未成功传送的DL数据量。（18） 一般错误状态的报告。允许报告一般的差错情况。（19） 位置相关数据。允许CN要么从RNC的解密密钥（要被转发到UE的）中取回广播协助数据，要么请求RNC去发送协助数据到UE。（20） 信息传递。允许CN传递信息到RNC。3.3. RANAP过程RANAP的所有功能都是由一个或者多个基本过程（Elementary Procedures， EP）来实现的。RANAP基本过程分为3类：Class 1：带响应的基本过程（成功或失败）。Class 2

11、：不带响应的基本过程（认为总是成功）。Class 3：可能有多个响应的基本过程，响应消息同时报告请求成功、不成功的输出和关于请求的临时状态信息。在基本过程间要遵循下列原则：（1） 复位过程较所有的其它EP有较高的优先级。（2） 除复位过程外复位资源过程较所有的其它EP有较高的优先级。（3） 除复位过程和复位资源过程外Iu释放过程较所有的其它EP有较高的优先级。3.3.1. RAB分配（Radio Access Bearer Assignment）RAB：Radio Access Bearer，无线接入承载，用于整个UTRAN为完成某个业务向上层提供的包括各层协议实体在内相互连接而形成的传输通道

12、。RAB可以看作是UE与CN之间接入层向非接入层提供的业务， UE与CN之间使用RAB来传送语音，数据，多媒体等业务信息，一个业务只能有一条RAB连接。RAB分配由CN侧发起，但CN只是确定RAB ID的值和相关的RAB参数，由RNC执行请求，分配用户平面资源，并利用一个或多个应答向CN返回结果。属于有应答、面向连接型基本过程。在分配过程中有一个传输控制面和用户面的建立过程（Q.AAL2建立过程和IUUP的初始化过程），当RAN收到用户面建立证实消息ESTABLISH CONFIRM后才会发起RAB分配响应消息RAB ASSIGNMENT RESPONSE。图3.1 RAB分配3.3.2. R

13、AB释放请求（RAB Release Request）RNC使用该过程向CN请求对相应RAB资源的释放，属于无应答、面向连接型基本过程。当RNC侧检测到RAB ID对应的用户平面资源发生了故障，一般情况下会向CN发起RAB释放请求消息。图3.2 RAB释放请求3.3.3. Iu释放请求（Iu Release Request）该过程用于RNC向CN请求释放和特定UE连接的Iu资源。这是由于UTRAN的原因引起的，如“操作用户干预”、“用户休止”、“RNC和UE的连接丢失”等。Iu释放请求过程属于无应答、面向连接型。图3.3 Iu释放请求3.3.4. Iu释放（Iu Release）该过程用于释放

14、Iu连接以及与此Iu连接有关的UTRAN端的资源，属于有应答、面向连接型。此过程由CN发起，发起原因可能有：UE和CN间事务结束；CN接收到了Iu Release Request消息；SRNS的重定位结束；图3.4 Iu释放CN发送“IU RELEASE COMMAND”消息后，就不要再在这条连接上发送任何面向连接的RANAP消息了。3.3.5. 重定位准备过程（Relocation Preparation）重定位准备过程的目的是通知CN源RNC要发起涉及UE或者不涉及UE的SRNS重定位。如果此时UE在两个CN域都有信令连接，那么此次SRNS重定位要在CS和PS域进行协调，即重定位准备过程对

15、两个CN域要各发起一次，以保证目标RNC能够顺利接管该UE。（重定位准备过程使用的是面向连接的RANAP信令）图3.5 成功操作图3.6 不成功操作3.3.6. 重定位资源分配过程（Relocation Resource Allocation）重定位资源分配过程的目的是从目标RNS为一次SRNS重定位分配资源。此过程要在UE当前所有已经存在的Iu信令连接上进行协调，使用的是面向连接的信令。图3.7 重定位资源分配过程的成功情况图3.8 重定位资源分配过程的失败情况3.3.7. 重定位检测过程（Relocation Detect）重定位检测过程的目的是由目标RNC向CN指示已经对SRNS重定位的

16、执行做了检测。此过程将在UE当前所有已经存在的Iu信令连接上进行协调，使用的是面向连接的信令。图3.9 重定位检测过程3.3.8. 重定位完成过程（Relocation Complete）重定位完成过程的目的是由目标RNC向CN指示SRNS重定位已完成，此过程将在UE当前所有已经存在的Iu信令连接上进行协调，使用的是面向连接的信令。图3.10 重定位完成过程3.3.9. 重定位取消过程（Relocation Cancel）重定位取消过程的目的是使用源RNC能够取消一次正进行中的SRNS重定位。如果满足下面的条件之一，源RNC就可以在重定位准备过程中或者重定位准备过程对事后发起重定位取消过程：源

17、RNC还没有通过Uu接口（或Iur接口）发起SRNS重定位的执行；在源RNC发起了SRNS重定位的执行以后，UE又向源RNC返回了一条RRC消息，指出UE仍认为源RNC是它的SRNC。此过程将在UE所有已经发起重定位准备过程的Iu信令连接上进行协调，使用的是面向连接的信令。图3.11 重定位取消过程3.3.10. SRNS上下文传送（SRNS Context Transfer）SRNS上下文传送目的是如果发生系统间切换或者在进一步的情形，引发SRNS上下文从源RNC传送到CN（PS域），使用的是面向连接的信令。图3.12 SRNS上下文传送3.3.11. SRNS数据前转启动（SRNS Dat

18、a Forwarding Initiation）SRNS数据前转启动目的是如果发生系统间切换或者在进一步的情形【21】，引发网络协议数据单元（N-PDUs）从RNC传送到CN（PS域），使用的是面向连接的信令。图3.13 SRNS数据前转启动3.3.12. SRNS 上下文从源RNC前转到CN图3.14 SRNS上下文从源RNC前转到CN3.3.13. SRNS 上下文从目的RNC前转到CN 图3.15 SRNS上下文从目的RNC前转到CN3.3.14. 寻呼（Paging）该过程用于CN对一个特定的UE发寻呼消息，属于无应答、无连接型。当UE处于空闲模式时，将利用公共的寻呼信道进行寻呼；当U

19、E已经有RRC（Radio Resource Control）连接时，将在其专用的RRC连接上进行寻呼。图3.16 寻呼3.3.15. 公共ID（Common ID）该过程用于在UE建立RRC连接之后，将UE的通用标识符（如IMSI）与RRC连接相关联并在RNC中保存起来，便于以后寻呼消息在RRC连接上的传输，属于无应答、面向连接型。图3.17 公共ID3.3.16. CN调用跟踪（CN Invoke Trace）CN调用跟踪目的是告知RNC应该开始产生一个跟踪记录，它是一类由CN和相关的一个给定的UE 来表明的跟踪记录，使用的是面向连接的信令。图3.18 CN调用跟踪3.3.17. 安全模式

20、控制（Security Mode Control）该过程用于CN向UTRAN传送进行加密和一致性保护的信息。在此过程中，CN将与无线接入网协商对用户终端进行加密的算法，使得用户在后续的业务侯传递过程中使用该加密算法；并且在终端用户生切换后，尽可能地仍使用此加密算法，即用于加密的有关参数将会被送到切换的RNC。该过程属于有应答、面向连接型。图3.19 安全模式控制成功操作图3.20 安全模式控制失败操作3.3.18. UE位置报告控制（Location Reporting Control）该过程用于CN要求RNC提供对特定UE的位置报告，控制参数包括开始报告、修改报告和停止报告等类型，属于无应答

21、、面向连接型过程。图3.21 UE位置报告控制3.3.19. UE位置报告（Location Report ）该过程用于RNC向CN报告与CN有连接的UE位置，报告由位置报告控制消息（LOCATION REPORT CONTROL message）来进行控制，属于无应答、面向连接型过程。图3.22 UE位置报告3.3.20. 数据量报告（Data Volume Report）数据量报告是用于CN请求给指定的RAB传送失败的数据链路数据量。这个过程只在PS域应用，使用的是面向连接的信令。注意：和TS32.200一致，这个过程不被使用，RNC如果收到数据量报告的请求消息应该忽略此消息。图3.23

22、数据量报告3.3.21. UE初始数据传输（Initial UE Message）该过程用于当Iu信令连接由RNC建立时，RNC用该消息把从UE传来的第三层的空中接口初始消息（NAS-PDU）透明传输给CN，属于无应答、面向连接型过程。图3.24 UE初始数据传输3.3.22. 直接传输（Direct Transfer）该过程用于UTRAN将UE与CN之间的信令消息透明地通过Iu接口传输，RNC不作任何处理。UE-CN的信令消息作为直接传输消息（DIRECT TRANSFER message）的一个参数来传送。该过程属于无应答、面向连接型过程。图3.25 由CN发起的直接传输：图3.26 由U

23、TRAN发起的直接传输：3.3.23. 流量控制（Overload Control）该当RNC和CN间的信令流量过载时，由过载方发起该过程，对方根据一定的算法进行信令流量的控制，以适当减少RNC或CN的业务处理量，保证系统的正常运行。属于无应答、无连接型。图3.27 CN的流量控制图3.28 UTRAN的流量控制3.3.24. 复位（Reset）复位（Reset）只针对RNC或CN上所有的Iu接口的事务处理。当发生复位后，所有的呼叫连接都被拆除（已经建立的或正在建立的），并且在复位保护时间内不接受UE的呼叫消息。属于有应答、无连接型。图3.29 由CN发起的复位图3.30 由UTRAN发起的复

24、位3.3.25. 错误指示（Error Indication）当一个节点对接收到的消息出错但无法以适当的失败信息表达时，它就启动这个错误指示过程用于报告在收到的信息中检测的到的错误。如果错误情况的出现是由于接收到专用信令的消息，则此过程属于无应答、有连接型；否则是无应答、无连接过程。图3.31 由CN发起的错误提示图3.32 由UTRAN发起的错误提示3.3.26. CN去激活跟踪CN去激活跟踪是用来告知RNC应该停止生成跟踪记录，使用的是面向连接的信令。图3.33 CN去激活跟踪3.3.27. 复位资源（Reset Resource）复位资源是针对RNC（或CN）上的部分Iu 连接。当RNC

25、或CN发现一些连接状态异常时，就发起复位资源流程。属于有应答、无连接型。图3.34 由UTRAN发起的复位资源过程图3.35 由CN发起的复位资源过程3.3.28. RAB修改请求（RAB Modification Request）RAB修改请求的目的是允许RNC在RAB建立后为某个给定的UE启动对RAB进行重新协商，使用的是面向连接的信令。图3.36 RAB修改请求3.3.29. 位置相关数据（Location Related Data）位置相关数据过程的目的是通过Iu接口提供处理额外的位置相关请求：它允许CN要么从RNC解密密钥（被上行发送到UE）中检索以广播协助数据，要么请求RNC去发送专门的协助数据到UE。使用的是面向连接的信令。图3.37 位置相关数据3.3.30. 信息传输（Information Transfer）该目的是从CN到RNC间进行信令传输。属于无连接的过程。图3.38 信息传输成功操作图3.39 信息传输失败操作3.3.31. UE特殊信息（UE Specific Information）该过程的目的是从CN到RNC间传送与特殊UE和特殊通讯有关的数据。使用的是面向连接的信令。图3.40 UE特殊信息4. 总结本文主要对Iu接口的无线网络层信令协议RANAP进行了介绍。其中包括：协议结构、协