E-UTRAN控制平面协议

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1、1 概述 接入层（ Access Stratum， AS）的 控制平面处理与无线相关的功能。 AS 与非接入层（ Non-Access Stratum， NAS） 也被 称作“高层 ” 打交道。在其它功能之中， NAS 控制协议还处理 PLMN（ Public Land Mobile Network） 选择、跟踪区更新、寻呼、鉴权和 EPS 承载的建立、修改和释放。 UE 的 RRC（ Radio Resource Control） 状态 要么 是 RRC_IDLE，要么 是RRC_CONNECTED 在很大程度上决定了适用的 与 AS 相关的过程。 处于 RRC_IDLE状态的 UE执行小区

2、选择和小区重选 换句话说就是确定驻留在哪个小区。小区（重）选择过程中 考虑 每一种适用无线接入技术 RAT 的每一个适用频率、无线 链路质量和小区状态（即一个小区是否禁入或保留） 。处于 RRC_IDLE 状态的 UE 通过监测寻呼信道来侦测打进来的电话，并且获取系统信息。系统信息主要包括 网络（ E-UTRAN）用来控制小区（重）选择的 参数。 在 RRC_CONNECTED 状态， E-UTRAN 分配无线资源给 UE，以方便通过共享数据信道（ shared data channels）转发（单播 unicast）数据。为了支持这种操作，UE 监测一条 用来指示在时域和频域的共享传输资源的

3、动态分配的 关联控制信道。 UE 向网络 提供自身 缓冲区状态 报告 和下行信道质 量 报告 ，以及 让 E-UTRAN有能力为 UE 选择最适合的小区的 邻小区 测量信息 报告。这些测量报告涵盖了那些使用其它频率或其它 RAT 的小区。 UE 也会收到系统信息，主要由使用传输信道所需要的信息组成。为了延长电池寿命，处于 RRC_CONNECTED 状态的 UE可以配置一个非连续接收（ Discontinuous Reception， DRX）周期。 RRC 是 E-UTRAN 用来控制处于 RRC_CONNECTED 状态的 UE 的行为的协议 。RRC 还确定了适用于处于 RRC_IDLE

4、 状态的控制信令，即寻呼和系统 信息。 2 无线资源控制（ RRC）协议 RRC 协议支持“公共 common” NAS 信息（即适用于所有 UE 的 NAS 信息）和“专用 dedicated” NAS 信息（只适用于特定 UE 的信息）的转发。此外，对处于 RRC_IDLE 状态的 UE， RRC 还支持 来电的通知。 RRC 协议涵盖了一系列功能领域。 系统信息 处理 包括公共 NAS 信息在内的系统信息的广播。 其中一些系统信息只适用于处于 RRC_IDLE 状态的 UE，而另一些系统信息既适用于处于 RRC_IDLE 状态的 UE，又适用于处于 RRC_CONNECTED 状态的 U

5、E。 RRC 连接控制 涉及 RRC 连接建立、修改和释放相关的所有过程，包括寻呼、 安全机制激活 的初始化 、 信令无线承载（ SRB）和携带用户数据的无线承载（ Data Radio Bearer, DRB）的建立、 LTE 内的切换（ UE RRC 上下文信息的转发）、低层协议层的配置、接入等级禁入和无线链路失败。其中， UE 上下文信息包括无线资源配置（包括没有通过空口配置的 本地设置）、 UE 能力和无线资源管理信息。 网络控制的跨 RAT 间移动性 包括 安全激活（除了常规的移动性过程之外 ）和 UE RRC 上下文信息的转发。 同频、异频和跨 RAT 移动性的测量配置和上报 ，包

6、括 测量间隔的配置和激活。 杂项功能 包括 诸如专用 NAS 信息的转发和 UE 无线接入能力信息的转发。 专用 RRC 消息通过 SRB 经由 PDCP 层和 RLC 层映射到逻辑信道（或者是连接建立时的公共控制信道 CCCH，或者是 RRC_CONNECTED 状态下的专用控制信道 DCCH） 转发。系统信息和寻呼消息分别被直接映射到逻辑信道 广播 控制信道 BCCH 和寻呼控制信道 PCCH。 SRB0 被用于使用 CCCH 信道的 RRC 消息， SRB1 被用于使用 DCCH 信道的 RRC消息，而 SRB2 被用于使用 DCCH 信道的 低优先级的只包括 NAS 专用信息的 RRC

7、消息。所有使用 DCCH 信道的 RRC 消息都被 PDCP 层进行完整性保护和加密（在安全功能激活之后），并且用 ARQ 协议实现在 RLC 层的可靠传输。使用 CCCH 信道的 RRC 消息没有完整性保护，也不在 RLC 层使用 ARQ 协议。 SRB2 建立前， SRB1也被用于只包含 NAS 专用信息的 RRC 消息。此外， SRB1 也被用于只包含专用 NAS信息的高优先级 RRC 消息。 需要注意的是， NAS 单独实施完整性保护和加密。 图 1 描述了整个无线协议架构，以及无线承载、逻辑信道、传输信道和物理信道的使用。 图 1 无线架构 对于某些 低传输时延比可靠传输更加重要的

8、参数 （即对某些参数使用 ARQ并不合适，因为会引入额外的时延），将使用 MAC 信令，前提是不存在安全问题（ MAC 信令不适用完整性保护和加密）。 3 系统信息 System Information 系统信息通过系统信息块（ System Information Blocks， SIB）的方式来组织，每一个 SIB 包含了一组与功能相关的参数。已经被定义的 SIB 类型包括： 主信息块（ Master Information Block， MIB），包括 数量有限的 /*对 UE 初始接入网络来说是基本的 */最频繁传输的参数。 1 类 系统信息块（ System Information

9、Block Type 1， SIB1），包括 判断某小区是否适合于小区接入时所需要的参数，以及关于其它 SIB 的时域调度的信息。 2 类 系统信息块（ System Information Block Type 2， SIB2），包括公共和共享信道信息。 3 类 系统信息块 8 类 系统信息块 （ SIB3SIB8）， 包括用来控制同频、异频和跨 RAT 的小区重选的参数。 三类 RRC 消息被用来传输系统信息： MIB 消息、 SIB1 消息和 SI（ System Information）消息。一个 SI 消息包含了一个或多个具有相同调度需求（如相同的传输间隔）的 SIB。表 1 提供了

10、可能的系统信息调度配置的一个实例，同时列出了 在空闲态和连接态 UE 必须获取什么 SIB。 表 1 系统信息调度配置实例 消息 内容 间隔 (ms) 适用性 MIB 最基本的参数 40 空闲态和连接态 SIB1 小区接入相关参数；调度信息 80 空闲态和连接态 1st SI SIB2：公共和共享信道配置 160 空闲态和连接态 2nd SI SIB3：公共的小区重选信息、除邻小区信息之外的同频小区重选信息 320 仅空闲态 SIB4：同频邻小区信息 3rd SI SIB5：异频小区重选信息 640 仅空闲态 4th SI SIB6： UTRA 小区重选信息 640 仅空闲态，取决于UE 是否

11、支持 UMTS或 GERAN SIB7： GERAB 小区重选信息 4 LTE 网内的连接控制 连接控制包括： 安全激活 连接建立、修改和释放 DRB 建立、修改和释放 LTE 网内移动性 4.1 安全密钥管理 3GPP 无线接入技术的一个重要特征就是安全性。 LTE 提供了与 UMTS 和 GSM类似的安全方法。 LTE 提供两种维持安全性的功能：加密功能既适用于控制平面（ RRC）数据（如 SRB1、 SRB2），又适用于用户平面数据（如所有 DRB）；完整性保护功能只适用于控制平面（ RRC）数据。加密的目的是保护数据流不被第三方接收到，而完整性保护让接收方能 检测出数据包的插入和替代。

12、 RRC 总是同时激活这两种功能：或是在连接建立之后，或是作为切换到 LTE 的一部分。 图 2 显示了用来生成 AS 安全密钥的钥匙 等级体系。整个过程是基于一个 共同的密钥 KASME (ASME 是 Access Security Management Entity 的缩写 )，后者只有在归属用户服务器 HSS 的鉴权中心 和 UE 的 USIM（通用用户身份识别模块）的安全部分才可以使用。 使用共同密钥 KASME 和一个随机数，一组钥匙和校验值在鉴权中心生成。生成的钥匙、校验值，以及随机数被转发 到 MME，而 MME 将其中一个校验值和随机数转发给 UE。 UE 的 USIM 用这

13、个随机数和共同密钥 KASME计算出同样的一组钥匙。双向鉴权是通过用 NAS 协议核对 UE 和网络计算出的校验值来实现的。 图 2 安全密钥生成 一旦连接建立， AS 从 KASME 导出与特定 eNodeB 有关的 AS 基础钥匙 KeNB。 KeNB用来进一步生成三个密钥（所谓的 AS 导出钥匙 ） ：一个用于 RRC 信令（ SRB）的完整性保护，一个用于 RRC 信令的加密 ，一个用于用户数据（ DRB）的加密。 4.2 连接建立与释放 有两个层次的 NAS 状态反映了连接建立时的 UE 状态 ： EMM（ EPS Mobility Management）状态 EMM-DEREGIS

14、TERED 或者 EMMREGISTERED反映了 UE是否已在 MME 注册； ECM（ EPS Connection Management）状态 ECM-IDLE 或者 ECM-CONNECTED反映了 UE 和 EPC 之间的连接性。 图 3 显示了 NAS 状态，以及它们和 AS RRC 状态之间的关系。 图 3 NAS 和 AS 状态的可能组合 ECM-IDLE 到 ECM-CONNECTED 状态的转换不仅仅包括 RRC 连接的建立，而且包 括 S1 连接的建立 。 RRC 连接建立由 NAS 发起，且先于 S1 连接建立完成，这意味着 RRC_CONNECTED 状态下的连接性一

15、开始就仅限于在 UE 和 E-UTRAN 之间交换控制信息。 UE 激活后通常进入 ECM-CONNECTED 状态。然而，需要指出的是， LTE 中ECM-IDLE 到 ECM-CONNECTED 的状态转换在 100ms 内完成。因此， 如果 当前的业务 能够容忍这样的转移时延，进行时断时续的数据传输的 UE 不需要一直保持在 ECM-CONNECTED 状态。 在任何情况下， LTE 的设计目标是处于 ECM-CONNECTED状态下的 UE 要象处于 ECM-IDLE 状态的 UE 一样支持相似的电池消耗水平。 eNodeB 和核心网络和核心网络（ CN）之间的 S1 连接释放之后，

16、eNodeB 发起释放 RRC 连接。 RRC 连接建立包括 SRB1 的建立和初始上行 NAS 消息的转发。初始上行 NAS消息触发 S1 连接的建立，后者通常会发起一个后续的步骤，在这个步骤中R-UTRAN 激活 AS 安全功能并且建立 SRB2 和一个或多个 DRB（对应于缺省承载和可选的专用承载）。 图 4 显示了 RRC 连接建立过程和相应的消息序列，包括后续的初始化安全功能激活和无线 承载建立的步骤。 图 4 连接建立 4.3 DRB 建立 E-UTRAN 用 RRC 连接重配置过程来建立、修改和释放 DRB。 当建立一个 DRB 时， E-UTRAN 决定怎样通过空中接口来转发 EPS 承载的数据包。一个 EPS 承载被映射到一个 DRB（一对一映射