TD-SCDMA终端小区更新过程研究

  一、引言

    在GSM网络中，移动性管理的功能由MS和NSS来处理；在UMTS网络中，移动性管理的大部分功能由UE的非接入层和CN来执行，同时还有一部分功能是由UTRAN中的RRC子层来执行，因此对应的UE接入层的RRC子层也必须具备相关的移动性管理功能。小区更新过程和URA更新过程就是RRC子层处理移动性管理功能中的两个重要过程。

    URA就是UTRAN注册区域，可以包含若干个小区，是一个比小区范围更大的概念。URA更新只能在URA_PCH状态下执行，网络要求UE进入URA_PCH的目的是让暂时无数据可发的UE（特别是高速移动的UE）不至于频繁地发起小区重选，从而耗费网络资源。URA更新过程和小区更新过程的作用和基本流程相似，只是触发更新的范围不一样，本文重点研究的是TD-SCDMA终端RRC子层的小区更新过程，对URA更新过程不再单独介绍。

    二、TD-SCDMA系统无线接口协议栈的分层结构

    在通用移动通信系统（UMTS）中，Ｕu接口（UE与UTRAN的接口）的协议栈按其功能和任务被分为三层，由下至上分别为：物理层（L1）、数据链路层（L2）和网络层（L3）。数据链路层又被分为媒质接入控制子层（MAC）、无线链路控制子层（RLC）、分组数据汇聚协议子层（PDCP）和广播／多播控制子层（BMC）等四个子层。L3和RLC按其功能又可以分为控制平面（C平面）和用户平面（U平面）。L2的BMC和PDCP子层只存在于U平面。网络层在C平面上，由下至上又分为无线资源管理子层（RRC），移动性管理子层（MM）和连接性管理子层（CM）等三个子层。RRC子层负责处理UE和UTRAN之间在网络层控制平面的信令，MM子层和CM子层是与核心网相联系的。MM子层又分为MM和GMM两个功能实体，MM实体支持CS域（电路交换域），GMM实体支持PS域（分组交换域）。Uu接口上的协议栈还可以按其信令和过程是否与接入有关分为接入层和非接入层。RRC子层以及RRC子层以下被认为是接入层，RRC子层以上则认为是非接入层。

    三、TD-SCDMA终端的RRC子层

    RRC子层在无线协议栈分层结构中位于L3的最底层，属于接入层。RRC子层主要完成无线资源控制和管理功能，并且还要兼管一部分移动性管理的功能，本文所介绍的小区更新过程就属于RRC子层移动性管理功能中的一个重要过程。

    根据是否建立了RRC连接，UE可以分别处于空闲模式和连接模式。而本文所述的小区更新过程就是在RRC连接模式下进行的，对于RRC连接模式，存在四个不同的状态。

    (1)CELL_DCH状态

    在此状态下UE被分配了专用的物理信道，同时还可能分配了物理上行共享信道（PUSCH）或物理下行共享信道（PDSCH）。对于DCH信道，UTRAN可以应用多种物理信道分配方案：永久的、基于时间的或是基于数据的。UE和UTRAN都可以使用传输格式组合指示（TFCI）来分别指示当前的上行和下行数据速率。如果配置的传输格式集（TFS）不能满足当前的数据速率要求，则UTRAN将发起相应的传输信道重配置过程。

    (2)CELL_FACH状态

    在此状态下UE与UTRAN之间不存在专用的物理信道，UE在下行方向连续监视FACH传输信道，在上行方向可以使用公共或共享传输信道（RACH等），在任何时候UE可以在相关的信道上发起接入过程。UE可以处理BCCH、CCCH、DCCH上的RRC消息，如果UTRAN分配了共享信道（SHCCH），UE也可以处理在共享信道上传输的消息。此时，UE根据业务流量的大小进行动态地选择使用公共传输信道或是共享传输信道来发送用户平面的数据：首先执行一个到CELL_DCH状态的转移，之后使用专用信道来进行传输。

    (3)CELL_PCH/URA_PCH状态

    在这两个状态下UE没有被分配专用的物理信道，并且UE也不可以使用任何上行物理信道。在这两个状态下UE的行为与在空闲模式IDL状态下的行为相似。如果在此状态下UE要和UTRAN通信则必须发起小区更新过程。

    四、小区更新过程的原因

    小区更新过程在RRC连接模式下的任意一个状态都有可能被触发，触发小区更新过程的原因共有七个，它们分别介绍如下。

    1．重新进入服务区：当UE处于CELL_FACH或CELL_PCH状态时，在定时器T307或者T317超时前，UE已经超出了服务区并又重新进入服务区，UE将执行原因值为“re-enteringservicearea”的小区更新过程以通知UTRAN。

    2．RLC发生不可恢复的错：在确认模式RLC实体中，UE发现RLC无法恢复的错误，UE将执行原因值为“RLCunrecoverableerror”的小区更新过程以通知UTRAN。

    3．周期性小区更新：当UE找到一个合适的小区驻留并处于CELL_FACH或CELL_PCH状态，且信息单元（IE）“UETimersandconstants in connected mode”中的T305不能设置为“infinity”，等待定时器T305超时，UE将执行原因值为“periodical cell update”的小区更新过程以实现一种监管机制。

    4．小区重选：当UE处于CELL_PCH或者CELL_FACH状态并执行小区重选，或者当UE处于CELL_FACH状态且变量C_RNTI（CELL无线网络临时标识）为空，UE将执行原因值为“cellreselection”的小区更新过程去更新UTRAN中UE现在所驻留的当前小区的参数。

    5．无线链路失败：可以认为是无线链路失败的典型情况只有两种，一种是当UE在CELL_DCH状态发生无线链路失败；另一种就是当“UE Capabiltiy Information”消息传输失败时。若这两种情况发生任意一种，UE都将执行原因值为“Radio link failure”的小区更新过程。

    6．上行链路数据传输：当UE处于CELL_PCH或者URA_PCH状态时，如果UE要在上行链路上发送RLC数据PDU或控制PDU，并且用RB1或序号大于1的RB来承载，则UE将执行原因值为“uplinkdatatransmission”的小区更新过程。

    7．响应寻呼：UE处于URA_PCH或CELL_PCH状态时，接收一条“PAGINGTYPE1”消息，该消息包含IE“pagingRecordList”,并选择IE“utran-Identity”且保证该U-RNTI（UNTRAN无线网络临时标识）与分配给UE的U-RNTI一致，另外不包含IE“CN originated page to connected mode UE”, 若以上条件都满足，UE则会发起原因为“utran -pagingResponse”的小区更新过程。

    五、小区更新过程的详细流程

    虽然触发小区更新过程的原因有七个之多，但是不管触发该过程的原因是什么，执行小区更新过程的流程都是一样的。小区更新过程的基本流程如图1所示。

图1 小区更新过程的基本流程

图2 触发的小区更新过程详细流程

    一旦小区更新过程被触发，首先停止监管周期性小区更新过程的定时器（T305），另外不论此时UE处于RRC连接模式下的什么状态都将转移到CELL_FACH状态。在该状态下，RRC会发送一条“CMAC_FCH_CONFIG_REQ”原语到MAC层去，使MAC进入FCH状态并配置FCH状态下的相关参数。UE将在上行CCCH向UTRAN发送一个小区更新请求(CELLUPDATE)消息。该消息的内容包括小区更新的原因、U-RNTI值、可选的测量信息以及是否存在出错原因等信息单元。小区更新的原因对应于以上七个原因中的一个，U-RNTI值就为网络为该UE分配的U-RNTI值。如果在组装该消息的时候发现专门用于记录消息出错的变量PROTOCOL_ERROR_INDICATOR或FAILURE_INDICATOR的值为TRUE，则在该消息IE“failurecause”中记录下相应的值。

    CELLUPDATE消息被封装在原语“CMAC_RANDOM_ACC_REQ”中由RRC发送到MAC层，接着由MAC子层来执行上行同步和随机接入过程。RRC发送完“CMAC_RANDOM_ACC_REQ”后就在下行信道上监听属于自己的物理信息（由MAC子层提供，MAC把来自网络的物理信息以原语CMAC_PHY_INFO_IND形式发送到RRC），若在规定时间内收到正确的物理信息，表明上行同步建立完成，RRC将等待接收来自网络的消息。

    RRC在接收到原语“CMAC_PHY_INFO_IND”之后就会开启一个定时器（T302），若该定时器超时但UE仍未收到来自网络的“CELLUPDATECONFIRM”消息，则转作异常处理：如果此时重发次数没有超过门限值（N302），UE将重新初始化小区更新过程；如果此时重发次数大于门限值则释放RRC连接，进入空闲。若在规定的时间内UE接收到来自网络的“CELLUPDATE CONFIRM”消息，RRC会停止T302计时。

    UTRAN在收到CELLUPDATE请求后组装小区更新证实（CELLUPDATECONFIRM）消息，CELL UPDATE CONFIRM可以通过下行DCCH发送给UE，也可以通过下行CCCH发送给UE，区别仅在于出现SRNS重定位或者需要加密的情况下用DCCH，否则用CCCH。

    CELLUPDATECONFIRM消息中的“状态指示”字段可以指示UE的进入状态。如果UTRAN指示UE进入CELL_DCH状态，则该消息中必须包含一个专用物理传输信道。若UTRAN指示UE进入CELL_FACH状态，而如果此时消息中没有分配新的C-RNTI，并且旧的C-RNTI已不存在，且如果重发次数没有超过门限值（N302），UE将重发CELLUPDATE请求；如果重发次数超过了门限值，网络将会释放RRC连接。UTRAN还可以通过该消息指示UE进入URA_PCH或者CELL_PCH状态，但进入这两个状态必须包含IE“UTRAN DRX cycle length coefficient”，否则将把该消息当作无效处理。该消息还可以包含释放无线承载的IE，重配置无线承载的IE以及改变某些已经存在的无线承载的某些属性的IE。此外该消息还可以给UE分配一个新的U-RNTI和可用的传输信道、该传输信道的传输格式、每个CcTrCH中可用的传输信道格式组合集以及传输信道所对应的物理信道的相关信息（包括时隙、编码方式等信息）。

    UE端接收到CELLUPDATECONFIRM消息后，根据消息的内容配置MAC子层，如果网络要求UE进入CELL_DCH状态，则还需要物理层进行收/发同步。若该同步过程失败，UE会转作失同步处理：UE会去做测量，根据测量值重选小区，选择到合适的小区之后就会发原因为“Radio link failure”的小区更新过程；如果没有找到合适的小区（UE此时丢失覆盖），UE就会发起小区选择过程。如果此同步过程成功，UE就根据CELL UPDATE CONFIRM 消息中包含的信息单元，决定是否发送响应消息或者发送什么样的响应消息给UTRAN。UE将用AM RLC模式发送响应消息给UTRAN。响应消息被封装在原语RLC_AM_DATA_REQ中由RRC发送给RLC，RRC在收到RLC的确认之后（RLC_AM_DATA_CNF），就认为该消息已经发送出去了，小区更新过程结束。

    如果UTRAN不接受UE的小区更新请求，则在下行CCCH上发送一个RRC连接释放(RRCCONNECTIONRELEASE)消息，UE收到该消息后返回空闲状态。

    下面是以UE在CELL_PCH状态下发起主叫，触发原因为“上行数据传输”的小区更新过程的流程（如图2）为例，清楚地展现了整个过程原语（消息）的收发情况以及状态的转移情况。

    六、结束语

    本文主要介绍了TD-SCDMA终端RRC子层移动性管理功能中的小区更新过程。与第二代GSM相比，TD-SCDMA的优点是很明显的，在继承第二代移动通信系统优点的同时，采用了一些更好的技术方案，充分地利用资源，提供多样化、更高速的通信服务，因此，TD-SCDMA能为人们提供更好的服务。