LTE系統中RRC連接建立過程的設計

楊玉彬，付睿智，王 強

（1.新疆軍區指揮自動化工作站 新疆 烏魯木齊 830042；2.68058部隊 甘肅 蘭州 730000）

LTE視頻傳輸系統需要對流媒體數據進行處理和傳輸，傳輸前終端必須與基站之間建立連接，而連接管理功能由RRC層提供。因此，RRC層在LTE視頻傳輸系統中起著非常重要的作用。RRC（無線資源控制）層屬于LTE系統空中接口的層3協議，在MAC（媒體接入）層、PDCP（包數據集中協議）層和RLC（無線鏈路控制）層之上，屬于接入層[1]。該層主要提供了RRC連接控制、系統信息廣播、尋呼、切換、安全功能、通用協議錯誤處理等無線資源的管理和控制功能。RRC層消息攜帶了建立、修改和釋放層2和層1協議實體所需的全部參數。同時，RRC層在它的負載中還要承載高層信令[2-4]。

RRC連接控制包括RRC的連接建立、連接重建、連接釋放，而RRC連接建立是連接控制中的第一個過程，也是最主要的過程。當UE（終端）需要與eNode（基站）進行通信時，UE初始化連接建立過程，隨后執行其它的相關操作，最終完成RRC連接建立過程。本文將LTE標準應用于雙向無線視頻傳輸系統，研究了系統中終端與基站的RRC連接建立過程，并將RRC的空閑狀態和連接狀態均細分為2個子狀態，有效降低了系統設計的復雜度。

1 RRC狀態設計以及狀態間的轉移

在標準LTE協議中，RRC只有2個狀態：空閑狀態和連接狀態。這兩個狀態可以互相遷移，即空閑狀態遷移到連接狀態，連接狀態遷移到空閑狀態。發生狀態的遷移時，系統處理的任務比較多，尤其是RRC從空閑狀態遷移到連接狀態，處理過程比較復雜，如發起隨機接入請求和連接請求，處理連接建立消息等。

為了降低系統設計的復雜度，本設計將RRC的狀態分為以下4個狀態：空狀態、空閑狀態、接入狀態和連接狀態[5]。RRC狀態遷移圖如圖1所示。當發生狀態遷移時，可以明確需要處理的任務，同時也減少了每個狀態在遷移過程中處理的任務。

圖1中RRC層4個狀態的功能和作用如表1所示。

圖1 RRC狀態遷移圖Fig.1 RRC state transition diagram

根據圖1可知，RRC的狀態遷移有6種情況，如表2所示。

表1 RRC狀態功能表Tab.1 Table of the RRC state function

表2 RRC狀態遷移表Tab.2 Table of the RRC state transition

2 RRC連接建立過程的研究

RRC連接建立過程的目的是要建立一個UE（終端）與eNodeB（基站）之間的RRC連接，以達到UE與eNodeB能夠相互通信的目的。RRC連接是UE與eNodeB進行數據通信的首要條件。每個UE最多只有一個RRC連接，當UE處于空閑模式時，如果需要數據通信，就會發出RRC連接建立的請求，進行連接建立的過程。

RRC連接建立成功的消息流程圖[6]如圖2所示。

圖2 RRC連接建立成功的消息流程圖Fig.2 Message flow diagram of connection successful

RRC連接建立成功的過程采用了3次握手方式，包含3個通信信令：“RRC 連接請求消息”（UE 至 eNodeB）、“RRC 連接設置消息”（eNodeB至UE）和“RRC連接設置完成消息”（UE至eNodeB）。RRC的連接是由UE端RRC層請求觸發的。

UE建立RRC連接前，首先進行隨機接入過程，由eNodeB給UE分配上行資源和信道，UE通過分配獲得的物理上行共享信道（PUSCH）中映射到隨機接入信道（RACH）的部分，將 “RRC連接請求消息”發送給eNodeB的RRC層。eNodeB的RRC層接收到該消息后進行處理，如果有空閑信道，則會給UE發送“RRC連接設置消息”，告知UE端可以進行接入。在UE收到該消息后，會給eNodeB發送“RRC連接設置完成消息”。至此完成了RRC連接建立過程，系統進入連接狀態。

RRC連接建立過程可能存在失敗的情況。當基站接收到“RRC連接建立請求消息”后，如果發生同步失敗、資源不足等情況，基站就會拒絕終端的連接建立請求，并創建“RRC連接請求拒絕消息”，該消息通過上行公共控制信道（CCCH）進行傳輸。當UE接收到“RRC連接請求拒絕消息”后，停止定時器計時，復位MAC并釋放MAC配置，重建所有已經建立的RLC實體，終止RRC連接建立過程，并通知上層連接建立失敗，過程結束。

3 RRC連接建立過程的設計

根據以上對RRC連接建立過程的研究，本節對RRC連接建立過程進行了詳細設計。

3.1 RRC連接建立過程系統設計

雙向無線視頻傳輸系統中的RRC連接建立過程的系統設計如圖3所示。圖中事件監聽主要監聽底層的事件，底層代表RRC層之下的RLC層、MAC層等。

圖3 RRC連接建立過程系統設計圖Fig.3 System- of RRC connection

如圖3所示，在雙向無線視頻傳輸系統的設計中，將RRC連接建立過程劃分為以下5個模塊：

1）定時器模塊

定時器模塊具有啟動定時器、停止定時器、查詢定時器狀態的功能。此模塊為整個RRC連接管理提供了定時器的功能。

2）RRC連接過程處理模塊

RRC連接過程處理模塊負責RRC連接建立的整個過程，處理與連接相關的事件以及RRC消息，對RRC消息內容做出判別并執行相應的處理。同時還包括發啟隨機接入、安全管理、設置系統配置等。

3）RRC狀態管理模塊

RRC狀態管理模塊為RRC連接過程提供了RRC狀態的查詢、修改的功能。同時在狀態發現改變時執行相應的處理。

4）RRC消息接收和解析模塊

RRC消息接收和解析模塊提供了從底層接收RRC消息的功能，通過調用與低層通信的接口接收對端發送的RRC消息。同時也提供了解析RRC消息的功能，從接收到的消息中解析出RRC消息并遞交給RRC連接過程處理模塊進行處理。

5）RRC消息創建和發送模塊

當RRC層需要發送RRC消息時，需要調用由RRC消息創建和發送模塊提供的創建消息功能，創建需要發送的RRC消息。同時此模塊還提供了發送RRC消息的功能，供RRC層在創建完RRC消息后調用相應的接口發送RRC消息。

圖4 RRC連接建立過程的處理流程圖Fig.4 Process flow diagram of the RRC connection

3.2 RRC連接建立過程軟件設計

RRC連接建立過程流程如圖4所示。當終端開機或者上層指示需要進行RRC連接建立時，由終端初始化此過程。UE端在發送RRC連接請求前，需要判斷當前狀態是否處于連接狀態，如果處于空閑狀態就得與基站建立RRC連接。于是RRC層向MAC層發送命令請求發起隨機接入過程，等待MAC層向RRC層匯報隨機接入的結果。

如果MAC層指示隨機接入失敗，則RRC層需要向上層匯報隨機接入失敗，不能完成RRC連接建立過程；如果MAC層指示隨機接入成功，則RRC層重置定時器，同時將封裝好的“RRC連接請求建立消息”傳送給MAC層，并要求MAC層發送給基站，從而向基站請求RRC連接建立請求，然后等待基站端的響應信息。如果在未收到MAC層的響應信息的情況下定時器超時，則RRC層需要向上層匯報無法建立RRC連接，連接建立過程結束。

基站對連接建立請求的響應信息有兩種可能，一種是“RRC連接建立設置信息”，此消息包含了一些對UE底層的配置信息。當UE收到此信息時，UE根據配置信息中的內容配置低層，配置完成后需要向基站發送連接建立完成消息，告訴基站此次RRC連接成功完成，同時設置RRC狀態為連接狀態，并向上層匯報RRC連接過程建立完成；另外一個消息是“RRC連接拒絕消息”，此消息反饋到UE，基站無法接收此次連接，RRC連接建立失敗，同時RRC層向上層反饋連接建立失敗，連接建立過程結束。

3.3 系統仿真

RRC連接建立程序的開發，編譯和仿真使用賽靈思公司的Xilinx SDK開發工具集，系統仿真在PC機上進行，仿真結果如圖5所示。

圖5 系統仿真結果Fig.5 Results of system simulation

UE端初始化完成以后向基站端發送 “RRC連接請求消息”，此消息能夠被基站成功接收，并向UE端發送了“RRC連接建立設置消息”。UE端也能成功的接收到此消息，處理完成后向基站端發送“RRC連接設置完成消息”，并且基站端能夠接收到“RRC連接設置完成消息”。圖5的仿真結果驗證了RRC連接建立過程的系統設計是正確的，同時表明了LTE視頻傳輸系統中RRC連接建立過程能夠成功的完成。

4 結 論

本文對雙向無線視頻傳輸系統中的RRC連接建立過程進行了研究和詳細設計，與LTE標準協議相比，本設計把RRC層的兩個狀態分成了4個子狀態，降低了系統設計的復雜度和各模塊之間的耦合度。通過在PC機上進行模擬調試，結果表明RRC連接建立過程能夠順利完成，從而實現UE與eNode之間的連接。RRC連接建立過程是RRC連接管理的一部分，通過對RRC連接建立過程的研究與設計，為基于LTE的雙向無線視頻傳輸系統的視頻傳輸奠定了基礎。

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