一種協議棧RRC狀態機的分析與實現

汪小軍 祝頌東

摘 要：無線資源控制（RRC）層是協議棧空口部分控制面的重要組成部分。文章首先介紹了RRC層的作用，之后提出了一種RRC狀態機的實現原理，最后給出了狀態機的實現并通過測試驗證。

關鍵詞：協議棧；RRC；狀態機

隨著通信技術發展，移動通信已經與人們的日常生活密不可分。地面移動通信從GSM演進到4G/5G，移動通信系統基站協議棧的無線資源控制（Radio Resource Control，RRC）層作為空中接口部分控制面功能的實際載體，負責管理整個空口資源及無線鏈路的執行過程[1]。因此，開發好RRC狀態機對整個通信系統協議棧的穩定和高效運行有著重要的作用。

1 RRC層協議分析與狀態機實現

RRC是3層控制面協議，是移動通信系統中空中接口部分協議棧控制面功能的實際載體，負責空中接口無線鏈路過程的執行。主要負責無線資源的分配與管理、系統消息廣播、尋呼、RRC連接建立和釋放、RRC連接移動性管理（小區更新、GRA更新）、RB管理、NAS層消息傳遞、測量控制、加密等[2]。

RRC層主要分為空閑狀態和連接狀態，其中連接狀態又細分為RRC-Cell_Shared，RRC-Cell_Dedicated 和 RRC-GRA_PCH 3種狀態。RRC連接模式下，RRC層會執行相關的過程，進而實現相關的功能。

RRC消息的觸發和執行使用一個線程進行控制，由狀態機進行過程執行的決策控制。所以，狀態機的實現是開發協議棧RRC層的核心部分，通過接收RRC消息的到來以及根據RRC消息的接收情況來觸發相應的RRC處理過程，從而實現狀態機的跳轉，維持協議棧的運行。另外，在收到上層或下層實時性的請求時，狀態機控制模塊能夠作出正確處理。在整個子系統運行過程中，狀態機控制模塊還能夠管理和維護RRC過程，包括并行性處理，過程的事務性管理。對具有事務性處理的過程能夠保存和恢復過程的正確狀態。因此，如何設計狀態機使其更清晰地維護狀態機跳轉，同時高效地完成RRC的各個過程，將直接影響整個協議棧的運行效率和穩定性[3]。

狀態機的一般運行方式是：在某個狀態下，收到某個事件，執行相應的動作，轉到相應的狀態，再在新的狀態下，重復上述循環，直至結束。其中事件可以是收到的消息，某個定時器的到達等；相應的動作一般可以是執行相應的函數處理等。

現有技術主要針對一般復雜度的狀態機系統，涉及的有單一并行狀態機的處理，有單一串行狀態機的處理；有采用狀態機方法，有采用兩層狀態機結構，有表格驅動的，有基于狀態事件的數組結構的。而RRC層協議棧狀態機復雜，涉及的過程較多，現有的技術沒有完全考慮到RRC層協議棧的特點，實現起來，要么消耗過多的資源，要么線程多，運行繁雜，造成后續開發維護困難，影響整個系統的穩定性。

本文提出了一種適合RRC狀態機的設計和實現，簡化了狀態機的實現復雜度，保證了系統運行的高效性和穩定性。首先分解RRC協議棧中的過程，將過程執行分解為子狀態觸發，將子狀態和事件以及對應的處理函數都記錄到前面定義的數組結構中，同時按照上述的描述，記錄好過程之間的聯系，對并行執行的過程，如果有優先級的過程，要記錄所有低優先級過程子狀態收到高優先級事件及對應的處理函數。這樣，維護RRC的狀態機就變得簡單了，只需要一個數組結構就可以實現。后續若有新的過程加入，分析過程關系，分解過程子狀態，就很方便地加入狀態機中運行；而且運行時，通過調用回調函數，無需多次查找，耗費的資源也較少，使狀態機能高效穩定地運行，通過分析RRC的各個功能分類，明確過程之間的相互關系和優先級，對每一個可能引起RRC_Idle，RRC-Cell_Shared，RRC-Cell_Dedicated 和 RRC-GRA_PCH基本狀態改變的功能過程，添加過程執行的各個觸發子狀態。

具體實現步驟如下：

（1）用結構數組記錄所有過程中出現的狀態事件及對應的處理函數，并初始化，數組結構構成如下：

結構數組S{ 參數1 狀態；

參數2 事件；

參數3 回調函數（形參1， 形參2， 形參3）；

}rrc_sm[] = {{狀態0， 事件1，函數1}，{狀態1， 事件2，函數2}，

{狀態2， 事件1，函數3}， ………其他……}；。

上述數組結構中的route是回調函數，而且上述結構中完整記錄了所有可能出現的過程狀態事件及處理函數，如狀態0下收到事件1，執行函數1動作；所述結構數組中的參數3是一個回調函數，函數1，2，3有相同的形參，符合回調函數的要求。

（2）當接收到事件后（消息或定時器到達），確定事件類型，再判斷當前的狀態，看在當前的狀態下收到的事件是否在上述記錄表中有相應的處理函數，若有，調用回調函數執行相應的函數，將狀態改變到新的狀態；若沒有相應的處理函數，丟棄收到的消息，不處理，狀態保持不變。

（3）重復（2）過程直至結束。

如圖1所示，比方RRC層的信令過程包括RRC連接建立過程、初始直傳過程、上下行直傳過程、小區更新過程等；其中，RRC連接建立過程要先完成，該過程完成后基本狀態從空閑狀態轉到連接狀態，在所述的連接狀態下，初始直傳過程、上下行直傳過程、小區更新過程都可以發生，但是上下行直傳過程必須要等到初始直傳過程發生后才能完成，而小區更新過程和初始直傳過程沒有聯系，小區更新過程的優先級高，這樣，在完成RRC連接建立過程后，如果同時收到初始直傳過程、上下行直傳和小區更新過程的事件，則優先處理小區更新過程。在RRC連接建立過程（相當于a過程）、初始直傳過程（相當于b過程）、上下行直傳過程（相當于c過程）、小區更新過程（相當于d過程）中，設定狀態0、1、2是過程a的子狀態，狀態3、4、5是過程b的子狀態，狀態6、7是過程c的子狀態，狀態8、9、10是過程d的子狀態。假定過程a完成之后變到狀態2，這時可以用一個主狀態（4個基本狀態之一）去表示，在該狀態（對應子狀態2）下，過程b、過程c、過程d都可以發生，但是過程c必須等到過程b完成之后才完成，這兩個過程有先后順序，而過程d和過程b完全是并行的，之間沒有聯系，但是過程d的執行優先級最高，也就是說，狀態3、4、5、6、7、8、9、10都處在一個大的主狀態下，在這個大的主狀態下，只要收到最高優先級的事件觸發過程d發生，就立即轉到子狀態8，執行過程d，不管狀態是處在過程b還是過程c的任一子狀態。圖2中的在狀態3、4、5、6、7狀態下收到事件10都會轉到狀態8，表明事件10的優先級要高于事件6、7、8、9。

2 測試驗證

為了驗證狀態機實現的正確性，符合協議信令過程，搭建測試環境進行測試，通過wireshark抓包工具進行抓包，對抓取的數據包進行分析。圖2是一個終端打電話的過程流程，從抓包信令可知，通過該方法實現的RRC層協議信令過程，其中的狀態機實現了正確的狀態跳轉，保證了通信過程的正確執行。

3 結語

本文分析了RRC的協議過程，將RRC的信令過程分解為各個子狀態，設計了一種RRC狀態機的實現方式，同時實驗驗證了狀態機運行的正確性、穩定性，狀態機維護簡單、高效，為移動通信系統協議棧的開發設計起到了很好的支撐作用。

[參考文獻]

[1]陳宇恒，肖竹，王洪.LTE協議棧和信令分析[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[2]3GPP.Universal Mobile Telecommunications System （UMTS） Radio Resource Control （RRC） Protocol specification TS 25.331 v4.21.0. 2012-01[S].3GPP，2012.

[3]陳玲.WCDMA終端測試儀中高層協議棧狀態機的設計與實現[D].北京：北京郵電大學，2014.

Abstract：Radio resource control layer is an important part of the control plane of the protocol stack. This paper introduces the function of RRC layer at first， and then proposes the implementation principle of RRC state machine， finally gives the realization of state machine and verifies it through testing.

Key words：protocol stack； RRC； state machine