深入了解RRC功能与信令流程

RRC协议层提供如下功能：

1）系统信息广播；

2）寻呼；

3）UE和e-UTRAN之间RRC连接的建立、维护和释放；

4）安全功能（包括密钥管理）；

5）点到点无线承载的建立、配置、维护和释放；

6）切换；

7）UE蜂窝选择和重选以及对UE蜂窝选择和重选的控制；

8）eNodeB之间的上下文转移；

9）网络与UE之间NAS直接消息传输；

10）UE能力转移；

11）通用协议错误处理；

12）对自配置和自优化的支持。

6.6.2.1 系统信息广播

系统信息既包括与非接入层（NAS）有关的信息，也包括与接入层（Access Stratum，AS）有关的信息。基于信息的特性和使用情况，系统信息元进行分组，形成主信息块（MIB）和不同的系统信息块（SIB）。

由于MIB是最重要的信息块，因而MIB每40ms通过BCH进行传输，且在40ms内进行重复传输。第一次传输的MIB在第0个子帧中的SFNmod4=0处进行调度。UE将得到MIB，并对SCH进行解码。MIB包含一个下行链路系统带宽、物理HARQ指示信道（PHICH）配置和一个系统帧号（System Frame Num-ber，SFN）。

采用固定模式对SIB1进行调度，周期为80ms，且在80ms内进行重复调度。第一次传送的SIB1在第5个子帧中SFNmod8=0处进行调度。SIB1包含了与蜂窝接入有关的信息（如PLMN标识列表、跟踪区代码、蜂窝标识等）、用于蜂窝选择的信息（如蜂窝要求的最低接收电平和偏移）、P-Max、频带指示、调度信息、TDD配置、SI-Window长度和系统信息值标签。

除SIB1之外，其他的SIB都包含在SI（Scheduling Information，调度信息）消息中，每条SI消息在时域窗口（即SI-Window）中被周期性传输，且针对不同消息的SI-Window不重叠。SI-Window的长度在SIB1中进行定义，且对于所有SI消息，该长度都是适用的。

图6-14给出了UE如何发现每个SI消息并读取其中的SIB。

SIB2没有出现在SIB1中的调度信息中，但第一个SI消息将SIB2作为第一条。SIB2包括无线资源配置信息，它对于所有UE来说都是通用的。更特别的是，SIB2包含访问禁止信息、通用信道的无线资源配置（RACH配置、BCCH配置、PCCH配置、PRACH配置、PDSCH配置、PUSCH配置和PUCCH配置、探测参考信号配置、上行链路功率控制信息）、定时器以及UE、MBSFN（Multi-cast Broadcast Single Frequency Network，多播广播单频网络）子帧配置、时间校准定时器和频率信息（上行链路EARFCN、上行链路带宽和其他频谱发射信息）。

图6-14 SI消息的获取过程

SIB3包括同频、异频和/或RAT间蜂窝重选通用的蜂窝重选信息。SIB还包含了根据UE速率提供不同重选参数集的速率相关尺度参数。

SIB4包含与邻近蜂窝相关的信息，它仅适用于同频蜂窝重选。这样，除了具有Q_offset的同频邻近蜂窝列表外，SIB4还包含列入黑名单的蜂窝同频蜂窝列表。

SIB5仅包含了与异频蜂窝重选有关的信息，如与E-UTRAN异频邻近蜂窝相关的信息以及被列入黑名单的E-UTRAN异频蜂窝列表。

SIB6仅包含与UTRAN蜂窝重选有关的信息。这样，在SIB6中，通常包含UTRAFDD和TDD频率信息。

SIB7仅包含与GERAN蜂窝重选有关的信息，如GERAN邻近频率列表。

SIB8仅包含与cdma2000^®系统蜂窝重选有关的信息。这样，在SIB8中，通常会包含cdma2000^®系统时间信息、HRPD相关参数和1xRTT（Single Carrier Ra-dio Transmission Technology，单载波无线传输技术）相关参数。

SIB9包含一个本地eNodeB标识，最长可为48B，这样UE能够显示本地eNodeB标识，便于手工进行本地eNodeB选择。

SIB10包含地震及海啸预警系统（Earthquake and Tsunami Warning System，ETWS）主要通知信息，而SIB11包含了ETWS次要通知信息。

如果系统信息被修改，则SI信息在修改期间不断进行重复。修改周期开始于SFNmod modification period=0点处。在第一个修改周期内，系统信息修改指示被寻呼消息发送到UE处，在下一个修改周期内，网络传送更新后的系统信息。

修改周期计算公式如下：

modificationperiod（以无线帧数计）=modificationPeriodCoeff×defaultPag-ingCycleDIV10ms

式中，modificationPeriodCoeff取值为1、2、4、8（通过BCCH进行传输，在SIB2中进行配置）；defaultPagingCycle取值为320ms、640ms、1280ms和2560ms（通过PCCH进行传输，在SIB2中进行配置）。

SIB1中的值标签用于表示SI消息的变化。在SI消息获取后最多3小时内，它被认为是有效的。

6.6.2.2 寻呼

寻呼消息的目标是对处于RRC_IDLE模式的UE进行寻呼，以实现移动终止呼叫。同时，寻呼消息也可用于通知处在RRC_IDLE和RRC_CONNECTED模式的UE，系统信息将发生变化，或者ETWS通知消息将在SIB10或SIB11中传送。

由于UE可以利用处于空闲状态的DRX来降低功耗，因而UE应当能够计算出何时唤醒DRX，以及何时对正确的子帧进行检查。正如TS36.304第7节所讲的，为了实现这一点，当UE从SIB2接收到必要信息，并将其用于计算时，UE需要存储默认寻呼周期和寻呼组数。

S-TMSI（SAE Temporary Mobile Subscriber Identification，SAE临时移动用户标识）或者IMSI可以对UE进行寻呼，其中S-TMSI是由MME分配的临时UE ID。在Release8中，未考虑IMEI寻呼。

对于CS语音回落，如果UE已经在CS核心网注册，且从CS核心网收到一个临时ID，则CS寻呼信息可以传送给具有相应核心网标识（即CS或PS）的UE。在这种情况下，UE会根据包含在寻呼消息中的PSUE标识，来得出正确的CSUE标识，且当UE移动到另一个RAT时，它将CSUE标识包含在寻呼响应中。关于CS语音回落过程的详细信息，请参见6.6.2.8节。

6.6.2.3 UE蜂窝选择和重选以及对蜂窝选择和重选的控制

基于空闲模式下的测量结果以及SIB中提供的蜂窝选择参数，UE选择合适的蜂窝，并预占该蜂窝。在LTE系统中，新引入了优先参数。eNodeB可以在SIB或RRC连接释放消息中，为每个LTE频率和每个RAT提供一个优先参数。如果UE以最高优先频率预占某个蜂窝，只要服务蜂窝的信号强度高于某个特定值，则UE就不需要对工作在其他频率或RAT的蜂窝进行测量。另一方面，如果UE以低优先频率预占某个蜂窝，则它需要对工作在其他频率或RAT的蜂窝进行正常测量。

RAT之间蜂窝选择时，Release8UTRAN和GERAN（或GSM）系统也采用了优先级的理念。

LTE空闲模式下的移动性将在第7章中进行详细介绍。

6.6.2.4 UE和E-UTRAN之间RRC连接的建立、维护和释放

RRC连接建立过程如图6-15所示，该过程是由来自于UENAS层的请求触发的，触发原因有多种，如移动发起呼叫、NAS信令传输或寻呼响应传输。因此，RRC连接是在UE和eNodeB之间建立的，且此时SRB1已建立。如果网络过负载，则eNodeB可以合理地设置SIB2中的访问等禁止参数级和/或使用等待计时器来拒绝RRC连接建立请求。

图6-15 RRC连接建立过程

如果UE具有一个合法的S-TMSI，则UE将其包含在RRC连接请求消息中。另外，UE还包含有40bit的随机值。由于受消息长度的限制，在RRC连接请求消息中，只定义了5种连接原因，即紧急情况、高优先级访问、移动终止访问、移动发起信令和移动发起数据。NAS服务请求消息是在RRC连接建立完成消息中进行传送的。

SIB1最多可以广播6个PLMN标识（它有利于实现网络共享），UE从中选择一个标识，并在RRC连接建立完成消息中进行报告。如果UE已经在某个MME处注册，则UE也可以将注册过的MME标识包含在RRC连接建立完成消息中。然后，当S1-flex已配置，且启动了S1连接建立过程后，则eNodeB就可以发现/选择正确的MME（它存储了UE空闲模式上下文）。

当成功完成RRC连接建立过程后，UE转入RRC_CONNECTED状态。

6.6.2.5 包含密钥管理的安全功能

接入层（AS）的安全密钥（包含了用户数据和RRC控制信令）与分组核心演进（EPC）网络端使用的密钥不同。从eNodeB的角度考虑，需要用到如下密钥（忽略NAS信令所用的密钥）：

1）K_eNB是由UE和MME根据“主密钥”（K_ASME）导出的，并由MME提供给eNodeB。K_eNB用于导出AS数据流所需的密钥，在切换期间，也可以用来导出K_e∗_NB。

2）如果下一跳（Next Hop，NH）可用的话，则K^∗_eNB可由UE和源eNodeB根据K_eNB或合法的下一跳（NH）导出。在切换期间，UE和目标eNodeB能够根据K^∗_eNB为AS导出一个新的K_eNB。

3）K_UPenc用来使用密钥对用户平面数据流进行加密，它可以根据K_eNB导出。

4）K_RRCint是根据K_eNB导出的，它主要用于RRC消息完整性处理。

5）K_RRCenc是根据K_eNB导出的，它主要用于RRC消息加密。(www.xing528.com)

6）下一跳（NH）是一种中间密钥，用于导出K^∗_eNB，来为LTE内切换提供安全保障。存在着一种称为下一跳链接计数器（Next Hop Chaining Counter，NCC）的相关计数器，它能够确定下一个K^∗_eNB是需要基于当前的K_eNB，还是需要一个新的NH。如果不存在可用的新NH，则K^∗_eNB可由UE和源eNodeB根据目标PCI和K_eNB（水平密钥生成）生成；或者如果存在新的可用NH，则密钥可基于目标PCI和提供的新NH生成（垂直密钥生成）。

当安全过程完成后，EPC将和UE共享同一主密钥。该主密钥（K_ASME）仅用于EPC内部，但由它生成的密钥会被发送给eNodeB。对于eNodeB和UE之间的数据流来说，该密钥是必要的。只要UE与eNodeB建立连接，eNodeB就会拥有一个给定密钥。但当UE转向空闲模式（或移动到另一个eNodeB）时，eNo-deB将会删除该密钥。当进行切换时，完整性和加密算法将发生变化。每当切换发生和连接重新建立时，AS密钥都会发生变化。在LTE系统中，只有当安全被激活时，才可以执行切换过程。

RRC完整性和加密一般会同时被激活，且从不会失效，但可能会用到NULL加密算法。除密钥外，安全算法也会将一个序列号作为输入，该序列号是由一个PDCP序列号和一个超帧号（Hyper Frame Number，HFN）构成的。

6.6.2.6 点到点无线承载的建立、维护和释放

RRC连接的重新配置过程如图6-16所示，用于维护和修改无线承载和释放数据无线承载，即SRB无法通过RRC连接重新配置过程来释放。

无线资源配置信息元组中定义的参数主要与无线承载的配置有关，其中无线资源配置信息元组又位于RRC连接重新配置信息中。当RRC连接重新配置信息用于建立一个新的数据无线承载（Data Radio Bearer，DRB）时，相应的NAS消息也包含在该消息中。

图6-16 RRC连接重新配置过程

6.6.2.7 UE测量报告及对报告的控制

RRC连接重新配置消息中的测量配置参数用于对UE中的测量进行配置（既可以针对LTE内部的测量，又可以针对正处于其他RAT的测量），且测量报告消息可用于报告。

测量配置是由如下参数构成的。

（1）测量对象 UE应当在测量对象上进行测量。E-UTRAN只为每个给定频率配置了一个测量对象。

1）对于同频测量（即测量在服务蜂窝的同一下行链路载波频率上进行）和异频测量（即测量是在不同于服务蜂窝下行链路载波频率的频率上进行）来说，测量对象是单一的E-UTRA载波频率。针对该载波频率，E-UTRAN能够配置一列与蜂窝有关的偏移和列入黑名单的蜂窝清单。

2）对于RATUTRA之间的测量，测量对象是一组工作在单一UTRA载波频率的蜂窝。

3）对于RATGERAN之间的测量，测量对象是一组GERAN载波频率。

4）对于RATcdma2000^®之间的测量，测量对象是一组工作在单一cd-ma2000^®载波频率的蜂窝。

（2）报告配置 报告配置包括报告标准和报告格式。对于UE来说，报告标准用于触发测量报告，它可以是事件触发的，也可以是周期性触发的。周期性报告尤其适用于对自动邻近蜂窝搜索进行测量。报告格式包含测量报告应当包含的数量（即需要报告的蜂窝数量）。

1）测量标准：对于事件触发的报告来说，E-UTRA测量的标准是A1、A2、A3、A4和A5。对于RAT之间的测量来说，通常使用B1和B2测量标准。

2）事件A1：服务蜂窝好于绝对门限值。

3）事件A2：服务蜂窝坏于绝对门限值。

4）事件A3：邻近蜂窝偏移好于服务蜂窝。

5）事件A4：邻近蜂窝好于绝对门限值。

6）事件A5：服务蜂窝坏于绝对门限值1，而邻近蜂窝好于另一个绝对门限值2。

7）事件B1：邻近蜂窝好于绝对门限值。

8）事件B2：服务蜂窝坏于绝对门限值1，而邻近蜂窝好于另一个绝对门限值2。

（3）测量标识 测量标识将某个测量对象与某个测量配置绑定在一起。测量标识可作为测量报告中的一个参考数。

（4）定量配置 可以为每种RAT（即E-UTRA、UTRAN、GERAN和cdma2000^®）提供一种定量配置，该配置包含与每种测量类型对应的滤波器系数。

（5）测量间隔 它是指UE进行测量的周期。测量间隔适用于进行异频或RAT之间的测量。

6.6.2.8 切换

通常情况下，eNodeB根据从UE处接收到的测量结果，来触发切换过程。切换既可以在E-UTRAN内部进行，又可以从其他RAT切换到E-UTRAN，也可以从E-UTRAN切换到其他RAT。它可分为同频LTE之间切换、异频LTE之间切换、RAT间切换到LTE、RAT间切换到UTRAN、RAT间切换到GERAN、RAT间切换到cdma2000^®系统。

1）LTE内部切换 对于LTE内部切换来说，源eNodeB和目标eNodeB都在LTE系统中，含有移动性控制（包括切换所需的参数）的RRC连接重新配置消息可以用作一条切换命令。当源eNodeB和目标eNodeB之间存在着X2接口时，源eNodeB通过X2接口向目标eNodeB发送切换请求消息，以完成目标蜂窝的准备。目标eNodeB负责构建RRC连接重新配置消息，并将其包含在切换请求确认消息中，通过X2接口发送给源eNodeB，如图6-17所示。

2）RAT之间的切换 根据UE测量报告，源eNodeB能够确定目标RAT。在Release8中，目标RAT可以是UTRAN、GERAN或cdma2000^®系统。为了完成从一个RAT到另一个RAT的切换，实际切换命令消息是由目标RAT生成的，并透明地发送给源eNodeB。源eNodeB将该实际切换命令作为一个比特串包含在E-UTRA移动性命令（Mobility FromE-UTRA Command）消息中，并将其发送给UE。

由于LTE系统仅支持分组业务，如果多模式UE打算启动CS业务，则必须进行CS语音回落。切换过程主要用于向UTRAN系统的CS语音回落。切换过程或蜂窝改变次序过程主要用于向GERAN系统的CS语音回落。RRC连接释放过程用于向cdma2000^®系统的CS语音回落。为了采用RAT之间切换来对蜂窝改变次序进行排列，蜂窝改变次序过程使用E-UTRA移动性命令（Mobility From E-UTRA Command）消息。同样，如果目标RAT不支持VoIP业务，但如果网络节点支持VoIP业务，则可以进行SR-VCC（单一无线语音呼叫连续性）切换。

图6-17 eNodeB之间切换的过程

3）来自其他RAT的RAT间切换 切换过程是根据源RAT系统中定义的标准来触发的。当目标eNodeB接收到来自MME的S1：切换请求消息时，它分配必要的资源，生成RRC连接重新配置消息（=切换命令），并将其包含在S1：切换请求确认消息中发送给MME。这样，RRC连接重新配置消息将会通过源RAT传送给UE。

4）CS语音回落 由于初始LTE部署可能不支持语音业务，3GPP同意提供一种方法，来为GERAN或UTRAN提供CS语音业务。对于CS语音回落来说，可以使用PS切换、蜂窝改变次序和RRC释放等方法，且由eNodeB来决定实际使用的方法。在Release 8中，3GPP决定向UTRAN系统CS语音回落时，只能采用PS切换方法；向GERAN系统CS语音回落时，应当考虑采用PS切换方法和网络辅助蜂窝交换（Network Assisted Cell Change，NACC）方法（即提供一些与目标蜂窝相关的系统信息来加速蜂窝选择过程）。这两种方法分别如图6-18和图6-19所示。

图6-18 具有蜂窝改变次序功能的CS语音回落

图6-19 CS语音回落切换

对于输入CS呼叫来说，UE不仅要在MME处注册外，而且还要在CS核心网注册。如果UE接收到CS寻呼或想进行一次由移动用户发起的CS呼叫，UE指示NAS：Ext-Service请求（NAS：Ext-Service Request）消息是为CS语音回落到MME服务的。然后，MME指示S1：初始上下文建立请求（S1：Initial Context Setup Request）消息是针对CS语音回落（CS Fallback，CS FB）的。根据目标系统和目标蜂窝的能力，eNodeB执行PS切换或蜂窝改变次序过程，且一旦UE移入到目标，它就开始启动CS呼叫建立过程。

6.6.2.9 eNodeB之间的上下文转移

在切换准备期间，源eNodeB应当将UE的上下文转移给目标eNodeB，这样目标eNodeB能够顾及到源蜂窝的配置，且切换命令中可以仅包含与源配置不同的部分。这些不同部分包括AS配置、RRM配置和AS上下文。AS配置包括通过RRC消息交换来实现的UEAS配置，如测量配置、无线资源配置、安全配置、源蜂窝的系统信息和UEID。RRM配置包括与UE有关的RRM信息。AS上下文包括重建所需的UE无线接入能力和信息。

6.6.2.10 网络与UE之间的NAS直接消息转移

NAS消息主要是通过专用RRC消息进行转移的，即下行链路（Downlink，DL）信息转移和上行链路（UL）信息转移。但是，在承载建立期间，需要通过RRC连接完成消息和RRC连接重新配置消息来转移必要的NAS消息。

6.6.2.11 UE能力转移

UE可以通过NAS消息直接将NASUE能力（如UE安全能力）直接转移给MME，在初始UE上下文建立期间，NAS消息是转发给eNodeB的。由于UE能力除了LTE能力之外，还可能包括UTRAN和GERAN能力，因而信息量可能相当大。为了降低空中接口在由RRC_IDLE模式到RRC_CONNECTED模式过渡期间的开销，MME还要存储UEAS能力，并在初始UE上下文建立期间，将其提供给eNodeB。在RRC_IDLE或MME不具备合法的UEAS能力期间，如果UE AS能力发生了变化，MME将无法在初始UE上下文建立期间提供UEAS能力，eNodeB将直接从UE处获取UEAS能力，如图6-20所示。

图6-20 UE能力转移过程

6.6.2.12 一般错误处理

在UTRANRRC中，关于DCCH消息中各种错误的处理情况已经规定得比较全面了。但是，对于LTE来说，目前还不希望由于规定网络错误（如ASN.1错误）情况处置，而导致复杂性提高。这样，在标准中只规定了针对特别重要过程的错误处理，而没有规定其他过程的错误处理。举例来说，当RRC连接重新配置消息包含一个ASN.1错误或完整性保护失效，则UE将开始启动RRC连接重建过程，如图6-21所示。但对于其他故障响应消息未定义的错误情况，UE可能会忽略该消息。同样，RRC连接重建过程用于从无线链路故障中恢复过来。

图6-21 RRC连接重建过程

6.6.2.13 对自配置和自优化的支持

为了降低CAPEX（Capital Expenditure，资本性支出）和OPEX（Operating Expenditure，运营性支出），人们自然对LTE系统的自配置和自优化方案产生了兴趣。对于一些关键问题，Release8提出了一些解决方案，以支持系统建立和微调阶段的运行和维护（O&M）系统功能。正如第3章所讲的，在X2和S1应用协议中，规定了X2和S1自动建立过程，且在RRC规范中，定义了支持自动邻近蜂窝关系建立的一些措施，这些内容我们将在第7章中进行讲解。