目 录
3G空中接口信令研究 ............................................................................................................................................................... 1 1. 引言 ........................................................................................................................................................................................ 3 2. 系统结构 ................................................................................................................................................................................ 4 3. 空中接口协议结构 ................................................................................................................................................................ 4
3.1 L1层 ............................................................................................................................................................................. 5 3.2 L2层 ............................................................................................................................................................................. 6 3.3 L3层 ............................................................................................................................................................................. 7 4. 空中接口的目标、特征和功能 ............................................................................................................................................ 7
4.1 目标 ............................................................................................................................................................................. 7 4.2 特征 ............................................................................................................................................................................. 8 4.3 功能 ............................................................................................................................................................................. 8 5. 空中接口L3层的信令 ......................................................................................................................................................... 9
5.1 寻呼请求...................................................................................................................................................................... 9 5.2 服务请求和冲突解决 .................................................................................................................................................. 9 5.3 身份认证.................................................................................................................................................................... 11 5.4 位置更新.................................................................................................................................................................... 11 5.5 移动始发呼叫的建立 ................................................................................................................................................ 15 5.6 呼叫清除.................................................................................................................................................................... 28
3G空中接口信令研究
摘要：随着国内3G网络的建设完毕，4G网络也已经得到了国家相关部门的批准。广大通信相关行业从业者面临新的挑战。与2G不同，3G、4G网络采用CDMA技术，对大家来说是全新的概念。本文中，作者根据自己对3GPP组织对于空中接口（Uu接口）相关文献的理解，做简要的介绍。
关键字：3GPP、Uu、系统结构、L1层、L2层、L3层、
1. 引言
空中接口是一个形象化的术语，是相对于有线通信中的“线路接口”概念而言的。有线通信中“线路接口”定义了物理尺寸和一系列的电信号或者光信号规范；无线通信技术当中，“空中接口”定义了终端设备与网络设备之间的电波链接的技术规范，使无线通信像有线通信一样可靠。在移动通信当中，电话终端用户与基地台通过空中接口（Air Interface）互相连结。“空中接口”是基站和移动电话之间的无线传输规范，它定义每个无线信道的使用频率、带宽、接入时机、编码方法以及越区切换。在GSM/UMTS中，各种形式的 UTRA 标准便是空中接口，也就是一种接入模式 \"Access Modes\"。在OSI模型之下，空中接口属于第一层与第二层的实作。
在不同制式的蜂窝移动通信网络中，空中接口的术语是不同的：1.在GSM/GPRS/EDGE网络，CDMA2000网络中，被称为Um接口；2.在TD-SCDMA和WCDMA网络中，被称为Uu接口。
本文主要讨论3GPP所定义的WCDMA网络的Uu接口。
2. 系统结构
根据3GPP组织对于整个网络的定义，我们可以认为系统由3部分组成，即核心网子系统(CN)、无线网络子系统(RNS)和用户设备(UE)，如图1所示。核心网处理系统内语音呼叫和数据连接与外部网络的交换和路由。无线网络子系统处理所有与无线有关的功能。无线网络子系统又包括无线网络控制器(RNC)和Node B两个功能实体。无线网络控制器通过Iu接口与核心网相连。Node B是WCDMA系统的基站，通过Iub接口与无线网络控制器相连。用户终端设备（UE)通过Uu接口(无线接口)与网络设备进行交互，为用户提供电路域和分组域的各种业务功能，包括普通话音、无线分组数据等。
图1 系统结构图
3. 空中接口协议结构
在3GPP组织所定义的网络中，空中接口模型如图2所示。空中接口分成三个协议层：L1、L2和L3，分别对应于OSI参考模型的物理层、数据链路层和网络层。L2进一步分为
2个子层：媒体接入控制协议(MAC)、无线链路控制协议(RLC)。L3和L2的RLC子层分为控制平面和用户平面。在控制平面L3分为不同的子层。最低层为无线资源控制(RRC)，它位于接入层，与L2接口，终止于UTRAN。而更高层信令，如移动性管理(MM)和连接管理(CM)属于非接入层。
无线接入承载（RAB）是在UE和核心网之间为UMTS提供支持QoS承载业务的连接分段，类似于GSM里根据话音或数据业务建立的手机到核心网的电路连接。每个RAB映射到一个或几个RB（Radio Bearer），而每个RB映射到不同的RLC。在UE和RNC之间，通过一个或几个逻辑信道在RLC对等实体之间通信。
CTRLUSERDATAUSERDATASignalingRadio BearerRadio BearerCTRLL3RRCRRCL3L2RLCRLCLogical channels-grouped by information content -Use Data -Control and signalingRLCRLCL2L2MACPHYUETransport channels-grouped by method of transportMACPHYUTRANL2L1Physical channelsPhysical Channels Distinguished byL1
图2 空中接口模型
3.1 L1层
L1层位于空中接口的最底层，其主要完成宏分集分配/合并及软切换执行、传输信道的检错及到高层的指示、传输信道的FEC编码/解码和交织/解交织、传输信道的复用和编码组合传输信道(CCTrCH)的解复用、速率匹配、编码组合传输信道到物理信道的映射、物理信道的功率加权和组合、物理信道的调制/解调和扩频/解扩、频率和时间的同步、闭环
功率控制、射频处理等。
3.2 L2层
3.2.1 MAC子层
MAC层利用物理层提供的数据传递业务向高层提供数据传递、无线资源和MAC参数的重新分配、测量报告等业务。MAC层通过与RLC层间的SAP向RLC层提供逻辑信道。逻辑信道分为两类：控制信道和业务信道。
控制信道用来传送控制平面信息，广播控制信道(BCCH)、寻呼控制信道(PCCH)、专用控制信道(DCCH)、公共控制信道(CCCH)、共享信道控制信道(SHCCH)等逻辑信道属于控制信道。
业务信道用来传送用户平面信息，专用业务信道(DTCH)、公共业务信道(CTCH)属于业务信道。
MAC主要完成以下功能：将逻辑信道映射到合适的传输信道、根据信息源的瞬时速率为每个传输信道选择合适的传输格式、根据同一UE不同数据流的优先级选择不同的传输格式组合、不同UE间通过动态调度进行优先级处理、公共传输信道上UE的识别、业务量监视、传输信道类型切换、加密等。
3.2.2 RLC子层
RLC层向高层提供RRC连接的建立/释放、透明模式(TM)数据传递、非确认模式(UM)数据传递、确认模式(AM)数据传递、QoS设定等业务。RLC层完成的主要功能有：分段
和重组、级联、填充、用户数据的传送、按序发送高层数据、副本检测、流量控制、非确认数据传递模式下序号检查、协议错误检测和恢复、加密等。
3.3 L3层
在L3层中RRC层是最低协议子层。RRC处理UE和UTRAN间层3的控制平面信令，RRC完成下述主要功能：来自非接入层和接入层信息的广播，UE和UTRAN间RRC连接的建立、重建、维护和释放，用户平面无线承载的建立、重配和释放，RRC连接的无线资源的指配、重配置和释放，RRC连接移 动性功能，为高层PDU选路由，控制所需的QoS，UE测量的报告和对报告的控制，外环功率控制，UE和UTRAN间的加密，慢速动态信道分配等。
RRC层提供了在Uu接口透明传送非接入层信令消息(如MM、CC等)的机制，即非接入层的信令消息作为NAS PDU封装在RRC消息：INITIAL DIRECT TRANSFER、UPLINK DIRECT TRANSFER或DOWNLINK DIRECT TRANSFER中透明地传送。
RRC向上层提供信令连接以支持上层信息流的交互。信令连接是UE和核心网间的确认模式链路，用来传送上层信息。
4. 空中接口的目标、特征和功能
4.1 目标
1. 不同类型的移动站和终端设备使用相同的标准接口;
2. 可移植性的MSS系统领域内的GSM系统;
3. 独立进化的移动电台和网络设备技术和配置;
4. 调用一个终端使用相同的代码(电话号码)无论在哪个国家,它实际上是位于;
5. 连接的ISDN网络,因此只有MS广播信道容量和ISDN协议限制因素。
4.2 特征
1. 通道结构和访问能力;
2. 用户网络(MS-BSS)协议;
3. 维护和操作特征;
4. 性能特点;
5. 服务特点。
4.3 功能
1. 多支路和其他多个终端安排;
2. 选择信息的比特率、电路或分组交换模式,2层编码方法,等等,call-by-call或其他的基础上(如非永久性的或订阅时间选项),在同一界面根据用户的需要;
3. 功能兼容性检查以检查是否调用和被调用终端可以相互通信。
并且移动台-基站系统接口允许：
5. 空中接口L3层的信令
空中接口的L3层在实际应用中需要面向两个不同的实体，一个是核心网络（CN），一个是移动台（Um）。空中接口的L3层在实际应用中的所谓的结构化程序就是特定的基本流程组合。下面就是一些典型的结构化程序。
5.1 寻呼请求
寻呼过程用于定位建立连接的移动台。在收到移动台发起的寻呼请求消息立即指派程序。
Mobile Station Network
PAGING REQUEST
<-------------------
图3 寻呼请求
5.2 服务请求和冲突解决
初始服务请求消息（寻呼请求，位置更新请求，移动台关机，CM业务请求，或CM
重建请求）是由移动台此时发送到网络中的L2 SABM帧建立主信令链路支持。它的目的是：
1. 提供所请求的网络中的RR和MM子层的服务相关的非保密信息；
2. 特别是在不损害用户的身份信息识别网络中的用户；这是通过使用移动身份TMSI来实现的，这是从来没有在联合国通过无线电接口传输加密；
3. 允许的冲突解决；
4. 选择性地，在CM业务请求消息通知与呼叫相关联的优先级网络。
冲突解决提供了一个解决过程当多个移动台试图抓住一个信道分配的直接分配过程中（因为他们碰巧使用相同的随机参考同时在随机存取）。这是通过网络包括在L2 UA帧相同的信息场，一个接收的L2 SABM帧，UA帧响应。通过比较这两个信息领域MS可以验证它是否是L2建立的鼻祖，因为服务请求中包含的移动身份。
Mobile Station Network
SABM(service request)
------------------------->
UA(service request)
<------------------------
图4 务请求和冲突解决
5.3 身份认证
身份认证的目的是验证由移动台提供的身份信息。它是由网络发起的。认证程序也提供移动站的信息从一个新的加密密钥可以导出。网络决定是否使用认证。这可能取决于上下文。
Mobile Station Network
AUTHentication REQuest
<--------------------------
AUTHentication RESponse
--------------------------->
图5 身份认证
5.4 位置更新
如移动台发现自己在一个不同的位置区域的注册之前总是发起位置更新过程。网络可以决定是否分配新的TMSI在位置更新，这个选项是反映在这个例子。该程序是在图6所示。移动台发起立即指派，利用更新请求消息的位置服务请求和冲突解决。网络需要认证（这又是一个选项）。作为网络试图分配一个新的TMSI，应该激活密码。该网络包括在
位置更新新的可接受消息（它也可以使用显式的再分配过程，请参见条款4）。移动站发送一个再分配完成消息到网络确认收到新的TMSI。在再分配完成消息网络发起信道释放后如果没有进一步的交易计划。
Mobile Station Network
+- -+
│ CHANNEL REQUEST │ RR connection
│--------------------------------------->│ establishment
│ │ (MO)
│ │
│ IMMEDIATE ASSIGNMENT │
│<-------------------------------------- │
+- -+
+- -+
│ │
│ LOCATION UPDATING REQUEST │
│--------------------------------------->│ Service request
│ │
│ │
│ │
│ │
+- -+
+- -+
│ AUTHENTICATION REQUEST │
│<-------------------------------------- │Authentication
│ │
│ AUTHENTICATION RESPONSE │
│--------------------------------------->│
+- -+
+- -+
│ │
│ CIPHER MODE COMMAND │
│<---------------------------------------│ Ciphering mode
│ │ setting
│ CIPHER MODE COMPLETE │
│--------------------------------------->│
+- -+
+- -+
│ LOCATION UPDATING ACCEPT │
│<---------------------------------------│
│ │
│ TMSI REALLOCATION COMPLETE │
│--------------------------------------->│
+- -+
+- -+
│ CHANNEL RELEASE │ RR connection
│<---------------------------------------│ release
│ │
+- -+
图6 位置更新
5.5 移动始发呼叫的建立
移动台发起立即指派，使用CM服务请求消息的服务请求和冲突解决。网络可以发起认证和可启动加密模式设定。
发送加密模式完成消息后，移动台发起呼叫建立的消息发送到网络设置。网络的答案
与呼叫进程消息。
1. 非OACSU选项（早期的分配）：
使用此选项，网络分配一个业务信道给移动台在它之前开始在固定网络的呼叫建立。
如果应用了排队叫号，它可能会导致在业务信道分配的可变延迟。
当用户报警一直在叫侧发起，报警信息发送到移动站。网络可以指示MS将用户连接在这个阶段的呼叫，通过进度指示信息元素的值设置为1或8（# #如果铃声将由远程端发送的报警消息）。在这种情况下，报警铃声都要通过网络生成。
注：语音编解码器监控音调是透明的。
一个连接消息和确认连接确认完成呼叫建立时，被叫方回答。
移动始发呼叫建立早期的任务是在图7所示。
Mobile Station Network
+- -+
│ CHANNEL REQUEST │ RR connection
│ -------------------------> │ establishment
│ IMMEDIATE ASSIGNMENT │ (MO)
│ <------------------------ │
+- -+
+- -+
│ CM SERVICE REQUEST │
│ -------------------------> │ Service request
│ │
+- -+
+- -+
│ AUTHENTICATION REQUEST │ Authentication
│ <------------------------- │
│ AUTHENTICATION RESPONSE │
│ --------------------------> │
+- -+
+- -+
│ CIPHER MODE COMMAND │
│ <------------------------- │ Ciphering
│ CIPHER MODE COMPLETE │ mode setting
│ --------------------------> │
+- -+
+- -+
│ SETUP │
│ --------------------------> │ Call initiation
│ CALL PROCEEDING │
│ <------------------------- │
+- -+
+- -+
│ ASSIGNMENT COMMAND │
│ <-------------------------- │ Assignment of
│ ASSIGNMENT COMPLETE │ a traffic
│ --------------------------> │ channel
+- -+
+- -+
│ ALERTING │
│ <-------------------------- │ User alerting
+- -+
+- -+
│ CONNECT │
│ <-------------------------- │ Call accepted
│ CONNECT ACKNOWLEDGE │
│ --------------------------> │
+- -+
图7 非OACSU选项
2. OACSU选项（迟交的作业）：
网络确定当话务信道被分配。作业可以在呼叫建立后一直在固定网络发起的任何时间进行。在以下的情况下被认为是网络只会分配一个业务信道后被叫方已经应答呼叫（迟到的作业）。
如在报警消息发送到移动站用户报警时已在被叫侧发起。如果铃声是必要的，它必须在移动站没有话务信道分配产生。当被叫方回答，网络将发起信道分配程序，分配一个业务信道给移动台。如果应用了排队叫号，它可能会导致在业务信道分配的可变延迟。一旦信道分配已经完成的网络将发送连接消息到移动站。MS高度然后用户连接。连接确认消息将完成呼叫建立。
移动始发呼叫建立延迟分配图8所示。
Mobile Station Network
+- -+
│ CHANNEL REQUEST │ RR connection
│ -------------------------> │ establishment
│ IMMEDIATE ASSIGNMENT │ (MO)
│ <------------------------ │
+- -+
+- -+ Service indication
│ CM SERVICE REQUEST │
│ -------------------------> │
│ │
│ │
+- -+
+- -+
│ AUTHENTICATION REQUEST │ Authentication
│ <------------------------- │
│ AUTHENTICATION RESPONSE │
│ --------------------------> │
+- -+
+- -+
│ CIPHER MODE COMMAND │
│ <------------------------- │ Ciphering
│ CIPHER MODE COMPLETE │ mode setting
│ --------------------------> │
+- -+
+- -+
│ SETUP │
│ --------------------------> │ Call initiation
│ CALL PROCEEDING │
│ <------------------------- │
+- -+
+- -+
│ ALERTING │
│ <-------------------------- │ User alerting
+- -+
+- -+
│ ASSIGNMENT COMMAND │
│ <------------------------- │ Assignment of
│ ASSIGNMENT COMPLETE │ a traffic
│ --------------------------> │ channel
+- -+
+- -+
│ CONNECT │
│ <-------------------------- │ Call accepted
│ CONNECT ACKNOWLEDGE │
│ --------------------------> │
+- -+
图8 OACSU选项
3. 非常早期的分配：
网络分配业务信道在尽可能早的时刻，即在立即分配程序。话务信道的方式改变的信号只通过信道模式改变程序的必要手段为呼叫模式。这改变后的网络发送呼叫进程消息的一个适当的时机，当向被叫用户的呼叫建立。
使用此选项，呼叫排队也是没有用的。
打电话的是为进一步建立一个。
移动始发呼叫建立的非常早期的任务是图9。
Mobile Station Network
+- -+
│ CHANNEL REQUEST │ RR connection
│ --------------------------> │ establishment
│ IMMEDIATE ASSIGNMENT(TCH) │ (MO)
│ <------------------------- │
+- -+
+- -+
│ CM SERVICE REQUEST │
│ --------------------------> │ Service request
│ │
+- -+
+- -+
│ AUTHentication REQuest │ Authentication
│ <-------------------------- │
│ AUTHENTICATION RESPONSE │
│ ---------------------------> │
+- -+
+- -+
│ CIPHER MODE COMMAND │
│ <-------------------------- │ Ciphering
│ CIPHer MODe COMplete │ mode setting
│ ---------------------------> │
+- -+
+- -+
│ SETUP │
│ --------------------------> │ Call initiation
│ CALL PROCeeding │
│ <-------------------------- │
+- -+
+- -+
│ CHANNEL MODE MODIFY │
│ <--------------------------- │ Transmission
│ CHANNEL MODE MODIFY ACKNOWLEDGE │ mode
│ ---------------------------> │ change
+- -+
+- -+
│ ALERTING │
│ <---------------------------- │ User alerting
+- -+
+- -+
│ CONNect │
│ <--------------------------- │ Call accepted
│ CONNect ACKnowledge │
│ ---------------------------> │
+- -+
图9 非常早期的分配
5.6 呼叫清除
5.6.1 由网络发起的呼叫清除
网络发起呼叫的清除发送断开消息到移动站。
在接收消息从网络断开移动站发送释放消息到网络。
在从移动站接收释放消息，网络发送一个完整的移动站的释放，如果交通通道需（如上次活动的交通通道），进行信道释放程序。
在收到释放完成消息，如果清除呼叫的业务信道上的最后一项活动，移动站等待信道总是由网络发起的释放。
当存在多个业务信道的呼叫的网络环境中不释放（即保持）一个业务信道即使清除呼叫的业务信道上的情况下，最后的活动如下；
一个等待呼叫的存在，移动台并不表明它承载将用于接受呼叫但网络；和
-有没有保留承载等待呼叫。
当移动站接收信号的IE设置消息指示呼叫等待，这意味着网络不能提供任何额外的交通通道，然后：
- MS前不释放任何其他呼叫请求一个新的SI值（导致释放任何其他人比保留承载）；
如果移动站指示不同的SI值从保留的承载释放任何其他电话后（导致释放任何其他承载比保留承载），网络分配用于调用一个新的TCH，并释放保留的人。
呼叫清楚由网络发起如图10所示。
Mobile Station Network
+- -+
│ DISCONNECT │
│ <------------------------ │ Call clearing
│ RELEASE │
│ -----------------------> │
│ RELEASE COMPLETE │
│ <----------------------- │
+- -+
+- -+
│ CHANNEL RELEASE │ RR connection
│ <------------------------ │ release
+- -+
图10 有网络发起的呼叫清楚
5.6.2由移动站发起的呼叫清除
移动台发起呼叫的清除发送断开消息到网络（参见第5.4.3）。
在接收到断开消息从移动站网络发送释放消息到移动站。
在从网络接收释放消息，移动台发送释放完成的网络，其中，如果业务信道不再需要（例如上次活动的交通通道），进行信道释放程序7.1.6小节中描述的。
当存在多个业务信道的呼叫的网络环境中不释放（即保持）一个业务信道即使清除呼叫的业务信道上的情况下，最后的活动如下：
一个等待呼叫的存在，移动台并不表明它承载将用于接受呼叫但网络；和
-有没有保留承载等待呼叫。
当移动站接收设置消息的信令IE指示呼叫等待，这意味着网络不能提供任何额外的交通通道，然后：
- MS前不释放任何其他呼叫请求一个新的SI值（导致释放任何其他人比保留承载）；
如果移动站指示不同的SI值从保留的承载释放任何其他电话后（导致释放任何其他承载比保留承载），网络分配用于调用一个新的TCH，并释放保留的人。
呼叫的移动台发起的呼叫清除如图11所示。
Mobile Station Network
+- -+
│ DISCONNECT │
│ ------------------------> │ Call clearing
│ RELEASE │
│ <------------------------ │
│ RELEASE COMPLETE │
│ -----------------------> │
+- -+
+- -+
│ CHANNEL RELEASE │ RR connection
│ <------------------------ │ release
+- -+
图11 由移动台发起的呼叫清除
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