[4G&5G专题-59]：L3 RRC层-RRC层概述与总体架构、ASN.1消息、无线承载SRB, DRB、终端三种状态、MIB, SIB,NAS消息类型

目录

 

第1章  L3 RRC层功能概述

1.1 RAN的架构概述

1.2 RRC协议概述

1.3 无线资源的种类

第2章 RRC层对外接口

2.1 RRC层与底层空口承载的接口

2.3 RRC层与核心网接口

第3章 无线承载的类型

3.1 什么是无线承载Radio Bear?

3.2 小区系统级静态无线承载

3.3 手机专有级动态无线承载

3.4 什么是用户专有的SRB？

3.5 什么是用户专有的DRB？

第4章 4G LTE终端的RRC状态

4.1 空闲状态（RRC_IDLE）

4.2 连接状态（RRC_CONNECTED）

第5章 5G NR终端的RRC状态

5.1 5G引入了一个新的状态：INACTIVE

5.2  为何引入INACTIVE (低功耗状态）？

5.3 INACTIVE是如何降低终端功耗的？

5.4 3种状态下的功能特征

5.5 不同状态的切换

5.6 4G LTE到5G NR状态的切换

第6章 RRC层消息的通用格式

6.1 RRC消息格式概述

6.2 使用ASN.1的好处

6.3 ASN.1协议--数据描述与定义协议

6.4 ASN.1消息举例

第7章 RRC信令消息类型

7.1 RRC消息类型

7.2 小区级系统信令消息--MIB与SIB消息

7.3 用户与核心网之间的专有信令消息--NAS消息

7.4 UE终端与基站之间的专有信令消息与交互流程--其他消息

8. RRC主要的流程

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第1章  L3 RRC层功能概述

1.1 RAN的架构概述

从上图可以看出，RRC协议处于空口协议栈的L3层，处于PDCP与NAS层之间。

 

1.2 RRC协议概述

RRC：Radio Resource Control protocol，无线资源控制协议，又称为“”接入层信令AS”

RRC协议有两个大的基本功能

（1）在基站和手机之间传递L3层无线资源控制信令, 即接入层信令AS，比如为终端建立无线数据承载，

（2）帮助手机和核心网信令网关在空口传递"非接入层信令NAS"。也就是说NAS消息是承载在RRC消息中在空口传输的，NAS消息在有线传输网是承载在S1AP消息中。

 

L3 RRRC层主要定义的是RRC的第1大功能：基站和手机之间传递L3层无线资源控制信令：

（1）RRC层的对外接口：空口接口与核心网接口

（2）RRC层的无线承载：SRB, DRB

（3）RRC层终端的状态机

（4）RRC层消息的通用格式

（5）RRC消息的功能类型

（6）RRC消息的交互流程

本章主要探讨（1）、（2）、（3）、（4）的功能；（5）和（6）的功能将在下一篇文中集中探讨。

 

1.3 无线资源的种类

所谓的无线资源管理主要指的是空口资源的利用，它包括以下几种：

（1）频率资源：信道所占用的频段（载频）。

（2）时间资源：用户业务所占用的时隙。

（3）码资源：系统中用于区分小区信道和用户的扩频码或扰码等。

（4）功率资源：功率控制来动态分配功率、克服码间串扰。

（5）空间资源：采用智能天线或MIMO技术后，对用户及用户群的位置跟踪及空间分集和复用。

通过RRC协议，可以动态在终端UE和基站之间传递无线资源的控制信息，用于实现基站对UE终端的各种远程管理！！！

 

第2章 RRC层对外接口

2.1 RRC层与底层空口承载的接口

RRC消息是手机与基站之间的无线资源控制信令消息，承载在PDCP-C（信令面）消息中。

 

2.3 RRC层与核心网接口

（1）上行

承载在RRC消息NAS消息，经过RRC层之后，基站提取出NAS消息，并重新封装在S1-AP/SCTP/IP消息中，并传递给核心网的信令网关。

（2）下行

核心网的信令网关发送给手机的NAS消息，通过S1-AP/SCTP/IP发送基站，基站提取出NAS消息，并重新封装在RRC消息中，然后通过空口无线承载发送给手机。

 

第3章 无线承载的类型：

在RRC层，有一个非常重要的概念，就是SRB（信令无线承载）与DRB（数据无线承载）

 

3.1 什么是无线承载Radio Bear?

Radio Bearer (RB)是RRC层的概念，是基站为UE分配的不同层协议实体及配置的总称，包括PDCP协议实体、RLC协议实体、MAC协议实体和PHY分配的一系列资源等。

RRC层的无线承载分为小区系统级静态无线承载和手机专有级动态无线承载。

 

3.2 小区系统级静态无线承载

（1）MIB和SIB消息的无线承载, 在Cell setup阶段建立，通过小区级的BCCH信道发送。

（2）寻呼消息的无线承载，在Cell setup阶段建立，通过小区级的PCCH信道发送。

（3）UE随机接入的无线承载，是一个特殊的无线承载。在Cell setup阶段建立，为所有UE共享，并通过RACH信道发送与接收。

 

3.3 手机专有级动态无线承载

• SB0的无线承载，在发起随机接入时建立，并通过Cell setup就已经建立的RACH信道发送与接收。
• SRBx：随机接入RACH之后，为UE建立的专有信令承载。
• DRB：随机接入RACH之后，为UE建立的专有数据承载。

 

3.4 什么是用户专有的SRB？

信令无线承载”（SRB）定义为仅仅用于RRC和NAS消息传输的无线承载（RB）。包括PDCP-C协议实体、RLC协议实体、MAC协议实体和PHY分配的一系列资源等。

更具体地讲，定义如下三种SRB：

-  SRB0用于RRC 消息，使用CCCH逻辑信道；也就是SRB0在RLC实体的传输类型是TM模式, 不需要加密，是下随机接入成功后，为终端建立的默认信令承载。

-  SRB1 用于RRC 消息, 使用DCCH逻辑信道；同时对于NAS消息，SRB1先于SRB2的建立，RLC实体的传输类型是AM或UM模式

-  SRB2 用于NAS消息，使用DCCH逻辑信道。SRB2要后于 SRB1建立，并且总是由E-UTRAN在安全激活后进行配置。

-  SRBx...........................

每个终端用户不同的信令信令承载，都需要创建新的底层（包括PDCP, RLC., MAC层）的实体。

 

3.5 什么是用户专有的DRB？

数据无线承载”（DRB）定义为仅仅用于UE和基站的空口之间的用户面IP数据包的无线承载。包括PDCP-U协议实体、RLC协议实体、MAC协议实体和PHY分配的一系列资源等。

根据QoS不同，UE与eNodeB之间可同时最多建立8个DRB。

注意：DRB承载的不是RRC层的RRC消息，而是终端与核心网数据网关之间的IP数据包。

 

第4章 4G LTE终端的RRC状态

LTE RRC协议状态主要有以下两种：空闲状态和连接状态。

为了系统的模块化设计，对这两种状态进行了细致的划分。

 

4.1 空闲状态（RRC_IDLE）

空闲的状态又包括两个子状态，分别描述如下：

（1）NULL（空子状态，暂态）

在刚刚开机时网络端即处于空状态；或在底层链路失败等不可修复性错误出现后网络端将自动跳转到空状态。

（2）IDLE（空闲子状态，稳态）

当网络端处于空闲状态时，可以对系统信息进行编码并配置MAC子层进行系统消息的广播，使得UE可以实时的获得当前的系统信息。

空闲状态时，RRC还可以配置UE进行信道测量，使得网络端可以实时监测信道质量，并配置UE在更合适的小区实现驻留。

当网络端收到另一终端用户的寻呼请求时，RRC子层通过ASN.1的功能实体编码寻呼消息并向被寻呼终端发送。

 

4.2 连接状态（RRC_CONNECTED）

连接的状态同样分为三个不同的状态，其描述分别如下：

（1）RACH（随机接入状态， 暂态）：表明终端正在进行随机接入

随机接入是由终端发起的，但是在此之前，网络端需要判断小区是否被禁止，只要在未被禁止的情况下才能进行随机接入，而判断的依据则是随机接入的原因。

随机接入状态，则是UE接收到自身高层配置的连接建立请求消息时候，所进行无线资源和无线信道的配置。

而通俗的理解则是在用户开机之后，需要拨号的时候则需要进行随机接入。

在随机接入的过程中，首先需要通过MAC来建立上行同步，并通知高层进行RRC建立连接，建立SRB1。

（2）CON（连接状态，稳态）：表明终端随机接入成功，正式接入到网络中。

正常连接状态，顾名思义则是在通话的整个过程则称作为连接状态，在此状态下，需要建立SRB2和DRBS，只有建立起来之后才能进行通信。

（3）HO（切换，暂态）：处于连接状态下，有一个基站切换到另一个基站

切换的通俗理解，即当用户需要从这个小区变换到另外一个小区的时候，则需要尽心切换，同频、异频小区间切换均可。

在此过程中，网络端会针对终端的行为进行相应的操作。 

 

第5章 5G NR终端的RRC状态

5.1 5G引入了一个新的状态：INACTIVE

5G NR下RRC有三种状态：IDLE、INACTIVE、CONNECTED。

相对于LTE, 增加了一个INACTIVE状态.

 

5.2  为何引入INACTIVE (低功耗状态）？

引入INACTIVE态是为了减少信令开销和降低终端功耗，以支持万物互联的物联网应用。

如果了解过LTE中的NB-IoT，那么就会明白新增RRC_INACTIVE态的目的。

RRC_INACTIVE态在LTE中的NB-IoT就已经引用，由于NB-IoT属于部署低功耗场景，因此在NB-IoT中新增RRC_INACTIVE态主要是为了终端产品节能(省电)所用，当然该状态还可以起到减少时延的作用。

那么，在5G/NR中新增RRC_INACTIVE态的目的又是什么呢？

当然与NB-IoT中的作用是一样的，毕竟mMTC属于5G/NR的三大场景之一，而mMTC就是物联网的场景，自然而然的也包含了NB-IoT。

当然RRC_INACTIVE态不局限于mMTC场景。

 

5.3 INACTIVE是如何降低终端功耗的？

那么RRC_INACTIVE态下，为什么能达到省电和减少时延的作用？

（1）RRC_INACTIVE状态下保留了核心网的上行文

RRC_INACTIVE态下跃迁至RRC_CONNECTED态与RRC_IDLE态跃迁RRC_CONNETED态是不同的：

• UE从RRC_CONNECTED跃迁至RRC_IDLE态时，需要释放核心网的上下文。
• UE从RRC_IDLE态跃迁至RRC_CONNECTED态时，需要与核心网侧进行信令的交互，建立与核心的上下文。
• UE在进入RRC_INACTIVE态时，会保留核心网的上下文，不会进行释放，并且在核心网侧是不知道UE进入了RRC_INACTIVE的，也就是对于核心网该状态是透明的；
• RRC_INACTIVE态下如果有数据接收或发送，则需要跃迁至RRC_CONNETED态时，只需要通过恢复过程，携带核心网唯一UE标识进行恢复即可，并且gNB收到连接恢复完成后就可以接收和发送数据包了。并不需要终端重新与核心网建立连接。

这样终端从休眠状态到能够向核心网发送数据的时间就大大降低了。

 （2）RRC_INACTIVE状态小减少了与核心网的交互

UE接收gNB的信令消息时都需要去盲检PDCCH，以便知道信令所在的资源位置。

而RRC_INACTIVE态跃迁至RRC_CONNECTED态时，由于UE并没有释放上下文，并且核心网侧也不需要再次分配上下文，因此减少了信令的接收。

信令消息接收的减少从而减少UE去盲检的所带来的耗电以及空口传输带来的传输时间。

5.4 3种状态下的功能特征

（1）RRC_IDLE（空闲模式）：

• PLMN选择;
• 广播系统信息;
• 小区重选移动性;
• 移动终止数据的寻呼由5GC发起;
• 移动终接数据区域的寻呼由5GC管理;
• 由NAS配置的用于CN寻呼的DRX。

（2）RRC_INACTIVE(去激活模式) ：

• PLMN选择;
• 广播系统信息;
• 小区重选移动性;
• 寻呼由NG-RAN（RAN寻呼）发起;
• 基于RAN的通知区域（RNA）由NG-RAN管理;
• 由NG-RAN配置的RAN寻呼DRX;
• 为UE建立5GC-NG-RAN连接（包括控制面 / 用户面）;
• UE AS报文存储在NG-RAN和UE中;
• NG-RAN知道UE所属的RNA。

（3）RRC_CONNECTED（连接模式）：

• 为UE建立5GC-NG-RAN连接（包括控制面 / 用户面）;
• UE AS报文存储在NG-RAN和UE中;
• NG-RAN知道UE所属的小区;
• 向或从UE传输单播数据;
• 网络控制移动性，包括测量。

 

5.5 不同状态的切换

从上图可以看出，RRC_INACTIVE处于RRC_CONNECTED和RRC_IDLE之间。

该状态拥有RRC_IDLE状态的低功耗，也保留了RRC_CONNECTED的核心网的上下文。

 

5.6 4G LTE到5G NR状态的切换

4G LTE与5G NR状态的切换，仅仅发生在支持4G/5G双连接的UE终端。

• LTE idle与NR idle，可以通过小区切换，进行切换。 
• NR inactive 通过小区重选进入到LTE idle。
• NR inactive 可以通过连接的建立回到NR connected 的状态，这个是双向的，也可以单向的回到idle态。
• NR connected 到LTE connected，可以通过handover完成。

 

第6章 RRC层消息的通用格式

6.1 RRC消息格式概述

RRC协议是使用ASN.1文法描述的，学习RRC协议都要先去了解一下ASN.1协议。

一般推荐阅读《ASN.1 Complete》这本书和 X.691 《ASN.1 encoding rules: Specification of Packed Encoding Rules (PER)》。

ASN.1协议支持PER编码、BER编码和XER编码等对齐方式。

PER： Packed Encoding Rules，压缩性编码，因为空口资源比较紧张，RRC消息采用PER编码，不需要按照8比特做对齐 ，最大限度的减少了空口传输的数据量。

BER：Basic Encoding Rule，基本编码规则，这种编码规则长被应用于设备与网管中心使用SNMP协议的场合。

XER： XML Encoding Rule，XML编码规则，这种编码规则，常被应用与基站OAM平面与网管中心的消息通信。

 

6.2 使用ASN.1的好处

使用ASN.1协议定义网元之间的接口有一些好处，比如：

（1）编码方式紧凑，

（2）不需要定义私有协议，ASN.1在通信领域使用的非常广泛的协议。

（3）不需要开发编码器和解码器。

 

6.3 ASN.1协议--数据描述与定义协议

ASN.1抽象语法标记（Abstract Syntax Notation One） ASN.1是一种 ISO/ITU-T 标准，用来描述了数据的表示、编码、传输和解码的数据格式。

它提供了一整套正规的格式用于描述数据对象的结构，而不管语言上如何执行及这些数据的具体指代，也不用去管到底是什么样的应用程序。

在任何需要以数字方式发送信息的地方，ASN.1 都可以发送各种形式的信息（声频、视频、数据等等）。

ASN.1 和特定的 ASN.1 编码规则推进了结构化数据的传输，尤其是网络中应用程序之间的结构化数据传输，它以一种独立于计算机架构和语言的方式来描述数据结构。

OSI 协议套中的应用层协议使用了 ASN.1 来描述它们所传输的 PDU，这些协议包括：

用于传输电子邮件的 X.400、用于目录服务的 X.500、用于 VoIP 的 H.323 和 SNMP。它的应用还可以扩展到通用移动通信系统（UMTS）中的接入和非接入层，这里就是RRC协议和NAS协议。

ASN.1 取得成功的一个主要原因是它与几个标准化编码规则相关，如基本编码规则（BER） -X.209 、规范编码规则（CER）、识别名编码规则（DER）、压缩编码规则（PER）和 XML编码规则（XER）。

这些编码规则描述了如何对 ASN.1 中定义的数值进行编码，以便用于传输，而不管计算机、编程语言或它在应用程序中如何表示等因素。

ASN.1 的编码方法比许多与之相竞争的标记系统更先进，它支持可扩展信息快速可靠的传输 — 在无线宽带中，这是一种优势。

1984年，ASN.1 就已经成为了一种国际标准，它的编码规则已经成熟并在可靠性和兼容性方面拥有更丰富的历程。

简洁的二进制编码规则（BER、CER、DER、PER，但不包括 XER）可当作更现代 XML 的替代。然而，ASN.1 支持对数据的语义进行描述，所以它是比 XML 更为高级的语言。

正是由于这种数据类型的“抽象"特性，所以描述它的语法在OSI术语中被称为抽象语法（abstract syntax).抽象语法定义的数据类型，在传输时遵循的数据编码规则，称为传输语法(transfer syntax).一种ASN.1数据类型对应的传输语法可以有多种，但只能使用其中的一种。

ASN.1 的描述可以容易地被映射成 C 或 C++ 或 Java 的数据结构，并可以被应用程序代码使用，并得到运行时程序库的支持，进而能够对编码和解码 XML 或 TLV 格式的，或一种非常紧凑的压缩编码格式的描述。

同时，ASN.1也是一种用于描述结构化客体的结构和内容的语言。

 

关于ASN.1协议的详细描述，将在下文中单独成文阐述。

 

6.4 ASN.1消息举例

PER对齐方式（一般RRC消息采用非对齐方式）：

NGAP的 NGSetUp消息的编码：

（1）RRC消息的解析工具

RRC消息的描述是文本，然而传输时是是二进制，因此，发送是需要把文本描述编译成二进制，接收展现时，需要通过解码器，翻译成文本。

（2）ASN.1消息的定义

GlobalRANNodeID ::= CHOICE {
globalGNB-ID GlobalGNB-ID,
globalNgENB-ID GlobalNgENB-ID,
globalN3IWF-ID GlobalN3IWF-ID,
choice-Extensions ProtocolIE-SingleContainer { {GlobalRANNodeID-ExtIEs} }
}

GlobalGNB-ID ::= SEQUENCE {
pLMNIdentity PLMNIdentity,
gNB-ID GNB-ID,
iE-Extensions ProtocolExtensionContainer { {GlobalGNB-ID-ExtIEs} } OPTIONAL,
…
}

GNB-ID ::= CHOICE {
gNB-ID BIT STRING (SIZE(22…32)),
choice-Extensions ProtocolIE-SingleContainer { {GNB-ID-ExtIEs} }
}

 

第7章 RRC信令消息类型

7.1 RRC消息类型

（1）小区级系统信令消息--MIB与SIB

（2）小区级系统寻呼消息

（3）用户与基站之间的专有信令消息

（4）用户与核心网之间的专有信令消息

 

7.2 小区级系统信令消息--MIB与SIB消息

UE在搜索小区过程之后， 已经与小区取得下行同步，得到小区的 PCI（Physical-layer-Cell Identity） 以及检测到系统帧的 timing（即 10ms timing）。

接着，UE 需要获取到小区的系统信息（System Information），这样才能知道该小区是如何配置的，以便接入该小区并在该小区内正确地工作。

系统信息是小区级别的信息，即对接入该小区的所有 UE 生效。

系统信息可分为MIB （ MasterInformationBlock）和多个 SIB （SystemInformationBlock）。

每个系统信息包含了与某个功能相关的一系列参数集合。

系统信息类型如下：

（1）来自接入网基站的接入层（AS）相关系统信息的广播。

（2）来自核心网和接入网的寻呼

 

备注：上述消息详细的消息交互流程，将在后续的章节探讨。

 

7.3 用户与核心网之间的专有信令消息--NAS消息

（1）来自核心网非接入层（NAS）相关系统信息的广播  

（2）手机与核心网NAS消息在空口的传输（在有线传输网backhual中是通过S1-AP协议进行传输的）

备注：上述消息详细的消息交互流程，将在后续的章节探讨。

 

7.4 UE终端与基站之间的专有信令消息与交互流程--其他消息

用于专有的信令消息，与基站对UE的功能管理相关，不同的功能，有不同的消息。

主要功能如下：

（1）随机接入消息

（2）建立、维护和释放UE与E-UTRAN之间的RRC连接，包括UE与E-UTRAN之间临时标识的分配和用于RRC连接的信令无线承载的配置。

（3）移动性功能包括：UE测量上报和对小区间、RAT间移动性上报的控制；切换；UE小区选择和重选，以及对小区选择和重选的控制；切换时上下文的转移。

（4）密钥管理的安全功能。

（5）MBMS业务的通知，MBMS无线承载的建立、配置和维护。

（6）QoS管理功能。

备注：上述消息详细的消息交互流程，将在后续的章节探讨。

 

8. RRC主要的流程

8.1 小区建立的流程

8.2 UE接入的流程

8.3 UE在线状态下的流程

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其他参考：

5G NR的RRC协议定义在TS38.331, 下载地址是https://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/38_series。

https://blog.csdn.net/dxpqxb/article/details/104062886