cdma2000 HRPD空口协议简单介绍.doc

HRPD空口协议简介

空口的7层中，对于物理层经有较多的文档进行绍，但是其它的6层在空口中占了绝大部分的篇幅，但介绍的文档却不多。本文的目的是对其它的6层作一个简单的介绍，让大家有一个简单的认识。
1. 总体概述
1.1. 空中接口的位置

空中接口位于AT和AN之间

1.2. 空口协议结构
1.2.1协议的层次结构

OSI第7层
应用
OSI第6层
表示
OSI第5层
会话
OSI第4层
运输
OSI第3层
网络
OSI第2层
数据链路
OSI第1层
物理

由此图可以看到HRPD空中接口的协议栈，分为七层，每层包含若干个协议，完成相应层的功能。请注意，这与我们常说的OSI（Open Systems Interconnection）　7层是不同的。

从高到低分别是应用层（Application Layer）、流层（Stream Layer）、会话层（Session Layer）、连接层（Connection Layer）、安全层（Security Layer）、MAC层（Medium Access Control Layer）和物理层（Physical Layer）。从应用功能来分，各层主要完成两大功能：数据包的封装和状态机的定义。数据包的封装规定了信令和分组数据从应用层依次传递到物理层的过程中数据包的封装方式，而
状态机则描述了同一层间系统运行时可能包括的状态和命令等。

1. 应用层提供多种应用。如：传输消息和分组数据。该层主要负责信令、分组数据的可靠性传输
2. 流层提供了一种优先级机制，对应用层的业务和信令进行分流和复用。

3. 会话层提供地址管理、协议协商，配置和状态维护服务。

4. 连接层提供空中接口链路建立和维护的服务。

5. 安全层提供加密和鉴权服务。

6. 媒体接入控制层定义了从物理层接收和向物理层发送的过程。

7. 物理层规定了前反向信道结构，编码，调制等
8. 。（另有文档详细介绍，本文档不作介绍）

1.2.2协议结构

1.2.2.1 协议分层优点

² 每一个协议都可以单独协商
² 模块化设计允许对协议/软件的部分更新
² 不会减少数据吞吐量

1.2.2.2 协议接口
协议中有四种接口：
头和消息（Headers and messages）:用于两个实体间相同协议之间进行通讯。
命令(Commands)：在同一个实体中，高层的协议能通过命令，能够获得低层的服务。同一个层中的不同协议也能通过命令进行交互，但是只能是单向的。如协议A和协议B在同一层里， A能够发命令给B，B就不能够发给A。　
指示(Indications)：低层的协议通过指示向上层协议报告发生的事件。上层协议能通过注册获得指示。同一层中的协议之间能够注册和接收指示，但是只能单向。
Public Data：不同的协议和应用之间共享的信息。

1.2.2.3 InUse and InConfiguration Protocol / Application Instances

协议或应用的实例（protocol/application instance）有两种：InUse实例，InConfiguration实例。当会话配置初始化时，InConfiguration协议实例由Session Configuration Protocol创建。而InConfiguration的应用由Stream Layer protocol创建。 InConfiguration的实例主要是完成各自协议或实例参数的配置，通过General Configuration Protocol（ConfigurationRequest 和 ConfigurationResponse）进行参数配置。而InUse的实例主要是完成协议具体的功能。HRPD的空口协议，对各种的协议和应用，都会按InConfiguration和InUse两种实例进行描述。

2. 空中接口协议
2.1应用层协议

有信令应用和分组数据应用两种
SNP-Signal Network Protocol：信令网络协议
SLP-Signal Link Protocol：又分为两层，SLP-D(delivery)，SLP-F(fragmentation).
FCP-Flow Control Protocol： 流控协议
LUP-Location Update Protocol ：位置更新
RLP-Radio Link Protocol： 无线链路协议

2.1.1信令应用
在协议中，每一个消息都提供如下面所示的消息信息：

Channels:
CC for Control Channel
CCsyn for Control Channel
CCsynSS for Control Channel
AC for Access Channel
RTC for Reverse Traffic Channel
SLP:
Best Effort,Reliable
Addressing:
Broadcast, Multicast, Unicast
Prioity: 0 – 255，值越低优先度越高
2.1.1.1 Signal Network Protocol

信令网络层议是一个路由协议，由<InConfigurationProtocol, Type>作路由信息，负责派发消息。各层的协议利用SNP来进行消息的交换。SNP提供一个字节的Header，该字段标识该消息中所带的数据被送到何种协议(何种实例)进行处理。

2.1.1.2 Signaling Link Protocol

SLP-D：提供对SNP包的提供可靠传输(reliable)和尽力发送（Best Effort）两种方式；对可靠传输，提供重复性检测和消息的重发机制。

SLP-F：提供消息的分片和重装 。它为一个自同步的协议，如果它收到一个失序的分片，它将丢弃该分片直至收到下一个SLP-D包的第一个分片为止。

2.2分组应用

2.2.1 Radio Link Protocol

主要是承载PPP的字节流，RLP为一个基于字节的无线链路协议，它提供错误减少机制和重复性检测机制，采用否定应答的重传机制(NAK-Based) 。

2.2.2 Location Update Protocol

位置更新协议定义了移动性管理所需的位置更新程序和消息。 AN通过发送LocationRequest消息来发起对AT位置信息的查询，或者发送LocationAssignment来更新位置信息。而AT即发送LocationNotification响应LocationRequest的查询。

2.2.3 Flow Control Protocol

流量控制协议(Flow Control Protocol)提供用于AN和AT间执行流量控制所需的程序和消息，该协议有Open和Close两种状态，在Close状态，AN和AT将不会发送和接收任何RLP数据。

当AN有数据要发送时，通过发送DataReady，请求AT打开流量控制。AT通过发送XonRequest消息或者发磅一个RLP包实现从Close到Open状态的跃迁，通过发送XoffRequest消息实现从Open到Close的跃迁

2.3 Stream层

Steam协议提供两个比特的包头来标识四种数据流，Stream 0 总是用于信令应用，其它三个可协商用于不同QoS (Quality of Service)的其它应用，缺省分组应用可采用Stream 1。通过配置消息能够进行应用影射到流的配置。

2.4 Session层
1.3.

在HRPD系统中，任何AT在与网络发生业务数据交互之前，必须打开一个会话。打开会话其实就是AT向网络登记并与网络协商一套双方都能接受的配置的过程。在会话持续期间，AT可以AT和AN可以多次建立和关闭连接。Session只有在离开服务区或是AT长时间不可用时才会关闭。

Session层包括下列协议：
Session Management Protocol
Address Management Protocol
Session Configuration Protocol

Session是AT和AN之间共同维持的一种状态，它包括下列信息：
ü 分配给AT的UATI(Unicast Access Terminal Identifier)值
ü AT和AN在空口交互所用到的协议
ü 对这些协议的参数配置
ü 对AT当前位置的估计

2.4.1 Session Management Protocol

Inactive:这一个状态只有手机才有，这个状态下AT与AN没有通讯。
AMP Setup State:在这个状态下，AT和AN使用AMP（Address Management Protocol）交换信息，AN分配UATI给AT。当AT获得UATI地址后，它需要跟AN发起一次连接（使用缺省的配置），进行议和参数的协商，即会话配置。
OpenState：Session处于打开状态
Close State：这一个状态只有是给AN。AN状等待关闭进程完成。

可见，SMP负责AMP和SCP的激活以及Session打开状态的保持和关闭。如果AT或者AN检测到KeepAlive定时器(即TSMPClose/NSMPKeepAlive)超时后仍无数据在前向或反向业务信道上发送，则发KeepAliveRequest消息，对端收到后发KeepAliveResopnse消息。如TSMPClose超时后仍无数据发送，则发起Session的关闭。

2.4.2 Address Management Protocol
初始的UATI指配，当AT在不同的子网之间移动时，维持AT的UATI地址(Unicast Access Terminal Identifier)。ATI的组成：UATI为一128位的地址，其前104位为Sector地址的前104位，后24位由AN分配。Sector的128比特SectorID和SubnetMask在Overhead的SectorParameters消息中通过控制信道周期性广播。在同一子网中，24比特的UATI是AT的唯一标识。为避免128比特的UATI在空中传输，Secotr的子网地址由8比特的ColorCode标识，这样空中接口只需要传输8比特的ColorCode和24比特的UATI就可以标识AT。
Subnet:与PCF对应
SectorId:128比特的扇区地址

2.4.3 Session Configuration Protocol

进行两个阶段的协商：AT和AN的初始化协商
AT Initiated State，包括：
对每个定义好的Type协商不同的Subtype，如提议使用“Cool Forward Traffic Channel MAC Protocol”，而不采用“Forward Traffic Channel MAC Protocol”；
对某选定的协议可发起配置，如采用选定的Stream Protocol来映射应用和Stream之间的关系。
AN Initiated State，包括：
协商和覆盖各协议的缺省参数，如缺省的接入信道前缀的长度为2个帧，通过协商可改变该值。

上面是典型的Session建立过程：UATI 的申请，连接的建立，密钥的互换，会话参数、会话协议的协商等步骤。(Unicast Access Terminal Identifier唯一终端访问标识)

2.5连接层

连接层提供空中接口链路建立和维护的服务。每当AT与AN之间有业务数据需要交互，就需要在它们之间建立一个连接。连接建立后，在反向链路上，AT支持以下信道：反向导频信道，帮助AN获AT并进行相干解码；DRC信道，指示网络本机一个时隙能接受的高前向速率；ACK信道，确认是否已经正确收到正在发送的包；RTC信道，负责业务数据的发送；RRI信道，指示反向业信道的发送速。在前向链路上，有效集中的所有扇区必须发指向该AT的功控子信道（RPC），但是在前向业务信道上，在任一时刻最多只有一个扇区依据AT的DRC信道的选择在AT发送前向业务。

2.5.1 Air-Link Management Protocol

负责管理连接过程中的三个状态（初始化，空闲，连接）

a summary of the Connection Layer and MAC Layer protocols that are active in each state.

2.5.2 Initialization State Protocol

初始化状态协议（Initialized State Protocol）：规定AT捕获AN的过程
选择一个HDR频道
捕获导频
接收同步消息

2.5.3 Idle State Protocol

空闲状态协议（Idle State Protocol）：规定AT捕获网络，但还没有打开连接的过程。

1)支持休眠机制（挂起），AT在Sleep State下，可以关闭其部分子系统，以节电。这时手机不会监听前向信道，AN也不允许发单播包给AT。
2)连接的建立
普通的连接建立
快速连接建立(指AN对AT的连接，如果发现如果AT在上一次连接释放时声称处于Suspend模式，并且指定的时间还未超时，就启动快速连接建立过程，使用最近收到的RouteUpdate消息所确定AT登记位置，直接向对对应的小区发起无线资源分配。（不经通Page和Connect Request的过程）

典型的连接过程：处于空闲状态下的AT 发送连接请求（ConnectionRequest）消息发起连接。同时，AT 向AN 发送路由更新消息，通知AN 更新其导频集合。AN 对AT 发送的消息予以响应，然后进行业务信道的分配。收到业务信道分配的消息后，AT 向小区发送导频、DRC 数据，以便选择信道质量最好的扇区，进行通信。在收到AN 的回应后，AT 发送业务信道分配完成的消息。如果是AN发起建链的话，前面会多加一个Page Message。

2.5.4 Connect State Protocol

连接状态协议（Connected State Protocol）：规定AT与AN间打开连接后的操作（状态跃迁，关闭连接等）。

2.5.5 Route Update Protocol

位置更新：
闲状态：基于距离的更新
连接状态：基于无线环境的变化而进行更新（Route Update Message）

更新邻区列表

邻区有四个集：Active Set，Candidate Set，Neighbor Set，Remaining Set
RouteUpdae Message

RouteUpdate：AT通过这条消息告知AN它的位置和无线链路的情况

上图所示是一个典型的连接过程，但是AT的切换流程和上面的RouteUpdate流程很相似。AT的判定加去邻区的方式有两种，一种是和95一样，另一种是动态门限。
假设当前发生的是更软切换加：
1． 在AT同AN之间connection已经建立，当AT满足在Active Set中增加某个导引信号的条件时，AT向AN发送一条RouteUpdate消息。
2． AN的SLP发送ACK给AT
3． 分析收到的RouteUpdate消息，判断得知需要作更软切换加操作，启动定时器T_SofterHandoff；分配切换所需要资源（如无线资源）
4． AN向AT发送TrafficChannelAssignment，通知AT对Active Set进行改变。同时向AT发送ResetReport消息，Reset路由更新传送规则。
5． AT的SLP发送ACK给AN
6． AT在收到TrafficChannelAssignment消息后，将发送相应的证实消息TrafficChannelComplete。AN在收到该消息后关闭定时器T_SofterHandoff，认为该更软切换已经成功。
7． AN 查找数据库，将增加小区的邻区配置通过NeighbourList消息发送给AT
8． AT在收到Neighborlist消息后回送的SLP层ACK证实消息。

2.5.6 Packet Consolidation Protocol

分组合并协议,提供连接层封装
连接层的包只能发往或者来自同一个AT；定义了两种封装格式A和B，采用格式A不需要连接层包头，节省了一个字节；格式B可封装多个Session层包，而包的格式类型存放在MAC层中。而且能根据优先级确定Session层来的数据包的发送优先级。同时也提供强制性不合并的功能，主要是用于测试应用。

2.5.7 Overhead Messages Protocol
在控制信道上广播开消息：QuickConfig message 和the SectorParameters message

2.6安全层

安全层：安全层用于确保AT、AN 之间连接的安全性。主要提供如下功能：密
钥交换、业务认证与加密。

密钥交换协议：提供AT和AN遵循的为了实现鉴权和加密而交换密钥的过程；
鉴权协议：提供AT和AN为了鉴权业务而遵循的过程；
加密协议：提供AT和AN为了加密业务数据而遵循的过程；
安全协议：提供为了实现鉴权和加密而产生密码系统的过程。

2.7MAC LAYER

MAC层控制物理信道上数据的收发方式和消息的交互。CC，AC，FTC和RTC各有一个MAC层
。

Mac Header:

2.7.1 Control Channel MAC Protocol

控制信道MAC层包可包含多个安全层包，每个安全层包对应一个AT。在HRPD系统中，前向控制信道与前向业务信道在时间上是错开的，它们共享前向链路的带宽。为了保证小区内的所有AT都能正确监听到控制信道消息，控制信道的速率定的比较低，只能选择38.4kbps或76.8kbps。按时间划分，控制信道上所发送的包可以分为同步包（synchronous capule）和步包(asynchronous capule)。同步包必须在系统指定的时刻发送，一次可以包含多个MAC帧；异步包发送不受间限制，一次只能发送一个MAC帧。同步包的发送在一个control cannel cyce(256 slos)段只能发送一次。

其物理信道格式只有一种：

在MAC层，多个MAC Layer Packet可以组成一个MAC Layer Capsule同步传送。每一个MAC Layer Packet可以包含多个Security Layer Packet，在每个之前加上MAC Layer Header，然后在整个数据包前加上CCHeader，在末尾附加Pad跟Reserved，一起组成一个1002bits的MAC Layer Packet。(Pad填充到1000bit，而Reserved占用了2个bit)

Control Channel Header

信令首先经过应用层的SNP、SLP 协议的封装、分割，传送到流层，复用到流0。数据单元在经过会话层时，不经任何处理，直接转交给连接层。连接层在将数据单元加上必要的报头信息后，交付安全层。控制信道的MAC 层将数据进一步加上控制信道的报头、MAC 层的报头、填充位等信息后，最后交接给物理层。

2.7.2 Access Channel

在物理层上，一个Physical Layer Packet是256bit:

在MAC层，对于每一个来自Security Layer的包，MAC层加上MAC Layer Header、FCS、pad（加pad的原因是使MAC Layer Capsule使232bits的整数倍），然后再分割成一个一个的MAC Layer Capsule Fragment

Security Layer对接入信道的包一般会有一个认证的处理。对来自Connection Layer的包，加上一个Authentication Protocol Header（ACPAC），Security Protocol Header（TimeStampShort）。AN和AT分别计算ACPAC，验证是否一致。
在MAC层FCS校验通过后，要向相应的AT回一条ACAck的消息。在Connection Layer、Stream Layer、SLP、SNP的处理与别的信道一致。

2.7.3 Forward Traffic Channel MAC Protocol

主要内容包括对DRC的处理，以实现前向业务信道的速率选择
DRC包括Cover和Value两个值：
Cover确定目标小区
Value确定发送速率

在变速率模式，如果AN向AT发送数据，它将遵照DRC信道所要求的<sector,rate> 来发送
在固定速率模式，如果AN向AT发送数据，它将遵照FixedModeEnable消息中所带的<sector,rate> 来发送

在物理层有4种帧格式：1024bits、2048bits、3072bits、4096bits：

统一到MAC层，只需向物理层提供1002bits的MAC包。每一个MAC包由一个SecurityLayer包加上一个MACLayer Trailer构成。其中SecurityLayerPacket占1000bits，Trailer占2个bits：

在2bit的Trailer中，一个是MACLayerFormat，一个是ConnectionLayerFormat。其中ConnectionLayerFormat置1表示Format B格式，置0表示Format A；MACLayerFormat置1表示该MAC包包含一个有效的payload，否则置0。（AT收到MACLayerFormat为0的包可以丢弃）

前向链路包在Security Layer缺省不作处理。

在ConnectionLayer使用Format A或format B对包进行封装。

在Session Layer 不作处理。

在Stream Layer加一个2bit的 Stream Layer Header，用来指示4个Stream之1。Stream 0缺省是作信令之用。（对于FTC来说，Application Packet最大可以是998bits）

在RLP加上一个22bit长的序号。

2.7.4 Reverse Traffic Channel MAC Protocol

反向业务信道的Physical Layer Packet可以是256、512、1024、2048、4096比特

在MAC层，添加一个2bit的MAC Trailer（MACLayer Format和Connection LayerFormat）：

在Security Layer一般不作处理。
在Connection Layer根据FormatA还是FormatB决定是否加一个Header。
在Session Layer不作处理。
在Stream Layer加一个Stream Layer Header，分辨它是信息流还是业务流。
最后到达RLP进行处理。