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5G RRC引入新状态可减少信令与功耗
2017-11-24 09:20:05   来源:   评论:0 点击:

手机和网络通过无线信道相互通信,彼此交换大量的信息,因此双方需要一种控制机制来交换配置信息并达成一致,这种控制机制就是RRC,即无线资源控制,我们可以把它理解为终端UE和网络相互沟通的共同语言。

  手机和网络通过无线信道相互通信,彼此交换大量的信息,因此双方需要一种控制机制来交换配置信息并达成一致,这种控制机制就是RRC,即无线资源控制,我们可以把它理解为终端UE和网络相互沟通的共同语言。

在3G和4G网络中,RRC状态机和状态转换机制并不相同,对于5G NR,又会有什么不同吗?

 

  是的,5G与3G/4G并不相同,相较于4G LTE只有RRC IDLE和RRC CONNECTED两种RRC状态,5G NR引入了一个新状态——RRC INACTIVE。

5G NR RRC状态转换

        5G NR可以在RRC IDLE、RRC CONNECTED和RRC INACTIVE三种状态间转换,同时也能与LTE/UMTS/GSM实现交互的状态转换。

 

5G NR RRC与LTE RRC之间状态转换

 

如上图所示,当5G NR处于RRC INACTIVE和RRC IDLE状态时,可重选至LTE;LTE在RRC IDLE状态下也可重选至5G,但不能重选至5G NR RRC INACTIVE状态。

5G NR RRC与UMTS / GSM RRC之间状态转换

 

如上图所示,5G NR处于RRC INACTIVE和RRC IDLE状态时,均可重选至UMTS空闲状态;在空闲状态下的UMTS也能重选至5GRRC IDLE状态,但不能重选至5G NR RRC INACTIVE状态。同时,3G UMTS在CELL_FACH、CELL_PCH和URA_PCH状态下,均可重选至5G NR IDLE状态,但5G NR RRC INACTIVE状态下不能重选至3G UMTS的CELL_FACH、CELL_PCH和URA_PCH状态。

但在RRC INACTIVE状态下,5G NR并不支持与GSM之间的重选或CCO。

5G为何引入RRC INACTIVE状态?

原因很简单,为了减少信令和功耗。

 

  5G要面向万物互联,要连接大量的依靠电池供电的终端,这些终端的电池寿命动辄需维持5-10年,否则维护成本太高。同时,关键任务型物联网要求超低的时延,任务触发时,首个数据包必须快速的传送到网络或终端。此外,在大规模物联网下,大量的设备零星传送少量的数据,会带来过高的信令开销。

  一边是功耗,一边是快速接入,还要减少信令开销,要兼顾三者,5G就引入了RRC INACTIVE状态。

  为了加深理解,我们来回顾一下3G和4G时代的RRC状态转移机制。

  你会发现当手机设置为飞行模式时充电更快,这是因为影响手机耗电的主要原因是与网络的连接,因此,为了省电,通信工作者们在设计网络协议时,会想尽办法让手机“睡觉”,减少与网络连接,减少信号发射。

  其中一个伟大的省电计划就是——RRC状态转移。

  你用手机上网,无非就几个步骤:掏出手机—>刷朋友圈—>晒照片—>关闭屏幕—>放进裤袋,这个过程背后,手机至少要经历两种模式转换:空闲模式(待机)和连接模式(上网、通话)。同时,网络要响应你的每一步动作,也需要完成RRC状态的转移。

  先以3G WCDMA为例,我们把手机状态主要分为三个状态:IDLE 、 CELL_DCH、CELL_FACH,下面这张图是WCDMA RRC状态转移图。

1)IDLE状态下,手机关闭无线发射,省电。当开始传送数据时,手机会开启无线发射,手机状态从IDLE转移到CELL_DCH状态,这一状态转移是有时延的。

2)手机处于CELL_DCH状态时,表示手机正在传送或接收数据。当数据传送结束,手机会保留CELL_DCH状态一段时间,以备还有后续数据要传。假如一段时间内没有续传数据,手机会转移至共享信道FACH,这叫CELL_FACH状态,这时候相对CELL_DCH模式更省电。CELL_FACH状态下,手机只传送信令或少量数据,如果有更多数据内容需要传送,手机会重新迁移至CELL_DCH状态,不过这个迁移过程同样有时延,只是这个时延相对于IDLE迁移至CELL_DCH要短。

3)在进入CELL_FACH状态一段时间后,如果没有数据传送,手机将迁移至IDLE状态,关闭无线发射,进入最省电的模式。如果又有数据传送,这时需要重新迁移至CELL_DCH状态。

至于LTE,RRC状态简化为只有两种:RRC_IDLE和RRC_CONNECTED。

 

  由于基于包的数据流通常是突发性的,在没有数据传输的时候,可以通过关闭UE的接收电路来降低功耗,从而提升电池使用时间,为此,LTE采用DRX(Discontinuous Reception,不连续接收)技术。

下面是一张简化的LTE RRC状态转移图:

  手机传送数据时处于连续接收(Continuous Reception)状态,如果手机停止数据传送(定时器终止)而进入等待数据传送,此时,由连续接收状态转移至short DRX 和 long DRX 。

  手机处于连续接收状态,表明手机正在传送数据。当数据传送完成,手机转移至short DRX,等待传送数据,此时,如果还有后续数据要传,手机将返回连续接收状态。如果没有后续数据再传,手机将进一步转移至long DRX。

  手机处于long DRX,就意味着准备进入RRC_IDLE状态,如果此时还有后续数据要传,同样也会返回到连续接收状态;如果没有,手机将转移至RRC_IDLE状态。

  无论是连续接收状态,还是short DRX、long DRX,都需要去监听是否有数据传输,此时手机发射功率较高。 当手机进入RRC_IDLE状态,手机发射功率非常低,使用小于15毫瓦功率。

  综上我们可知,RRC状态机制不仅影响功耗,而且影响时延。

  再来看看5G NR引入的RRC INACTIVE状态。在RRC INACTIVE状态下,终端处于省电的“睡觉”状态,但它仍然保留部分RAN上下文(安全上下文,UE能力信息等),始终保持与网络连接,并且可以通过类似于寻呼的消息快速从RRC INACTIVE状态转移到RRC CONNECTED状态,且减少信令数量。

  RRC是一个复杂的话题,它几乎涉及到整个协议栈。目前3GPP引入了新的状态,但更多细节还待进一步研究(FFS),协议38.331中将定义RRC规范,相信不用太久我们就会看到更多的细节。

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