5GRRC状态机与状态处理详解

### 5G RRC状态机与状态处理详解 #### 1. 5G RRC状态机基础 5G RAN的RRC状态机由三种RRC状态组成：RRC空闲（RRC Idle）、RRC连接（RRC Connected）和一个新的非活跃状态，这里称为RRC连接非活跃（RRC Connected Inactive）。 RRC状态机的设计是将UE的操作功能映射到无线电资源控制和管理上，以高效支持RRC和RRM程序的不同功能。从UE开机到关机，RRC状态都在被管理。例如，开机后，UE开始搜索公共陆地移动网络（PLMN）。找到网络并注册后，网络接管状态管理，该过程会根据UE的数据活动、网络覆盖和用户移动性继续进行。 假设UE要建立数据连接以下载带有附图的时事通讯，它会从RRC空闲状态转换到RRC连接状态。阅读时事通讯时，UE与网络间的流量活动降低。若UE仍处于RRC连接状态，会造成收发器不必要的功耗和无线电资源分配。若数据传输活动长时间保持低水平，断开连接进入RRC空闲状态可节省电量。但如果用户很快点击时事通讯中的另一个链接，UE必须再次请求整个RRC设置，网络也需重新创建无线电承载，这会消耗大量信令和能量。这种流量最好通过活跃模式和空闲模式之间的中间状态来处理，即低活动状态，在此状态下，连接和安全等耗时功能生成的上下文得以保留，同时UE在低活动期间仍可节省电量。 不同系统的RRC状态有所不同： - **LTE**：有RRC连接和RRC空闲两种状态。RRC连接是活跃UE的状态，可传输和接收用户平面数据及控制平面信令；RRC空闲是低活动UE的节能状态。 - **UMTS**：状态机由一个空闲模式状态和四个连接模式状态组成。空闲模式状态针对低功耗和网络资源消耗进行了优化，UE和网络中都不存储UE上下文；连接模式状态针对高UE活动进行了优化，正常的高数据速率流量以及大部分语音和数据流量在此状态下传输和接收，UE的RAN上下文存储在UE和网络中。UMTS连接模式还包含低功耗状态，在此状态下，UE仍连接到网络并监听寻呼和广播信道，但不支持上行数据传输，除非转换到活跃连接状态。 5G RAN的状态机设计具有挑战性，因为5G用例数量众多，需求多样甚至相互矛盾。5G的状态处理机制需要考虑所有5G用例，是5G设计的关键组件。用户平面和控制平面的延迟应较低，与现有蜂窝系统相比需显著降低，这能提供良好的用户体验并改善UE的电池寿命，使设备能更多时间处于低功耗状态。 5G状态机的三种状态及相关状态转换过程如下： - **RRC连接状态**：针对高UE活动进行了优化，与LTE中的RRC连接状态类似，UE上下文存储在网络和UE中，UE移动性由网络控制，UE位置在小区级别可知。 - **RRC空闲状态**：不存储UE上下文，此状态的使用可能仅限于开机和故障恢复程序。 - **RRC连接非活跃状态**：作为低活动UE状态提出。该状态会在UE和网络中保留UE上下文，避免设置无线电承载和安全，RAN与CN之间的连接保持活跃。从RRC连接转换到RRC连接非活跃时，UE和网络会保留已配置的接入层（AS）状态信息；转换回RRC连接时，无需整个配置信令即可恢复AS状态。进入该状态时，仅释放专门分配给UE的无线电资源，其他UE可使用。在该状态下，UE通过基站提供的唯一UE ID向RAN标识自己，可在RAN的预定义区域内进行小区重选，无需通知网络。考虑到大量用例，UE行为可根据其服务要求进行配置，该状态的可配置性是区分不同服务要求下UE行为的关键特征。 5G RRC状态的具体特征如下表所示： | 5G状态 | 移动性程序 | 监控专用物理信道 | DL信道监控允许模式 | UE位置已知级别 | 允许上行活动 | RAN上下文信息存储 | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | RRC空闲 | 小区选择和重选 | 否 | 带DRX的不连续 | 跟踪区域列表级别 | 否 | 否 | | RRC连接非活跃 | 小区选择和重选 | 可配置，是/否 | 带DRX的不连续 | RAN跟踪区域级别 | 可配置，基于竞争的UL数据 | 是 | | RRC连接 | 网络控制的切换 | 是 | 连续和带DRX的不连续 | 小区级别 | 是 | 是 | 下面是5G RRC状态机的mermaid流程图： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A([开机]):::startend --> B(RRC空闲):::process B --> C(RRC连接):::process C --> D(RRC连接非活跃):::process D --> C C --> B B --> E([关机]):::startend C --> F([连接失败]):::startend D --> F ``` #### 2. 连接非活跃状态的移动性程序 RRC连接非活跃状态下的移动性程序与小区选择和重选、位置跟踪、位置更新以及通过寻呼找到UE有关。此状态下的移动性基于UE执行的小区选择和重选，类似于LTE RRC空闲状态下的小区（重）选择。对于处于RRC连接非活跃状态的UE，5G CN - RAN连接（包括控制平面和用户平面）保持建立。为避免CN - RAN接口频繁切换路径，允许的RAN跟踪区域（RTA）内的小区重选对CN不可见，因此CN - RAN接口路径和UE上下文保留在最后服务的基站（gNB），即暂停UE从RRC连接到RRC连接非活跃状态的gNB。该gNB可充当移动性锚点，使CN - RAN接口的控制平面和用户平面保持不变。 如果处于连接非活跃状态的UE移出RTA，则需要进行位置更新，可采用定期更新或RTA更新的形式。UE当前所在的gNB将UE的当前小区或RTA（即位置）发送给锚点gNB，锚点gNB可在CN - RAN接口上发起重定位，并将锚点gNB角色移交给当前gNB。 锚点gNB收到下行数据包时会在RAN中发起寻呼。收到UE的寻呼响应后，锚点gNB将UE上下文数据和缓冲的下行数据包传递给UE所在的当前gNB，当前gNB成为新的服务gNB，将UE重新配置为RRC连接状态并执行所需的路径切换程序。 在UE发起的连接中，当前访问的gNB将根据UE报告的最后服务小区ID从锚点gNB检索UE上下文，并缓冲上行数据包，直到完成所需的路径切换。如果UE未离开锚点gNB，UE上下文立即可用，无需进行路径切换。 连接非活跃状态下的整体移动性程序（包括RRC连接和RRC连接非活跃之间的状态转换）如下： 1. UE检测到非活动状态，发送RRC暂停请求。 2. 最后服务的gNB收到请求后，暂停UE的活跃连接，进入RRC连接非活跃状态。 3. 若UE移出RTA，当前gNB向锚点gNB发送位置信息，锚点gNB进行重定位和角色移交。 4. 锚点gNB收到下行数据包时发起寻呼。 5. UE收到寻呼消息后，恢复RRC连接。 其mermaid流程图如下： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-wi ```