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            5G RRC引入新狀態可減少信令與功耗
            2017-11-24 09:20:05   來源:   評論:0 點擊:

            手機和網絡通過無線信道相互通信,彼此交換大量的信息,因此雙方需要一種控制機制來交換配置信息并達成一致,這種控制機制就是RRC,即無線資源控制,我們可以把它理解為終端UE和網絡相互溝通的共同語言。

              手機和網絡通過無線信道相互通信,彼此交換大量的信息,因此雙方需要一種控制機制來交換配置信息并達成一致,這種控制機制就是RRC,即無線資源控制,我們可以把它理解為終端UE和網絡相互溝通的共同語言。

            在3G和4G網絡中,RRC狀態機和狀態轉換機制并不相同,對于5G NR,又會有什么不同嗎?

             

              是的,5G與3G/4G并不相同,相較于4G LTE只有RRC IDLE和RRC CONNECTED兩種RRC狀態,5G NR引入了一個新狀態——RRC INACTIVE。

            5G NR RRC狀態轉換

                    5G NR可以在RRC IDLE、RRC CONNECTED和RRC INACTIVE三種狀態間轉換,同時也能與LTE/UMTS/GSM實現交互的狀態轉換。

             

            5G NR RRC與LTE RRC之間狀態轉換

             

            如上圖所示,當5G NR處于RRC INACTIVE和RRC IDLE狀態時,可重選至LTE;LTE在RRC IDLE狀態下也可重選至5G,但不能重選至5G NR RRC INACTIVE狀態。

            5G NR RRC與UMTS / GSM RRC之間狀態轉換

             

            如上圖所示,5G NR處于RRC INACTIVE和RRC IDLE狀態時,均可重選至UMTS空閑狀態;在空閑狀態下的UMTS也能重選至5GRRC IDLE狀態,但不能重選至5G NR RRC INACTIVE狀態。同時,3G UMTS在CELL_FACH、CELL_PCH和URA_PCH狀態下,均可重選至5G NR IDLE狀態,但5G NR RRC INACTIVE狀態下不能重選至3G UMTS的CELL_FACH、CELL_PCH和URA_PCH狀態。

            但在RRC INACTIVE狀態下,5G NR并不支持與GSM之間的重選或CCO。

            5G為何引入RRC INACTIVE狀態?

            原因很簡單,為了減少信令和功耗。

             

              5G要面向萬物互聯,要連接大量的依靠電池供電的終端,這些終端的電池壽命動輒需維持5-10年,否則維護成本太高。同時,關鍵任務型物聯網要求超低的時延,任務觸發時,首個數據包必須快速的傳送到網絡或終端。此外,在大規模物聯網下,大量的設備零星傳送少量的數據,會帶來過高的信令開銷。

              一邊是功耗,一邊是快速接入,還要減少信令開銷,要兼顧三者,5G就引入了RRC INACTIVE狀態。

              為了加深理解,我們來回顧一下3G和4G時代的RRC狀態轉移機制。

              你會發現當手機設置為飛行模式時充電更快,這是因為影響手機耗電的主要原因是與網絡的連接,因此,為了省電,通信工作者們在設計網絡協議時,會想盡辦法讓手機“睡覺”,減少與網絡連接,減少信號發射。

              其中一個偉大的省電計劃就是——RRC狀態轉移。

              你用手機上網,無非就幾個步驟:掏出手機—>刷朋友圈—>曬照片—>關閉屏幕—>放進褲袋,這個過程背后,手機至少要經歷兩種模式轉換:空閑模式(待機)和連接模式(上網、通話)。同時,網絡要響應你的每一步動作,也需要完成RRC狀態的轉移。

              先以3G WCDMA為例,我們把手機狀態主要分為三個狀態:IDLE 、 CELL_DCH、CELL_FACH,下面這張圖是WCDMA RRC狀態轉移圖。

            1)IDLE狀態下,手機關閉無線發射,省電。當開始傳送數據時,手機會開啟無線發射,手機狀態從IDLE轉移到CELL_DCH狀態,這一狀態轉移是有時延的。

            2)手機處于CELL_DCH狀態時,表示手機正在傳送或接收數據。當數據傳送結束,手機會保留CELL_DCH狀態一段時間,以備還有后續數據要傳。假如一段時間內沒有續傳數據,手機會轉移至共享信道FACH,這叫CELL_FACH狀態,這時候相對CELL_DCH模式更省電。CELL_FACH狀態下,手機只傳送信令或少量數據,如果有更多數據內容需要傳送,手機會重新遷移至CELL_DCH狀態,不過這個遷移過程同樣有時延,只是這個時延相對于IDLE遷移至CELL_DCH要短。

            3)在進入CELL_FACH狀態一段時間后,如果沒有數據傳送,手機將遷移至IDLE狀態,關閉無線發射,進入最省電的模式。如果又有數據傳送,這時需要重新遷移至CELL_DCH狀態。

            至于LTE,RRC狀態簡化為只有兩種:RRC_IDLE和RRC_CONNECTED。

             

              由于基于包的數據流通常是突發性的,在沒有數據傳輸的時候,可以通過關閉UE的接收電路來降低功耗,從而提升電池使用時間,為此,LTE采用DRX(Discontinuous Reception,不連續接收)技術。

            下面是一張簡化的LTE RRC狀態轉移圖:

              手機傳送數據時處于連續接收(Continuous Reception)狀態,如果手機停止數據傳送(定時器終止)而進入等待數據傳送,此時,由連續接收狀態轉移至short DRX 和 long DRX 。

              手機處于連續接收狀態,表明手機正在傳送數據。當數據傳送完成,手機轉移至short DRX,等待傳送數據,此時,如果還有后續數據要傳,手機將返回連續接收狀態。如果沒有后續數據再傳,手機將進一步轉移至long DRX。

              手機處于long DRX,就意味著準備進入RRC_IDLE狀態,如果此時還有后續數據要傳,同樣也會返回到連續接收狀態;如果沒有,手機將轉移至RRC_IDLE狀態。

              無論是連續接收狀態,還是short DRX、long DRX,都需要去監聽是否有數據傳輸,此時手機發射功率較高。 當手機進入RRC_IDLE狀態,手機發射功率非常低,使用小于15毫瓦功率。

              綜上我們可知,RRC狀態機制不僅影響功耗,而且影響時延。

              再來看看5G NR引入的RRC INACTIVE狀態。在RRC INACTIVE狀態下,終端處于省電的“睡覺”狀態,但它仍然保留部分RAN上下文(安全上下文,UE能力信息等),始終保持與網絡連接,并且可以通過類似于尋呼的消息快速從RRC INACTIVE狀態轉移到RRC CONNECTED狀態,且減少信令數量。

              RRC是一個復雜的話題,它幾乎涉及到整個協議棧。目前3GPP引入了新的狀態,但更多細節還待進一步研究(FFS),協議38.331中將定義RRC規范,相信不用太久我們就會看到更多的細節。

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