4、LTE信令流程分析

LTE信令流程北京阿法迪信息技术研究中心业务总体流程网络侧启动1.初始化设备2.进行系统广播第一步手机开机1.PLMN选择2.小区驻留3.位置登记4.等待呼叫第二步被呼第三步RRC连接建立第四步安全激活第五步RRC连接重配置第六步切换第六步SRB2/DRB重配置第六步物理信道重配置第六步传输信道重配置第六步TA更新第六步小区更新第六步IRAT切换第七步RRC连接释放第八步重新待机1.小区选择2.等待呼叫第六步测量控制主要内容•基本概念–网络架构–协议栈结构–接口功能•无线网基本信令流程–随机接入–寻呼–RRC连接建立、重配、重建立、释放–测量•端到端业务建立/释放相关流程–Attach流程–Detach流程–ServiceRequest过程•移动性管理–TAU–切换–小区重选•附录EPC与E-UTRAN功能划分EPCEPCEUTRANEUTRANEPC与E-UTRAN功能简述•eNB功能：–无线资源管理相关的功能，包括无线承载控制、接纳控制、连接移动性管理、上/下行动态资源分配/调度等；–IP头压缩与用户数据流加密；–UE附着时的MME选择；–提供到S-GW的用户面数据的路由；–寻呼消息的调度与传输；–系统广播信息的调度与传输；–测量与测量报告的配置。•MME功能：–寻呼消息分发，MME负责将寻呼消息按照一定的原则分发到相关的eNB；–安全控制；–空闲状态的移动性管理；–EPC承载控制；–非接入层信令的加密与完整性保护。•服务网关功能：–终止由于寻呼原因产生的用户平面数据包；–支持由于UE移动性产生的用户平面切换。•PDN网关功能：–逐用户数据包的过滤和检查–用户IP分配功能概述功能概述网元间控制面整体协议栈•没有RNC，空中接口的控制平面（RRC）功能由eNB进行管理和控制控制面协议栈控制面协议栈SCTPL2L1IPL2L1IPSCTPS1-MMEeNodeBMMES1-APS1-APNASMACL1RLCPDCPUERRCMACL1RLCPDCPRRCLTE-UuNASRelay网元间用户面整体协议栈•用户面和控制面协议栈均包含PHY,MAC,RLC和PDCP层，控制面向上还包含RRC层和NAS层•没有了RNC，空中接口的用户平面（MAC/RLC）功能由eNB进行管理和控制用户面协议栈用户面协议栈Uu口控制面协议栈•控制平面RRC协议数据的加解密和完整性保护功能，在LTE中交由PDCP层完成•RRC子层主要承担广播、无线接口寻呼、RRC连接管理、无线承载控制、移动性管理、UE测量上报和控制等功能•仅存在一个MAC实体LTE控制面LTE控制面•3G中控制平面不存在PDCP协议栈，由RLC层提供无线信令承载SRB•RLC层依然提供TM/UM/AM三种传输模式•3G中UM/AM传输模式下的加密由RLC层实现，TM模式下的加密由MAC层实现•3G中含有多个MAC实体：MAC-b,MAC-c/sh,MAC-d,MAC-hs与3G的异同与3G的异同Uu口用户面协议栈•安全方面的功能，用户面的加密和解密功能由PDCP子层完成•仅存在一个MAC实体LTE用户面LTE用户面•3G中PDCP层仅用于承载PS业务，广播和多播业务由BMC层协议承载•3G中用户数据的加密和解密由RLC和MAC层完成•3G中含有多个MAC实体：MAC-b,MAC-c/sh,MAC-d,MAC-hs•RLC层依然提供TM/UM/AM三种传输模式与3G的异同与3G的异同系统消息（36.331）•系统消息的组成–MasterInformationBlock(MIB)–多个SystemInformationBlocks(SIBs)•MIB–承载于BCCH→BCH→P-BCH上–包括有限个用以读取其他小区信息的最重要、最常用的传输参数（系统带宽，系统帧号，PHICH配置信息）–时域：紧邻同步信道，以10ms为周期重传4次–频域：位于系统带宽中央的72个子载波LTE系统消息LTE系统消息PBCH时域映射结构PBCH频域映射结构系统消息（36.331）•SIBs–除MIB以外的系统消息，包括SIB1-SIB12–除SIB1以外，SIB2-SIB12均由SI(SystemInformation)承载–SIB1是除MIB外最重要的系统消息，固定以20ms为周期重传4次，即SIB1在每两个无线帧（20ms）的子帧#5中重传（SFNmod2=0，SFNmod8≠0）一次，如果满足SFNmod8=0时，SIB1的内容可能改变，新传一次。–SIB1和所有SI消息均传输在BCCH→DL-SCH→PDSCH上–SIB1的传输通过携带SI-RNTI（SI-RNTI每个小区都是相同的）的PDCCH调度完成–SIB1中的SchedulingInfoList携带所有SI的调度信息，接收SIB1以后，即可接收其他SI消息LTE系统消息LTE系统消息各系统消息作用系统消息功能说明系统消息功能说明3GPP各状态间转换当存在RRC连接时，UE处于RRC连接状态，否则为RRCIDLE状态TS36.3314.2当存在RRC连接时，UE处于RRC连接状态，否则为RRCIDLE状态TS36.3314.2HandoverCELL_PCHURA_PCHCELL_DCHUTRA_IdleE-UTRARRCCONNECTEDE-UTRARRCIDLEGSM_Idle/GPRSPacket_IdleGPRSPackettransfermodeGSM_ConnectedHandoverReselectionReselectionReselectionConnectionestablishment/releaseConnectionestablishment/releaseConnectionestablishment/releaseCCO,ReselectionCCOwithoptionalNACCCELL_FACHCCO,Reselection各系统状态转移图各系统状态转移图UE各状态说明状态行为PLMN选择NAS配置的DRX过程系统信息广播和寻呼邻小区测量小区重选的移动性UE获取1个TA区内的唯一标识eNodeB内无终端上下文网络侧有UE的上下文信息网络侧知道UE所处小区网络和终端可以传输数据网络控制终端的移动性邻小区测量存在RRC连接:UE可以从网络侧收发数据监听共享信道上指示控制授权的控制信令UE可以上报信道质量给网络侧UE可以根据网络配置进行DRXRRC_CONNECTEDRRC_IDLERRC状态RRC状态LTE中的承载•RadioBearer承载空口RRC信令和NAS信令•S1Bearer承载eNB与MME间S1-AP信令•NAS消息也可作为NASPDU附带在RRC消息中发送Bear(承载)inLTEBear(承载)inLTE无线承载分类•数据承载为DRB，通过eNB为其分配的PDSCH来承载•信令承载通过SRB，LTE中有三类SRB–SRB0：承载RRC消息，映射到CCCH信道–SRB1：承载RRC消息，也可承载NAS消息，映射到DCCH信道–SRB2：承载NAS消息，映射到DCCH信道–UE的RRC连接未建立时，由SRB0承载RRC信令；SRB2未建立时，由SRB1承载NAS信令•由于带宽增加，数据传输性能增强，LTE的RRC消息的数据携带能力显著提升；因此LTE中所有NAS消息可填充在RRC消息中携带传输，进一步精简了信令流程•NAS消息通过四条RRC消息传递：–ULInformationTransfer和DLInformationTransfer（由SRB2承载，SRB2未建立时由SRB1承载）–RRCConnectionSetupComplete和RRCConnectionReconfiguration（由SRB1承载）–RRCConnectionSetupComplete（只携带NAS的初始直传消息）根据承载内容分类根据承载内容分类NAS消息其他承载方式NAS消息其他承载方式随机接入过程（36.300）–申请上行资源–与eNodeB间的上行时间同步–从RRC-IDLE状态到RRC-CONNECT的状态转换，即RRC连接过程，如初始接入和TAU更新–无线链路失败后的初始接入，即RRC连接重建过程–在RRC-CONNECTED状态，未获得上行同步但需发送上行数据和控制信息或虽未上行失步但需要通过随机接入申请上行资源–在RRC-CONNECTED状态，从服务小区切换到目标小区–在RRC-CONNECTED状态，未获得上行同步但需接收下行数据–在RRC-CONNECTED状态，UE位置辅助定位需要，网络利用随机接入获取时间提前量（TA:TimingAdvance）竞争接入过程非竞争接入过程随机接入实现的基本功能随机接入实现的基本功能随机接入的使用场景随机接入的使用场景基于竞争的随机接入（2-1）•UE随机选择preamble码发起•Msg1：发送Preamble码–eNB可以选择64个Preamble码中的部分或全部用于竞争接入–Msg1承载于PRACH上•Msg2：随机接入响应–Msg2由eNB的MAC层组织，并由DL_SCH承载–一条Msg2可同时响应多个UE的随机接入请求–eNB使用PDCCH调度Msg2，并通过RA-RNTI进行寻址，RA-RNTI由承载Msg1的PRACH时频资源位置确定–Msg2包含上行传输定时提前量、为Msg3分配的上行资源、临时C-RNTI等•Msg3：第一次调度传输–UE在接收Msg2后，在其分配的上行资源上传输Msg31234基于竞争的随机接入过程2-1基于竞争的随机接入过程2-1基于非竞争的随机接入•UE根据eNB的指示，在指定的PRACH上使用指定的Preamble码发起随机接入•Msg0：随机接入指示–对于切换场景，eNB通过RRC信令通知UE–对于下行数据到达和辅助定位场景，eNB通过PDCCH通知UE•Msg1：发送Preamble码–UE在eNB指定的PRACH信道资源上用指定的Preamble码发起随机接入•Msg2：随机接入响应–Msg2与竞争机制的格式与内容完全一样，可以响应多个UE发送的Msg1基于非竞争的随机接入过程基于非竞争的随机接入过程•由网络向空闲态或连接态的UE发起•Paging消息会在UE注册的所有小区发送（TA范围内）–核心网触发：通知UE接收寻呼请求（被叫，数据推送）–eNodeB触发：通知系统消息更新以及通知UE接收ETWS等信息寻呼（36.300，36.331）•在S1AP接口消息中，MME对eNB发paging消息，每个paging消息携带一个被寻呼UE信息•eNB读取Paging消息中的TA列表，并在其下属于该列表内的小区进行空口寻呼•若之前UE已将DRX消息通过NAS告诉MME，则MME会将该信息通过paging消息告诉eNB•空口进行寻呼消息的传输时，eNB将具有相同寻呼时机的UE寻呼内容汇总在一条寻呼消息里•寻呼消息被映射到PCCH逻辑信道中，并根据UE的DRX周期在PDSCH上发送寻呼的发送寻呼的发送寻呼消息的读取•UE寻呼消息的接收遵循DRX的原则–UE根据DRX周期在特定时刻根据P-RNTI读取PDCCH–UE根据PDCCH的指示读取相应PDSCH，并将解码的数据通过寻呼传输信道（PCH）传到MAC层。PCH传输块中包含被寻呼UE标识（IMSI或S-TMSI），若未在PCH上找到自己的标识，UE再次进入DRX状态•3G中UE也遵循DRX周期读取寻呼消息，但有专用的寻呼信道PICH和PCH寻呼的读取寻呼的读取RRC协议介绍RRC协议介绍控制面协议——RRC协议•RRC协议功能–为NAS层提供连接管理、消息传递等服务–对接入网的底层协议实体提供参数配置的功能–负责UE移动性管理相关的测量、控制等功能•RRC协议承载——SRBSRB类别承载逻辑信道承载消息类别承载消息内容SRB0CCCHRRC消息RRC连接请求，RRC连接建立，RRC连接拒绝，RRC连接重建立请求，RRC连接重建立，RRC连接重建立拒绝SRB1