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1、黄勇 2013年08月,TD-LTE信令流程分析,主要内容,基本概念 网络架构 协议栈结构 接口功能 UE的工作模式与状态 无线承载的分类 NAS消息分类 空口基本信令流程 系统消息 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 Service Request过程 专用承载建立流程 专用承载修改流程 专用承载释放流程 S1释放流程 移动性管理 TAU 切换 小区重选 附录,LTE网络结构,MME：移动性管理实体 PCRF：负责策略和计费控制 SGSN：业务GPRS支撑节点 HSS： 归属用户服务器,网络实体,整个TD
2、-LTE系统由3部分组成： 核心网（EPC, Evolved Packet Core ） 接入网（eNodeB） 用户设备（UE） EPC分为三部分： MME (Mobility Management Entity, 负责信令处理部分） S-GW (Serving Gateway , 负责本地网络用户数据处理部分） P-GW (PDN Gateway，负责用户数据包与其他网络的处理 ) 接入网（也称E-UTRAN）由eNodeB构成 网络接口 S1接口：eNodeB与EPC X2接口：eNodeB之间 Uu接口：eNodeB与UE,NOTE: 和UMTS相比，由于NodeB 和 RNC 融合为
3、网元eNodeB ,所以TD-LTE少了Iub接口。X2接口类似于Iur接口，S1接口类似于Iu接口,LTE网络实体,EPC与E-UTRAN功能划分,EPC,EUTRAN,UU,LTE中核心网演进方向为EPC演进核心网（Evolved Packet Core），包含MME （Mobility Management Entity）和S-GW（Serving Gateway），无线接入网UTRAN（Universal Terrestrial Radio Access Network）演进方向为EUTRAN（Evolved UTRAN）。EPC和EUTRAN合称EPS演进分组系统（Evolved P
4、acket System）,EPC与E-UTRAN功能划分,EPC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；
5、 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、合法监听、上下行业务级的收费、上下行业务级速率控制等,功能概述,网元间控制面整体协议栈,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 与3G的异同： 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，而LTE仅存在一个MAC实体,控
6、制面协议栈,网元间用户面整体协议栈,安全方面的功能，用户面的加密和解密功能由PDCP子层完成，而3G中用户数据的加密和解密由RLC和MAC层完成 仅存在一个MAC实体 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,用户面协议栈,网元间用户面整体协议栈,用户面协议内部的关系,层2协议架构（DL）,层2协议架构（UL）,逻辑信道、传输信道和物理信道映射关系见附录,用户面协议内部的关系,MAC（Media Access Control）功能： 信道映射 传输格式选择（调制方式、信道编码） 逻辑信道复用、解复用 动态调度 混合重传,用户面协议内部的关系,RLC（Radio Li
7、nk Control）功能： 分段和级联 ARQ功能 轮询 重组 重排序 按序递交 RLC重建立 PDU重分段,用户面协议内部的关系,PDCP（Packet Data Convergence Protocol ）功能： 头压缩和解压缩 用户数据传输 支持无损SRNS重定位 完整性保护(控制面) 加密/解密(用户面) 重复检测(重建立) 定时丢弃(QOS低时延),用户面协议内部的关系,S1接口协议栈,UDP/IP之上的GTP-U用来传输S-GW与eNB之间的用户平面PDU S1用户面主要功能为: 在S1接口目标节点中指示数据分组所属的SAE接入承载； 移动性过程中尽量减少数据的丢失； 错误处理机
8、制； MBMS支持功能； 分组丢失检测机制；,控制层为了可靠的传输信令消息，在IP层之上添加了SCTP S1控制面主要功能： EPC承载服务管理功能； S1 接口UE上下文释放功能； ACTIVE状态下UE的移动性管理功能 S1接口的寻呼； NAS信令传输功能； 漫游于区域限制支持功能； NAS节点选择功能； 初始上下文建立过程；,S1接口,X2接口协议栈,X2接口用户面提供eNB之间的用户数据传输功能 X2-U接口协议栈与S1-U接口协议栈完全相同,LTE系统X2接口的定义采用了与S1接口一致的原则 X2接口应用层协议主要功能： 支持LTE_ACTIVE状态下UE的LTE接入系统内的移动性管
9、理功能； X2接口自身的管理功能，如错误指示、X2接口的建立与复位，更新X2接口配置数据等； 负荷管理功能。,X2接口,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RRC IDLE状态,各系统状态转移图,UE各状态说明,RRC状态,LTE中的承载,Radio Bearer承载空口RRC信令和NAS信令 S1 Bearer 承载eNB与MME间S1-AP信令 NAS消息也可作为NAS PDU附带在RRC消息中发送,Bear(承载) in LTE,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
10、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） RRCConnecti
11、onSetupComplete 和 RRCConnectionReconfiguration （由SRB1承载） RRCConnectionSetupComplete（只携带NAS的初始直传消息）,每种SRB可承载信令内容见附录,NAS消息种类见附录,根据承载内容分类,NAS消息其他承载方式,NAS消息,NAS消息可分为ESM消息和EMM消息，具体如下： ESM (EPS session management)EPS会话管理，建立和维护UE和PDN GW之间的IP连接。包括：1）网络侧激活、去激活和修改EPS承载上下文；2）UE请求资源(跟PDN的IP连接，以及专用承载资源) EMM（EPS
12、Mobility Management）的一般过程主要包括：GUTI(全球唯一临时标识)重分配过程、鉴权过程、安全模式命令过程、标识过程、Attach、Detach等几个模块功能。这些过程都是在非接入层信令连接建立基础上才发起的。,二、空口基本信令流程,系统消息 随机接入 寻呼 RRC连接建立、重配、重建立、释放 测量,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，
13、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,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 (System Information)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（SFN mod 2 = 0，SFN mod 8 0）一次，如果满足SFN mod 8 = 0时，SIB1的内容可能改变，新传
14、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,各系统消息作用,系统消息功能说明,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
15、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: Timing Advance）,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
16、 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Msg3，并映射到UL-SCH上的CCCH逻辑信道上发送,基于竞争的随机接入过程2-1,基于竞争的随机接入过程2-2,基于竞争的随机接入（2-2）,针对不同的场景，Msg3包含不同的内容 初始接入：携带RRC层生成的RRC连接请求，包含UE的S-TMSI或随机数 连接重建：携带RRC层生成的RRC连接重建请求，C-RNTI和PCI 切换：传输RRC层生成的RRC切换完成消息以及UE的C-RNTI 上/下行数据到达：传输UE的C-RNTI Msg4：竞争解决,基于非竞争的随机接入,UE根据eNB的指示，在指定的PRA
