TD-LTE信令流程1_图文

LTE信令流程

研究院无线所 2010年12月

主要内容
基本概念
网络架构 协议栈结构 接口功能 无线网系统消息 UE的工作模式与状态 无线承载的分类 UE标识

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

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

移动性管理
TAU 切换 小区重选

附录

E-UTRAN网络结构
基 本 概 念 网络架构

LTE网络架构

LTE主要3GPP规范见附录

网络实体
基 本 概 念 网络架构

LTE网络实体
整个TD-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 S-GW P-GW (Mobility Management Entity, 负责信令处理部分) (Serving Gateway , 负责本地网络用户数据处理部分) (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

EPC与E-UTRAN功能划分
基 本 概 念 网络架构

EUTRAN

EPC

EPC与E-UTRAN功能简述
基 本 概 念 网络架构

功能概述
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

网元间控制面整体协议栈
基 本 概 念 协议栈结构
NAS Relay RRC PDCP RLC MAC L1 UE LTE-Uu RRC PDCP RLC MAC L1 eNodeB S1-AP SCTP IP L2 L1 S1-MME S1-AP SCTP IP L2 L1 MME NAS

控制面协议栈
没有RNC,空中接口的控制平面(RRC)功能由eNB进行管理和控制

网元间用户面整体协议栈
基 本 概 念 协议栈结构

用户面协议栈
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

用户面协议内部的关系
基 本 概 念 协议栈结构

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

Uu口控制面协议栈
基 本 概 念
UE NAS RRC PDCP RLC MAC PHY RRC PDCP RLC MAC PHY eNB MME NAS

协议栈结构

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

LTE控制面
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

Uu口用户面协议栈
基 本 概 念 协议栈结构

与3G的异同
UE PDCP RLC MAC PHY eNB PDCP RLC MAC PHY

LTE用户面
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

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

E-UTRAN接口通用协议模型
基 本 概 念 接口功能

LTE接口通用模型
适用于E-UTRAN相关的所有接口,即S1和X2接口 控制面和用户面相分离,无线网络层与传输网络层相分离 无线网络层:实现E-UTRAN的通信功能 传输网络层:采用IP传输技术对用户面和控制面数据进行传输

S1接口协议栈
基 本 概 念 接口功能

S1接口

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;

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; 错误处理机制; MBMS支持功能; 分组丢失检测机制;

X2接口协议栈
基 本 概 念 接口功能

X2接口

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

与3G Iu-PS接口协议架构比较
基 本 概 念 接口功能

3G Iu-PS接口通用模型
控制面:在Release 99中,采用7号信令系统协议承载信令;在Release 5 之后的版本,控制信令直接用IP承载; 用户面:Release 99 PS域,分组数据量在一个或多个AAL5永久虚电路上 复用;在Release 5之后,直接采用IP传输,与LTE架构相同;

系统消息(36.331)
基 本 概 念 无线网系统消息

LTE系统消息
系统消息的组成
MasterInformationBlock(MIB) 多个SystemInformationBlocks (SIBs)

MIB
承载于BCCH → BCH → PBCH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

PBCH时域映射结构

PBCH频域映射结构

系统消息(36.331)
基 本 概 念 无线网系统消息

LTE系统消息 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

各系统消息作用
基 本 概 念 无线网系统消息

系统消息功能说明

系统消息获取
基 本 概 念
UE E-UTRAN

无线网系统消息

MasterInformationBlock SystemInformationBlockType1

SystemInformation

系统消息信令流程
UE通过E-UTRAN广播消息获取AS和NAS系统消息 此过程适用于RRC-IDLE和RRC_CONNECTED状态
开机选网和小区重选时 切换完成或从另一个RAT切换到E-UTRAN时 重新返回覆盖区域时 当系统消息改变时 当出现接收ETWS指示时 upon receiving a request from CDMA2000 upper layers upon exceeding the maximum validity duration (3h)

3GPP各状态间转换
基 本 概 念 UE的工作模式与状态

各系统状态转移图
GSM_Connected CELL_DCH Handover E-UTRA RRC_CONNECTED Handover GPRS Packet transfer mode CCO, Reselection Connection establishment/release

CELL_FACH CCO with optional NACC Reselection Connection establishment/release

CELL_PCH URA_PCH Connection establishment/release UTRA_Idle

Reselection

E-UTRA RRC_IDLE

Reselection CCO, Reselection

GSM_Idle/GPRS Packet_Idle

当存在RRC连接时,UE处于RRC连接状态,否则为RRC IDLE状态 TS 36.331 4.2

UE各状态说明
基 本 概 念 UE的工作模式与状态

RRC状态
状态 PLMN选择 NAS配置的DRX过程 系统信息广播和寻呼 RRC_IDLE 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 行为

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 RRC_CONNECTED 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DRX

RRC信令消息简化
基 本 概 念 UE的工作模式与状态

Radio Bearer Setup (无线承载建立) Radio Bearer Release (无线承载释放) Radio Bearer Reconfiguration (无线承载重配置) Transport Channel Reconfiguration (传输信道重配置) TransportFormatCombinationControl (传输格式组合控制) Physical Channel Reconfiguration (物理信道重配置) Measurement Control (测量控制)

RRC信令简化
RRC Connection Reconfiguration (RRC连接重配置)

LTE中的承载
基 本 概 念 无线承载的分类

Bear(承载) in LTE
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
E-UTRAN EPC Internet

UE

eNB

S-GW

P-GW

Peer Entity

End-to-end Service

EPS Bearer

External Bearer

E-RAB Radio Bearer S1 Bearer

S5/S8 Bearer

Radio

S1

S5/S8

Gi

无线承载分类
基 本 概 念 无线承载的分类

根据承载内容分类
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 每种SRB可承载信令内容见附录

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

NAS消息其他承载方式
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:
SRB1承载) RRCConnectionSetupComplete 和 RRCConnectionReconfiguration (由SRB1承载) RRCConnectionSetupComplete(只携带NAS的初始直传消息) NAS消息种类见附录

ULInformationTransfer 和 DLInformationTransfer (由SRB2承载,SRB2未建立时由

小区内UE标识(1)
基 本 概 念 UE标识

标识类型 RA-RNTI T-CRNTI C-RNTI SPSCRNTI P-RNTI SI-RNTI

应用场景

获得方式

有效范围 小区内 小区内 小区内 小区内 全网相同 全网相同

是否与终端/ 卡设备相关 否 否 否 否 否 否

随机接入中用于指示接 根据占用的时频资源计算获得( 0001~003C) 收随机接入响应消息 随机接入中,没有进行 竞争裁决前的CRNTI 用于标识RRC Connect 状态的UE 半静态调度标识 寻呼 系统广播 eNB在随机接入响应消息中下发 给终端(003D~FFF3) 初始接入时获得(T-CRNTI升级 为C-RNTI) (003D~FFF3) eNB在调度UE进入SPS时分配 (003D~FFF3) FFFE(固定标识) FFFF(固定标识)

核心网UE标识(2)
基 本 概 念 UE标识

用户标识 IMSI

名称 International Mobile Subscriber Identity International Mobile Equipment Identity IMEI and Software Version Number

来源 SIM卡

作用 UE在首次ATTACH时需要携带IMSI信息,网 络也可以通过身份识别流程要求UE上报IMSI 参数 国际移动台设备标识,唯一标识UE设备,用 15个数字表示 携带软件版本号的国际移动台设备标识,用 16个数字表示

IMEI
IMEISV

终端
终端

S-TMSI

GUTI

SAE临时移动标识,由MME分配。与UMTS SAE Temporary Mobile MME产生并维 的P-TMSI格式类似,用于NAS交互中保护用 Station Identifier 护 户的IMSI 全球唯一临时标识,在网络中唯一标识UE, 可以减少IMSI,IMEI等用户私有参数暴露在 Globally Unique MME产生并维 网络传输中.第一次attach时UE携带IMSI,而 Temporary Identifier 护 之后MME会将IMSI和GUTI进行一个对应, 以后就一直用GUTI,通过attachaccept带给 UE;TMSI信息是GUTI的一部分

主要内容
基本概念
网络架构 协议栈结构 接口功能 无线网系统消息 UE的工作模式与状态 无线承载的分类 UE标识

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

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

移动性管理
TAU 切换 小区重选

附录

随机接入过程(36.300)
无线网基本信令流程 随机接入

随机接入实现的基本功能
申请上行资源 与eNodeB间的上行时间同步

随机接入的使用场景
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 非 竞 争 接 入 过 程 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

基于竞争的随机接入(2-1)
无线网基本信令流程 随机接入

基于竞争的随机接入过程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

1

Msg2:随机接入响应
Msg2由eNB的MAC层组织,并由 3 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

2

4

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

基于竞争的随机接入(2-2)
无线网基本信令流程 随机接入

基于竞争的随机接入过程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
初始接入和连接重建场景 竞争 判定 调度 切换,上/下行数据到达场景 Msg4携带成功解调的Msg3消息的拷贝,UE UE如果在PDCCH上接收到调度Msg4的命令, 将其与自身在Msg3中发送的高层标识进行比 则竞争成功 较,两者相同则判定为竞争成功 Msg4使用由临时C-RNTI加扰的PDCCH调度 eNB使用C-RNTI加扰的PDCCH调度Msg4 UE之前已分配C-RNTI,在Msg3中也将其传给 eNB。竞争解决后,临时C-RNTI被收回,继续 使用UE原C-RNTI

Msg2中下发的临时C-RNTI在竞争成功后升 C-RNTI 级为UE的C-RNTI

谢谢!


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