TDD-LTE基本信令流程

1、TDD-LTE 基本信令流程指導書TDD-LTE基本信令流程指導書網(wǎng)版本日期作者審核修改記錄V1.02009-09-14初版目 錄1概述12TDD-LTE網(wǎng)絡結構概述22.1EPC與E-UTRAN功能劃分32.2E-UTRAN接口的通用協(xié)議模型42.3S1接口42.3.1S1接口的用戶平面52.3.2S1接口控制面52.4X2接口62.4.1X2接口用戶平面72.4.2X2接口控制平面73典型信令流程分析93.1開機附著流程93.2UE發(fā)起的service request流程103.3網(wǎng)絡發(fā)起的paging流程113.4關機去附著113.5切換流程123.6空口RRC信令141 概述對信令的理

2、解和熟悉有助于在網(wǎng)絡規(guī)劃和優(yōu)化過程中定位問題，因此是網(wǎng)絡優(yōu)化的必備能力。通常遇到問題，我們需要結合網(wǎng)絡側(cè)（后臺信令跟蹤）和終端側(cè)兩邊的信令，共同分析。本文首先介紹了LTE網(wǎng)絡架構及各個接口；接著詳細描述了TDD-LTE的空口的信令流程，希望對讀者學習LTE有所幫助。2 TDD-LTE網(wǎng)絡結構概述LTE的系統(tǒng)架構分成兩部分，包括演進后的核心網(wǎng)EPC（MME/S-GW）和演進后的接入網(wǎng)E-UTRAN。演進后的系統(tǒng)僅存在分組交換域。LTE接入網(wǎng)僅由演進后的節(jié)點B（evolved NodeB）組成，提供到UE的E-UTRA控制面與用戶面的協(xié)議終止點。eNB之間通過X2接口進行連接，并且在需要通信的兩個

3、不同eNB之間總是會存在X2接口。LTE接入網(wǎng)與核心網(wǎng)之間通過S1接口進行連接，S1接口支持多多聯(lián)系方式。與3G網(wǎng)絡架構相比，接入網(wǎng)僅包括eNB一種邏輯節(jié)點，網(wǎng)絡架構中節(jié)點數(shù)量減少，網(wǎng)絡架構更加趨于扁平化。扁平化網(wǎng)絡架構降低了呼叫建立時延以及用戶數(shù)據(jù)的傳輸時延，也會降低OPEX與CAPEX。由于eNB與MME/S-GW之間具有靈活的連接（S1-flex），UE在移動過程中仍然可以駐留在相同的MME/S-GW上，有助于減少接口信令交互數(shù)量以及MME/S-GW的處理負荷。當MME/S-GW與eNB之間的連接路徑相當長或進行新的資源分配時，與UE連接的MME/S-GW也可能會改變。2.1 EPC與E

4、-UTRAN功能劃分與3G系統(tǒng)相比，由于重新定義了系統(tǒng)網(wǎng)絡架構，核心網(wǎng)和接入網(wǎng)之間的功能劃分也隨之有所變化，需要重新明確以適應新的架構和LTE的系統(tǒng)需求。針對LTE的系統(tǒng)架構，網(wǎng)絡功能劃分如下圖：eNB功能：1） 無線資源管理相關的功能，包括無線承載控制、接納控制、連接移動性管理、上/下行動態(tài)資源分配/調(diào)度等；2） IP頭壓縮與用戶數(shù)據(jù)流加密；3） UE附著時的MME選擇；4） 提供到S-GW的用戶面數(shù)據(jù)的路由；5） 尋呼消息的調(diào)度與傳輸；6） 系統(tǒng)廣播信息的調(diào)度與傳輸；7） 測量與測量報告的配置。MME功能：1） 尋呼消息分發(fā)，MME負責將尋呼消息按照一定的原則分發(fā)到相關的eNB；2） 安全

5、控制；3） 空閑狀態(tài)的移動性管理；4） SAE承載控制；5） 非接入層信令的加密與完整性保護。服務網(wǎng)關功能：1） 終止由于尋呼原因產(chǎn)生的用戶平面數(shù)據(jù)包；2） 支持由于UE移動性產(chǎn)生的用戶平面切換。2.2 E-UTRAN接口的通用協(xié)議模型E-UTRAN接口的通用協(xié)議模型如下圖所示，適用于E-UTRAN相關的所有接口，即S1和X2接口。E-UTRAN接口的通用協(xié)議模型繼承了UTRAN接口的定義原則，即控制面和用戶面相分離，無線網(wǎng)絡層與傳輸網(wǎng)絡層相分離。繼續(xù)保持控制平面與用戶平面、無線網(wǎng)絡層與傳輸網(wǎng)絡層技術的獨立演進，同時減少了LTE系統(tǒng)接口標準化工作的代價。2.3 S1接口S1接口是MME/S-G

6、W網(wǎng)關與eNB之間的接口，S1接口與3G UMTS系統(tǒng)Iu接口的不同之處在于，Iu接口連接包括3G核心網(wǎng)的PS域和CS域，S1接口只支持PS域。2.3.1 S1接口的用戶平面用戶平面接口位于E-NodeB和S-GW之間，S1接口用戶平面（S1-UP）的協(xié)議棧如下圖所示。S1-UP的傳輸網(wǎng)絡層基于IP傳輸，UDP/IP之上的GTP-U用來傳輸S-GW與eNB之間的用戶平面PDU。GTP-U協(xié)議具備以下特點：1） GTP-U協(xié)議既可以基于IPv4/UDP傳輸，也可以基于IPv6/UDP傳輸；2） 隧道端點之間的數(shù)據(jù)通過IP地址和UDP端口號進行路由；3） UDP頭與使用的IP版本無關，兩者獨立。S

7、1用戶面無線網(wǎng)絡層協(xié)議功能：1） 在S1接口目標節(jié)點中指示數(shù)據(jù)分組所屬的SAE接入承載；2） 移動性過程中盡量減少數(shù)據(jù)的丟失；3） 錯誤處理機制；4） MBMS支持功能；5） 分組丟失檢測機制；2.3.2 S1接口控制面S1控制平面接口位于E-NodeB和MME之間，傳輸網(wǎng)絡層是利用IP傳輸，這點類似于用戶平面；為了可靠的傳輸信令消息，在IP曾之上添加了SCTP；應用層的信令協(xié)議為S1-AP。S1接口控制面協(xié)議棧如下圖所示：S1控制面功能：1） SAE承載服務管理功能（包括SAE承載建立、修改和釋放）；2） S1 接口UE上下文釋放功能；3） LTE_ACTIVE狀態(tài)下UE的移動性管理功能（包

8、括Intra-LTE切換和Inter-3GPP-RAT切換）；4） S1接口的尋呼；5） NAS信令傳輸功能；6） S1接口管理功能（包括復位、錯誤指示以及過載指示等）；7） 網(wǎng)絡共享功能；8） 漫游于區(qū)域限制支持功能；9） NAS節(jié)點選擇功能；10） 初始上下文建立過程；11） S1接口的無線網(wǎng)絡層不提供流量控制和擁塞控制功能。2.4 X2接口X2接口是eNB與eNB之間的接口。X2接口的定義采用了與S1接口一致的原則，體現(xiàn)在X2接口的用戶平面協(xié)議結構與控制平面協(xié)議結構均與S1接口類似。2.4.1 X2接口用戶平面X2接口用戶平面提供eNB之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸功能。X2-UP的協(xié)議棧結構如下圖

9、所示，X2-UP的傳輸網(wǎng)絡層基于IP傳輸，UDP/IP協(xié)議之上采用GTP-U來傳輸eNB之間的用戶面PDU。2.4.2 X2接口控制平面X2接口控制平面協(xié)議棧如下圖所示，LTE系統(tǒng)X2接口的定義采用了與S1接口一致的原則，其傳輸網(wǎng)絡層控制平面IP層的上面也采用了SCTP，為信令提供可靠的傳輸。應用層信令協(xié)議表示為X2-AP。X2接口應用層協(xié)議功能：1） 支持LTE_ACTIVE狀態(tài)下UE的LTE接入系統(tǒng)內(nèi)的移動性管理功能；2） X2接口自身的管理功能，如錯誤指示等；3） 上行負荷管理功能。3 典型信令流程分析3.1 小區(qū)搜索小區(qū)搜索過程是UE和小區(qū)取得時間和頻率同步，并檢測小區(qū)ID的過程。E-

10、UTRA系統(tǒng)的小區(qū)搜索過程與UTRA系統(tǒng)的主要區(qū)別是她能夠支持不同的系統(tǒng)帶寬（1.420MHZ）。小區(qū)搜索通過若干下行信道實現(xiàn)，包括同步信道（SCH）、廣播信道（BCH）和下行參考信號（RS）。SCH又分成主同步信道（PSCH）和輔同步信道（SSCH），BCH又分成主廣播信道（PBCH）和動態(tài)廣播信道（DBCH）。除PBCH是以正式“信道”出現(xiàn)的；PSCH和SSCH是純粹的L1信道，不用來傳送L2/L3控制信令，而只用于同步和小區(qū)搜索過程；DBCH最終承載在下行共享傳輸信道（DL-SCH），沒有獨立的信道。下圖為小區(qū)搜索流程：檢測PSCH（用于獲得5ms時鐘，并獲得小區(qū)ID組內(nèi)的具體小區(qū)ID）

11、檢測SSCH（用于獲得無線幀時鐘、小區(qū)ID組、BCH天線配置）檢測下行參考信號（用于獲得BCH天線配置，是否采用位移導頻）讀取BCH（用于獲得其它小區(qū)信息）3.2 隨機接入流程隨機接入分為基于沖突的隨機接入和基于非沖突的隨機接入兩個流程。其區(qū)別為針對兩種流程其選擇隨機接入前綴的方式。前者為UE從基于沖突的隨機接入前綴中依照一定算法隨機選擇一個隨機前綴；后者是基站側(cè)通過下行專用信令給UE指派非沖突的隨機接入前綴。具體流程如下：基于沖突的隨機接入：1) UE在RACH上發(fā)送隨機接入前綴；2) ENb的MAC層產(chǎn)生隨機接入響應，并在DL-SCH上發(fā)送；3) UE的RRC層產(chǎn)生RRC Connecti

12、on Request 并在映射到UL SCH上的CCCH邏輯信道上發(fā)送；4) RRC Contention Resolution 由ENb的RRC層產(chǎn)生，并在映射到DL SCH上的CCCH or DCCH(FFS)邏輯信道上發(fā)送。基于非沖突的隨機接入1) ENb 通過下行專用信令給UE指派非沖突的隨機接入前綴（non-contention Random Access Preamble ），這個前綴不在BCH上廣播的集合中。2) UE在RACH上發(fā)送指派的隨機接入前綴。3) ENb的MAC層產(chǎn)生隨機接入響應，并在DL-SCH上發(fā)送。3.3 開機附著流程3.3.1 正常流程UE剛開機時，先進行物理

13、下行同步，搜索測量進行小區(qū)選擇，選擇到一個suitable或者acceptable小區(qū)后，駐留并進行附著過程。附著流程圖如下：說明：1) 步驟15會建立RRC連接，步驟6、9會建立S1連接，完成這些過程即標志著NAS signalling connection建立完成，見24.301。2) 消息7的說明：UE剛開機第一次attach，使用的IMSI，無Identity過程；后續(xù)，如果有有效的GUTI，使用GUTI attach，核心網(wǎng)才會發(fā)起Identity過程（為上下行直傳消息）。3) 消息1012的說明：如果消息9帶了UE Radio Capability IE，則eNB不會發(fā)送UECap

14、abilityEnquiry消息給UE，即沒有1012過程；否則會發(fā)送，UE上報無線能力信息后，eNB再發(fā)UE Capability Info Indication，給核心網(wǎng)上報UE的無線能力信息。Ø 為了減少空口開銷，在IDLE下MME會保存UE Radio Capability信息，在INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息會帶給eNB，除非UE在執(zhí)行attach或者"first TAU following GERAN/UTRAN Attach" or "UE radio capability update" TAU過

15、程（也就是這些過程MME不會帶UE Radio Capability信息給eNB，并會把本地保存的UE Radio Capability信息刪除，eNB會問UE要能力信息，并報給MME。注："UE radio capability update" TAU is only supported for changes of GERAN and UTRAN radio capabilities in ECM-IDLE.）。Ø 在CONNECTED下，eNB會一直保存UE Radio Capability信息。Ø UE的E_UTRAN無線能力信息如果發(fā)生改變，需

16、要先detach，再attach。4) 發(fā)起UE上下文釋放（即2125）的條件：-eNodeB-initiated with cause e.g. O&M Intervention, Unspecified Failure, User Inactivity, Repeated RRC signalling Integrity Check Failure, Release due to UE generated signalling connection release, etc.; or- MME-initiated with cause e.g. authentication fai

17、lure, detach, etc.5) eNB收到msg3以后，DCM給USM配置SRB1，配置完后發(fā)送msg4給UE；eNB在發(fā)送RRCConnectionReconfiguration前，DCM先給USM配置DRB/SRB2等信息，配置完后發(fā)送RRCConnectionReconfiguration給UE，收到RRCConnectionReconfigurationComplete后，控制面再通知用戶面資源可用。6) 消息1315的說明：eNB發(fā)送完消息13，并不需要等收到消息14，就直接發(fā)送消息15。7) 如果發(fā)起IMSI attach時，UE的IMSI與另外一個UE的IMSI重復，并

18、且其他UE已經(jīng)attach，則核心網(wǎng)會釋放先前的UE。如果IMSI中的MNC與核心網(wǎng)配置的不一致，則核心網(wǎng)會回復attach reject。8) 消息9的說明：該消息為MME向eNB發(fā)起的初始上下文建立請求，請求eNB建立承載資源，同時帶安全上下文，可能帶用戶無線能力、切換限制列表等參數(shù)。UE的安全能力參數(shù)是通過attach request消息帶給核心網(wǎng)的，核心網(wǎng)再通過該消息送給eNB。UE的網(wǎng)絡能力（安全能力）信息改變的話，需要發(fā)起TAU。3.3.2 異常流程3.3.2.1 RRC連接建立失敗3.3.2.2 核心網(wǎng)拒絕1) 如果是ESM過程導致的拒絕（比如默認承載建立失敗），才會帶PDN C

19、ONNECTIVITY REJECT消息；EMM層拒絕，只有ATTACH REJECT消息。2) 常見的拒絕原因有：IMSI中的MNC與核心網(wǎng)配置的不一致。3.3.2.3 eNB未等到Initial context setup request消息 3.3.2.4 RRC重配消息丟失或者沒收到RRC重配完成消息或者eNB內(nèi)部配置UE的安全參數(shù)等失敗3.4 UE發(fā)起的service request流程3.4.1 正常流程UE在IDLE模式下，需要發(fā)送業(yè)務數(shù)據(jù)時，發(fā)起service request過程，流程圖如下： 3.4.2 異常流程3.4.2.1 RRC連接建立失敗處理同3.3.2.1。3.4.

20、2.2 核心網(wǎng)拒絕3.4.2.3 eNB未等到Initial context setup request消息處理同3.3.2.3， 區(qū)別在于service request過程失敗沒有重發(fā)。3.4.2.4 RRC重配消息丟失或者eNB內(nèi)部配置UE的安全參數(shù)失敗或者沒有建立起來一個非GBR承載同3.3.2.4， 區(qū)別在于service request過程失敗沒有重發(fā)。3.4.2.5 eNB建立專用承載失敗當attach成功，建立一個專用承載后，如果RRC連接釋放進入了IDLE，下次UE發(fā)起數(shù)據(jù)時會發(fā)起service request，該過程會為默認承載和專用承載建立對應的DRB等參數(shù)。如果eNB建立

21、專用承載失敗，則回復給核心網(wǎng)Initial context setup response，帶失敗列表，告知核心網(wǎng)專用承載建立失敗，核心網(wǎng)會本地去激活該專用承載；同時RRCConnectionReconfiguration消息也不會帶該專用承載的DRB，UE收到后發(fā)現(xiàn)該專用承載對應的DRB沒有建立起來，也會本地去激活該承載，這樣UE和核心網(wǎng)承載保持一致。流程圖同3.4.1正常流程。3.4.2.6 eNB建立默認承載失敗場景同上，當建立的這個專用承載也為非GBR承載時，eNB可能會成功建立該專用承載，而失敗建立默認非GBR承載，這樣回復給核心網(wǎng)Initial context setup respo

22、nse，帶失敗列表，核心網(wǎng)發(fā)現(xiàn)默認承載建立失敗時，會本地detach該UE；同時RRCConnectionReconfiguration消息也不會帶該默認承載的DRB，UE收到后發(fā)現(xiàn)默認承載對應的DRB沒有建立起來，也會本地去激活該默認承載，以及關聯(lián)的專用承載，從而本地detach（只有一個默認承載時），這樣UE和核心網(wǎng)承載保持一致。流程圖如下：3.5 網(wǎng)絡發(fā)起的paging流程3.5.1 S_TMSI尋呼UE在IDLE模式下，當網(wǎng)絡需要給該UE發(fā)送數(shù)據(jù)（業(yè)務或者信令）時，發(fā)起尋呼過程，流程圖如下：3.5.2 IMSI尋呼當網(wǎng)絡發(fā)生錯誤需要恢復時（例如S-TMSI不可用），可發(fā)起IMSI尋呼，

23、UE收到后執(zhí)行本地detach，然后再開始attach。3.6 TAU流程當UE進入一個小區(qū)，該小區(qū)所屬TAI不在UE保存的TAI list內(nèi)時，UE發(fā)起正常TAU流程，分為IDLE和CONNECTED（即切換時）下。如果TAU accept分配了一個新的GUTI，則UE需要回復TAU complete，否則不用回復。3.6.1 正常流程3.6.1.1 IDLE下發(fā)起的IDLE下，如果有上行數(shù)據(jù)或者上行信令（與TAU無關的）發(fā)送，UE可以在TAU request消息中設置an "active"標識，來請求建立用戶面資源，并且TAU完成后保持NAS信令連接。如果沒有設置&qu

24、ot;active"標識，則TAU完成后釋放NAS信令連接。IDLE下發(fā)起的也可以帶EPS bearer context status IE，如果UE帶該IE，MME回復消息也帶該IE，雙方EPS承載通過這個IE保持同步。Ø IDLE下發(fā)起的不設置"active"標識的正常TAU流程圖如下：3.6.1.2 CONNECTED下發(fā)起的說明：1）如果TAU accept未分配一個新的GUTI，則無過程6、7；2）切換下發(fā)起的TAU，完成后不會釋放NAS信令連接；3）CONNECTED下發(fā)起的TAU，不能帶"active"標識。3.6.2

25、異常流程異常流程同3.4.2。3.7 去附著3.7.1 關機去附著UE關機時，需要發(fā)起去附著流程，來通知網(wǎng)絡釋放其保存的該UE的所有資源，流程圖如下：說明：1) IDLE和CONNECTED下發(fā)起的區(qū)別同上面TAU的區(qū)別；2) 如果是非關機去附著，則會收到MME的Detach Accept響應消息和eNB的RRC Connection Release消息。3.7.2 非關機去附著3.7.2.1 IDLE下發(fā)起的非關機去附著3.7.2.2 CONNECTED下發(fā)起的非關機去附著3.8 切換流程當UE在CONNECTED模式下時，eNodeB可以根據(jù)UE上報的測量信息來判決是否需要執(zhí)行切換，如果需

26、要切換，則發(fā)送切換命令給UE，UE不區(qū)分切換是否改變了eNodeB。非競爭切換流程圖如下：3.9 專用承載建立流程3.9.1 正常流程專用承載建立可以由UE或者MME主動發(fā)起，eNB不能主動發(fā)起，并且只能在connected下發(fā)起該流程。說明：1）如果是MME主動發(fā)起的承載建立流程，則無步驟1、2；2）UE發(fā)起的承載建立流程，核心網(wǎng)可以回復承載建立、修改流程；3）可以同時建立多個專用承載，但目前還不支持。3.9.2 異常流程3.9.2.1 核心網(wǎng)拒絕如果拒絕原因值是"unknown EPS bearer context"，UE會本地去激活存在的默認承載。3.9.2.2 eN

27、B本地建立失敗（核心網(wǎng)主動發(fā)起的建立）如果eNB建立失敗，會回復E-RAB SETUP RESPONSE，帶失敗建立的承載列表，并帶原因值，核心網(wǎng)應該根據(jù)原因值處理（目前eNB的實現(xiàn)是： 如果eNB本地建立失敗，即還沒有給UE發(fā)送RRC重配消息，這時eNB會發(fā)送NAS NON DELIVERY INDICATION給MME）。但目前核心網(wǎng)沒有查看原因值，都給UE下發(fā)了Deactivate EPS bearer context request消息（與協(xié)議不符），UE查找不到該承載，也回復Deactivate EPS bearer context accept。3.9.2.3 eNB未等到RRC重

28、配完成消息，回復失敗eNB未收到RRC重配完成消息時，會給核心網(wǎng)發(fā)UE上下文釋放請求消息。3.9.2.4 UE NAS層拒絕如果是UE的NAS層拒絕，則核心網(wǎng)收到后會給eNB發(fā)送E-RAB釋放消息，來釋放剛剛建立的S1承載，此時不帶NAS PDU。eNB收到消息后，發(fā)RRC重配給UE來釋放剛建立的DRB參數(shù)。3.9.2.5 上行直傳NAS消息丟失說明：如果核心網(wǎng)沒有收到UE回復的NAS消息，會重發(fā)請求消息，重發(fā)4次后，如果還沒收到應答則放棄。3.10 專用承載修改流程3.10.1 正常流程專用承載修改可以由UE 、MME主動發(fā)起，不能由eNB主動發(fā)起，只能在connected下發(fā)起該流程。流程圖如下：3.10.1.1