LTE信令流程分析
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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:
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
移动性管理
TAU 切换 小区重选
附录
LTE网络结构
基 本 概 念 网络架构
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
基 本 概 念 网络架构
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
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
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
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。
基 本 概 念 无线承载的分类
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：
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
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
网元间用户面整体协议栈
基 本 概 念 协议栈结构
协议栈结构
NAS
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 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
CELL_FACH
CELL_PCH URA_PCH Connection establishment/release UTRA_Idle
CCO with optional NACC Reselection Connection establishment/release
Reselection
E-UTRA RRC_IDLE
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
LTE中的承载
基 本 概 念 无线承载的分类
EPC与E-UTRAN功能划分
基 本 概 念 网络架构
EUTRAN
EPC
UU
EPC与E-UTRAN功能划分
基 本 概 念 网络架构
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 Packet System）
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
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
EMM消息 Attach request 、 Attach accept 、 Attach complete Attach reject Detach request、 Detach accept Tracking area update request Tracking area update accept Tracking area update complete Tracking area update reject Extended service request 、 Service reject GUTI reallocation command GUTI reallocation complete Authentication request、Authentication response Authentication reject、Authentication failure Identity request、Identity response Security mode command、Security mode complete Security mode reject EMM status、EMM information Downlink NAS transport Uplink NAS transport CS Service notification ESM消息 Activate default EPS bearer context request Activate default EPS bearer context accept Activate default EPS bearer context reject Activate dedicated EPS bearer context request Activate dedicept Activate dedicated EPS bearer context reject Modify EPS bearer context request Modify EPS bearer context accept Modify EPS bearer context reject Deactivate EPS bearer context request Deactivate EPS bearer context accept PDN connectivity request、PDN connectivity reject PDN disconnect request、PDN disconnect reject Bearer resource allocation request Bearer resource allocation reject Bearer resource modification request Bearer resource modification reject ESM information request、ESM information response ESM status
用户面协议内部的关系
基 本 概 念 协议栈结构
RLC（Radio Link 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
基 本 概 念 协议栈结构
PDCP（Packet Data Convergence Protocol ）功能：
EPS Bearer
External Bearer
E-RAB Radio Bearer S1 Bearer
S5/S8 Bearer
Radio
S1
S5/S8
Gi
无线承载分类
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
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 )
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
基 本 概 念 协议栈结构
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：
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 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。
TD-LTE信令流程 分析
黄勇 2013年08月
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
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
服务网关功能：
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
网元间控制面整体协议栈
基 本 概 念
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
EPC与E-UTRAN功能简述
基 本 概 念 网络架构
eNB功能：
功能概述
MME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。 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。 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。
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
用户面协议内部的关系
基 本 概 念 协议栈结构
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
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
UE各状态说明
基 本 概 念 UE的工作模式与状态
RRC状态
状态 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 PLMN（Public Land Mobile Network）选择
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:
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
移动性管理
TAU 切换 小区重选
附录
LTE网络结构
基 本 概 念 网络架构
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
基 本 概 念 网络架构
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
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
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
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。
基 本 概 念 无线承载的分类
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：
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
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
网元间用户面整体协议栈
基 本 概 念 协议栈结构
协议栈结构
NAS
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 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
CELL_FACH
CELL_PCH URA_PCH Connection establishment/release UTRA_Idle
CCO with optional NACC Reselection Connection establishment/release
Reselection
E-UTRA RRC_IDLE
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
LTE中的承载
基 本 概 念 无线承载的分类
EPC与E-UTRAN功能划分
基 本 概 念 网络架构
EUTRAN
EPC
UU
EPC与E-UTRAN功能划分
基 本 概 念 网络架构
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 Packet System）
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
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
EMM消息 Attach request 、 Attach accept 、 Attach complete Attach reject Detach request、 Detach accept Tracking area update request Tracking area update accept Tracking area update complete Tracking area update reject Extended service request 、 Service reject GUTI reallocation command GUTI reallocation complete Authentication request、Authentication response Authentication reject、Authentication failure Identity request、Identity response Security mode command、Security mode complete Security mode reject EMM status、EMM information Downlink NAS transport Uplink NAS transport CS Service notification ESM消息 Activate default EPS bearer context request Activate default EPS bearer context accept Activate default EPS bearer context reject Activate dedicated EPS bearer context request Activate dedicept Activate dedicated EPS bearer context reject Modify EPS bearer context request Modify EPS bearer context accept Modify EPS bearer context reject Deactivate EPS bearer context request Deactivate EPS bearer context accept PDN connectivity request、PDN connectivity reject PDN disconnect request、PDN disconnect reject Bearer resource allocation request Bearer resource allocation reject Bearer resource modification request Bearer resource modification reject ESM information request、ESM information response ESM status
用户面协议内部的关系
基 本 概 念 协议栈结构
RLC（Radio Link 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
基 本 概 念 协议栈结构
PDCP（Packet Data Convergence Protocol ）功能：
EPS Bearer
External Bearer
E-RAB Radio Bearer S1 Bearer
S5/S8 Bearer
Radio
S1
S5/S8
Gi
无线承载分类
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
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 )
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
基 本 概 念 协议栈结构
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：
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 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。
TD-LTE信令流程 分析
黄勇 2013年08月
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
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
服务网关功能：
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
网元间控制面整体协议栈
基 本 概 念
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
EPC与E-UTRAN功能简述
基 本 概 念 网络架构
eNB功能：
功能概述
MME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。 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。 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。
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
用户面协议内部的关系
基 本 概 念 协议栈结构
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
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
UE各状态说明
基 本 概 念 UE的工作模式与状态
RRC状态
状态 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 PLMN（Public Land Mobile Network）选择