UE工作过程

以UE 的操作为中心，看LTE 系统中的UE 是如何工作的。

时图1 UE 在LTE 网络大致的工作流程
UE 在LTE 网络中的工作如图1所示，开机之后基本可以分为7个基本过程。

时频同步：UE 在这个阶段，完成频率同步和时隙同步。

PLMN 搜索和小区选择：UE 在此阶段读取MIB 和SIB ，完成PLMN 搜索和小区选择过程。

网络注册（Attach ）：UE 完成随机接入，核心网注册，PDN 连接并激活默认承载。

RRC 空闲态过程：UE 在空闲态监听PDCCH 信道，接收paging 信息，进行小区重选，如有必要进行位置更新过程。

RRC 连接态过程：UE 在连接态的移动性管理，通过测量上报和网络判决的切换完成，发起业务时涉及到天线的发送模式，定时和BSR 等过程。

Detach ：分为网络发起的detach 和UE 发起的detach 。

时频同步：
这部分首先要掌握的知识是LTE 的主辅同步信号（PSS 和SSS ）和CRS 的概念，涉及协议36.211。

此外，需要学习36.211中的物理信道比如PBCH 、PDSCH 和PUCCH 等。

UE 以100KHz 为间隔，在支持的频带内搜索LTE 小区。

PSS 序列在全系统中一共配置3个，PSS 序列为62位的ZC 序列，其根序列号由小区组内ID 即()2ID N 决定。

通过监测PSS ，能够确定小区组内ID 。

SSS 序列为两个31位的m 序列交叉级联，决定了小区组ID 即()1ID N 。

在一个无线帧内，SSS 序列的两个子序列位置反转，以此确定10ms 无线帧。

小区物理ID 为()()
213ID ID ID N N N +=，通过PSS 与SSS 的相关峰距离确定子帧type （FDD 或者TDD ）和CP 类型（normal CP 或者extended CP ）。

参考TDD 和FDD 的PSS 和SSS 的不同时域位置。

最后，经由CRS 获取更加精确的时间同步和频率同步。

PLMN 搜索和小区选择：
经由CRS 精确地时频同步之后，UE 就可以开始读取系统信息。

本节内容主要涉及两个协议，36.331的系统信息部分和36.304的PLMN 选择和小区选择。

首先，需要知道系统信息的组织方式。

详情请参阅系统信息获取相关培训章节，这里做简单介绍。

系统信息分为主信息块（MIB）和系统信息块（SIB）。

MIB承载在物理广播信道（PBCH）中发送，发送周期、位置和格式都是固定的，具体信息为3bit下行系统带宽配置，3bit的PHICH配置，8bit的系统无线帧号（用于系统无线帧同步）和10bit的保留位供未来拓展。

SIB有SIB1，SIB2，…，SIB13，总体上按照信息重要性和调度方式的不同，SIB可以划分为SIB1和SIs(即除了SIB1之外的SIB)。

SIB1是最关键的系统信息块，里面的内容直接影响着PLMN选择和小区选择。

然后，UE首先要执行PLMN选择过程。

PLMN的全称是公共陆地移动网络，主要由移动国家代码（MCC）和移动网络代码（MNC）组成，直观地看，中国移动和中国联通的PLMN 代码不同。

PLMN有很多分类，HPLMN（归属PLMN）、VPLMN（拜访PLMN）….其中有些PLMN 可以驻留，有些PLMN则不可以驻留，比如中国移动用户不能驻留在中国联通的网络上。

UE读取本载波上最强的小区，并且读取系统信息，具体说来是SIB1和PLMN选择有直接关系。

如果SIB1中的PLMN ID不满足PLMN的选择条件，则UE不能选择该PLMN。

SIB1的具体信息如图2所示：
图2 SystemInformationBlockType1
PLMN选择成功之后，UE执行小区选择过程。

小区选择的目的是UE找到一个合适的小区进行驻留，进而接收系统信息，寻呼和发起业务等，这些将在后面涉及。

小区选择第一步是看SIB1中的小区接入允许信息，如图2所示。

如果小区是阻塞的（cellbarred）或者保留的（reserved），则一般情况下我们测试的UE（接入等级AC1~9）不能接入该小区。

当SIB1中的小区参数如图2中所示为notReserved和allowed时，UE可以开始执行小区选择过程。

小区选择依据S准则（selection准则），在36.304中的章节为5.2.3。

在log中小区选择的S准则计算结果如图3所示：
图3 小区选择在log中的特征
网络注册（或称附着，涉及36.213,36.331和NAS协议24.301）
UE开机选网，选择完小区后，要想获得LTE系统的服务，必须在网络中进行注册，称为附着（attach）。

Attach过程最终需要建立和核心网的连接，在核心网里登记UE的身份信息和位置信息，同时还要激活默认承载等，这些过程主要和非接入网（核心网）相关，称之为NAS（Non-Access Stratum）过程。

核心网的连接建立在接入网侧RRC连接基础上，首先介绍RRC连接的建立过程。

UE完成小区选择之后，读取广播的系统信息。

目前UE并没有和基站发生通讯，如何建立与基站的RRC连接，告知UE的状态，需要经过随机接入过程，如图4所示。

随机接入的细节请参考相关的培训文档，这是在测试中经常遇见的case，这里着重于过程性的介绍。

图4 开机附着
在SIB2中，有随机接入过程相关参数rach-ConfigCommon和prach-Config，参数里面表明了随机接入的资源配置。

如图5的步骤1~5所示，UE选择了随机接入资源后，会发送随机接入前导Msg1，并根据随机接入前导的响应Msg2初步调整上行定时确定上行发送资源，发送竞争消息Msg3同时携带RRC连接请求（RRCConnectionRequest），最终由基站下发的Msg4完成竞争解决，Msg4中携带有RRC连接请求的响应，积极的响应为RRC连接建立（RRCConnectionSetup），UE接收到该消息后会回复一条确认信息，RRC连接建立完成（RRCConnectionSetupComplete）。

通过以上的步骤，UE完成RRC连接建立。

到目前为止，开机后的UE已经完经由初始随机接入完成了RRC连接建立，与基站的通信链路建立完成，现在需要打通核心网的链路，这个过程是attach，它是一个NAS过程。

所谓NAS过程是指与物理层的技术和流程不相关的，UE的NAS层协议栈和核心网NAS层协议栈互相通信的过程。

流程如图5中的6到19。

UE侧不能看见eNB和核心网之间的消息，并且在实际系统中步骤7中的身份认证，鉴权和加密可能只出现一部分，一般情况下，在log中出现了步骤16，RRC连接重配置完成时（RRCReconfigurationComplete），UE的attach过程基本就完成了。

当然最后需要检查两条确认信令attach完成和激活默认EPS承载上下文接受。

至此UE完成了Attach过程，UE在核心网中完成了信息注册，PDN连接和默认承载建立，获得了一个IP地址。

在测试过程中，如果attach reject出现，通常有几个原因：一个是SIM卡和核心网不匹配，另一个是APN没有设置好，最常见的是UE上一次关机没有detach，核心网保留有UE注册信息，再次attach会触发attach reject。

图5中过程1到过程5完成了RRC连接建立，过程6到过程18是核心网的Attach流程。

图5 RRC连接建立和附着
RRC空闲态UE过程
本节的前提条件是UE已经在获取系统信息，attach成功后，回到RRC idle态，在小区中驻留。

可以简单地将UE的RRC idle态理解为手机的待机状态，此时LTE网络在跟踪区域（TA，Tracking Area）的维度上知道UE的位置，在业务到来时发起寻呼；UE通过小区重选和TAU机制维持idle态下的移动性，通过DRX机制监听网络寻呼，一旦需要发起业务，即发起RRC连接建立过程，回到RRC连接态。

首先介绍空闲态下的移动性管理，即小区重选。

RRC idle下，移动中的UE需要重新选择新的小区进行驻留，然后监测该小区的系统信息等。

小区重选的主要系统参数来自于SIB3，重选判断准则是R准则（Reselection准则），详见36.304 5.2.4章节。

此处只给出在测试log 中的trace特征，图6。

图6 小区重选则log中的特征
小区重选完成后，UE需要判断当前小区的TAC(Tracking Area Code)是否在网络分配的TAI 列表中，以确保idle态的UE在网络中可以通过在Tracking Area中的寻呼。

如果当前小区的TAC不在UE保存的跟踪区域列表（TAI list）中，UE需要进行跟踪区域更新（TAU），以告知网络自己的移动位置。

跟踪区域更新是UE与核心网互相通信的过程，所以是NAS过程，详细描述见协议24.301。

如前述NAS过程需要建立在RRC连接之上，所以IDLE态下的NAS过程会触发RRC连接建立等一系列过程，如图7所示。

图7 TAU过程始末
UE在RRC idle态还有非连续接收（DRX，Discontinuous Receive）的操作，为了延长待机时间，UE可以在网络的配置下，在一定的时间段内监听网络的寻呼，其他时间段UE则不需要监听小区的寻呼。

DRX的详细内容请参考相关培训文档和36.321协议。

RRC连接态
RRC连接态是指UE维持与基站的RRC连接过程，从RRC连接建立完成开始，到RRC连
接释放结束，所有与eNB和核心网的业务联系都需要在RRC连接态下进行。

首先介绍RRC连接态下的移动性，小区切换。

连接态下是基站控制，UE辅助的移动性。

基站配置UE的测量参数，UE执行测量，并按照一定的规则（周期或者事件触发）上报，基站进行切换判决并下发，UE执行切换并在目标站里确认。

详细内容请参阅规范36.331和相关培训文档。

下面以一个异频切换的log为例，展示异频切换的过程。

配置两个基站，服务小区EARFCN为38100，目标小区EARFCN为37900。

测试过程中降低服务小区的信号质量，触发服务小区上报A2事件（服务小区信号低于门限），eNB配置了目标小区的A4事件参数（异频小区信号高于门限），升高目标小区信号强度后，触发了A4事件并由UE上报。

之后eNB判决切换，通过RRC连接重配置中的切换命令下发，UE切换完成后在目标站中确认。

图8中1~6描述了上述过程。

图8 异频切换流程
UE切换完成后，读取新小区的系统信息，如果发现新小区TAC不在存储的TAI中，也会发起TAU过程，如图8中最后的TAU Request所示。

LTE采用多天线技术，引入了多种MIMO发送模式（Transmission Mode），目前有TM1~TM8。

在测试中，我们经常会测试不同发送模式的速率，以及发送模式之间的切换。

通常MIMO 发送模式的配置在RRC连接建立或者RRC连接重配置中完成。

不同的发送模式会采用不同的PDCCH DCI格式，会导致物理层有不同的速率。

发送模式的知识主要涉及到协议36.212和36.213，同时我们有对应的参考文档。

这里只在log里展示一下发送模式的配置，测试中有对应MIMO发送模式切换的case，图9。

图9 MIMO发送模式配置
另外，RRC连接态下还涉及很多过程，比如定时调整TA(Time Alignment)和BSR(Buffer
Status Report)等，他们都是UE维持业务必不可少的部分，请参照培训文档和36.321.
Detach
UE从网络去注册，可以是UE发起的Detach，也可由网络发起detach。

我们在测试时，结束一个case后，通常需要进行detach，再重新上电做下个case。