PS原理及信令

PS基本原理及流程
TD网络体系结构
TD PS域核心网
SGSN：GPRS服务支持节点，为MS提供分组移动性管理、路由选择等功能；
GGSN：GPRS网关支持节点，是UMTS PS域接入到外部数据网的网关。

在核心网PS域内，各GSN实体之间通过Gn/Gp接口相连，该接口是基于IP骨干网的接口；
SGSN、GGSN和MSC/VLR、HLR、EIR、SMS实体之间的通信只涉及信令，这些实体之间的接口Gs、Gr、Gf、Gd、Gc都是基于SS7的接口；
GGSN通过Gi接口与PDN互连，PDN不同，Gi接口也不同，PDN可以是或IP网。

PS 网元在网络中位置
各种接口：
Iu PS功能
•RAB的建立、维护和释放管理
•完成切换和SRNS的重定位
•支持小区广播业务
•一般的管理过程
•用户信令管理
•用户和CN之间传送NAS信令消息
•支持位置业务
•用户接入PS域
IUPS协议栈
SCCP：提供面向无连接及面向连接类业务。

SCTP：SCTP层（Simple Control Transmission Protocol）为简单控制传输协议层，该层协议主要参考IETF的Sigtran工作组开发的用于在IP网上传送不同信令协议的流控传输协议，主要实现信令流的控制功能；
M3UA：M3UA层（MTP 3 user adapter layer）为MTP3用户适配层，它同样由IETF的Sigtran 工作组开发，用于将上层的信令适配成IP承载的信令。

GTP-U：作为面向PS域的用户数据承载。

控制面用来传送信令，这里的信令就是GMM/SM/SMS。

这是无线接入采用UTRAN时的协议栈。

在Uu接口，用RRC协议来承载信令，底层为无线的传输方式。

RRC：无线资源控制，Uu接口采用RRC协议传送信令；
在Iu-PS接口，采用RANAP协议来承载信令，RANAP协议有采用SCCP协议来传输，底层采用宽带SS7或IP的方式。

因此，UTRAN不但要完成上层协议的转换，还要实现底层承载由无线的传输方式转换为A TM的信令承载方式。

RANAP：无线接入网络应用协议，负责Iu接口CN和RNC之间的信令交互，封装和承载高层协议；
SCCP：信令连接控制协议，和信令承载层一起来承载RANAP协议；
SCCP：0类（基本无连接业务）、1类（有序无连接业务）、2类（基本的面向连接业务）、3类（流量控制面向连接业务）。

Signaling Bearer：Iu-PS接口的信令承载方式有两种，一种是基于宽带SS7信令的方式，另一种是基于IP的方式。

信令的底层承载方式采用ATM/AAL5。

控制面信令在传输网络层采用A TM的宽带SS7信令承载，采用ATM的SAAL-NNI（SSCF-NNI、SSCOP、AAL5）适配成ATM信元；若Iu-PS 接口采用IP传输，也可以采用SIGTRAN协议承载控制面信令，即采用IP信令在Gn接口，信令用GTP-C协议来封装，网络层用IP/UDP进行路由选择，并且底层传输网络有多种选择。

GTP-C协议负责传送路径管理、隧道管理、移动性管理和位置管理等相关的信令消息，并且对Gn接口用户平面的隧道进行控制。

在PS域内，每个实体与其他不同的实体通信，可能会用不同的编号或地址；如SGSN-GGSN 之间利用IP地址来寻址，而SGSN-HLR之间利用SS7信令编号来寻址，所以每个实体可能会有一个或多个地址。

PDP 地址：是指MS接入到外部数据网，与该外部数据网对应的地址；如果PDN是X．25
或X．75分组数据网，PDP地址就是X．121地址，如果PDN是IP网，PDP地址就是IP 地址。

3G的协议栈分为用户面和控制面,用户面传送用户数据，控制面传送信令，并且用户面和控制面采用不同的封装协议。

这是3G无线接入采用UTRAN时用户面的协议栈，从MS到GGSN不同的接口采用不同的协议来封装用户数据。

在Uu接口，采用PDCP协议来封装用户数据，因为Uu接口是空中接口，所以底层承载采用无线接口协议特性。

1．PDCP：分组数据会聚协议，将上层的协议特性映射成下层的无线接口协议特性，即支持IPv4、PPP、OSP和IPv6等多种协议；PDCP还提供协议控制信息的压缩。

2．RLC：无线资源控制，提供空中接口的逻辑链路控制。

3．MAC：媒介接入子层，控制无线信道的接入信令过程。

在Iu-PS接口，采用GTP-U协议来封装用户数据，由于Uu接口和Iu-PS接口采用不同的协议封装用户数据，所以UTRAN要完成协议的转换；并且底层承载也由无线方式转换成IP OVER ATM的方式。

GTP-U：GPRS隧道协议的用户平面，对用户数据进行封装并采用隧道传输；
IP/UDP：网络层协议，用于IP骨干网内的路由选择；
ATM/AAL5：Iu-PS接口的底层传输采用ATM的方式，并且用AAL5来适配上层用户数据流。

为什么用AAL5来封装上层用户数据？
AAL5适用于传输可变比特率的数据业务，并且不需要源和端之间的定时，虽然AAL3/4也是用来传输可变比特率、非实时的数据业务，但是AAL3/4的开销大，有效利用率不高；相比之下，AAL5由于开销小，有效利用率高而被广泛应用。

Gn接口，采用GTP-U协议封装用户数据，底层承载可以有多种方式。

GTP-u：由于Iu-PS接口用GTP-U协议来封装用户数据，所以在SGSN中就不需要进行协议转换，这样可以减少SGSN的工作量。

L2/L1：是与底层传输网络相关的协议，底层传输网络可以是ATM、以太网、DDN等。

PS基本信令：
分组基本信令流程
GPRS移动性管理GMM
•Attach/Detach
•路由更新
•业务请求
•RNC重定位
会话管理SM
•PDP建立、删除、修改
GMM包括的流程
接入控制与安全
包括用户的鉴权（Identification）、标识校验、加密、P-TMSI重分配
等接入控制管理（基本流程与CS域相同）
附着Attach
CS域用户开机即附着CS网络，而PS用户需要通过显式附着或者发起
PS业务来触发附着流程进行PS网络的附着
分离Detach
分组业务完成，关机，显式去附着
网络发起（用户长时间不活动，可以清除用户或者HLR永久删除用户路由更新
业务请求
RNC重定位
GMM基本概念
•GMM指GPRS移动性管理，它与CS域移动性管理相对应，3GPP制定了一系列协议规程对用户在PS网络中的位置进行管理。

•分组域的移动性管理的功能，主要是依靠MS、SGSN和HLR结合相应用户的MM上下文来配合实现的。

MS和SGSN存储了用户的MM上下文SM基本概念
会话管理SM用来管理用户PDP上下文，接收从MS发来的各种PDP会话请求，建立、修改、删除SGSN中对应的PDP上下文；同时根据MS的不同请求向GGSN发起各类PDP会话上下文，完成对应MS的分组数据传输的激活去活和传输参数修改（例如QoS）。

接收执行GGSN侧发起的PDP反向激活请求。

与MM移动管理模块一起建立用户终端和外部PDN数据网的数据传输通道。

UMTS-PS网络的会话管理功能是围绕PDP上下文的激活、去激活来实现的。

•接收从MS发来的PDP会话请求，建立、修改、删除SGSN中对应的PDP上下文；
同时根据MS的不同请求向GGSN发起各类PDP会话上下文，完成对应MS的分组数据传输的激活去活和传输参数修改
•接收执行GGSN侧发起的PDP反向激活请求，完成向MS的分组数据传输
SM信令流程
•PDP激活
•MS发起
•网络发起（反向激活）
•PDP修改
•MS发起
•SGSN发起
•GGSN发起
•PDP去激活
•MS发起
•SGSN发起
•GGSN发起
PDP概念
未激活：对于该PDP地址没有激活的数据业务，相应的PDP上下文中没有路由或映射信息。

此时，MS的位置更新不会引起PDP上下文的更新
激活：对于该PDP地址有激活的数据业务，相应的PDP上下文中包含了路由或映射信息。

用户的MM状态为空闲或连接状态时，PDP状态才可能进入激活状态PDP上下文
PDP状态及相关的描述信息
包括
PDP context Identifier
PDP Type、PDP State、PDP Address
APN
TEID for Gn
TEID for Iu
Qos
Send/Receive PDU Number等
PDP:Packet Data Protocol
PDP地址：用户的网络层地址，可以有一个或多个，这由该用户所涉及的外部网络来决定PDP Context(PDP上下文)：如果一个用户所申请的GPRS业务涉及一个或多个外部PDN（如Internet、X.25等），则在其签约数据中就将包括一个或多个与这些PDN对应的PDP地址。

每个PDP地址对应有一个PDP上下文。

每个PDP上下文由PDP状态及相关信息来描述，存在于MS、SGSN、GGSN中。

PS数据发送
MS向外部数据网发送数据时的寻址分为三段：无线接入段、核心网络段、外部网络接入段。

APN：接入点名，MS向外部数据网发送数据时提供给SGSN,SGSN利用DNS解析出GGSN 的IP地址。

无线接入段：利用RB Identity和RAB ID来寻路，用NSAPI来标识PDP上下文；
核心网络段：利用API来寻址GGSN；
外部网络接入段：利用PDP地址来寻址到目的地。

外部网络向MS发送数据时的寻址也分为三段：外部网络接入段、核心网络段、无线接入段。

外部网络接入段：根据MS的动态或静态IP地址来寻址GGSN；
核心网络段：GGSN根据存储或从HLR查询得到SGSN的IP地址；
无线接入段：利用RB Identity和RAB ID来寻址，用NSAPI（网络层业务接入点）来标识PDP上下文。

PS的业务
附常见信令流程：
1附着
这一过程由终端发起。

通常在开机、SIM卡重新插入或网络要求重新Attach时发起。

GPRS Attach过程有三种类型：1）GPRS Attach only、2）已经IMSI Attached的GPRS Attach、
3）组合的GPRS Attach。

对于支持CS/PS运行模式的终端和处于网络运行模式I的网络，无论是否已经IMSI Attached，终端都应当使用类型3）来同时Attach GPRS业务和非GPRS 业务；在其它情况下，根据是否已经IMSI Attached，终端使用类型1）或类型2）来发起GPRS Attach过程。

➢用户通过发送附着请求消息发起附着流程。

用户在附着请求消息中携带有IMSI or P-TMSI and old RAI，Core Network Classmark，KSI，Attach Type，
old P-TMSI Signature，Follow On Request，DRX Parameters，如果用户没有
合法的P-TMSI，用户会带上IMSI；如果用户有合法的P-TMSI，用户应该
使用P-TMSI和配对的路由区标识，同时如果具有P-TMSI签名的话，也应
该带上。

附着类型指示用户请求执行何种附着过程，即GPRS附着，已经
IMSI附着的GPRS附着。

DRX参数指示用户是否使用非连续接收和DRX
循环周期长度。

SGSN可以根据Follow On Request指示，决定在附着结束
后，是否释放同用户的分组业务信令连接。

➢如果用户使用P-TMSI附着，并且自上次附着改变了SGSN，新SGSN应该发送身份识别给旧的SGSN，带上用户的P-TMSI和相应的路由区标识以
及老的P-TMSI签名，如果有的话。

旧的SGSN回应身份识别响应消息，
包含用户的IMSI和鉴权集。

如果用户在旧SGSN未知，旧SGSN回应消
息带上响应的原因值；如果用户的P-TMSI和签名不匹配，旧SGSN回应
消息带上相应的原因值。

➢如果用户在旧的SGSN为未知，新SGSN应该发起身份识别请求给用户，身份类型指示IMSI。

用户应该报告自己的IMSI给SGSN。

➢如果用户的移动性管理上下文在网络侧不存在，鉴权过程是必须的。

如果要重分配P-TMSI，并且网络支持加密，加密模式应该被设置。

➢如果P-TMSI或者TMSI改变，用户以附着完成消息给SGSN确认新分配
的TMSI。

➢如果TMSI发生改变，SGSN发生TMSI重分配完成消息给VLR以确认重分配的TMSI，如果附着请求不能被接受，SGSN回送附着拒绝消息（带有
IMSI，Cause）给用户。

2.去附着
➢用户发送分离请求（带有Detach Type，P-TMSI，P-TMSI Signature，Switch Off）给SGSN，从而发起分离流程。

Detach Type 指示将要进行何种类型的分离流程，
即GPRS分离，IMSI分离，联合分离。

Switch Off指示用户的分离是否因为关机。

分离请求消息带有用户的P-TMSI和P-TMSI签名，签名是用来检查用户分离消息
的合法性的。

如果用户的签名不合法或者没有带，SGSN应该发起鉴权。

➢如果是GPRS分离，存在于GGSN中属于该用户的激活的PDP上下文的去活，是通过SGSN向GGSN发送删除PDP上下文请求消息来实现的。

GGSN以删除PDP
上下文响应消息予以确认。

➢如果是IMSI分离，SGSN应该发送IMSI分离指示消息给VLR。

➢如果用户需要在GPRS分离同时保留IMSI附着，SGSN应该发送GPRS分离指示消息给VLR。

VLR删除和SGSN的关联，并且不再通过SGSN发起寻呼和Location Update。

➢如果用户不是因为关机发起分离，SGSN应该回应分离接受消息给用户。

➢如果用户发起GPRS分离，SGSN释放PS域信令连接。

3.PDP激活
激活一个PDP上下文意味着发起一个分组数据业务呼叫；
PDP上下文的激活可由MS或网络发起：
若由MS发起，PDP地址可以是静态或动态，若由网络发起，则要求MS具有静态PDP地址。

对一个UE发起的PDP上下文激活过程来说，如果之前UE没有建立RRC连接则先建立RRC连接，再通过初始直传建立传输NAS消息的信令连接，最后建立RAB。

网络发起的PDP上下文激活过程包括了寻呼过程，在接入层内与主叫过程很类似，其它区别主要体现在NAS消息上。

I．建立RRC连接：（建立DCH的情况）
UE处于空闲模式下，当UE的非接入层请求建立信令连接时，UE将发起RRC连接建立过程。

每个UE最多只有一个RRC连接。

当RNC接收到UE的RRC CONNECTION REQUEST消息，由其无线资源管理模块RRM根据特定的算法确定是接受还是拒绝该RRC连接建立请求，如果接受，则再判决是建立在专用信道还是公共信道。

对于RRC 连接建立使用不同的信道，则RRC连接建立流程也不一样。

1．U E在CCCH上向RNC发送RRC Connection Request消息，发起RRC连接建立过程。

主要参数：Initial UE Identity, Establishment cause
2．R NC准备建立RRC连接，分配建立RRC连接所需要的资源，并发送一条Radio Link Setup Request消息给Node B。

主要参数：Cell id, Transport Format Set, Transport Format Combination Set, frequency, Time Slots, 信道码, Power control information.
3．N ode B配置物理信道，在新的物理信道上准备接收UE消息，并给RNC发送一条Radio Link Setup Response响应消息。

主要参数：Signalling link termination, Transport layer addressing information (AAL2 address, AAL2 Binding Identity) for the Iub Data Transport Bearer.
4．R NC通过ALCAP协议，建立Iub数据传输承载。

Iub数据传输承载通过AAL2的绑定标识与DCH绑定在一起。

建立Iub数据传输承载需要Node B确认。

5．见6
6．通过Downlink Synchronisation和Uplink Synchronisation.控制帧，Node B 与RNC 为Iub数据传输承载建立同步。

此后Node B开始DL 发送。

7．R NC在CCCH上发送RRC Connection Setup消息给UE
主要参数：Initial UE Identity, RNTI, Capability update Requirement, Transport Format Set, Transport Format Combination Set, frequency, Time Slots ,信道码, Power control information.
8．U E在DCCH上发送RRC Connection Setup Complete消息给RNC
主要参数：Integrity information, ciphering information.
II．初始直接传输/上下行直接传输：
9．U E在DCCH上给RNC发送一条Initial Direct Transfer消息此过程由UE发起，用于在上行链路上建立一条信令连接，在无线接口上传送初始的非接入层（NAS）消息。

UE在UL DCCH上使用AM RLC 方式由RB3向UTRAN发送此消息。

主要参数：Initial NAS Message (could for a GSM based CN be e.g.
Service Request, Routing Update Request ,PAGING response,etc.) CN node indicator (it indicates the correct CN node into which the NAS message shall be forwarded)
10．RNC初始到CN的信令连接，并发送一条Initial UE Message消息给CN
主要参数：NAS PDU (could for a GSM based CN be e.g. Service Request, Routing Update Request, PAGING response etc.), CN domain indicator (indicating the CN domain towards which this message is sent) （如果CN准备接受连接请求，则向RNC回SCCP连接证实消息（CC），SCCP连接建立成功。

RNC接收到该消息，确认信令连接建立成功。

如果CN不能接受连接请求，则向RNC回SCCP连接拒绝消息（CJ），SCCP连接建立失败。

RNC接收到该消息，确认信令连接建立失败，则发起RRC释放过程。

信令连接建立成功后，UE发送到CN的消息，通过上行直传消息（Uplink Direct Transfer）发送到RNC，RNC将其转换为直传消息(Direct Transfer)发送到CN；CN发送到UE的消息，通过直传消息（Direct Transfer）发送到RNC，RNC将其转换为下行直传消息（Downlink Direct Transfer）发送到UE。

）
通过初始直接传输过程后，可使用该信令连接传输UE和CN之间的NAS消息。

11．CN发送RANAP 消息Direct Transfer 到RNC 主要参数：NAS PDU, CN domain Identity
12．RNC 发送RRC Downlink Direct Transfer 消息给UE
主要参数：NAS Message
NAS消息由UTRAN透明的传输到UE
13．UE发送RRC Uplink Direct Transfer Message给RNC 主要参数：NAS Message
14．RNC发送RANAP消息Direct Transfer给CN
主要参数：NAS PDU
NAS消息被透明的传输到UTRAN
III．安全模式控制：
15．CN发送RANAP消息Security Mode Command给RNC 16．RNC在下行DCCH上发送RRC Security Mode Command 给UE，开始/重启加密过程
17．UE成功应用新的加密方式后，在上行DCCH上发送RRC Security Mode Complete给RNC
18．RNC发送RANAP消息Security Mode Complete给CN
IV．RAB建立过程：
RAB是指用户平面的承载，用于UE和CN之间传送语音，数据及多媒体业务。

UE首先要完成RRC连接建立，然后才能建立RAB。

19．20上行的直接传输过程，NAS发起激活PDP上下文请求
21．CN向RNC发送RANAP消息Common ID
22．CN向RNC发送RANAP 消息Radio Access Bearer Assignment Request ，发起RAB建立过程。

主要参数：Radio Access Bearer parameters, User Plane Mode, Transport Address, Iu Transport Association.
23．RNC要求其Node B准备建立DCH来承载RAB（Radio LinkReconfiguration Prepare）
主要参数：Transport Format Set, Transport Format Combination Set, Power control information, Time Slots , 信道码.
24．Node B配置资源并通知RNC准备完毕（Radio Link Reconfiguration Ready）
主要参数：Transport layer addressing information (AAL2 address, AAL2 Binding Id) for Iub Data Transport Bearer.
25．RNC通过ALCAP协议建立Iub数据传输承载，并利用AAL2绑定标识将Iub数据传输承载绑定到DCH。

26．27：Node B和RNC通过Downlink Synchronisation和Uplink Synchronistion DCH-FP帧为Iub数据传输承载建立同步关系。

30．RNC向Node B发送NBAP消息Radio Link Reconfiguration Commit
31．RNC向UE发送RRC消息Radio Bearer Setup
主要参数：Transport Format Set, Transport Format Combination Set, Time Slots , 信道码.
32．UE发送RRC消息Radio Bearer Setup Complete给RNC
33．RNC发送RANAP消息Radio Access Bearer Assignment Response给CN
34．33进行下行的直接传输过程，由CN向UE发送ACTI DPD CONT ACCE消息。

PDP Context激活完成，UE和网络进行包数据通信。

如果是网络侧发起PDP上下文激活，则网络侧通过PAGING消息要求UE建立RRC 连接，此后，网络侧通过直传消息Request PDP Context Activation，此消息主要包含网络所提供的PDP地址和APN，UE接受了该请求后，向CN发送直传消息Acitvate PDP Context Request，此后的过程和UE发起PDP上下文激活的过程相同。

去激活
以下说明UE发起PDP Context去激活的流程。

8
I．直接传输：
1～6.UTRAN直接传输UE与CN之间的NAS消息（包括去激活PDP 上下文请求和接受等）。

II．释放RRC连接：
7．CN通过给RNC发送RANAP消息Iu Release Command消息发起专用信道的释放过程
主要参数：释放原因
8．RNC向CN回送RANAP消息Iu Release Complete
主要参数：Data volume Report (if data volume reporting to PS is required).
9．CN与RNC通过ALCAP协议释放Iu承载
10．RNC向UE发送RRC消息RRC Connection Release来释放该RRC连接
主要参数：释放原因
11．UE向RNC回送RRC消息RRC Connection Release Complete 确认RRC连接的释放
12．RNC向Node B发送NBAP消息Radio Link Deletion
13．Node B向RNC回送NBAP消息Radio Link Deletion Response Node B通过ALCAP协议释放与RNC的Iub传输承载。

4.PDP激活失败
常用缩略语：
分组TMSI （Packet-Temporary mobile subscriber identification number，P-TMSI)
一个分组临时移动用户识别将分配给每个GPRS附着的MS。

P-TMSI为一个4字节的BCD 编码在3G中定义。

在MSC和SGSN都覆盖的区域中，SGSN分配的P-TMSI最高两比特为11，MSC分配的TMSI最高两比特为00、01和10。

GSN号码（GSN number ）
每个SGSN应有一个SGSN号码用于与HLR和EIR通信。

每个可选地支持基于SS7信令的Gc接口的GGSN应有一个GGSN号码用于与HLR通信。

GSN地址（GSN Address ）
每个SGSN和GGSN应有一个IP V4类的IP地址，或可选地有一个IP V6类的IP地址，用于在骨干网上内部通信。

全部PLMN的GSN和其他骨干节点的IP地址建立了一个从公众Internet不能访问的私有地址空间。

路由区(Routing Area Identity ,RAI)
一个路由区是一个且只有一个位置区的子集，意味着一个RA不能扩展到多个LA。

一个RA只由一个SGSN提供服务
网络层业务接入点标识符（Network Service Access Point Identifier ,NSAPI) 网络层业务接入点标识符（NSAPI）和IMSI用于网络层路由。

一个NSAPI/IMSI对用来指配一个隧道端点标识符（TEID）。

在MS，NSAPI标识PDP-SAP；在SGSN和GGSN，NSAPI标识与一个MM上下文相关联的PDP上下文。

无线接入承载(Radio Access Bearing ID ,RAB ID)
CN通过Iu-PS与RNC的通信，RAB ID用来标识无线接入承载，并且信息单元应设置为与NSAPI的值相一致。

在NSAPI、无线接入承载和PDP上下文之间存在一对一关系。

当MS发起PDP上下文激活时，MS选取一个未用的NSAPI。

当SGSN发起一个RAB 指配过程时，SGSN将在RAB ID信息单元中包括NSAPI。

隧道端点标识符(Tunnel Endpoint ID,TEID)
隧道端点标识符由GPRS隧道协议用来在GSN之间、RNC和SGSN之间，在接收GTP-C 或GTP-U协议的实体中标识一个隧道端点，和标识一个PDP上下文.
GTP隧道的接收端本地分配TEID的值，发送端必须应用该值。

隧道两端用GTP-C（或在Iｕ口的RANAP）消息交换TEID的值。

TEID基于NSAPI和IMSI（或在Iｕ口的RAB ID和IMSI）分配。

在一个逻辑节点如RNC，SGSN，或GGSN的一个IP地址内TEID是一个唯一的标识。

APN(接入点名，Access Point Name)
1.在骨干网，接入点名是对使用的GGSN的一个参考。

并且，接入点名在GGSN可以标识外部网络和可选地一个提供的业务。

2. APN网络标识符是必备的，是一个标签（例如“corporation”或“service”）或一组由点分割的标签：一个依据DNS命名规则的正式域名（例如“”或“”）。

3. APN营运者标识符是可选的。

它是一个依据DNS命名规则的正式域名，由三个标签组成。

APN营运者标识符应以“.gprs”结尾。

APN correspond to a GGSN domain name
PDN Packet Data Network
PDP Packet Data Protocol, e.g. IP
PDU Protocol Data Unit
PMM Packet Mobility Management
RA Routeing Area
IMSI International Mobile Subscriber Identity
NSAPI Network layer Service Access Point Identifier。