4、LTE信令流程分析
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– 核心网触发：通知UE接收寻呼请求（被叫，数据推送） – eNodeB触发：通知系统消息更新以及通知UE接收ETWS等信息
• • • • •
在S1AP接口消息中，MME对eNB发paging消 息，每个paging消息携带一个被寻呼UE信息 eNB读取Paging消息中的TA列表，并在其下属 于该列表内的小区进行空口寻呼 若之前UE已将DRX消息通过NAS告诉MME， 则MME会将该信息通过paging消息告诉eNB 空口进行寻呼消息的传输时，eNB将具有相同 寻呼时机的UE寻呼内容汇总在一条寻呼消息里 寻呼消息被映射到PCCH逻辑信道中，并根据 UE的DRX周期在PDSCH上发送
• •
LTE LTE控制面 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
与 的异同 与3G 3G 的异同
• 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 •
•
系统消息（36.331）
LTE LTE系统消息 系统消息
• 系统消息的组成
– MasterInformationBlock(MIB) – 多个SystemInformationBlocks (SIBs)
•
MIB
第六步 TA更新
第六步 小区更新
第七步 RRC连接释放
第八步 重新待机 1.小区选择 2.等待呼叫
第六步 测量控制
第六步 IRAT切换
主要内容
• 基本概念
– 网络架构 – 协议栈结构 – 接口功能
• 端到端业务建立/释放 相关流程
– Attach流程 – Detach流程 – Service Request过程
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
基于非竞争的随机接入
基于非竞争的随机接入过程 基于非竞争的随机接入过程
• UE根据eNB的指示，在指定的 PRACH上使用指定的Preamble码发 起随机接入 • Msg0：随机接入指示
– 对于切换场景，eNB通过RRC信令通 知UE – 对于下行数据到达和辅助定位场景， eNB通过PDCCH通知UE
LTE LTE系统消息 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
LTE中的承载
Bear( Bear(承载 承载)) in in LTE 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
无线承载分类
根据承载内容分类 根据承载内容分类
– 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
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
•
Msg1：发送Preamble码
– UE在eNB指定的PRACH信道资源上用指定的Preamble码发起随机接入
•
Msg2：随机接入响应
– Msg2与竞争机制的格式与内容完全一样，可以响应多个UE发送的Msg1
寻呼（36.300，36.331）
寻呼的发送 寻呼的发送
• • 由网络向空闲态或连接态的UE发起 Paging消息会在UE注册的所有小区发送（TA范围内）
• 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
EPC与E-UTRAN功能划分
EUTRAN EUTRAN
EPC EPC
EPC与E-UTRAN功能简述
功能概述 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。
LTE信令流程
北京阿法迪信息技术研究中心
业务总体流程
网络侧启动 1.初始化设备 2.进行系统广播 第一步 手机开机 1.PLMN选择 3.位置登记 第二步 2.小区驻留 4.等待呼叫 被呼 第三步 RRC连接建立
第六步 切换 第六步 物理信道重配置
第六步 SRB2/DRB重配置 第六步 传输信道重配置 第五步 RRC连接重配置 第四步 安全激活
UE各状态说明
RRC RRC状态 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 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 行为
Uu口控制面协议栈
与 的异同 与3G 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
CELL_FACH
CELL_PCH URA_PCH Connection establishment/release UTRA_Idle
CCO with optional NACC Reselection Connection establishment/release
Reselection
E-UTRA RRC IDLE
随机接入过程（36.300）
随机接入实现的基本功能 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 随机接入的使用场景 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）
– 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
控制面协议栈 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
用户面协议栈 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
Reselection CCO, Reselection
GSM_Idle/GPRS Packet_Idle
当存在 当存在RRC RRC连接时， 连接时，UE UE处于 处于RRC RRC连接状态，否则为 连接状态，否则为RRC RRC IDLE IDLE状态 状态 TS TS 36.331 36.331 4.2 4.2
• 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
•
•
LTE LTE用户面 用户面
NAS NAS消息其他承载方式 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：
– ULInformationTransfer 和 DLInformationTransfer （由SRB2承载，SRB2未建立时由 SRB1承载） – RRCConnectionSetupComplete 和 RRCConnectionReconfiguration （由SRB1承载） – RRCConnectionSetupComplete（只携带NAS的初始直传消息）
• 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 – 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
竞争接入过程
基于竞争的随机接入（2-1）
基于竞争的随机接入过程 基于竞争的随机接入过程2-1 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 2
•
Msg2：随机接入响应
各系统消息作用
系统消息功能说明 系统消息功能说明
3GPP各状态间转换
各系统状态转移图 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
•
MMEBaidu Nhomakorabea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：
– 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频域映射结构
PBCH时域映射结构
系统消息（36.331）
• • • • •
在S1AP接口消息中，MME对eNB发paging消 息，每个paging消息携带一个被寻呼UE信息 eNB读取Paging消息中的TA列表，并在其下属 于该列表内的小区进行空口寻呼 若之前UE已将DRX消息通过NAS告诉MME， 则MME会将该信息通过paging消息告诉eNB 空口进行寻呼消息的传输时，eNB将具有相同 寻呼时机的UE寻呼内容汇总在一条寻呼消息里 寻呼消息被映射到PCCH逻辑信道中，并根据 UE的DRX周期在PDSCH上发送
• •
LTE LTE控制面 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
与 的异同 与3G 3G 的异同
• 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 •
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系统消息（36.331）
LTE LTE系统消息 系统消息
• 系统消息的组成
– MasterInformationBlock(MIB) – 多个SystemInformationBlocks (SIBs)
•
MIB
第六步 TA更新
第六步 小区更新
第七步 RRC连接释放
第八步 重新待机 1.小区选择 2.等待呼叫
第六步 测量控制
第六步 IRAT切换
主要内容
• 基本概念
– 网络架构 – 协议栈结构 – 接口功能
• 端到端业务建立/释放 相关流程
– Attach流程 – Detach流程 – Service Request过程
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•
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
基于非竞争的随机接入
基于非竞争的随机接入过程 基于非竞争的随机接入过程
• UE根据eNB的指示，在指定的 PRACH上使用指定的Preamble码发 起随机接入 • Msg0：随机接入指示
– 对于切换场景，eNB通过RRC信令通 知UE – 对于下行数据到达和辅助定位场景， eNB通过PDCCH通知UE
LTE LTE系统消息 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
LTE中的承载
Bear( Bear(承载 承载)) in in LTE 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
无线承载分类
根据承载内容分类 根据承载内容分类
– 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
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
•
Msg1：发送Preamble码
– UE在eNB指定的PRACH信道资源上用指定的Preamble码发起随机接入
•
Msg2：随机接入响应
– Msg2与竞争机制的格式与内容完全一样，可以响应多个UE发送的Msg1
寻呼（36.300，36.331）
寻呼的发送 寻呼的发送
• • 由网络向空闲态或连接态的UE发起 Paging消息会在UE注册的所有小区发送（TA范围内）
• 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
EPC与E-UTRAN功能划分
EUTRAN EUTRAN
EPC EPC
EPC与E-UTRAN功能简述
功能概述 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。
LTE信令流程
北京阿法迪信息技术研究中心
业务总体流程
网络侧启动 1.初始化设备 2.进行系统广播 第一步 手机开机 1.PLMN选择 3.位置登记 第二步 2.小区驻留 4.等待呼叫 被呼 第三步 RRC连接建立
第六步 切换 第六步 物理信道重配置
第六步 SRB2/DRB重配置 第六步 传输信道重配置 第五步 RRC连接重配置 第四步 安全激活
UE各状态说明
RRC RRC状态 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 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 行为
Uu口控制面协议栈
与 的异同 与3G 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
CELL_FACH
CELL_PCH URA_PCH Connection establishment/release UTRA_Idle
CCO with optional NACC Reselection Connection establishment/release
Reselection
E-UTRA RRC IDLE
随机接入过程（36.300）
随机接入实现的基本功能 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 随机接入的使用场景 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）
– 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
控制面协议栈 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
用户面协议栈 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
Reselection CCO, Reselection
GSM_Idle/GPRS Packet_Idle
当存在 当存在RRC RRC连接时， 连接时，UE UE处于 处于RRC RRC连接状态，否则为 连接状态，否则为RRC RRC IDLE IDLE状态 状态 TS TS 36.331 36.331 4.2 4.2
• 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
•
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LTE LTE用户面 用户面
NAS NAS消息其他承载方式 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：
– ULInformationTransfer 和 DLInformationTransfer （由SRB2承载，SRB2未建立时由 SRB1承载） – RRCConnectionSetupComplete 和 RRCConnectionReconfiguration （由SRB1承载） – RRCConnectionSetupComplete（只携带NAS的初始直传消息）
• 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 – 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
竞争接入过程
基于竞争的随机接入（2-1）
基于竞争的随机接入过程 基于竞争的随机接入过程2-1 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
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•
Msg2：随机接入响应
各系统消息作用
系统消息功能说明 系统消息功能说明
3GPP各状态间转换
各系统状态转移图 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
•
MMEBaidu Nhomakorabea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。
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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：
– 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频域映射结构
PBCH时域映射结构
系统消息（36.331）