3GPP LTE系统中移动性管理的研究

《电信交换》2009年第3期
现状与发展
3GPP LTE系统中
移动性管理的研究
马志鑫李小文
（重庆邮电大学重邮信科3G研究院重庆400065）
摘要：先对LTE系统的移动状态进行了描述，然后用图形描述了LTE移动状态之间的转移，最后分别研究了空闲状态、连接状态和无线接入系统之间的移动
性管理。

关键词：3GPP LTE 移动性管理移动状态
3GPP在2004年12月启动了无线接入网长期演进研究项目(LTE long term evolution)和面向全IP的分组域核心网的演进项目(SAE system architecture evolution)，LTE和SAE共同构建了3GPP系统的整体演进，而移动性管理主要负责与用户移动性相关的功能，在移动通信系统中有非常重要的作用。

一、LTE系统的移动状态
LTE系统中，无线接口协议栈根据用途分为用户平面协议栈和控制平面协议栈（如图1所示）。

用户平面主要负责分组数据的传递。

控制平面主要负责用户无线资源的管理、无线连接的建立、业务的QoS保证和最终的资源释放等。

这种结构简化了控制平面从睡眠状态到激活状态的过程，使睡眠状态到激活状态的迁移时间相应减少，其中NAS层是SAE承载管理、鉴权、AGW和UE间信令加密控制、用户面信令加密控制、移动性管理和LTE_IDLE时的寻呼发起。

图1 用户平面协议栈和控制平面协议栈
NAS层主要包括3个协议状态：
(1)LTE_DETACHE 网络和UE侧都没有RRC实体，此时UE通常处于关机、去附着等状态；
(2)LTE_IDLE 对应RRC的DLE状态，UE和网络侧存储的信息包括：给UE分配的IP地址、安全相关的参数(密钥等)、UE的能力信息和无线承载，此时，UE的状态转移由基站或AGW 决定；
(3)LTE_ACTIVE 对应RRC连接状态，状态转移由基站或AGW决定。

二、LTE系统的状态转移
图2给出了NAS状态与RRC状态的关系以及状态之间的跃迁。

终端开机时进入LTE_DETACHED状态，而后，终端执行注册过程，进入LTE_ACTIVE状态。

通过此过程，终端可以获得C-RNTI、TA（跟踪区，Tracking Area）-ID、IP地址等，并通过鉴权过程建立安全方面的联系。

如果没有其他业务，终端可以释放C-RNTI，获得分配给该用户的用于接
图2 E-UTRAN中的协议状态图
收寻呼信道的非连续接收周期后，进入LTE_IDLE状态。

当用户有了新的业务需求时，可以通过RRC连接请求（随机接入过程）获得C-RNTI，此时终端就从LTE_IDLE状态跃迁到LTE_ACTIVE状态；在该状态下，终端如果移动到不认识的PLMN区域或者执行了注销过程，用户的C-RNTI、TA-ID和IP地址被收回，终端就会进入LTE_DETACHED状态。

对于处于LTE_IDLE状态的用户，如果用户执行周期性的TA更新过程超时，TA-ID和IP地址就会被收回，用户也会跃迁到LTE_DETACHED状态。

三、LTE系统的移动性管理
1.空闲状态下LTE接入系统内移动性管理
空闲状态是指演进型分组系统（EPS Evolved Packet System)连接性管理的空闲状态。

在该状态下UE与网络之间没有信令连接，也没有S1-MME和S1-U连接，UE在有下行数据到达时，数据应终止在Serving GW，由网络发起寻呼。

当UE进入未注册的新跟踪区时，应执行TA更新。

E-UTRAN在EPC的辅助下执行区域限制功能。

在LTE_IDLE下，为了减少用户跨越不同系统时发生频繁的系统重选，减少由此带来的位置更新信令，考虑采用空闲模式信令缩减（ISR Idle mode signalling Reduction），即将2G/3G的路由区和LTE/SAE的跟踪区设定为等效的位置区。

当UE在ISR激活情况下进入另一种接入系统时，发起位置更新过程，网络为UE分配新系统的临时标识和位置区标识。

此时，两个系统为UE提供服务的核心网节点都在归属用户服务器（HSS Home subscriber Server）登记，因为有关联关系的存在，当UE在这两个系统间来回移动时就不需再发起注册/更新过程，从而达到减少信令交互的目的。

UE从SAE系统进入到2G/3G系统的信令流程如图3所示。

当UE向MME发起附着请求时，MME发起对UE的鉴权过程，同时MME向HSS发起注册过程；当网络决定接受UE的附着时，MME分配UE的临时标识GUTI、位置标识TAI和默认IP配置，UE改变到2G/3G系统时，发起RA更新；收到RA更新消息的SGSN向MME请求该UE的移动性上下文、安全密匙等参数，并与UE执行需要的鉴权认证过程；SGSN向HSS发起注册过程。

当SGSN获得UE在MME中的参数后，SGSN向MME发起更新PDP的过程。

当UE在2G/3G系统中注册成功后，UE在SAE系统和2G/3G系统间移动就不需要再进行注册和更新，从而极大地减少了信令流程。

图3 UE从SAE系统进入2G/3G系统的信令流程
2.连接状态下LTE接入系统内的移动性管理
连接状态是指EPS连接性管理的连接状态（ECM-CONNECTED）。

在该状态下，UE与网络之间有信令连接，网络对UE位置所知精度为小级别，UE移动性管理由切换过程控制，当UE进入未注册的新跟踪区时执行TA更新过程。

LTE接入系统内的移动性管理，处理在连接状态下UE的移动，包括核心网节点的重定位和UE的切换过程，这些过程包括源系统的切换决策、目标系统中的资源准备、指挥UE接入新的无线接入网以及最终释放在源系统中的资源等。

切换过程的发起总是由源侧决定，源侧的eNodeB控制并评估UE和eNodeB的测量结果，并考虑UE的区域限制情况，判定是否发起切换。

LTE系统内部的切换都采用UE辅助的网络控制方式，切换准备信令在E-UTRAN中执行。

在目标系统中预留切换后所需要的资源，待切换命令执行后再为UE分配这些预留的资源。

当UE同步到目标接入系统后，网络控制释放源系统中的资源，这个过程还包括在相关节点之间传输上下文信息、转发用户数据以及用户平面和控制平面的核心网节点重定位。

处于连接状态的UE在LTE接入系统内部的移动性管理，可以分为涉及EPC节点重定位的Inter-eNodeB移动性管理和不涉及EPC节点重定位的Inter-eNodeB移动性管理。

如图4所示为一个不涉及MME改变也不涉及Serving GW改变的LTE接入系统内的切换过程的流程图。

当LTE接入系统内的切换在同一个MME内执行时，切换过程不涉及这个MME，即由源eNodeB
通过X2接口进行交互。

3.3GPP无线接入系统之间的移动性管理
3GPP无线接入系统之间的移动性管理，主要指UMTS/GPRS系统到LTE系统、LTE系统到UMTS/GPRS系统的移动性管理。

3GPP无线接入系统间的切换都采用后向切换的方式，即目标系统预留切换所需要的资源。

从E-UTRAN RRC-CONNECTED状态切换到UTRAN CELL_DCH状态时，由网络侧控制切换，UE根据网络的测量控制和邻区信息进行测量，并由网络侧控制上报准则；从UTRAN CELL_DCH状态切换到E-UTRAN RRC-CONNECTED状态时，也是由网络侧控制切换。

只有当目标接入网络准备好了相应的无线资源时UE才能由源接入系统命令切换到目标接入网络，两个系统之间的切换如图5所示。

从LTE/SAE到UMTS/GPRS的3GPP系统间切换信令流程图如图6所示。

图5 E-UTRAN与UTRAN之间的切换
图6 LTE/SAE到UMTS/GPRS系统的切换信令流程
四、结束语
随着人们对终端移动性要求的提高，移动通信系统的移动性管理也在不断发展。

LTE就是朝着满足用户需求和应对宽带接入技术的挑战的方向发展的。

此外，LTE发展的新的网络结构，在原来无线接入网之外，建立一个新的全IP的无线接入网RAN和与固网融合的纯IP核心网，真正实现固网与移动网的融合，以满足人们越来越多的需求和更方便的网络。

参考文献
[1] 沈嘉，索士强，金海洋.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M].北京.人民邮电出版社，2008
[2] 3GPPTS 36．401：Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN);Architecture description “LTE无线层协议介绍“，CUDO，2006.05
[3] 3GPP TS 36.211 V8.3.0(2008-05) 3rd Generation partnership project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evoloved Universal Terresitrial Radio Access(E-UTRA); Physial Channels and Modulation
[4] 李小文. 第三代移动通信系统、信令及实现[M].北京.：人民邮电出版社，2003■。