LTE基本概念及信令流程分析
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第 16 页
PBCH时域映射结构
PBCH频域映射结构
系统消息（36.331）
基 本 概 念 无线网系统消息
LTE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
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
第 2 页
移动性管理
TAU 切换 小区重选
附录
E-UTRAN网络结构
基 本 概 念 网络架构
LTE网络架构
LTE主要3GPP规范见附录
第 3 页
网络实体
基 本 概 念 网络架构
LTE网络实体
第 7 页
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
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
GTP-U 加上用户标识，对用户数据包增加移动性管理功能（S-GW）
第 17 页
各系wk.baidu.com消息作用
系统消息功能说明
基 本 概 念 无线网系统消息
第 18 页
系统消息获取
基 本 概 念
UE E-UTRAN
无线网系统消息
MasterInformationBlock SystemInformationBlockType1
SystemInformation
系统消息信令流程
UE通过E-UTRAN广播消息获取AS和NAS系统消息 此过程适用于RRC-IDLE和RRC_CONNECTED状态
LTE信令流程
演讲人:李泉
日期：20141031
主要内容
基本概念
网络架构 协议栈结构 接口功能 无线网系统消息 UE的工作模式与状态 无线承载的分类 UE标识
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
第 12 页
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：
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；
第 14 页
与3G Iu-PS接口协议架构比较
基 本 概 念 接口功能
3G Iu-PS接口通用模型
控制面：在Release 99中，采用7号信令系统协议承载信令；在Release 5 之后的版本，控制信令直接用IP承载； 用户面：Release 99 PS域，分组数据量在一个或多个AAL5永久虚电路上 复用；在Release 5之后，直接采用IP传输，与LTE架构相同；
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 TS 36.331 4.2
第 20 页
UE各状态说明
RRC状态
状态
PLMN选择 NAS配臵的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
第 15 页
系统消息（36.331）
基 本 概 念 无线网系统消息
LTE系统消息
系统消息的组成 MasterInformationBlock(MIB) 多个SystemInformationBlocks (SIBs) MIB 承载于BCCH → BCH → P-BCH 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配臵 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
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：
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
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接口配臵 数据等； 负荷管理功能。
服务网关功能：
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。
PDN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。 用户数据包的过滤和检查 用户IP分配
第 6 页
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
协议栈结构
NAS
控制面协议栈
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
开机选网和小区重选时 切换完成或从另一个RAT切换到E-UTRAN时 重新返回覆盖区域时 当系统消息改变时 当出现接收ETWS指示时 upon receiving a request from CDMA2000 upper layers upon exceeding the maximum validity duration (3h)
没有RNC，空中接口的控制平面（RRC）功能由eNB进行管理和控制 Mac匹配上层数据与物理层传输能力；调度，保证QOS参数，优先级分配 PDCP完全确知，头压缩、加解密功能 RLC对上层数据进行分段和重组，有mac层通知，ARQ SCTP在IP层之外增加额外保证，保证数据安全，因为IP针对有线传输
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:
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；
第 13 页
X2接口协议栈
LTE用户面
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
第 11 页
E-UTRAN接口通用协议模型
基 本 概 念 接口功能
LTE接口通用模型
适用于E-UTRAN相关的所有接口，即S1和X2接口 控制面和用户面相分离，无线网络层与传输网络层相分离 无线网络层：实现E-UTRAN的通信功能 传输网络层：采用IP传输技术对用户面和控制面数据进行传输
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 )
协议栈结构
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
第 8 页
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
第 9 页
Uu口控制面协议栈
基 本 概 念
UE NAS RRC PDCP RLC MAC PHY RRC PDCP RLC MAC PHY eNB MME NAS
第 19 页
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
基 本 概 念
UE的工作模式与状态
行为
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可以根据网络配臵进行DRX
第 21 页
RRC信令消息简化
UE PDCP RLC MAC PHY
eNB PDCP RLC MAC PHY
与3G的异同
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
CELL_FACH
CELL_PCH URA_PCH Connection establishment/release UTRA_Idle
CCO with optional NACC Reselection Connection establishment/release
Reselection
E-UTRA RRC_IDLE
LTE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；对应物理共享信道
第 10 页
Uu口用户面协议栈
基 本 概 念 协议栈结构
第 4 页
EPC与E-UTRAN功能划分
基 本 概 念 网络架构
EUTRAN
EPC
第 5 页
EPC与E-UTRAN功能简述
功能概述
eNB功能：
基 本 概 念 网络架构
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；PDCP 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臵。
PBCH时域映射结构
PBCH频域映射结构
系统消息（36.331）
基 本 概 念 无线网系统消息
LTE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
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
第 2 页
移动性管理
TAU 切换 小区重选
附录
E-UTRAN网络结构
基 本 概 念 网络架构
LTE网络架构
LTE主要3GPP规范见附录
第 3 页
网络实体
基 本 概 念 网络架构
LTE网络实体
第 7 页
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
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
GTP-U 加上用户标识，对用户数据包增加移动性管理功能（S-GW）
第 17 页
各系wk.baidu.com消息作用
系统消息功能说明
基 本 概 念 无线网系统消息
第 18 页
系统消息获取
基 本 概 念
UE E-UTRAN
无线网系统消息
MasterInformationBlock SystemInformationBlockType1
SystemInformation
系统消息信令流程
UE通过E-UTRAN广播消息获取AS和NAS系统消息 此过程适用于RRC-IDLE和RRC_CONNECTED状态
LTE信令流程
演讲人:李泉
日期：20141031
主要内容
基本概念
网络架构 协议栈结构 接口功能 无线网系统消息 UE的工作模式与状态 无线承载的分类 UE标识
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
第 12 页
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：
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；
第 14 页
与3G Iu-PS接口协议架构比较
基 本 概 念 接口功能
3G Iu-PS接口通用模型
控制面：在Release 99中，采用7号信令系统协议承载信令；在Release 5 之后的版本，控制信令直接用IP承载； 用户面：Release 99 PS域，分组数据量在一个或多个AAL5永久虚电路上 复用；在Release 5之后，直接采用IP传输，与LTE架构相同；
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 TS 36.331 4.2
第 20 页
UE各状态说明
RRC状态
状态
PLMN选择 NAS配臵的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
第 15 页
系统消息（36.331）
基 本 概 念 无线网系统消息
LTE系统消息
系统消息的组成 MasterInformationBlock(MIB) 多个SystemInformationBlocks (SIBs) MIB 承载于BCCH → BCH → P-BCH 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配臵 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
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：
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
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接口配臵 数据等； 负荷管理功能。
服务网关功能：
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。
PDN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。 用户数据包的过滤和检查 用户IP分配
第 6 页
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
协议栈结构
NAS
控制面协议栈
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
开机选网和小区重选时 切换完成或从另一个RAT切换到E-UTRAN时 重新返回覆盖区域时 当系统消息改变时 当出现接收ETWS指示时 upon receiving a request from CDMA2000 upper layers upon exceeding the maximum validity duration (3h)
没有RNC，空中接口的控制平面（RRC）功能由eNB进行管理和控制 Mac匹配上层数据与物理层传输能力；调度，保证QOS参数，优先级分配 PDCP完全确知，头压缩、加解密功能 RLC对上层数据进行分段和重组，有mac层通知，ARQ SCTP在IP层之外增加额外保证，保证数据安全，因为IP针对有线传输
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:
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；
第 13 页
X2接口协议栈
LTE用户面
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
第 11 页
E-UTRAN接口通用协议模型
基 本 概 念 接口功能
LTE接口通用模型
适用于E-UTRAN相关的所有接口，即S1和X2接口 控制面和用户面相分离，无线网络层与传输网络层相分离 无线网络层：实现E-UTRAN的通信功能 传输网络层：采用IP传输技术对用户面和控制面数据进行传输
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 )
协议栈结构
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
第 8 页
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
第 9 页
Uu口控制面协议栈
基 本 概 念
UE NAS RRC PDCP RLC MAC PHY RRC PDCP RLC MAC PHY eNB MME NAS
第 19 页
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
基 本 概 念
UE的工作模式与状态
行为
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可以根据网络配臵进行DRX
第 21 页
RRC信令消息简化
UE PDCP RLC MAC PHY
eNB PDCP RLC MAC PHY
与3G的异同
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
CELL_FACH
CELL_PCH URA_PCH Connection establishment/release UTRA_Idle
CCO with optional NACC Reselection Connection establishment/release
Reselection
E-UTRA RRC_IDLE
LTE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；对应物理共享信道
第 10 页
Uu口用户面协议栈
基 本 概 念 协议栈结构
第 4 页
EPC与E-UTRAN功能划分
基 本 概 念 网络架构
EUTRAN
EPC
第 5 页
EPC与E-UTRAN功能简述
功能概述
eNB功能：
基 本 概 念 网络架构
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；PDCP 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臵。