TDD-LTE信令流程

TDD-LTE基本信令流程指导书TDD-LTE基本信令流程指导书网版本日期作者审核修改记录V1.02009-09-14初版目录1概述12TDD-LTE网络结构概述22.1EPC与E-UTRAN功能划分32.2E-UTRAN接口的通用协议模型42.3S1接口42.3.1S1接口的用户平面52.3.2S1接口控制面52.4X2接口62.4.1X2接口用户平面72.4.2X2接口控制平面73典型信令流程分析93.1开机附着流程113.2UE发起的servicerequest流程错误!未定义书签。3.3网络发起的paging流程错误!未定义书签。3.4关机去附着错误!未定义书签。3.5切换流程错误!未定义书签。3.6空口RRC信令381概述对信令的理解和熟悉有助于在网络规划和优化过程中定位问题，因此是网络优化的必备能力。通常遇到问题，我们需要结合网络侧（后台信令跟踪）和终端侧两边的信令，共同分析。本文首先介绍了LTE网络架构及各个接口；接着详细描述了TDD-LTE的空口的信令流程，希望对读者学习LTE有所帮助。2TDD-LTE网络结构概述LTE的系统架构分成两部分，包括演进后的核心网EPC（MME/S-GW）和演进后的接入网E-UTRAN。演进后的系统仅存在分组交换域。LTE接入网仅由演进后的节点B（evolvedNodeB）组成，提供到UE的E-UTRA控制面与用户面的协议终止点。eNB之间通过X2接口进行连接，并且在需要通信的两个不同eNB之间总是会存在X2接口。LTE接入网与核心网之间通过S1接口进行连接，S1接口支持多—多联系方式。与3G网络架构相比，接入网仅包括eNB一种逻辑节点，网络架构中节点数量减少，网络架构更加趋于扁平化。扁平化网络架构降低了呼叫建立时延以及用户数据的传输时延，也会降低OPEX（运营成本）与CAPEX（有关的网络设备、计算机、仪器等一次性支出的项目）。由于eNB与MME/S-GW之间具有灵活的连接（S1-flex），UE在移动过程中仍然可以驻留在相同的MME/S-GW上，有助于减少接口信令交互数量以及MME/S-GW的处理负荷。当MME/S-GW与eNB之间的连接路径相当长或进行新的资源分配时，与UE连接的MME/S-GW也可能会改变。2.1EPC与E-UTRAN功能划分与3G系统相比，由于重新定义了系统网络架构，核心网和接入网之间的功能划分也随之有所变化，需要重新明确以适应新的架构和LTE的系统需求。针对LTE的系统架构，网络功能划分如下图：eNB功能：1）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；2）IP头压缩与用户数据流加密；3）UE附着时的MME选择；4）提供到S-GW的用户面数据的路由；5）寻呼消息的调度与传输；6）系统广播信息的调度与传输；7）测量与测量报告的配置。MME功能：1）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；2）安全控制；interneteNBRBControlConnectionMobilityCont.eNBMeasurementConfiguration&ProvisionDynamicResourceAllocation(Scheduler)PDCPPHYMMEServingGatewayS1MACInterCellRRMRadioAdmissionControlRLCE-UTRANEPCRRCMobilityAnchoringSAEBearerControlIdleStateMobilityHandlingNASSecurity3）空闲状态的移动性管理；4）SAE承载控制；5）非接入层信令的加密与完整性保护。服务网关功能：1）终止由于寻呼原因产生的用户平面数据包；2）支持由于UE移动性产生的用户平面切换。2.2E-UTRAN接口的通用协议模型E-UTRAN接口的通用协议模型如下图所示，适用于E-UTRAN相关的所有接口，即S1和X2接口。E-UTRAN接口的通用协议模型继承了UTRAN接口的定义原则，即控制面和用户面相分离，无线网络层与传输网络层相分离。继续保持控制平面与用户平面、无线网络层与传输网络层技术的独立演进，同时减少了LTE系统接口标准化工作的代价。ApplicationProtocolTransportNetworkLayerPhysicalLayerSignallingBearer(s)TransportUserNetworkPlaneControlPlaneUserPlaneTransportUserNetworkPlaneRadioNetworkLayerDataBearer(s)2.3S1接口S1接口是MME/S-GW网关与eNB之间的接口，S1接口与3GUMTS系统Iu接口的不同之处在于，Iu接口连接包括3G核心网的PS域和CS域，S1接口只支持PS域。2.3.1S1接口的用户平面用户平面接口位于E-NodeB和S-GW之间，S1接口用户平面（S1-UP）的协议栈如下图所示。S1-UP的传输网络层基于IP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。GTP-U协议具备以下特点：1）GTP-U协议既可以基于IPv4/UDP传输，也可以基于IPv6/UDP传输；2）隧道端点之间的数据通过IP地址和UDP端口号进行路由；3）UDP头与使用的IP版本无关，两者独立。S1用户面无线网络层协议功能：1）在S1接口目标节点中指示数据分组所属的SAE接入承载；2）移动性过程中尽量减少数据的丢失；3）错误处理机制；4）MBMS支持功能；5）分组丢失检测机制；2.3.2S1接口控制面S1控制平面接口位于E-NodeB和MME之间，传输网络层是利用IP传输，这点类似于用户平面；为了可靠的传输信令消息，在IP曾之上添加了SCTP；应用层的信令协议为S1-AP。S1接口控制面协议栈如下图所示：S1控制面功能：1）SAE承载服务管理功能（包括SAE承载建立、修改和释放）；2）S1接口UE上下文释放功能；3）LTE_ACTIVE状态下UE的移动性管理功能（包括Intra-LTE切换和Inter-3GPP-RAT切换）；4）S1接口的寻呼；5）NAS信令传输功能；6）S1接口管理功能（包括复位、错误指示以及过载指示等）；7）网络共享功能；8）漫游于区域限制支持功能；9）NAS节点选择功能；10）初始上下文建立过程；11）S1接口的无线网络层不提供流量控制和拥塞控制功能。2.4X2接口X2接口是eNB与eNB之间的接口。X2接口的定义采用了与S1接口一致的原则，体现在X2接口的用户平面协议结构与控制平面协议结构均与S1接口类似。2.4.1X2接口用户平面X2接口用户平面提供eNB之间的用户数据传输功能。X2-UP的协议栈结构如下图所示，X2-UP的传输网络层基于IP传输，UDP/IP协议之上采用GTP-U来传输eNB之间的用户面PDU。2.4.2X2接口控制平面X2接口控制平面协议栈如下图所示，LTE系统X2接口的定义采用了与S1接口一致的原则，其传输网络层控制平面IP层的上面也采用了SCTP，为信令提供可靠的传输。应用层信令协议表示为X2-AP。X2接口应用层协议功能：1）支持LTE_ACTIVE状态下UE的LTE接入系统内的移动性管理功能；2）X2接口自身的管理功能，如错误指示等；3）上行负荷管理功能。3典型信令流程分析3.1小区搜索小区搜索过程是UE和小区取得时间和频率同步，并检测小区ID的过程。E-UTRA系统的小区搜索过程与UTRA系统的主要区别是她能够支持不同的系统带宽（1.4~20MHZ）。小区搜索通过若干下行信道实现，包括同步信道（SCH）、广播信道（BCH）和下行参考信号（RS）。SCH又分成主同步信道（PSCH）和辅同步信道（SSCH），BCH又分成主广播信道（PBCH）和动态广播信道（DBCH）。除PBCH是以正式“信道”出现的；PSCH和SSCH是纯粹的L1信道，不用来传送L2/L3控制信令，而只用于同步和小区搜索过程；DBCH最终承载在下行共享传输信道（DL-SCH），没有独立的信道。下图为小区搜索流程：3.2随机接入流程随机接入分为基于冲突的随机接入和基于非冲突的随机接入两个流程。其区别为针对两种流程其选择随机接入前缀的方式。前者为UE从基于冲突的随机接入前缀中依照一定算法随机选择一个随机前缀；后者是基站侧通过下行专用信令给UE指派非冲突的随机接入前缀。具体流程如下：检测PSCH（用于获得5ms时钟，并获得小区ID组内的具体小区ID）检测SSCH（用于获得无线帧时钟、小区ID组、BCH天线配置）检测下行参考信号（用于获得BCH天线配置，是否采用位移导频）读取BCH（用于获得其它小区信息）基于冲突的随机接入：UEeNBRandomAccessPreamble1RandomAccessResponse2ScheduledTransmission3ContentionResolution41)UE在RACH上发送随机接入前缀；2)ENb的MAC层产生随机接入响应，并在DL-SCH上发送；3)UE的RRC层产生RRCConnectionRequest并在映射到UL–SCH上的CCCH逻辑信道上发送；4)RRCContentionResolution由ENb的RRC层产生，并在映射到DL–SCH上的CCCHorDCCH(FFS)逻辑信道上发送。基于非冲突的随机接入RAPreambleassignment0RandomAccessPreamble1RandomAccessResponse21)ENb通过下行专用信令给UE指派非冲突的随机接入前缀（non-contentionRandomAccessPreamble），这个前缀不在BCH上广播的集合中。2)UE在RACH上发送指派的随机接入前缀。3)ENb的MAC层产生随机接入响应，并在DL-SCH上发送。3.3开机附着流程3.3.1正常流程UE刚开机时，先进行物理下行同步，搜索测量进行小区选择，选择到一个suitable或者acceptable小区后，驻留并进行附着过程。附着流程图如下：UEEPCeNB1.RAPreambleFirstDownlinkData开机后先进行小区选择，接收系统信息，然后开始附着7.Identity/Authentication/Security3.RRCConnectionRequest8.建立默认EPS承载等20.更新承载2.RAResponse4.RRCConnectionSetup5.RRCConnectionSetupComplete(包含AttachRequest、PDNconnectivityrequest消息)FirstUplinkData检测到UserInactivity21.UECONTEXTRELEASEREQUEST(Cause)22.更新承载23.UECONTEXTRELEASECOMMAND24.RRCConnectionRelease25.UECONTEXTRELEASECOMPLETE6.InitialUEmessage（包含AttachRequest、PDNconnectivityrequest消息）9.Initialcontextsetuprequest(包含AttachAccept、ActivatedefaultEPSbearercontextrequest)15.RRCConnectionReconfiguration（包含AttachAccept、ActivatedefaultEPSbearercontextrequest）16.RRCConnectionReconfigurationComplete17.Initialcontextsetupresponse19.UPLINKNASTRANSPORT（包含AttachComplete、ActivatedefaultEPSbearercontextaccept）10