1、LTE空口协议及信令流程解析空口协议及信令流程解析课程内容nLTE空口协议介绍空口协议介绍n开机附着/去附着nUE发起Service Request流程n寻呼流程nTAU流程n切换流程n专用承载流程LTE系统架构p eNode B间的接口间的接口MME/S-GWMME/S-GWX2S1p Mobility Managementp Serving Gatewayp MME/SGW 与与 eNode B的接的接口口EPCE-UTRANEPSeNode BX2X2eNode BeNode BUuUEp Evolved Packet System EPSp Evolved Packet Core EP
2、CLTE/SAE系统结构演进SGi S4 S3 S1-MME PCRFS7 S6a HSSS10 UEGERAN UTRAN SGSN LTE-Uu E-UTRAN MMES11 S5 Serving Gateway PDN Gateway S1-U Operators IP Services(e.g.IMS,PSS etc.)Rx+q 网络结构扁平化q E-UTRAN只有一种q 网元E-Node Bq 全IPq 媒体面控制面分离q 与传统网络互通LTE网元功能MMEServing GWPDN GWE-Node B NAS信令以及安全性功能 3GPP接入网络移动性导致的CN节点间信令 空闲模式
3、下UE跟踪和可达性 漫游 鉴权 承载管理功能（包括专用承载的建立）支持UE的移动性切换用户面数据的功能 E-UTRAN空闲模式下行分组数据缓存和寻呼支持 数据包路由和转发上下行传输层数据包标记基于用户的包过滤合法监听IP地址分配上下行传输层数据包标记DHCPv4和DHCPv6（client、relay、server）具有现3GPP Node B全部和RNC大部分功能，包括：物理层功能MAC、RLC、PDCP功能RRC功能资源调度和无线资源管理无线接入控制移动性管理LTE协议结构 信令流数据流E-Node BPHYUEPHYMACRLCMACMMERLCNASNASRRCRRCPDCPPDCPA
4、PPUDPGTPUIPS1APSCTPSGWIPUDPGTPUIPSCTPS1APX2AP控制面协议架构UEeNode-BMME控制面协议架构UEeNode-BMMERRC 子层执行的功能:广播 寻呼 链接管理 无线承载控制 移动性UE测量上报和控制PDCP 子层执行的功能:加密和完整性保护NAS 子层执行的功能:认证、鉴权 安全控制 Idle 模式移动性处理 Idle 模式寻呼发起用户面协议架构UEeNode-BMMESAE Gateway用户面协议架构UEeNode-BMMESAE GatewayRLC 子层执行的功能:PDU传输ARQ 包的组合和拆分PDCP 子层执行的功能:头压缩 加密
5、MAC 子层执行的功能:调度 HARQ 逻辑信道优先级处理 PDU组包和解复用物理层(L1)执行的功能：无线接入功率控制 MIMOEPS承载业务架构承载概念nGBR/Non-GBR 承载：在承载建立或修改过程中通过例如eNode B接纳控制等功能永久分配专用网络资源给某个保证比特速率（Guaranteed Bit Rate，GBR）的承载，可以确保该承载的比特速率。否则不能保证承载的速率不变则是一个 Non-GBR 承载n默认承载（Default Bearer）：一种满足默认QOS的数据和信令的用户承载，提供尽力而为的IP连接。默认承载为Non-GBR 承载。默认承载为UE接入网络时首先建立的
6、承载，该承载在整个PDN连接周期都会存在，为UE提供到PDN的“永远在线”的IP连接。n专用承载：对某些特定业务所使用的SAE承载。一般情况下专用承载的QOS比默认承载高，专用承载可以是GBR或Non-GBR 承载。连接概念nUu空口(X1)：UE与eNode B之间的空中接口。nS1接口：eNode 与EPC之间的接口。nUE-associated logical S1-connection：UE相关S1逻辑连接，对于某个UE-associated logical S1-connection在MME侧用MME UE S1AP ID 标识，在 eNB侧用eNB UE S1AP ID 标识，此连
7、接可能在S1 UE context 建立之前存在。nNAS signalling connection：NAS信令连接，是UE与MME之间端到端的连接，NAS信令连接包括“LTE-Uu”空口的RRC连接和S1口的S1 AP连接。课程内容nLTE空口协议介绍n开机附着开机附着/去附着去附着nUE发起Service Request流程n寻呼流程nTAU流程n切换流程n专用承载流程系统消息（36.331）n系统消息的组成lMasterInformationBlock(MIB)l多个SystemInformationBlocks(SIBs)nMIBl承载于BCCH BCH P-BCH上l包括有限个用以
8、读取其他小区信息的最重要、最常用的传输参数（系统带宽，系统系统带宽，系统帧号，帧号，PHICH配置信息配置信息）l时域：紧邻同步信道，以10ms为周期重传4次l频域：位于系统带宽中央的72个子载波基基 本本 概概 念念无线网系统消息无线网系统消息LTE系统消息系统消息PBCHPBCH时域映射结构时域映射结构PBCHPBCH频域映射结构频域映射结构系统消息（36.331）nSIBsl除MIB以外的系统消息，包括SIB1-SIB12l除SIB1以外，SIB2-SIB12均由SI(System Information)承载lSIB1是除MIB外最重要的系统消息，固定以20ms为周期重传4次，即SIB
9、1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。lSIB1和所有SI消息均传输在BCCH DL-SCH PDSCH上lSIB1的传输通过携带的传输通过携带SI-RNTI（SI-RNTI每个小区都是相同的）的每个小区都是相同的）的PDCCH调度完调度完成成lSIB1中的中的SchedulingInfoList携带所有携带所有SI的调度信息，接收的调度信息，接收SIB1以后，即可接收以后，即可接收其他其他SI消息消息基基 本本 概概 念念无线网系统消息无线网系统消息LTE系统消息
10、系统消息各系统消息作用基基 本本 概概 念念无线网系统消息无线网系统消息系统消息功能说明系统消息功能说明系统消息信令流程系统消息信令流程系统消息获取nUE通过E-UTRAN广播消息获取AS和NAS系统消息n此过程适用于RRC-IDLE和RRC_CONNECTED状态l开机选网和小区重选时l切换完成或从另一个RAT切换到E-UTRAN时l重新返回覆盖区域时l当系统消息改变时l当出现接收ETWS指示时lupon receiving a request from CDMA2000 upper layers lupon exceeding the maximum validity duration(3
11、h)E-UTRAN MasterInformationBlock UE SystemInformationBlockType1 SystemInformation 基基 本本 概概 念念无线网系统消息无线网系统消息开机附着Page 20随机接入过程随机接入过程n随机接入的目的l 获取上行同步l 获取上行调度资源n随机接入场景l 空闲模式下初始接入l 无线链路失步后的RRC重建l 切换到新小区l上行失步状态要进行下行数传l上行失步状态要进行上行数传n两种类型的随机接入l基于竞争的(应用于上述5种场景)l基于非竞争的(只应用于切换和下行数传场景)Page 21Random Access Proce
12、dures(2)基于基于竞竞争的随机接入争的随机接入 基于非基于非竞竞争的随机接入争的随机接入l基于竞争和非竞争随机接入过程的差别基于竞争和非竞争随机接入过程的差别pPreamble 选择选择n基于非竞争的随机接入由网络侧指派基于非竞争的随机接入由网络侧指派n基于竞争的随机接入由基于竞争的随机接入由UE随机选择随机选择p竞争冲突风险竞争冲突风险n基于非竞争基于非竞争:网络保证在一段时间内不会冲突网络保证在一段时间内不会冲突n基于竞争：有冲突风险基于竞争：有冲突风险Page 22Preamble 和和 PRACH Configuration Indexl 不同的随机接入不同的随机接入Preamb
13、le格式能支持格式能支持不同的小区半径不同的小区半径PRACH 信道配置信道配置lPRACH 配置原则配置原则pPRACH的资源取决于小区半径和小区带宽的资源取决于小区半径和小区带宽.p在在PRACH信道资源和接入、切换时延上取一个折中信道资源和接入、切换时延上取一个折中;l 华为支持的配置华为支持的配置:ppreamble 格式格式:03pPRACH 周期周期:10ms,5ms p随机接入过程随机接入过程:竞争，非竞争竞争，非竞争l 当选择了一种当选择了一种Preamble格式后，系统会自动配置格式后，系统会自动配置PRACH格式格式PreambleFormatPreambleFormatP
14、RACH Cfg(10M/5M)PRACH Cfg(10M/5M)PRACH Cfg(20M/15M)PRACH Cfg(20M/15M)03,4,56,7,8119,20,2119,20,21235,36,3735,36,37351,52,5351,52,53RACH SlotRACH SlotPUCCHPUCCHPRACHFrame(10ms)RACH period(5ms)Preamble format 01ms6 RBsTimeFrequencyPUSCHPRACH CONFIGURATION INDEX=6Page 24基本概念基本概念lSignalling Radio Bearer
15、s(SRBs)are defined as Radio Bearers(RB)that are used only for the transmission of RRC and NAS messages.pSRB0 is for RRC messages using the CCCH logical channel;pSRB1 is for RRC messages as well as for NAS messages prior to the establishment of SRB2pSRB2 is for NAS messages,SRB2 has a lower-priority
16、than SRB1 and is always configured by E-UTRAN after security activationlDRB:Data Radio Bearerl默认承载默认承载:UE attach之后，会建之后，会建立默认承载立默认承载,A default bearer shall be a Non-GBR bearerl专用承载：专用承载：除默认承载之外的是除默认承载之外的是专用承载，专用承载，A dedicated bearer can either be a GBR or a Non-GBR bearer.RRC连接建立过程nPurpose:l建立SRB1.l
17、UE发送初始NAS层消息给网络 nMain IE:lUE-identity(RRCConnectionRequest 和RRCConnectionSetup消息)lestablishmentCause(RRCConnectionRequest)lradioResourceConfiguration for Only SRB1(RRCConnectionSetup)lselectedPLMN-Identity(RRCConnectionSetupComplete)lnas-DedicatedInformation(RRCConnectionSetupComplete)n对应SRB:lRRC连接建
18、立完成消息承载在SRB1，其它消息走SRB0。Page25Page 26RRC CONN SETUP REQPage 27RRC CONN SETUP Page 28RRC CONN SETUP CMP 开机附着NAS信令连接建立建立RRC连接 建S1连接Attach RequestnRRCConnectionSetupComplete、InitialUEMessage把NAS消息Attach Request发送到EPC。InitialContextSetupRequestn该消息为MME向eNB发起的初始上下文建立请求，请求eNB建立承载资源，同时带安全上下文，可能带用户无线能力、切换限制列
19、表等参数。nUE的安全能力参数是通过attach request消息带给核心网的，核心网再通过该消息送给eNB。UE Capability Enquiryn如果消息InitialContextSetupRequest带了UE Radio Capability IE，则eNB不会发送UECapabilityEnquiry消息给UE，否则会发送，UE上报无线能力信息后，eNB再发UE Capability Info Indication给核心网上报UE的无线能力信息。UECapability Enquiryn带如果消息InitialContextSetupRequest带了UE Radio Cap
20、ability IE，则eNB不会发送UECapabilityEnquiry消息给UE。LTE中的密钥体系n密钥体系Distribution of authentication datanAuth authentication vectorn四元组：RAND、AUTN、XRES、KASMEn3G：AV五元组：RAND、AUTN、XRES、CK、IKMME HE Authentication data request IMSI,SN identity,Network Type Type Authentication data response EPS-Authentication Vector(
21、s)VLR/SGSN HE Authentication data request IMSI Authentication data response AV(1.n)鉴权nUE收到Authentication Request消息后，首先验证AUTN的新鲜性，如果验证通过，则完成了UE对MME的认证，认为接入的网络是可信任的。nUSIM计算出RES。nUE响应包括RES的Authentication Response消息。nMME检查RES和XRES是否一致，如果一致，则完成了MME对UE的认证，认为该UE是合法的。ME/USIM MME User authentication request(
22、RAND,AUTN,KSIASME)User authentication response(RES)安全模式命令nNAS层安全模式命令lMME和UE两端协商NAS算法l计算NAS完整性保护密钥和加密密钥nAS层安全模式命令leNB和UE两端协商AS算法l计算NAS完整性保护密钥和加密密钥NAS安全模式命令nMME根据UE上报的安全能力，选择NAS层使用的加密算法和完整性保护算法。nMME向UE发送NAS安全模式命令消息 UE MME NAS Security Mode Command(eKSI,UE sec capabilities,Ciphering algorithm,Integrity
23、 algorithm,IMEISV request,NONCEUE,NONCEMME,NAS-MAC)Verify NAS SMC integrity.If succesful,start ciphering/deciphering and integrity protection and send NAS Security Mode Complete.Start uplink deciphering Start integrity protection NAS Security Mode Complete(IMEISV,NAS-MAC)Start downlink ciphering AS安
24、全模式命令nAS层安全模式命令过程由eNB发起n发送Security Mode Command，该消息被完整性保护，发送该消息后，启动下行方向对RRC消息和用户数据加密保护nUE进行完整性校验 UE eNB AS Security Mode Command(Integrity algorithm,Ciphering algorithm,MAC-I)AS Security Mode Complete(MAC-I)Verify AS SMC integrity.If succesful,start RRC integrity protection,RRC/UP downlink decipheri
25、ng,and send AS Security Mode Complete.Start RRC/UP uplink ciphering Start RRC/UP uplink deciphering Start RRC integrity protection Start RRC/UP downlink ciphering NAS信息发送nUL Information Transfer(UU)nUplink NAS Transport(S1)nDL Information Transfer(UU)nDownlink NAS Transport(S1)非关机去附着流程:RRC_IDLE（1）非关
26、机去附着流程:RRC_IDLE（2）去附着流程:RRC_CONNECTED（非关机）n非关机去附着，则会收到MME的Detach Accept响应消息和eNB的RRC Connection Release消息.关机去附着流程附着/去附着跟踪信令非关机去附着过程（RRC_CONNECTED）课程内容nLTE空口协议介绍n开机附着/去附着nUE发起发起Service Request流程流程n寻呼流程nTAU流程n切换流程n专用承载流程UE发起的Service Request过程 UE发起的Service Request过程 课程内容nLTE空口协议介绍n开机附着/去附着nUE发起Service R
27、equest流程n寻呼流程寻呼流程nTAU流程n切换流程n专用承载流程寻呼流程l 寻呼基本概念寻呼基本概念:pDRX cycle:在一个在一个DRX周期中，周期中，UE只需要监听一次寻呼时机只需要监听一次寻呼时机，可以省电，可以省电pPaging Occasion(PO):在寻呼时间在寻呼时间(PO)的子帧中，系统可能下发寻呼消息的子帧中，系统可能下发寻呼消息.pPaging Frame(PF):寻呼帧寻呼帧(PF)是一个无线帧，可能包含一个或多个寻呼时机是一个无线帧，可能包含一个或多个寻呼时机pnB:指示在一个寻呼周期中寻呼时机的数目指示在一个寻呼周期中寻呼时机的数目(在一个寻呼周期中，对于
28、一个在一个寻呼周期中，对于一个UE只有一个寻呼时间，但对于只有一个寻呼时间，但对于小区而言，存在多个寻呼时机小区而言，存在多个寻呼时机)l寻呼时机的帧号和子帧号计算寻呼时机的帧号和子帧号计算:p寻呼帧号计算寻呼帧号计算:SFN mod T=(T div N)*(UE_ID mod N)pIndex i_s 通过查表可以得到寻呼子帧通过查表可以得到寻呼子帧:i_s=floor(UE_ID/N)mod NsWhere,T:means the DRX cycle of the UE.nB:4T,2T,T,T/2,T/4,T/8,T/16,T/32.N:min(T,nB).Ns:max(1,nB/T)
29、.UE_ID:IMSI mod 1024.寻呼时机计算假设:T=64,(i.e.DRX周期为 640ms)nB=2T128,UE_ID=IMSI mod 1024=5;所以:N=min(T,nB)=T 64,Ns:max(1,nB/T)=2,T div N=1,UE_ID mod N=5PF:当SFN5，645,当SFN mod T=(T div N)*(UE_ID mod N)5;PO:i_s=(UE_ID/N)mod Ns=0;通过查下表可以得出Po为4号子帧:FrameSub-frame640ms012345601234567810ms9PFPONsPO when i_s=0PO whe
30、n i_s=1PO when i_s=2PO when i_s=319N/AN/AN/A249N/AN/A40459寻呼流程nMME触发寻呼寻呼流程nMME触发寻呼l寻呼某个特定的用户，触发寻呼某个特定的用户，触发UE建立业务，由核心网发起，向建立业务，由核心网发起，向UE所在所在TAC区的一个区的一个或多个基站下发寻呼消息或多个基站下发寻呼消息lS1口寻呼消息包含口寻呼消息包含UE_ID,UE Paging ID、TAI、CN 域等信息域等信息leNodeB根据根据UE_ID信息计算用户最近的信息计算用户最近的PO并下发寻呼消息，等待时间和并下发寻呼消息，等待时间和DRX周周期相关。期相关。
31、lUE在每个寻呼时机监听寻呼消息在每个寻呼时机监听寻呼消息:pUE 在在PDCCH监听监听P-RNTI的的DL GRANTpUE 读取读取PDSCH中的寻呼消息中的寻呼消息pUE 对比寻呼对比寻呼ID，响应寻呼，响应寻呼寻呼流程n系统消息改变触发寻呼 PAGING UE eNB l和核心网无关，和核心网无关，eNodeB在更新系统消息时，通过群呼来通知在更新系统消息时，通过群呼来通知UE:p在每一个在每一个PO下发寻呼下发寻呼;p最长可持续一个修改周期，最少为一个寻呼周期最长可持续一个修改周期，最少为一个寻呼周期,寻呼消息数目寻呼消息数目=NB*ModifyPeriodCoefflUE在每个寻
32、呼时机监听寻呼消息在每个寻呼时机监听寻呼消息:pUE 在在PDCCH监听监听P-RNTI的的DL GRANTpUE 读取读取PDSCH中的寻呼消息中的寻呼消息(systemInfoModification)pUE 响应寻呼，在下一个修改周期中读取新的系统消息响应寻呼，在下一个修改周期中读取新的系统消息课程内容nLTE空口协议介绍n开机附着/去附着nUE发起Service Request流程n寻呼流程nTAU流程流程n切换流程n专用承载流程TAU流程nIDLE下，如果有上行数据或者上行信令（与TAU无关的）发送，UE可以在TAU request消息中设置an“active”标识，来请求建立用户面
33、资源，并且TAU完成后保持NAS信令连接。如果没有设置“active”标识，则TAU完成后释放NAS信令连接。n如果TAU accept分配了一个新的GUTI，则UE需要回复TAU complete，否则不用回复。TAU流程：RRC_IDLE不设置“active”标识（1）TAU流程：RRC_IDLE不设置“active”标识（2）TAU流程：RRC_IDLE不设置“active”标识（3）TAU流程：RRC_IDLE设置“active”标识（1）TAU流程：RRC_IDLE设置“active”标识（2）TAU流程：RRC_IDLE设置“active”标识（3）TAU流程：RRC_CONNEC
34、TED发起的流程TAU流程：RRC_CONNECTED发起的流程课程内容nLTE空口协议介绍n开机附着/去附着nUE发起Service Request流程n寻呼流程nTAU流程n切换流程切换流程n专用承载流程切换nLTE测量l测量事件l测量建立l测量报告nIntra-eNB HandOver：同一基站内不同小区间切换流程nInter-eNB HandOver：不同基站间小区切换lS1 Based Handover：基于S1接口切换流程lX2 Based Handover：基于X2接口切换流程LTE测量n测量事件lA1事件：服务小区质量高于一个绝对门限lA2事件：服务小区质量低于一个绝对门限lA
35、3事件：邻区比服务小区质量高于一个绝对门限，lA4事件：邻区质量高于一个绝对门限lA5事件：服务小区质量低于一个绝对门限1，且邻区质量高于一个绝对门限2lB1事件：异系统邻区质量高于一个绝对门限lB2事件：服务小区质量低于一个绝对门限1且异系统邻区质量高于一个绝对门限2LTE测量n测量建立：RRC连接建立后，与承载UE上下文建立消息的第一次RRCConnection Reconfiguration消息一起下发Page 71同频切换n 同频切换触发过程（A3事件）Mn 邻区测量量 RSRP/RSRQOfn 频点的偏置 Ocn 邻小区偏置，通过邻区关系配置Ms 服务小区测量量 RSRP/RSRQO
36、fs 服务频点偏置Ocs服务小区偏置Hys 迟滞系数，与业务特性和移动速度强相关，降低乒乓切换的概率Off a3-Offset Mn,Ms 单位是dbm或者db，其余都是db OffOcsOfsMsHysOcnOfnMnPage 72异频切换n 异频切换触发过程lA2 事件触发GAP测量n n两种GAP模式n周期40ms(默认),周期80mslA4事件触发异频切换ThreshHysMsThreshHysOcnOfnMnLTE测量n测量报告：UE通过Measurement Report发送测量结果Intra-eNB HandOver（1）Intra-eNB HandOver（2）Inter-eN
37、B X2 HandOver（1）Inter-eNB X2 HandOver（2）n源侧信令跟踪n目标侧信令跟踪Inter-eNB S1 HandOver（1）Inter-eNB S1 HandOver（2）n源侧信令跟踪n目标侧信令跟踪Inter-eNB S1 HandOver（3）n源eNB向MME发起切换RequiredInter-eNB S1 HandOver（4）nMME向目标eNB发起切换RequestInter-eNB S1 HandOver（5）nMME向源eNB发起切换命令Inter-eNB S1 HandOver（6）n源eNB向UE发送RRCConnection Recon
38、figuration，消息中包含专用Preamble，表明是非竞争的RA。课程内容nLTE空口协议介绍n开机附着/去附着nUE发起Service Request流程n寻呼流程nTAU流程n切换流程n专用承载流程专用承载流程专用承载n专用承载建立：专用承载建立由UE或MME主动发起，eNB不能主动发起，且只能在RRC_CONNECTED下发起该流程。n专用承载修改：专用承载修改可以由UE、MME主动发起，不能由eNB主动发起，只能在RRC_CONNECTED下发起该流程。n专用承载释放：只能在RRC_CONNECTED下发起该流程。专用承载建立（1）专用承载建立（2）专用承载建立（3）专用承载修改（1）专用承载修改（2）专用承载修改（3）专用承载释放（1）专用承载释放（2）谢谢！谢谢！
