LTE基本信令流程.docx

LTE基本信令流程.docx

《LTE基本信令流程.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LTE基本信令流程.docx（41页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

LTE基本信令流程

LTE基本信令流程

课程目标：

●了解LTE空口协议

●了解LTE基本信令流程

第一章LTE空口协议

&知识点

LTE网络架构

EPC与E-UTRAN功能划分

E-UTRAN接口的通用协议模型

LTE空口协议

S1、X2接口介绍

承载相关介绍

一.1LTE网络架构

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与CAPEX。

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。

一.2EPC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：

●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；

I●P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。

MME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；

●SAE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。

一.3E-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。

一.4LTE空口协议

一.4.1控制面协议

控制面协议结构如下图所示。

图1.41空口控制面协议栈

PDCP在网络侧终止于eNB，需要完成控制面的加密、完整性保护等功能。

RLC和MAC在网络侧终止于eNB，在用户面和控制面执行功能没有区别。

RRC在网络侧终止于eNB，主要实现广播、寻呼、RRC连接管理、RB控制、移动性功能、UE的测量上报和控制功能。

NAS控制协议在网络侧终止于MME，主要实现EPS承载管理、鉴权、ECM（EPS连接性管理）idle状态下的移动性处理、ECMidle状态下发起寻呼、安全控制功能。

一.4.2用户面协议

用户面协议结构如下图所示。

图1.42空口用户面协议栈

用户面PDCP、RLC、MAC在网络侧均终止于eNB，主要实现头压缩、加密、调度、ARQ和HARQ功能。

一.4.3空口协议功能介绍

1.物理层功能

LTE系统中空中接口的物理层主要负责向上层提供底层的数据传输服务。

为了提供数据传输服务，物理层将包含如下功能。

●传输信道的错误检测并向高层提供指示。

●传输信道的前向纠错编码（FEC）与译码。

●混合自动重传请求（HARQ）软合并。

●传输信道与物理信道之间的速率匹配及映射。

●物理信道的功率加权。

●物理信道的调制与解调。

●时间及频率同步。

●射频特性测量并向高层提供指示。

●MIMO天线处理。

●传输分集。

●波束赋形。

●射频处理。

下面简要介绍一下LTE系统的物理层关键技术方案。

●系统带宽：

LTE系统载波间隔采用15kHz，上下行的最小资源块均为180kHz，也就是12个子载波宽度，数据到资源块的映射可采用集中式或分布式两种方式。

通过合理配置子载波数量，系统可以实现1.4~20MHz的灵活带宽配置。

●OFDMA与SC-FDMA：

LTE系统的下行基本传输方式采用正交频分多址OFDMA方式，OFDM传输方式中的CP（循环前缀）主要用于有效的消除符号间干扰，其长度决定了OFDM系统的抗多径能力和覆盖能力。

为了达到小区半径100km的覆盖要求，LTE系统采用长短两套循环前缀方案，根据具体场景进行选择：

短CP方案为基本选项，长CP方案用于支持大范围小区覆盖和多小区广播业务。

上行方向，LTE系统采用基于带有循环前缀的单载波频分多址（SC-FDMA）技术。

选择SC-FDMA作为LTE系统上行信号接入方式的一个主要原因是为了降低发射终端的峰值平均功率比，进而减小终端的体积和成本。

●双工方式：

LTE系统支持两种基本的工作模式，即频分双工（FDD）和时分双工（TDD）；支持两种不同的无线帧结构，帧长度均为10ms。

●调制方式：

LTE系统上下行均支持如下调制方式：

QPSK、16QAM及64QAM。

●信道编码：

LTE系统中对传输块使用的信道编码方案为Turbo编码，编码速率为R=1/3，它由两个8状态子编码器和一个Turbo码内部交织器构成。

其中，在Turbo编码中使用栅格终止方案。

●多天线技术：

LTE系统引入了MIMO技术，通过在发射端和接收端同时配置多个天线，大幅度地提高了系统的整体容量。

LTE系统的基本MIMO配置是下行2×2、上行1×2个天线，但同时也可考虑更多的天线配置（最多4×4）。

LTE系统对下行链路采用的MIMO技术包括发射分集、空间复用、空分多址、预编码等，对于上行链路，LTE系统采用了虚拟MIMO技术以增大容量。

●物理层过程：

LTE系统中涉及多个物理层过程，包括小区搜索、功率控制、上行同步、下行定时控制、随机接入相关过程、HARQ等。

通过在时域、频域和功率域进行物理资源控制，LTE系统还隐含支持干扰协调功能。

●物理层测量：

LTE系统支持UE与eNodeB之间的物理层测量，并将相应的测量结果向高层报告。

具体测量指标包括：

同频和异频切换的测量、不同无线接入技术之间的切换测量、定时测量以及无线资源管理的相关测量。

2.MAC层功能

LTE系统MAC协议子层的主要目的是为RLC层业务与物理层之间提供一个有效的连接。

从这个角度看，MAC层支持的主要功能包括：

●逻辑信道与传输信道之间的映射；

●传输格式的选择，例如通过选择传输块大小、调制方案等作为输入参数提供给物理层；

●一个UE或多个UE之间逻辑信道的优先级管理；

●通过HARQ机制进行纠错；

●填充（Padding）；

●RLCPDU的复用与解复用；

●业务量的测量与上报。

与现有UMTS系统中的MAC层相比，LTE系统的MAC层具有一个新的特点，即每个小区只存在一个MAC实体，负责实现MAC层相关的全部功能。

综上，MAC层提供给上层的业务主要包括：

数据传送及无线资源分配。

物理层提供给MAC层的业务包括：

数据传送、HARQ反馈信令、调度请求信令以及测量。

3.RLC层功能

RLC子层的主要功能包括有：

上层PDU传输；

通过ARQ进行错误修正（仅对AM模式有效）；

RLCSDU的级联，分段和重组（仅对UM和AM模式有效）；

RLC数据PDU的重新分段（仅对AM模式有效）；

上层PDU的顺序传送（仅对UM和AM模式有效）；

重复检测（仅对UM和AM模式有效）；

协议错误检测及恢复；

RLCSDU的丢弃（仅对UM和AM模式有效）；

RLC重建。

4.PDCP层功能

PDCP子层用户面的主要功能包括有：

头压缩与解压缩：

只支持ROHC算法；

用户数据传输；

RLCAM模式下，PDCP重建过程中对上层PDU的顺序传送；

RLCAM模式下，PDCP重建过程中对下层SDU的重复检测；

RLCAM模式下，切换过程中PDCPSDU的重传；

加密、解密；

上行链路基于定时器的SDU丢弃功能。

PDCP子层控制面的主要功能包括有：

加密和完整性保护；

控制面数据传输。

5.RRC层功能

RRC的主要功能包括有：

NAS层相关的系统信息广播；

AS层相关的系统信息广播；

寻呼；

UE和E-UTRAN间的RRC连接建立、保持和释放，包括：

UE和E-UTRAN之间的临时标识符分配；为RRC连接配置信令无线承载（SRB）：

低优先级和高优先级的SRB。

包括密钥管理在内的安全管理；

建立、配置、保持和释放点对点RB；

移动性管理，包括：

针对小区间和RAT间移动性的UE测量上报和上报控制；切换；UE小区选择和重选，以及小区选择和重选控制；切换过程中的上下文转发。

MBMS业务通知；

为MBMS业务建立、配置、保持和释放RB；

QoS管理功能；

UE测量上报及上报控制；

NAS直传消息传输。

一.5LTE接口介绍

与2G/3G系统相比，S1接口和X2接口是两个新增的接口。

S1接口是eNB和MME之间的接口，包括控制面和用户面。

X2接口是eNB间相互通信的接口，也包括控制面和用户面两部分。

一.5.1S1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。

1.S1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：

控制面功能：

●SAE承载服务管理功能（包括SAE承载建立、修改和释放）；

●S1接口UE上下文释放功能；

●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）；

●S1接口的寻呼；

●NAS信令传输功能；

●S1接口管理功能（包括复位、错误指示以及过载指示等）；

●网络共享功能；

●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；

●S1接口的无线网络层不提供流量控制和拥塞控制功能。

图1.51S1口控制面协议栈

2.S1接口用户面

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：

●GTP-U协议既可以基于IPv4/UDP传输，也可以基于IPv6/UDP传输；

●隧道端点之间的数据通过IP地址和UDP端口号进行路由；

●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：

●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；

图1.52S1口用户面协议栈

一.5.2X2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。

X2口用户面：

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。

图1.53X2口用户面协议栈

X2口控制面：

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。

图1.54X2口控制面协议栈

X2接口的主要功能有：

●移动性管理，包括切换资源的分配、SNStatus的迁移、UE上下文的释放。

●负荷管理，用于eNB之间互相传递负荷信息、资源状态。

●错误指示，用于指示eNB之间在交互过程出现的一些未定义的错误信息。

●复位，用于对eNB之间的X2接口进行复位。

●X2接口建立，用于eNB之间互相交换小区信息。

●eNB配置更改，为了eNB之间正确交互信息，需要将发生更改的配置信息发送给对方，以达到信息的统一。

●eNB之间通过X2Setup过程，来实现eNodeB间的小区信息交互，建立邻接小区关系。

在X2间交互的信息主要有两大类：

与负荷和干扰相关的信息，与切换相关的信息

●与负荷和干扰相关的信息

●此类信息主要用于小区间干扰协调中，如用于上行ICIC的HII（高干扰指示）以及OI（负载指示），用于下行ICIC的RNTP（相对窄带发射功率）。

●与切换相关的信息

●基于X2口切换的目的是达到快速的切换，所以X2口的切换为无缝切换或无损切换。

与S1口切换相比，协议上优先支持X2口切换。

一.6承载相关概念

一.6.1EPS承载架构

图1.61EPS承载架构

端到端的服务可以分为EPS承载和外部承载，EPS承载又包括E-RAB和S5、S8承载，E-RAB分为无线承载和S1口承载。

一.6.2承载概念

由于EPS的接入网结构更加扁平化，即由UMTS的RNC和NodeB两个节点简化到只有eNodeB一个节点，从而在QoS的结构上也有所变化。

演进系统的QoS结构相比UMTS进行了简化。

同时由于希望更好地实现“永远在线”，在QoS中也引入了默认承载等新概念。

EPS的QoS在核心网主要为将IPQoS映射到承载的QoS等级指示（QoSClassldentifier，QCl）上；在接入网主要是将S1接口上传输的QCI对应到eNodeB应执行的QCI特征（QCICharacteristics）上。

EPS承载指为在UE和PDN之间提供某种特性的QoS传输保证，分为默认承载和专用承载。

默认承载：

一种满足默认QoS的数据和信令的用户承载。

默认承载可简单地理解为一种提供尽力而为IP连接的承载，随着PDN链接的建立而建立，随着PDN的链接的拆除而销毁。

为用户提供永久在线的IP传输服务。

专用承载：

专用承载是在PDN链接建立的基础上建立的，是为了提供某种特定的QoS传输需求而建立的（默认承载无法满足的）。

一般情况下专用承载的QoS比默认承载的QoS要求高。

专用承载在UE关联了一个UL业务流模板（TrafficFlowTemplate，TFT），在PDNGW关联了一个DLTFT，TFT中包含业务数据流的过滤器，而这些过滤器只能匹配符合某些准则的分组。

GBR／Non-GBR承载：

与保证比特速率（GuaranteedBitRate，GBR）承载相关的专用网络资源，在承载建立或修改过程中通过例如eNodeB的接纳控制等功能永久分配给某个承载。

这个承载在比特速率上要求能够保证不变。

否则，不能保证一个承载的速率不变，则是一个Non-GBR承载。

对同一用户同一链接而言，专用承载可以是GBR承载，也可以是Non-GBR承载。

而默认承载只能是Non-GBR承载。

专用承载和默认承载共享一条PDN链接（UE地址和PDN地址），也就是说，专用承载承载一定是在默认承载建立的基础上建立的，二者必须绑定。

一个EPS承载是UE和PDNGW间的一或多个业务数据流（ServiceDataFlow，SDF）的逻辑聚合。

在EPC／E-UTRAN中，承载级别的QoS控制是以EPS承载为单位进行的。

即映射到同一个EPS承载的业务数据流，将受到同样的分组转发处理（如调度策略、排队管理策略、速率调整策略、RLC配置等）。

如果想对两个SDF提供不同的承载级QoS，则这两个SDF需要分别建立不同的EPS承载。

在一个PDN链接中，只有一个默认承载，但可以有多个专用承载。

一般来说，一个用户最多建立11个承载。

每当UE请求一个新的业务时，S-GW／PDNGW将从PCRF收到PCC规则，其中包括业务所要求的QoS。

如果默认承载不能提供所要求的QoS时，则需要另外的承载服务，即建立专用承载以提供服务。

MME／S-GW从PCEF收到需要传输的端到端业务的详细内容，并可将具有同样业务级别（TrafficClass）的端到端业务组合到一起，对这些业务级别产生一个聚合的QoS描述（至少包括比特速率）。

每个SAE，承载业务都会给eNodeB传送一个相应的QoS描述。

当一个端到端业务正在启动、终止或修改时，MME／UPE接收到相关的信息，则更新聚合的QoS描述并将它转发给eNodeB。

LTE和MME／S-GW一样，都执行端到端业务IP流到SAE承载服务的映射。

为了能够区分属于不同SAE承载服务的分组，eNodeB和MME／S-GW需知道对一个SAE承载的聚合QoS描述。

eNodeB使用这个聚合QoS描述对下行进行调度、对上行进行管辖；MME／S-GW用这个聚合QoS描述对上行和下行进行管辖。

在下行方向，eNodeB根据SAE承载业务的聚合QoS描述处理IP分组。

在上行方向，eNodeB依据承载业务的聚合QoS描述管辖每个IP分组。

一.6.3连接概念

UE-associatedlogicalS1-connection：

UE相关S1逻辑连接，对于某个UE-associatedlogicalS1-connection在MME侧用MMEUES1APID标识，在eNB侧用eNBUES1APID标识，此连接可能在S1UEcontext建立之前存在。

NASsignallingconnection：

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S1AP连接。

第二章LTE信令流程

&知识点

小区搜索随机接入

开机附着、去附着

UE发起ServiceRequest流程

寻呼流程

TAU流程

切换流程

专用承载建立流程

二.1小区搜索随机接入

二.1.1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：

图2.11小区搜索流程

二.1.2随机接入

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：

基于冲突的随机接入：

●UE在RACH上发送随机接入前缀；

●ENb的MAC层产生随机接入响应，并在DL-SCH上发送；

●UE的RRC层产生RRCConnectionRequest并在映射到UL–SCH上的CCCH逻辑信道上发送；

●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。

图2.12基于竞争的随机接入流程

基于非冲突的随机接入

图2.13基于非竞争的随机接入流程

●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。

●UE在RACH上发送指派的随机接入前缀。

●ENb的MAC层产生随机接入响应，并在DL-SCH上发送。

二.2开机附着、去附着流程

二.2.1开机附着流程

图2.21开机附着流程

开机附着流程说明：

●N0010处在RRC_IDLE态的UE进行Attach过程，发起随机接入过程，即MSG1消息；

●N0020eNB检测到MSG1消息后向UE发送随机接入响应消息，即MSG2消息；

●N0030UE收到随机接入响应后，根据MSG2的TA调整上行发送时机，向eNB发送RRCConnectionRequest消息申请建立RRC连接；

●N0040eNB向UE发送RRCConnectionSetup消息，包含建立SRB1信令承载信息和无线资源配置信息；

●N0050UE完成SRB1信令承载和无线资源配置，向eNB发送RRCConnectionSetupComplete消息，包含NAS层Attachrequest信息；

●N0060eNB选择MME，向MME发送INITIALUEMESSAGE消息，包含NAS层Attachrequest消息；

●N0070MME向eNB发送INITIALCONTEXTSETUPREQUEST消息，包含NAS层AttachAccept消息；

●N0080eNB接收到INITIALCONTEXTSETUPREQUEST消息，如果不包含UE能力信息，则eNB向UE发送UECapabilityEnquiry消息，查询UE能力；

●N0090UE向eNB发送UECapabilityInformation消息，报告UE能力信息；

●N0100eNB向MME发送UECAPABILITYINFOINDICATION消息，更新MME的UE能力信息；

●N0110eNB根据INITIALCONTEXTSETUPREQUEST消息中UE支持的安全信息，向UE发送SecurityModeCommand消息，进行安全激活；

●N0120UE向eNB发送SecurityModeComplete消息，表示安全激活完成；

●N0130eNB根据INITIALCONTEXTSETUPREQUEST消息中的ERAB建立信息，向UE发送RRCConnectionReconfiguration消息进行UE资源重配，包括重配SRB1信令承载信息和无线资源配置，建立SRB2、DRB（包括默认承载）等；

●N0140UE向eNB发送RRCConnectionReconfigurationComplete消息，表示无线资源配置完成；

●N0150eNB向