LTE-SAE系统中用户移动性管理的研究与分析.docx

LTE/SAE系统中用户移动性管理的研究与分析

姬自英重庆邮电大学通信工程学院硕士
李小文重庆邮电大学通信工程学院教授
摘要：文章首先介绍了LTE网络下的移动性管理功能，然后对用户的移动性管理状态进行了描述，并用图形法描述了LTE移动状态之间的转移，最后分别对空闲状态、连接状态和3CPP无线接入系统之间的移动性管理进行研究与分析，分析表明，提出的移动性管理机制能够解决移动通信网络的安全性、可靠性和端到端的QoS保证。
关键词：LTE，移动性管理，移动管理状态，TA更新，切换
未来十年，移动通信网络将沿着宽带化、分组化和扁平化的方向演进，在满足多样化通信要求的同时，大大提高系统容量和降低网络成本。与此同时，用户期望运营商提供任何时间任何地点不低于1 Mbit/s的无线接人速度，小于20 ms的低系统传输延迟，在高移动速率环境下的全网无缝覆盖。
为了达到这个目标，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lP的分组域核心网的演进项目(SAE:systemarchitecture evolution)，LTE和SAE共同构建了3GPP系统的整体演进，名义上LTE是对3G的演进，但事实上它对3GPP的整个体系架构作了革命性的变革，逐步趋近于典型的lP宽带网结构。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。在移动通信系统中，用户位置的不断变化，将给整个移动通信网络的安全性、可靠性和QoS等方面的设计都带来了很大的挑战，移动性管理机制是解决这一问题的关键手段。
1 3GPP LTE系统概述
3GPP LTE是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接人技术。LTE包括两部分，分别是演进的UMTS地面无线接入网( E-UTRAN)和演进的UMTS地面无线接入( E-UTRA)。3GPP对LTE进行了标准化，同时也对演进的分组核心网( EPC:Evolved PacketCore Network)演进项目SAE进行了标准化。LTE/SAE技术对无线接入网和核心网进行了革命性变化，基于SAE架构的核心网提高了数据处理效率以及满足接入需求，配合LTE真正意义上实现了宽带无线接人。目前，由于国内多种接入技术共用核心网，所以要求演进的核心网络支持LTE系统与现有的3GPP网络实现互通，同时也支持与Non-3GPP系统之间实现互联互通，其中Non-3CJPP系统如WLAN、WIMAX系统等。3GPP LTE网络架构 如图1所示。
E-UTRAN采用由eNodeB构成的单层结构，这种结构有利于简化网络和减小延迟，实现了低时延、低复杂度和低成本的要求。其中，上层的移动性管理实体( MME:Mobility Managemet Entity)以及服务网关( S-GW：Serving GateWay)都属于EPC，下层就是E-UTRAN的组成部分eNodeB。EPC与eNodeB之间由Sl接口进行连接，将SAE/LTE演进系统划分为无线接入网和核心网。X2接口连接着两个eN-odeB。Sl与X2均为逻辑接口。其中eNodeB通过用户平面接口Sl-U和S-GW相连，用于传送用户数据和相应的用户平面控制帧；通过控制平面接口Sl-MME和MME相连，主要完成Sl接口的无线接入承载控制、操作维护、连接状态下的移动性控制等功能。
EPC网络中的MME实现非接入层(NAS:Non-Acc,ess Stratum)功能，主要负责用户及会话管理的所有控制平面功能，包括NAS信令及其安全，跟踪区( Tracking Area)列表的管理，S-GW节点的选择，跨MME切换时对新MME的选择，在向2G/3G系统切换过程时，SCSN的选择、鉴权、漫游控制和承载管理，3GPP不同无线接入网核心节点之间的移动性管理，以及UE在空闲状态下的移动性管理等。
2 LTE系统的移动性管理功能
移动性管理的功能主要实现用户当前位置的跟踪，用于在UE在空闲模式或连接模式下的移动性管理（如切换、跟踪区域更新等），同时还用于网络侧向UE注册跟踪区域内的全部小区寻呼消息的下发。
2.1跟踪区的概念
跟踪区（TA:Tracking Area）是LTE系统为进行UE位置管理而引入的新概念。跟踪区的功能与UMTS系统中的位置区(LA:Location Area)和路由区( RA：Routing Area)类似，都是不同网络下区域划分。由于LTE系统是纯分组域系统，因此跟踪区非常接近路由区的概念。
LTE系统中的更总区域划分应满足如下要求：
(1)对LTE系统的无线接入网和核心网保持相同的位置区域概念。
(2)当UE处于空闲状态时，核心网应该知道UE所在的跟踪区。
(3)当需要对处于空闲状态的UE进行寻呼时，必须在UE所在的注册追踪区域内的所有小区进行寻呼。
(4)应尽量减少UE移动时因位置改变而引起的追踪区更新信令。
2.2 TAI列表管理
为了避免UE在TA的边界移动时产生大量的跟踪区更新(TAU:Tracking Area Update)信令，因此在UE注册时，网络就为UE指配多个跟踪区，构成一个TA列表(TAI List)。对于UE所注册的跟踪区，若处于同一个TAI列表中，则由同一个MME为其提供服务，以减少位置更新信令。
合理的TAI列表管理可以有效地减少TAU的发生概率，提高资源利用率。例如，MME可以根据UE最后访问的跟踪区来预测UE可能的运动轨迹，给UE分配新的TAI列表；当UE去附着时，UE最后访问的跟踪区将会在UE中保存，以便下次附着时使用。从流程上讲，LTE系统的TA列表可以在附着、TAU或GUTI重分配过程中由MME分配给UE。
需要注意的是，对运营商来讲，TAI列表的设置至关重要。这是因为寻呼区的大小与跟踪区的大小是一对矛盾，分配过大的跟踪区会使寻呼的区域过大，将增加网络部必要的信令负荷；而寻呼区域过小又会导致跟踪区之间的频繁更新。因此，运营商必须根据实际网络情况对TA列表的大小进行限制，以避免耗费过多的系统资源。
2.3移动性约束功能
移动性约束功能主要用于在某些场景下，限制UE接人某些特定的区域，该功能由UE、E-UTRAN无线接入网和EPC核心网提供。
对处于空闲状态下的UE，移动性约束功能由UE基于从核心网接收到的信息实现，限制接人某些区域。对处于连接状态下的UE，移动性约束功能由无线接入网和核心网实现，在该状态下，核心网将为无线接入网提供一个切换限制列表，该切换限制列表规定了漫游限制、区域限制和接入限制信息。

3移动性管理的状态机
3.1无线接口协议栈
空中接口协议可以分为用户平面和控制平面两大部分。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保证以及最终的资源释放，而用户平面则主要负责数据的正常传输。图2为控制平面和用户平面协议栈。
控制平面协议主要负责对用户平面的控制及完成信令传输等方面的功能，该协议栈终止于MME实体。与UMTS系统的接口协议栈相比，LTE侧重进行扁平化架构演进，去掉了RNC实体，空中接口的用户面( MAC/RLC)和控制平面(RRC)均由eNodeB进行管理和控制，包括完成基站之间的切换功能。因此，eNodeB既承担了无线接入网用户数据的PDCP的功能，也承担着诸如NAS层信令状态管理的部分核心网功能。
用户平面协议的主要功能是用于实现相关接口的数据流传输，负责用户发送和接收的所有信息，即负责数据流的数据承载。
3.2移动性管理模型状态机
LTE网络中的移动性管理模型包含两类状态机，分别为EPS移动性管理(EMM:EPS MobilityManagement)状态机和EPS连接性管理(ECM:EPSConnection Management)状态机。为了便于理解，表1和表2给出了EMM和ECM状态的相应状态特征。

3.3状态机转移
EMM状态机包括注册态(EMM-REGISTERED)和非注册态( EMM-DERECISTERED)两种状态，主要描述了UE在网络中的注册状态。ECM状态机包括空闲态 ( ECM-IDLE) 和连接态( ECM-CONNECTED)两种状态，主要描述了UE和EPC之间的信令连接状态。图3和图4给出了两类状态机不同状态之间的相互转移过程。
4移动性管理流程分析
移动性管理一直是移动网络中一个重要问题，为了使移动台之间能够通信，保证在移动过程中保持与固定节点或其他移动台的连接，网络需要跟踪移动台并为其提供服务。移动性管理主要有位置管理（使无线网络能够跟踪及定位移动台）和切换管理（维持无线网络与移动台的连接的连续性）两个基本的功能。
4.1空闲状态下LTE接入系统内的移动性管理

空闲状态是指LTE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。UE在有下行数据到达时，数据应终止在S—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。空闲状态下的移动性管理主要是执行TAU或周期性的TAU。UE位置管理需要支持UE的TAU过程来确保网络能够随时跟踪到它的位置；
假设UE驻留在E-UTRAN网络中，当UE发现当前的TAI不在其注册网络的TAI列表中时，UE就会向网络发起TAU的请求。如图5即为TAU的信令流程。

当UE检测到当前的TAI不在其注册网络的TAI列表中时，UE就会触发TAU的请求。UE通过向eNodeB发送TA请求消息发起TAU过程，同[来自wWW]时通过RRC参数指示被选择的网络。eNodeB根据S-TMSI及所指示的网络推导出MME标识符并把TAU请求消息转发给新的MME。新的MME向原MME发送上下文请求消息以获得用户信息。期间UE和HSS之间会执行鉴权和加密过程。MME为UE构造一个MM上下文并要求S-GW更新其承载上下文，同时要HSS更新其位置信息（MME-ID和IMSI），HSS删除原来的位置信息。最后，新的MME向UE发送TAU接受消息（新的GUTI、TAI列表和EPS承载状态）。如果TAU请求消息中没有设置激活标记“ActiveFlag”，切换限制列表就被发送给eNodeB，用于处理UE在E-UTRAN内部移动场景下的漫游限制和接入限制。如果设置了激活标记，则用户面建立过程与TAU接受消息一起激活。如果GUTI已改变，UE通过返回一条TAU完成消息给MME以确认新的GUTI。

4.2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。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接人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接人新的无线接入网以及最终释放在源系统中的资源等。LTE系统内部的切换都采用UE辅助网络控制的方式，切换准备信令在E-UTRAN中执行。在本文中讨论的是eNodeB之间具有X2接口进行资源预留和切换操作的情况。
假设无MME重定位场景下eNodeB之间的切换流程如图6所示。
首先，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。如果决定发起切换，就需要在源eNodeB和目标eNodeB之间执行切换准备工作，以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。即为切换执行阶段，UE同步到目标接人系统并进行前转数据的转发。之后进入到切换完成阶段，当UE同步到目标接人系统后，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。
4.3 3GPP无线接入系统之间的移动性管理
由于国内现有的接入网共用核心网，LTE网络具有与UMTS系统良好的后向兼容性，LTE系统能够支持UE通过SGSN实体接人到EPC核心网[4]。假设UE在E-UTRAN网络中处于连接状态，以E-UTRAN到UTRAN之间的切换流程为例来分析。为减少切换时延，提升用户的业务体验，LTE网络将整个切换流程分为准备阶段和执行阶段，E-UTRAN到UTRA[来自Www.L]N的切换流程如图7所示。
源eNode,B决定将UE切换到UTRAN Iu模式，发起切换流程。发送切换请求消息（原因值、目标RNC ID和源eNodeB ID等），请求核心网在目标UTRAN中的RNC和SCSN实体上分配预留资源。源MME将EPS承载一一映射为PDP上下文并向目标SGSN发送前转重定位请求消息，由目标SCSN决定是否需要切换S-CW，选择目标S-GW并向其发送创建PDP上下文请求消息，随后，目标S-GW分配本地资源，并返回响应消息给SGSN。SGSN向目标RNC获得重定位消息进行重定位并更新PDP上下文。以上切换准备阶段完成之后，由源MME发送切换命令消息，通知eNodeB。源eNodeB通过E-UTRAN切换命令向UE发送切换到目标eNodeB的指令执行切换。整个阶段完成之后，在目标UMTS系统内要执行路由区更新流程。至此UE就正常驻留在UMTS系统内并可以与网络正常通信。
5结语
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，移动性管理是支持移动台在整个网路覆盖范围内无缝移动，使其能够连续不断地从网络获取服务的一种技术。LTE网络在UMTS系统移动性管理机制的基础上结合新的需求，进一步进行了完善和改进。保证了用户在空闲状态下网络对UE的跟踪和定位，也保证了用户在连接状态下业务的连续性，以满足人们越来越多的需求和提供更方便的服务。

-全文完-