LTE信令流程(一)上课.docx

LTE信令流程
空闲态和连接态
EPS中有两种管理模型：移动性管理EMM和连接性管理ECM。EMM状态描述的是UE在网络中的注册状态，表明UE是否已经在网络中注册。EMM状态可以理解为UE与MME之间的状态关系，EMM分为已注册和未注册两种状态。而ECM描述的是UE和EPC间的信令连接性,也有两种状态：空闲态ECM-IDLE和连接态ECM-CONNECTED。空闲态和连接态是RRC子层中的两种状态，建立了RRC连接就是连接态，释放了RRC连接就是空闲态，如果是脱网、关机、DETACHED,就是DEAD态（在RRC中描述为NULL）。

小区内UE标识
各个标识的生命周期、有效周期、功能作用和分配方式各不相同，在LTE信令分析中要懂得区分和查找。

EPS网络中，分配给用户的临时标识是（D）
A. IMSI
B. MSISDN
C. P-TMSI
D. GUTI

开机入网流程介绍
第1节 小区搜索
第2节 PLMN和小区选择
第3节 附着流程

1 小区搜索
目的：LTE的小区搜索目的是识别并获得小区下行同步，从而可以读取小区广播信息，获取本小区更详细的信息(包括确定时间和频率 参数)以及邻近小区的信息,才可以监听寻呼或发起寻呼。小区搜索在初始接入和切换中都会用到。

LTE小区搜索获得的基本信息
初始的符号定时；频率同步；小区传输带宽；小区标识号；
帧定时信息；小区基站的天线配置信息（发送天线数）；
循环前缀（CP）的长度（LTE对单播和广播/组播业务规定了不同的CP长度）。
LTE小区搜索流程：
小区搜索又称为下行同步过程，通过解析主同步信号PSS和辅同步信号SSS完成。
（1）  
1. UE利用PSS（Primary Synchronization Signal，主同步信号）和SSS（Secondary Synchronization Signal，辅同步信号）完成下行同步过程。
通过PSS获取物理层小区ID和时隙同步；通过SSS获取CP（Cyclic Prefix，循环前缀）长度，物理层小区组ID、帧同步。
2. 通过DL RS（Reference Signal，参考信号）进一步实现时间、频率同步，信道估计。
3. 解码PBCH（Physical Broadcasting Channel，物理广播信道），获得MIB（Master Information Block，主信息块），包含公共天线端口数目、SFN（System Frame Number，系统帧号）、下行系统带宽、PHICH（Physical Hybrid ARQ Indicator Channel，物理HARQ指示信道）配置信息。PBCH信息的更新周期为40ms，在40ms周期内传送4次。
4. 解码PDSCH（Physical Downlink Shared Channel，物理下行共享信道），获得SIB（System Information Block，系统信息块），即其他系统信息。

w下行同步信号
ú 主同步信号（PSS）
Ø PSS主同步信号：使用Zadoff Chu（ZC）序列产生，用于区别扇区号，PSS在slot2和slot12的第三个OFDM符号上；
ú 辅同步信号（SSS）
SSS辅同步信号：使用伪随机序列产生，用于区别基站，SSS在slot1和slot11的倒数第一个OFDM符号上；
LTE小区、基站规划：168个基站（SSS来区分基站号），每个基站3个扇区（PSS区分扇区）。

1无线帧=10子帧=10ms=20时隙=140符号（常规）
1RB=12个子载波*7个符号（常规）
1RE=1子载波*1个符号
Ø 每个无线帧，PSS的2次发送内容一样，SSS的2次发送内容不一样。通过解PSS先获得5ms定时；通过解SSS获得10ms定时；根据FDD和TDD的SSS时 域位置不同，获得系统制式。
Ø 物理小区ID=物理层小区ID 组* 3 +物理层小区ID
物理层小区ID：0～2
物理层小区ID 组：0～167
2 PLMN和小区选择
PLMN（Public Land Mobile Network，公共陆地移动网络），由政府或它所批准的经营者，为公众提供陆地移动通信业务目的而建立和经营的网络。
Ø 终端获得小区PCI后，首先解析当前小区MIB消息。通过检测PDCCH，获取小区SIB1信息，再根据SIB1解析其它SIB信息。
Ø 在SIB1信息中会携带网络侧的PLMN列表，UE的接入层（AS）将PLMN列表上报给自己的非接入层（NAS），由NAS层执行PLMN的选择，选择合适的PLMN。
Ø UE选定PLMN后会在该PLMN下选择合适的小区，小区的选择按照S准则，UE选择该PLMN下信号最强的小区进行驻留。

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配置信息）
· 时域：紧邻同步信道，以10ms为周期重传4次, MIB传输周期为40ms，在一个周期内，PBCH信道分布在每个无线帧的#0子帧内，在每一个#0子帧内，占据第二个slot的前4个符号位置；
· 频域：位于系统带宽中央的72个子载波
SIB1
· 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，SIB1传输周期为80ms，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
SIBn传输周期为80ms的整数倍，SIB2主要是无线资源相关配置，SIB3~SIB5主要是LTE系统内的小区重选配置；SIB6~SIB8分别为UTRA、GERAN、CDMA2000系统的重选配置，SIB9为HNB配置，SIB10为ETWS的主通知，SIB11为ETWS的辅通知。

开机附着流程
UE刚开机时，先进行物理下行同步，搜索测量进行小区选择，选择到一个合适或者可接纳的小区后，驻留并进行附着过程。附着流程图如下：

1, 处在RRC_IDLE态的UE进行Attach过程，发起随机接入过程
2, eNB检测到第一步消息后向UE发送随机接入响应消息
3，UE收到随机接入响应后，向eNB发送RRCConnectionRequest消息申请建立RRC连接；
4，NB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；
5，UE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Attach request信息；
6，eNB选择MME，向MME发送INITIAL UE MESSAGE消息，包含NAS层Attach request消息；
7，安全认证

8，建立默认EPS承载
9，MME向eNB发送INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息，包含 NAS层Attach Accept消息；
10，eNB接收到INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST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；
11，UE向eNB发送UECapabilityInformation消息，报告UE能力信息；
12，N0100  eNB向MME发送UE CAPABILITY INFO INDICATION消息，更新MME的UE能力信息；
13，eNB根据INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息中UE支持的安全信息，向UE发送SecurityModeCommand消息，进行安全激活；
14，UE向eNB发送SecurityModeComplete消息，表示安全激活完成
15，eNB根据INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST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；
16，UE向eNB发送RRCConnectionReconfigurationComplete消息，表示无线资源配置完成；
17，eNB向MME发送INITIAL CONTEXT SETUP RESPONSE响应消息，表明UE上下文建立完成；
18，UE向eNB发送ULInformationTransfer消息，包含NAS层Attach Complete、Activate default EPS bearer context accept消息；
19，eNB向MME发送上行直传UPLINK NAS TRANSPORT消息，包含NAS层Attach Complete消息。

第2章 切换流程介绍
第1节 概述
第2节 测量控制与测量报告
第3节 eNB内小区间切换
第4节 eNB间小区间切换

概述：当正在使用网络服务的用户从一个小区移动到另一个小区，或由于无线传输业务负荷
量调整、激活操作维护、设备故障等原因，为了保证通信的连续性和服务的质量，系统将该用户从原小区的通信链路转移到新的小区上，这个过程就是切换。

LTE系统内三种切换类型：当X2接口数据配置完善且工作良好的情况下就会发生X2切换，否则基站间就会发生S1切换。一般来说X2切换的优先级高于S1切换。

Ø 切换步骤

Ø 切换测量触发算法

LTE测量事件

站内切换
当UE所在的源小区和要切换的目标小区同属一个eNB时，发生eNB内切换。eNB内切换是各种情形中最为简单的一种，因为切换过程中不涉及eNB与eNB之间的信息交互，也就是X2、S1接口上没有信令操作，只是在一个eNB内的两个小区之间进行资源配置，所以基站在内部进行判决，并且不需要向核心网申请更换数据传输路径。

站内切换流程说明：
其中步骤1、2、3、4为切换准备阶段，步骤5、6为切换执行阶段，步骤7为切换完成阶段。
1) eNodeB向UE下发测量控制，通过RRC Connection Reconfigration消息对UE的测量类型进行配置；
2) UE按照eNodeB下发的测量控制在UE的RRC协议端进行测量配置，并向eNodeB发送RRC Connection Reconfigration Complete消息表示测量配置完成；
3) UE按照测量配置向eNodeB上报测量报告；
4) eNodeB根据测量报告进行判决，判决该UE将发生eNodeB内切换，在新小区内进行资源准入，资源准入成功后为该UE申请新的空口资源；
5) 资源申请成功后eNodeB向UE发送RRC Connection Reconfigration消息，指示UE发起切换动作；
6) UE切入新小区后eNodeB发送RRC Connection Reconfigration Complete消息指示UE已经切入新小区；
7）eNodeB收到重配置完成消息后，释放该UE在源小区占用的资源。
X2切换流程
当UE所在的源小区和要切换的目标小区不属于同一eNodeB时，发生eNodeB间切换，eNodeB间切换流程复杂，需要加入X2和S1接口的信令操作。
Ø 前提条件：目标基站和源基站配置了X2链路，且链路可用。
u 源eNB收到测量报告，经过判决UE可以向目标eNB切换，将直接通过X2接口向目标eNB申请资源，完成目标小区的资源准备过程。之后通过空口RRC重配消息通知UE向目标小区切换。在切换成功后，目标eNB通知源eNB释放无线资源。此外还要将源eNB未发送的数据转发给目标eNB，并更新用户面和控制面的节点关系。X2切换优先级大于S1切换，保证了切换时延更短，用户感知更好。

X2切换流程说明
其中步骤1、2、3、4、5、6、7为切换准备阶段，步骤8、9为切换执行阶段，步骤10、11、12、13为切换完成阶段：
1) 源eNodeB向UE下发测量控制，通过RRC Connection Reconfigration消息对UE的测量类型进行配置；
2) UE按照eNodeB下发的测量控制在UE的RRC协议端进行测量配置，并向eNodeB发送RRC Connection Reconfigration Complete消息表示测量配置完成；
3) UE按照测量配置向eNodeB上报测量报告；
4) 源eNodeB根据测量报告进行判决，判决该UE发生eNodeB间切换，也有可能负荷分担的原因触发切换；
5) 源eNodeB向目标eNodeB发生HANDOVER REQUEST消息，指示目标eNodeB进行切换准备，切换请求消息包含源eNB分配的Old eNB UE X2AP ID，MME分配的MME UE S1AP ID，需要建立的EPS承载列表以及每个EPS承载对应的核心网侧的数据传送的地址。目标ENB收到HANDOVER REQUEST后开始对要切换入的ERABs进行接纳处理。；
6) 目标小区进行资源准入，为UE的接入分配空口资源和业务的SAE承载资源；
7) 目标小区资源准入成功后，向源eNodeB 发送“切换请求确认”消息，指示切换准备工作完成，“切换请求确认”消息包含New eNB UE X2AP ID、Old eNB UE X2AP ID、新建EPS承载对应在D侧上下行数据传送的地址、目标侧分配的专用接入签名等参数；
8) 源eNodeB将分配的专用接入签名配置给UE，向UE发送RRC Connection Reconfigration消息命令UE执行切换动作；
9) UE向目标eNodeB发送RRC Connection Reconfigration Complete消息指示UE已经接入新小区，表示UE已经切换到了目标侧。同时，切换期间的业务数据转发开始进行；
10) 目标eNodeB向MME发送PATH SWITCH REQUEST消息请求，请求MME更新业务数据通道的节点地址，通知MME切换业务数据的接续路径，从源eNB到目标eNB，消息中包含原侧侧的MME UE S1AP ID、目标侧侧分配的eNB UE S1AP 、EPS承载在目标侧将使用的下行地址；
11) MME成功更新数据通道节点地址，向目标eNodeB发送PATH SWITCHREQUEST ACKNOWLEDGE消息，表示可以在新的SAE bearers上进行业务通信；
12) UE已经接入新的小区，并且在新的小区能够进行业务通信，需要释放在源小区所占用的资源，目标eNodeB向源eNodeB发送UE CONTEXTRELEASE消息；
13) 源eNodeB释放该UE的上下文，包括空口资源和SAE bearers资源。
S1切换流程
S1切换流程与X2切换类似，只不过所有的站间交互信令及数据转发都需要通过S1口到核心网进行转发，时延比X2口略大。
eNodeB间切换一般都要通过X2接口进行，但当如下条件中的任何一个成立时则会触发S1接口的eNodeB间切换：
（1）源eNodeB和目标eNodeB之间不存在X2接口；
（2）源eNodeB尝试通过X2接口切换，但被目标eNodeB拒绝。（配置的X2链路不可用）

S1切换流程说明
1) 源eNodeB向UE下发测量控制，通过RRC Connection Reconfigration消息对UE的测量类型进行配置；
2) UE按照eNodeB下发的测量控制在UE的RRC协议端进行测量配置，并向eNodeB发送RRC Connection Reconfigration Complete消息表示测量配置完成；
3) UE按照测量配置向eNodeB上报测量报告；
4) 源eNodeB根据测量报告进行判决，判决该UE发生eNodeB间切换，也有可能负荷分担的原因触发切换；（前4步与X2切换流程一样）
5) 源eNB通过S1接口的HANDOVER REQUIRED消息发起切换请求，消息中包含MME UE S1AP ID、源侧分配的eNB UE S1AP ID等信息。
6) MME向目标eNB发送HANDOVER REQUEST消息，消息中包括MME分配的MME UE S1AP ID、需要建立的EPS列表以及每个EPS承载对应的核心网侧数据传送的地址等参数。
7~8) 目标eNB分配后目标侧的资源后，进行切换入的承载接纳处理，如果资源满足，小区接入允许就给MME发送HANDOVER REQUEST ACKNOWLEDGE消息，包含目标侧侧分配的eNB UE S1AP ID，接纳成功的EPS承载对应的eNodeB侧数据传送的地址等参数。
9) 源eNB收到HANDOVER COMMAND，获知接纳成功的承载信息以及切换期间业务数据转发的目标侧地址 。
10) 源eNB向UE发送RRCConnectionReconfiguration消息，指示UE切换指定的小区.
11) 源eNB通过eNB Status Transfer消息，MME通过MME Status Transfer消息 ，将PDCP序号通过MME从源eNB传递到目标eNB。目标eNB收到UE发送的RRC Connection Reconfiguration Complete消息，表明切换成功。
12）目标eNodeB向MME发送PATH SWITCH REQUEST消息请求，请求MME更新业务数据通道的节点地址，通知MME切换业务数据的接续路径，从源eNB到目标eNB，消息中包含原侧侧的MME UE S1AP ID、目标侧侧分配的eNB UE S1AP 、EPS承载在目标侧将使用的下行地址；
13) MME成功更新数据通道节点地址，向目标eNodeB发送PATH SWITCH REQUEST ACKNOWLEDGE消息，表示可以在新的SAE bearers上进行业务通信；
14）目标侧eNB发送HANDOVER NOTIFY消息，通知MME目标侧UE已经成功接入。
15）源ENB收到“UE CONTEXT RELEASE COMMAND”消息后，开始进入释放资源的流程。
异系统切换的情形发生在UE在LTE小区与非LTE小区之间的切换，切换过程中涉及到的信令流主要集中在核心网，同时需要UE具备双模功能

CSFB流程
2G网络架构

CSFB概念：
CSFB（CSFallback）是指CS语音回落，用于在LTE和2、3G网络共同覆盖的区域，对于不支持IMS业务的终端回落到2、3G网络使用CS进行语音业务。
在LTE系统里，CSFB技术是针对TD-LTE多模单待。（也就是你能放进去两张手机卡，但是只有一个号能用，136和139的只能用一个，可以切换，)终端提供语音服务的临时解决方案，大意是数据业务和短信业务由LTE承载，电话业务回落到CS网络，回落过程数据业务中断，电话业务结束后返回LTE网络。在中国移动CSFB流程中，由于GSM网覆盖率较好，网络相对成熟，因此回落到2G。其主要思想是终端驻留在LTE，呼叫建立前先重选回2/3G，由CS域网络提供语音服务， VoIP成熟后，该方案会被替换。
CSFallback的网络架构

GERAN全称GSM EDGE Radio Access Network。
UTRAN（3G接入网）
各网元作用：
CSFB过程中，主要涉及到的网元有eNodeB、MME、MSC/VLR和HSS。
eNodeB完成用户的注册以及与核心网的信令交互，完成寻呼以及和终端的测量以及能力协商；
MME主要完成用户的注册、承载建立和用户的位置更新；
MSC/VLR主要用户完成用户的CS域位置更新、注册以及语音和短消息业务的发起；HSS主要完成用户的签约数据插入和管理
CS Fallback的优点及问题分析：
优点：
n 网络结构简单，
n 不需要I M S系统支撑就可以使LTE实现对语音业务支持的优点。
n 在L T E网络部署初期，为更加有效地利用现有2G/3G网络资源。
n CS Fallback作为一种由CS域语音向全IP语音的过渡技术。
存在问题：
n CS Fallback仅适用于2G/3G网络与LTE网络重叠部署的场景。
n 由于LTEVoIMS和多媒体业务是移动网络发展的必然趋势，CSFallback只是作为一种过渡技术，但与VoIMS方案之间并没有可继承性。
n CS Fallback技术不支持数据业务和语音业务的并发。
n CS Fallback导致用户的呼叫时延大幅增加。

CSFB（CS Fallback）主叫流程

主叫CSFB流程说明
1） UE发起CS Fallback语音业务请求。UE语音拨打时，会发一条extended service request，消息里会携带CSFB信息。其中service-type信元指示业务类型为始发CSFB语音业务，同时携带该UE在联合附着过程中CS域给它分配的TMSI。之后会在基站的辅助下回落至2G。
2） MME发送Initial Context Setup Request消息给eNodeB，包含CS Fallback Indicator。该消息指示eNodeB，UE因CS Fallback业务需要回落到UTRAN/GERAN。
3） eNodeB要求UE开始系统的小区测量，并获得UE上报的测量报告，确定重定向的目标系统小区。然后向UE发送目标系统具体的无线配置信息，并释放连接。LTE网络通过RIM流程（无线消息管理流程）提前获取2G目标小区广播信息，将2G网络的广播信息一并填充至RRC Release消息中下发，省去终端读取2G广播信息的时间（约省1.83秒）
4） UE接入目标系统小区，发起CS域的业务请求CM Service Request。如果CM业务请求消息中携带“CSMO”标志，则MSC Server记录本次呼叫是移动始端CSFB呼叫。
5） 如果目标系统小区归属的MSC Server与UE附着EPS网络时登记的MSC Server不同，则该MSC Server收到UE的业务请求时，由于没有该UE的信息，可以采取隐式位置更新流程，接受用户请求。如果MSC Server不支持隐式位置更新，且MSC Server没有用户数据，则拒绝该用户的业务请求。如果MSC Server拒绝用户的业务请求会导致UE发起一个CS域位置更新流程。终端发起位置更新请求，且位置更新请求消息中的Additional update parameters信元中携带CSMO标识，同时该标识有效，则MSC Server会记录本次呼叫是CSFB呼叫。（CS fallback紧急呼叫流程中，CM_SERVICE_REQUEST消息前无需位置更新。）
6）完成位置更新后UE再次在 CS域建立语音呼叫流程。
7） 通话结束后，MSC Server向主叫回落到的BSC发送的拆线消息CLEAR_COMMAND消息中携带CSFB Indication信元，指示BSC拆除空口连接并指示UE回到LTE网络。 或者MSC Server向主叫回落到的RNC发送IU_RELEASE_COMMAND消息，携带End Of CSFB信元，指示RNC拆除空口连接并指示UE回到LTE网络。
8） MSC收到BSC的CLEAR_COMPLETE消息/RNC的IU_RELEASE_COMPLETE消息表示呼叫结束，A口拆链完成。接入侧在指示终端重选网络时只针对CSFB用户通话前携带LTE频点，实现CSFB终端快速返回LTE，快速回落过程也称为FastReturn（用户不可及时间可缩短为1-2秒。）。
CSFB被叫流程
MSC Server收到对UE的被叫语音请求，通过存在的SGs关联和MME信息，向该MME发起寻呼请求。MME通过eNodeB在空口寻呼该UE，并指示UE回落到目标GERAN/UTRAN网络。UE接入到目标网络后，在电路域继续进行语音呼叫。

被叫CSFB流程说明
1） GMSC Server向被叫用户归属HLR发送取路由信息请求。
2） HLR收到该SRI消息后，向被叫用户当前附着到的old MSC Server获取漫游号码。
3） old MSC Server为该次呼叫分配漫游号码MSRN1，并返回给HLR。
4） HLR将该漫游号码发送给GMSC。
5） GMSC收到该漫游号码后，进行号码分析，根据分析结果将呼叫路由到old MSC Server。
6） MSC Server收到IAM入局（例如中继ISUP入局）消息后，根据存在的SGs关联和MME信息，发送SGsAP-PAGING-REQUEST(携带IMSI，TMSI，Service indicator ，CLI，LAC)消息给MME。
7） MME发送Paging消息给eNodeB。eNodeB发起空口的Paging流程。
8） UE建立连接并发送Extended Service Request消息给MME（消息中携带“CSMT”移动终端标识）。
9） MME发送SGsAP-SERVICE-REQUEST消息给MSC Server。MSC Server收到此消息，不再向MME重发寻呼请求消息。为避免呼叫接续过程中，主叫等待时间过长，MSC Server收到包含空闲态指示的SGs Service Request消息，先通知主叫，呼叫正在接续过程中。
10） MME发送Initial UE Context Setup消息给eNodeB，包含CS Fallback Indicator。该消息指示eNodeB，UE因CSFB业务需要回落到UTRAN/GERAN。
11） UE回落到CS域之后，UE检测到当前的位置区信息和存储的位置区不同，将发起位置更新。MSC Server收到UE发送的LOCATION_UPDATE_REQUEST消息。这种情况下，UE不需要回Paging Response给MSC Server，UE直接发送SETUP消息建立呼叫。如果位置更新消息中携带“CSMT”标志，则MSC Server记录本次呼叫是CSFB呼叫。
12） 伴随着空口、A/Iu-CS接口连接的建立，UE回Paging Response消息给MSC Server，该消息中携带CSMT标识，即使BSC/RNC没有向该UE发起过寻呼请求，也需要能处理UE的寻呼响应。如果寻呼响应消息中的位置区信息和VLR中保存的不一致，则VLR在业务接入成功之后将SGs关联置为非关联。
13） 建立CS呼叫。
14） 通话结束后，指示BSC/RNC拆除空口连接并指示UE回到LTE网络。
15） MSC收到BSC的CLEAR_COMPLETE消息/RNC的IU_RELEASE_COMPLETE消息表示呼叫结束。接入侧在指示终端重选网络时只针对CSFB用户携带LTE频点，实现CSFB终端快速返回E-UTRAN。FastReturn方案也需要网络的支持，如果网络不支持，则通过网络优先级的方式返回LTE（一般为最高优先级）。