LTE学习之路（8）——信令流程

1 在LTE中，需要识别3个主要的同步需求

•  符号和帧定时的捕获，通过它来确定正确的符号起始位置（如设置DFT窗位置）；
•  载波频率同步，需要它来减少或消除频率误差的影响（注：频率误差是由本地振荡器在发射端和接收端间的频率不匹配和UE移动导致的多普勒偏移造成的）；
•  采样时钟的同步

2 两个物理信号

• 主同步信号（PSS，Primary Synchronization Signal）
• 和辅同步信号（SSS，Secondary Synchronization Signal）

注：对于这两个信号的检测，不仅使得时间和频率获得同步，也为UE提供了小区的物理标识及循环前缀的长度，以及通知UE该小区是使用TDD还是FDD方式。

• 在FDD小区内，PSS总是位于无线帧的第1个和第11个时隙的最后一个OFDM符号上，使得UE在不考虑循环前缀（CP）长度下获得时隙边界定时；SSS直接位于PSS之前；
• 在TDD小区内，PSS位于每个无线帧的第3个和第13个时隙上，从而SSS比PSS早3个符号

                                  图1 PSS与SSS的位置

3 UE开机流程

  图2 UE开机流程

4 小区搜索过程

     eNB一直处于开机状态，UE无论开机还是mobility，都通过小区搜索（cell search）实现时、频同步，同时获得PCI（Physical Cell Identity）。然后读PBCH，得到系统帧号和带宽信息，以及PHICH的配置等系统消息，具体步骤如下：

• 一般来说应该UE先对可能存在小区的频率范围内测量小区信号强度RSSI，据此找到一个可能存在小区的中心频点；
• 然后在这个中心频点周围收PSS和SSS，这两个信号和系统带宽没有限制，配置是固定的，而且信号本身以5ms为周期重复，并且是ZC序列，具有很强的相关性，因此可以直接检测并接收到，据此可以得到小区Id，同时得到小区定时的5ms边界；
• 5ms边界得到后，根据PBCH的时频位置，使用滑窗方法盲检测，一旦发现CRC校验结果正确，则说明当前滑动窗就是10ms的帧边界，并且可以根据PBCH的内容得到系统帧号和带宽信息，以及PHICH的配置；
• 至此，UE实现了和eNB的定时同步。

    当获取了PBCH信息后，要获得更多的无线信道参数等还要接受其余的SIB信息，这些信息在PDSCH上发送：

• 接收PCFICH，此时该信道的时频资源就是固定已知的了，可以接收并解析得到PDCCH的symbol数目；
• 接收PHICH，根据PBCH中指示的配置信息接收PHICH；
• 在控制区域内，除去PCFICH和PHICH的其他CCE上，搜索PDCCH并做译码；
• 检测PDCCH的CRC中的RNTI，如果为SI-RNTI，则说明后面的PDSCH是一个SIB，于是接收PDSCH，译码后将SIB上报给高层协议栈；
• 不断接收SIB，HLS会判断接收的系统消息是否足够，如果足够则停止接收SIB

至此，小区搜索过程才差不多结束。

5 UE随机接入过程

• 为什么要进行随机接入过程？？

          申请上行资源

          UE通过随机接入与基站进行信息交互，完成后续操作（如呼叫、资源请求、数据传输等操作）

          实现与系统的上行时间同步

          随机接入的性能直接影响到用户体验，能够适应各种应用场景、快速接入、容纳更多用户的方案

• 随机接入过程包括：

         随机接入前导（Preamble）的发送

         随机接入响应

注：Preamble——>当UE收到eNB的广播信息需要接入时，从序列集中随机选择一个preamble序列发给eNB，然后eNB根据不同的前导序列来区分不同的UE

• UE侧随机接入流程

Step1：解析传输请求，获得随机接入配置信息；

Step2：选择preamble序列

1)基于竞争的随机接入：随机选择preamble

2)无竞争的随机接入：由高层指定preamble

Step3：按照指定功率发送preamble

Step4：盲检用RA-RNTI标识的PDCCH

 --检测到，接收对应的PDSCH并将信息上传；

 --否则直接退出物理层随机接入过程，由高层逻辑决定后续操作；

 

               图3 UE侧随机接入流程

5.1 基于竞争的随机接入流程

     图4 基于竞争的RA流程

Step1：UE端通过在特定的时频资源上，发送可以标识其身份的preamble序列，进行上行同步

说明：

eNB可以选择64个preamble码中的部分或全部用于竞争接入；

Msg1承载于PRACH上

Step2：基站端在对应的时频资源对preamble序列进行检测，完成序列检测后，发送随机接入响应。

说明：

Msg2由eNB的MAC层组织，并由DL_SCH承载；

一条Msg2可同时响应多个UE的随机接入请求；

eNB使用PDCCH调度Msg2，并通过RA-RNTI进行寻址，RA-RNTI由承载Msg1的PRACH时频资源位置决定；

Msg2包含上行传输定时提前量，为Msg3分配的上行资源，临时C-RNTI等；

Step3：UE端在发送preamble序列后，在后续的一段时间内检测基站发送的随机接入响应；UE在检测到属于自己的随机接入响应，该随机接入响应中包含UE进行上行传输的资源调度信息

说明：

UE在接收Msg2后，在其分配的上行资源上传输Msg3，并映射到UL-SCH上的CCCH逻辑信道上发送；

针对不同场景，Msg3包含不同的内容：

• • 初始接入：携带RRC层生成的RRC连接请求，包含UE的S-TMSI或随机数；
  • 连接重建：携带RRC层生成的RRC连接重建请求,C-RNTI和PCI；
  • 切换：传输RRC层生成的RRC切换完成消息以及UE的C-RNTI；
  • 上/下行数据到达：传输UE的C-RNTI。

 

Step4：基站发送冲突解决响应，UE判断是否竞争成功

                                        图5 竞争判决

5.2 基于非竞争的随机接入流程

  图6 基于非竞争的RA流程

Step1：基站根据此时的业务需求，给UE分配一个特定的preamble序列。（该序列不是基站在广播信息中广播的随机接入序列组）

说明：

对于切换场景，eNB通过RRC信令通知UE；

对于下行数据到达和辅助定位场景，eNB通过PDCCH通知UE

Step2：UE接收到信令指示后，在特定的时频资源发送指定的preamble序列

Step3：基站接收到随机接入preamble序列后，发送随机接入响应。进行后续的信令交互和数据传输。

6 UE附着过程（Attach）

• Attac的功能

     向EPC注册EPS业务或non-EPS服务；

     为UE分配IP，建立UE和PDN GW之间的缺省承载(default bearer)，使得UE的IP连接永远在线.(always-on IP connectivity)；

     还可激活多个专用承载(dedicated bearers)；

     Attach过程中产生安全上下文，投入使用后，对NAS信令进行安全保护

• UE开机Attach过程

                            图7 UE开机Attach流程

Step1：处于RRC_IDLE的UE进行Attach过程，首先发起随机接入过程，即Msg1消息；

Step2：eNB检测到Msg1消息后，向UE发送随机接入响应消息，即Msg2消息；

Step3：UE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RRC Connection Request消息；

Step4：eNB向UE发送RRC Connection Setup消息，包含建立SRB1承载信息和无线资源配置信息；

Step5：UE完成SRB1承载和无线资源配置，向eNB发送RRC Connection Setup Complete消息，包含NAS层Attach Request消息；

Step6：eNB选择MME，向MME发送Initial UE Message消息，包含NAS层Attach Request消息；

Step7：MME向eNB发送Initial Context Setup Request消息，请求建立默认承载，包含NAS层Attach Accept、Activate Default EPS Bearer Context Request消息；

Step8：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UE Capability Enquiry消息，查询UE能力；

Step9：UE向eNB发送UE Capability Information，报告UE的能力信息；

Step10：eNB向MME发送UE Capability Information Indication消息，更新MME的UE能力信息；

Step11：eNB根据Initial Context Setup Request消息中UE支持的安全信息，向UE发送Security Mode Command消息，进行安全激活；

Step12：UE向eNB发送Security Mode Complete消息，表示安全激活完成；

Step13：eNB根据Initial Context Setup Request消息中的ERAB建立信息，向UE发送RRC Connection Reconfiguration消息进行UE资源重配，包括重配SRB1和无线资源配置，建立SRB2、DRB（包括默认承载）等；

Step14：UE向eNB发送RRC Connection Reconfiguration Complete消息，表示资源配置完成；

Step15：eNB向MME发送Initial Context Setup Response响应消息，表明UE上下文建立完成；

Step16：UE向eNB发送UL Information Transfer消息，包含NAS层Attach Complete、Activate Default EPS Bearer Context Accept消息；

Step17：eNB向MME发送上行直传UL NAS Transport消息，包含NAS层Attach Complete、Activate Default EPS Bearer Context Accept消息；

说明：

步骤1~5建立RRC连接，步骤6、9完成S1连接，完成这些标志着NAS signaling connection建立完成

• 进一步理解Attach过程

                            图8 Attac流程进一步理解

Step1：在已经建立NAS信令连接基础上，UE通过向MME发送 ATTACH REQUEST 消息来发起attach规程；该消息中包含：IMSI或GUTI、last visited TAI、UE network capbility、PDN IP option、connect type等

Step2：如果UE最新连接的（新）MME与最后一次离开网络时连接的（旧）MME相比已经发生改变，新MME就会向旧MME发送一个ID请求来申请当前UE的IMSI，用于为当前UE重新分配GUTI。

Step3：如果新MME和旧MME都不能识别当前的UE，那么新MME会给UE发送一个ID请求，随后，UE应告诉新MME自己的IMSI。

Step4：如果当前网络中没有UE的安全上下文，那么MME会发起一个鉴权规程，UE和MME相互鉴权之后会在两侧产生相关的安全下文。（漫游情况下，MME应从HSS获取UE的签约信息等内容）

Step5：鉴权结束后，MME可能发送移动设备标识检查请求到EIR（Equipment  Identity Register）（MME的经营可能会检查EIR中的移动设备标识，至少在漫游时，MME应将移动设备标识传给HSS）。

Step6：如果MME中有激活的承载上下文（比如之前连接尝试失败时已经创建了承载），那么MME会发送消息到各个P-GW来删除这些无效的承载上下文。

Step7：由于位置已经变化（MME变化），新MME就发送一个位置更新请求到HSS（指明MME标识、IMSI和ME标识等）。

Step8：新MME向HSS发送位置更新请求后，旧的MME就可以删除其中保存的UE的位置信息以及相应的承载上下文。

Step9：HSS向新MME回送一个位置更新响应，来指明位置更新的状态。若HSS拒绝位置更新，那么MME就拒绝UE的attach请求。

Step10：位置更新完毕后，新MME就可以与PDN-GW之间建立默认承载，建立默认承载后P-GW就为UE创建了PDN地址、EPS承载标识、协议配置选项等，并将相关消息返回给MME，S-GW可以缓存一些来自P-GW的下行数据包。

Step11：MME接受attach及附着完成：MME通过eNB将APN、GUTI、PDN地址、TAI列表等信息反馈给UE，并请求UE建立无线承载；UE完成无线承载建立后向MME返回一个完成消息指明attach完成。

7 Detach过程

Detach过程完成UE在网络侧的注销和所有EPS承载的删除；

UE/MME/S-GW/HSS均可发起Detach过程；

若网络侧长时间没有获得UE的信息，则会发起隐式的Detach过程，即核心网将该UE的所有承载释放而不通知UE

7.1 UE发起Detach过程

                                    图9 UE发起的Detach流程

Step1：处在RRC_CONNECTION状态的UE进行Detach过程，向eNB发送UL NAS Transfer消息，包含NAS层Detach Request信息；

Step2：eNB向MME发送上行直传UL NAS Transport 消息，包含NAS层Detach Request信息；

Step3：MME向S-GW发送Delete Session Request，以删除EPS承载；

Step4：S-GW向MME发送Delete Session Response，以确认EPS承载删除；

Step5：MME向eNB发送下行直传DL NAS Transport消息，包含NAS层Detach Accept信息；

Step6：eNB向UE发送DL Information Transfer消息，包含NAS层Detach Accept信息；

Step7：MME向eNB发送UE Context Release Command消息，请求eNB释放UE上下文；

Step8：eNB接收到UE Context Release Command消息，向UE发送RRC Connection Release消息，释放RRC连接；

Step9：eNB释放UE上下文信息，向MME发送UE Context ReleaseComplete消息进行响应

7.2 MME发起Detach过程

                  图10 MME发起的Detach流程

8 Service Request过程

• 作用

当UE无RRC连接且有上行数据发起需求时

当UE处于ECM  IDLE状态且有下行数据到达时

      在S1接口上建立S1承载，在Uu接口上建立数据无线承载

• 说明：

当UE发起Service Request时，需先发起随机接入过程；

Service Request由RRC Connection Setup Complete携带上去；

当下行数据到达时，网络侧先对UE进行呼叫，随后UE发起随机接入过程，并发起Service Request过程；

UE发起Service Request相当于主叫过程；

下行数据到达发起的Service Request相当于被叫接入

                                图11 Service Request流程