LTE學習之路（8）——信令流程

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1 在LTE中，需要識別3個主要的同步需求

•  符號和幀定時的捕獲，通過它來確定正確的符號起始位置（如設定DFT窗位置）；
•  載波頻率同步，需要它來減少或消除頻率誤差的影響（註：頻率誤差是由本地振蕩器在發射端和接收端間的頻率不匹配和UE移動導致的多普勒位移造成的）；
•  採樣時鐘的同步

2 兩個物理訊號

• 主同步訊號（PSS，Primary Synchronization Signal）
• 和輔同步訊號（SSS，Secondary Synchronization Signal）

註：對於這兩個訊號的檢測，不僅使得時間和頻率獲得同步，也為UE提供了小區的物理標識及迴圈首碼的長度，以及通知UE該小區是使用TDD還是FDD方式。

• 在FDD小區內，PSS總是位於無線幀的第1個和第11個時隙的最後一個OFDM符號上，使得UE在不考慮迴圈首碼（CP）長度下獲得時隙邊界定時；SSS直接位於PSS之前；
• 在TDD小區內，PSS位於每個無線幀的第3個和第13個時隙上，從而SSS比PSS早3個符號

                                  圖1 PSS與SSS的位置

3 UE開機流程

  圖2 UE開機流程

4 小區搜尋過程

     eNB一直處於開機狀態，UE無論開機還是mobility，都通過小區搜尋（cell search）實現時、頻同步，同時獲得PCI（Physical Cell Identity）。然後讀PBCH，得到系統幀號和頻寬資訊，以及PHICH的配置等系統訊息，具體步驟如下：

• 一般來說應該UE先對可能存在小區的頻率範圍內測量小區訊號強度RSSI，據此找到一個可能存在小區的中心頻點；
• 然後在這個中心頻點周圍收PSS和SSS，這兩個訊號和系統頻寬沒有限制，配置是固定的，而且訊號本身以5ms為周期重複，並且是ZC序列，具有很強的相關性，因此可以直接檢測並接收到，據此可以得到小區Id，同時得到小區定時的5ms邊界；
• 5ms邊界得到後，根據PBCH的時頻位置，使用滑窗方法盲檢測，一旦發現CRC校正結果正確，則說明當前滑動窗就是10ms的幀邊界，並且可以根據PBCH的內容得到系統幀號和頻寬資訊，以及PHICH的配置；
• 至此，UE實現了和eNB的定時同步。

    當擷取了PBCH資訊後，要獲得更多的無線通道參數等還要接受其餘的SIB資訊，這些資訊在PDSCH上發送：

• 接收PCFICH，此時該通道的時頻資源就是固定已知的了，可以接收並解析得到PDCCH的symbol數目；
• 接收PHICH，根據PBCH中指示的配置資訊接收PHICH；
• 在控制地區內，除去PCFICH和PHICH的其他CCE上，搜尋PDCCH並做解碼；
• 檢測PDCCH的CRC中的RNTI，如果為SI-RNTI，則說明後面的PDSCH是一個SIB，於是接收PDSCH，解碼後將SIB上報給高層協議棧；
• 不斷接收SIB，HLS會判斷接收的系統訊息是否足夠，如果足夠則停止接收SIB

至此，小區搜尋過程才差不多結束。

5 UE隨機接入過程

• 為什麼要進行隨機接入過程？？

          申請上行資源

          UE通過隨機接入與基站進行資訊互動，完成後續操作（如呼叫、資源請求、資料轉送等操作）

          實現與系統的上行時間同步

          隨機接入的效能直接影響到使用者體驗，能夠適應各種應用情境、快速接入、容納更多使用者的方案

• 隨機接入過程包括：

         隨機接入前置（Preamble）的發送

         隨機接入響應

註：Preamble——>當UE收到eNB的廣播資訊需要接入時，從序列集中隨機播放一個preamble序列發給eNB，然後eNB根據不同的前置序列來區分不同的UE

• UE側隨機接入流程

Step1：解析傳輸請求，獲得隨機接入配置資訊；

Step2：選擇preamble序列

1)基於競爭的隨機接入：隨機播放preamble

2)無競爭的隨機接入：由高層指定preamble

Step3：按照指定功率發送preamble

Step4：盲檢用RA-RNTI標識的PDCCH

 --檢測到，接收對應的PDSCH並將資訊上傳；

 --否則直接退出物理層隨機接入過程，由高層邏輯決定後續操作；

 

               圖3 UE側隨機接入流程

5.1 基於競爭的隨機接入流程

     圖4 基於競爭的RA流程

Step1：UE端通過在特定的時頻資源上，發送可以標識其身份的preamble序列，進行上行同步

說明：

eNB可以選擇64個preamble碼中的部分或全部用於競爭接入；

Msg1承載於PRACH上

Step2：基站端在對應的時頻資源對preamble序列進行檢測，完成序列檢測後，發送隨機接入響應。

說明：

Msg2由eNB的MAC層組織，並由DL_SCH承載；

一條Msg2可同時響應多個UE的隨機接入請求；

eNB使用PDCCH調度Msg2，並通過RA-RNTI進行定址，RA-RNTI由承載Msg1的PRACH時頻資源位置決定；

Msg2包含上行傳輸定時提前量，為Msg3分配的上行資源，臨時C-RNTI等；

Step3：UE端在發送preamble序列後，在後續的一段時間內檢測基站發送的隨機接入響應；UE在檢測到屬於自己的隨機接入響應，該隨機接入響應中包含UE進行上行傳輸的資源調度資訊

說明：

UE在接收Msg2後，在其分配的上行資源上傳輸Msg3，並映射到UL-SCH上的CCCH邏輯通道上發送；

針對不同情境，Msg3包含不同的內容：

• • 初始接入：攜帶RRC層產生的RRC串連請求，包含UE的S-TMSI或隨機數；
  • 串連重建：攜帶RRC層產生的RRC串連重建請求,C-RNTI和PCI；
  • 切換：傳輸RRC層產生的RRC切換完成訊息以及UE的C-RNTI；
  • 上/下行資料到達：傳輸UE的C-RNTI。

 

Step4：基站發送衝突解決響應，UE判斷是否競爭成功

                                        圖5 競爭判決

5.2 基於非競爭的隨機接入流程

  圖6 基於非競爭的RA流程

Step1：基站根據此時的業務需求，給UE分配一個特定的preamble序列。（該序列不是基站在廣播資訊中廣播的隨機接入序列組）

說明：

對於切換情境，eNB通過RRC信令通知UE；

對於下行資料到達和輔助定位情境，eNB通過PDCCH通知UE

Step2：UE接收到信令指示後，在特定的時頻資源發送指定的preamble序列

Step3：基站接收到隨機接入preamble序列後，發送隨機接入響應。進行後續的信令互動和資料轉送。

6 UE附著過程（Attach）

• Attac的功能

     向EPC註冊EPS業務或non-EPS服務；

     為UE分配IP，建立UE和PDN GW之間的預設承載(default bearer)，使得UE的IP串連永遠線上.(always-on IP connectivity)；

     還可啟用多個專用承載(dedicated bearers)；

     Attach過程中產生安全上下文，投入使用後，對NAS信令進行安全保護

• UE開機Attach過程

                            圖7 UE開機Attach流程

Step1：處於RRC_IDLE的UE進行Attach過程，首先發起隨機接入過程，即Msg1訊息；

Step2：eNB檢測到Msg1訊息後，向UE發送隨機接入響應訊息，即Msg2訊息；

Step3：UE收到隨機接入響應後，根據Msg2的TA調整上行發送時機，向eNB發送RRC Connection Request訊息；

Step4：eNB向UE發送RRC Connection Setup訊息，包含建立SRB1承載資訊和無線資源配置資訊；

Step5：UE完成SRB1承載和無線資源配置，向eNB發送RRC Connection Setup Complete訊息，包含NAS層Attach Request訊息；

Step6：eNB選擇MME，向MME發送Initial UE Message訊息，包含NAS層Attach Request訊息；

Step7：MME向eNB發送Initial Context Setup Request訊息，請求建立預設承載，包含NAS層Attach Accept、Activate Default EPS Bearer Context Request訊息；

Step8：eNB接收到Initial Context Setup Request訊息，如果不包含UE能力資訊，則eNB向UE發送UE Capability Enquiry訊息，查詢UE能力；

Step9：UE向eNB發送UE Capability Information，報告UE的能力資訊；

Step10：eNB向MME發送UE Capability Information Indication訊息，更新MME的UE能力資訊；

Step11：eNB根據Initial Context Setup Request訊息中UE支援的安全資訊，向UE發送Security Mode Command訊息，進行安全啟用；

Step12：UE向eNB發送Security Mode Complete訊息，表示安全啟用完成；

Step13：eNB根據Initial Context Setup Request訊息中的ERAB建立資訊，向UE發送RRC Connection Reconfiguration訊息進行UE資源重配，包括重配SRB1和無線資源配置，建立SRB2、DRB（包括預設承載）等；

Step14：UE向eNB發送RRC Connection Reconfiguration Complete訊息，表示資源配置完成；

Step15：eNB向MME發送Initial Context Setup Response響應訊息，表明UE上下文建立完成；

Step16：UE向eNB發送UL Information Transfer訊息，包含NAS層Attach Complete、Activate Default EPS Bearer Context Accept訊息；

Step17：eNB向MME發送上行直傳UL NAS Transport訊息，包含NAS層Attach Complete、Activate Default EPS Bearer Context Accept訊息；

說明：

步驟1~5建立RRC串連，步驟6、9完成S1串連，完成這些標誌著NAS signaling connection建立完成

• 進一步理解Attach過程

                            圖8 Attac流程進一步理解

Step1：在已經建立NAS信令串連基礎上，UE通過向MME發送 ATTACH REQUEST 訊息來發起attach規程；該訊息中包含：IMSI或GUTI、last visited TAI、UE network capbility、PDN IP option、connect type等

Step2：如果UE最新串連的（新）MME與最後一次離開網路時串連的（舊）MME相比已經發生改變，新MME就會向舊MME發送一個ID請求來申請當前UE的IMSI，用於為當前UE重新分配GUTI。

Step3：如果新MME和舊MME都不能識別當前的UE，那麼新MME會給UE發送一個ID請求，隨後，UE應告訴新MME自己的IMSI。

Step4：如果當前網路中沒有UE的安全上下文，那麼MME會發起一個鑒權規程，UE和MME相互鑒權之後會在兩側產生相關的安全下文。（漫遊情況下，MME應從HSS擷取UE的簽約資訊等內容）

Step5：鑒權結束後，MME可能發送行動裝置標識檢查請求到EIR（Equipment  Identity Register）（MME的經營可能會檢查EIR中的行動裝置標識，至少在漫遊時，MME應將行動裝置標識傳給HSS）。

Step6：如果MME中有啟用的承載上下文（比如之前串連嘗試失敗時已經建立了承載），那麼MME會發送訊息到各個P-GW來刪除這些無效的承載上下文。

Step7：由於位置已經變化（MME變化），新MME就發送一個位置更新要求到HSS（指明MME標識、IMSI和ME標識等）。

Step8：新MME向HSS發送位置更新要求後，舊的MME就可以刪除其中儲存的UE的位置資訊以及相應的承載上下文。

Step9：HSS向新MME回送一個位置更新響應，來指明位置更新的狀態。若HSS拒絕位置更新，那麼MME就拒絕UE的attach請求。

Step10：位置更新完畢後，新MME就可以與PDN-GW之間建立預設承載，建立預設承載後P-GW就為UE建立了PDN地址、EPS承載標識、協議配置選項等，並將相關訊息返回給MME，S-GW可以緩衝一些來自P-GW的下行資料包。

Step11：MME接受attach及附著完成：MME通過eNB將APN、GUTI、PDN地址、TAI列表等資訊反饋給UE，並請求UE建立無線承載；UE完成無線承載建立後向MME返回一個完成訊息指明attach完成。

7 Detach過程

Detach過程完成UE在網路側的登出和所有EPS承載的刪除；

UE/MME/S-GW/HSS均可發起Detach過程；

若網路側長時間沒有獲得UE的資訊，則會發起隱式的Detach過程，即核心網將該UE的所有承載釋放而不通知UE

7.1 UE發起Detach過程

                                    圖9 UE發起的Detach流程

Step1：處在RRC_CONNECTION狀態的UE進行Detach過程，向eNB發送UL NAS Transfer訊息，包含NAS層Detach Request資訊；

Step2：eNB向MME發送上行直傳UL NAS Transport 訊息，包含NAS層Detach Request資訊；

Step3：MME向S-GW發送Delete Session Request，以刪除EPS承載；

Step4：S-GW向MME發送Delete Session Response，以確認EPS承載刪除；

Step5：MME向eNB發送下行直傳DL NAS Transport訊息，包含NAS層Detach Accept資訊；

Step6：eNB向UE發送DL Information Transfer訊息，包含NAS層Detach Accept資訊；

Step7：MME向eNB發送UE Context Release Command訊息，請求eNB釋放UE上下文；

Step8：eNB接收到UE Context Release Command訊息，向UE發送RRC Connection Release訊息，釋放RRC串連；

Step9：eNB釋放UE上下文資訊，向MME發送UE Context ReleaseComplete訊息進行響應

7.2 MME發起Detach過程

                  圖10 MME發起的Detach流程

8 Service Request過程

• 作用

當UE無RRC串連且有上行資料發起需求時

當UE處於ECM  IDLE狀態且有下行資料到達時

      在S1介面上建立S1承載，在Uu介面上建立資料無線承載

• 說明：

當UE發起Service Request時，需先發起隨機接入過程；

Service Request由RRC Connection Setup Complete攜帶上去；

當下行資料到達時，網路側先對UE進行呼叫，隨後UE發起隨機接入過程，並發起Service Request過程；

UE發起Service Request相當於主叫過程；

下行資料到達發起的Service Request相當於被叫接入

                                圖11 Service Request流程