LTE系统结构及流程

1、 HANTELEHANTELELTE系统结构及EPC信令流程2013年10月目 录 ContentsEPC主要信令流程相关学习材料HANTELEHANTELELTE网络结构与协议 HANTELEHANTELELTE网络结构与协议HANTELEHANTELE3 HANTELEHANTELELTE标准化历程R82008年12月发布的LTE R8系列规范，是第一个LTE可商用的标准文本。R9针对R8阶段没有完成和包含的特性，是R8版本的完善和增强。R9主要包括LTE终端定位技术、增强的下行双流波束赋形传输、eMBMS基本功能、网络自优化（SON）、Home eNodeB功能等。LTE-A(R10)载

2、波聚合、增强的上下行MIMO、协作多点传输CoMP、中继（Relay）、异构网（Heterogeneous Network）。4 HANTELEHANTELELTE网络结构5LTE核心网即演进型分组核心网（EPC），EPC网络设备包括移动性管理设备（MME）、服务网关（S-GW）、PDN网关（P-GW）、服务GPRS支持节点（SGSN）、归属签约用户服务器（HSS）以及策略和计费控制单元（PCRF）等组成。其中S-GW和P-GW可以合设，也可以分设。 HANTELEHANTELELTE网元功能6MME的主要功能包括：支持NAS信令及其安全、跟踪区域（Tracking Area）列表的管理、P-

3、GW和S-GW的选择、跨MME切换时MME的选择、在向2G/3G接入系统切换过程中SGSN的选择、用户的鉴权、漫游控制以及承载管理、3GPP不同接入网络的核心网络节点之间的移动性管理，以及UE在ECM-IDLE状态下可达性管理等。S-GW是终止于E-UTRAN接口的网关，该设备的主要功能包括：eNodeB间切换时的本地锚定点、3GPP不同接入系统间切换时的移动性锚点、执行合法侦听功能、数据包的路由和前转、上下行传输层的分组标记、ECM-IDLE状态下分组缓存及寻呼触发、计费等。P-GW是面向PDN终结于SGi接口的网关，该设备的主要功能包括：基于用户的包过滤功能、合法侦听功能、UE的IP地址分

4、配功能、上下行传输层的分组标记、计费、门控、QoS控制、承载控制等。HSS是用于存储用户签约信息的数据库，该设备的主要功能包括：存储用户签约信息、用户鉴权、位置信息管理等。PCRF终结于Rx接口和Gx接口，该设备主要功能包括：提供基于业务数据流的QoS控制、门控和计费控制等。 HANTELEHANTELEEPC系统接口功能7S1-MME:Reference point for the control plane protocol between E-UTRAN and MME.S1-U:Reference point between E-UTRAN and Serving GW for the

5、 per bearer user plane tunnelling and inter eNodeB path switching during handover.S3:It enables user and bearer information exchange for inter 3GPP access network mobility in idle and/or active state.S4:It provides related control and mobility support between GPRS Core and the 3GPP Anchor function o

6、f Serving GW. In addition, if Direct Tunnel is not established, it provides the user plane tunnelling.S5:It provides user plane tunnelling and tunnel management between Serving GW and PDN GW. It is used for Serving GW relocation due to UE mobility and if the Serving GW needs to connect to a non-coll

7、ocated PDN GW for the required PDN connectivity.S6a:It enables transfer of subscription and authentication data for authenticating/authorizing user access to the evolved system (AAA interface) between MME and HSS.S8:Inter-PLMN reference point providing user and control plane between the Serving GW i

8、n the VPLMN and the PDN GW in the HPLMN. S8 is the inter PLMN variant of S5. S9:It provides transfer of (QoS) policy and charging control information between the Home PCRF and the Visited PCRF in order to support local breakout function. HANTELEHANTELEEPC系统接口功能8S10:Reference point between MMEs for M

9、ME relocation and MME to MME information transfer.S11:Reference point between MME and Serving GW.S12:Reference point between UTRAN and Serving GW for user plane tunnelling when Direct Tunnel is established. It is based on the Iu-u/Gn-u reference point using the GTP-U protocol as defined between SGSN

10、 and UTRAN or respectively between SGSN and GGSN. Usage of S12 is an operator configuration option.S13:It enables UE identity check procedure between MME and EIR.SGi:It is the reference point between the PDN GW and the packet data network. Packet data network may be an operator external public or pr

11、ivate packet data network or an intra operator packet data network, e.g. for provision of IMS services. This reference point corresponds to Gi for 3GPP accesses.Gx:It provides transfer of (QoS) policy and charging rules from PCRF to Policy and Charging Enforcement Function (PCEF) in the PDN GW.Rx:Th

12、e Rx reference point resides between the AF and the PCRF in the TS 23.203 6.SBc:Reference point between CBC and MME for warning message delivery and control functions. HANTELEHANTELELTE系统协议栈9 HANTELEHANTELEEPC协议汇总10接口连接网元协议S1-MMEeNodeB - MMES1-AP/SCTP/IP/L2/L1S1-UeNodeB - S-GWGTP-U/UDP/IP/L2/L1S3SGS

13、N - MMEGTP-C/UDP/IP/L2/L1S4SGSN - S-GWGTP-C/UDP/IP/L2/L1GTP-U/UDP/IP/L2/L1S5S-GW - P-GWGTP-C/UDP/IP/L2/L1GTP-U/UDP/IP/L2/L1PMIPTunneling LayerS6aMME - HSSDiameter/SCTP/IP/L2/L1S7(Gx)PCRF - P-GW(PCEF)Diameter/SCTP/IP/L2/L1S8S-GW - P-GW(Inter PLMN)Same as S5S9V-PCRF - H-PCRFDiameter/SCTP/IP/L2/L1S10MM

14、E - MMEGTP-C/UDP/IP/L2/L1S11MME - S-GWGTP-C/UDP/IP/L2/L1S12UTRAN - S-GWGTP-U/UDP/IP/L2/L1S13MME - EIRSGiP-GW - Operators IP networkDHCP,Radius,L2TP,GRERxPCRF - Operators IP ServiceDiameter/SCTP/IP/L2/L1 HANTELEHANTELEX2接口协议11 X2-AP Transport Network Layer User Transport Network Plane Control Plane U

15、ser Plane Transport User Network Plane Radio Network Layer GTP-U UDP IP Data link layer Physical layer User Plane PDUs SCTP IP Data link layer Physical layer X2 Interface protocol structureX2接口是eNodeB之间的接口。X2接口的定义采用了与S1接口一致的原则，因此X2接口的用户平面协议结构和控制平面协议结构均与S1接口类似。 HANTELEHANTELEEPS系统标识12（1）全球唯一临时标识符（Glo

16、bally Unique Temporary UE Identity, GUTI）MME要给UE分配全球唯一临时标识符GUTI，目的是提供UE永久标识IMSI的保密性。GUTI包括两部分：用于唯一标识分配GUTI的MME，即GUMMEI；用于唯一标识该MME中的UE，即M-TMSI。在寻呼时，UE是用S-TMSI来进行寻呼的。S-TMSI由MMEC和M-TMSI组成。 HANTELEHANTELEEPS系统标识13（2）跟踪区域标识符（TAI）和跟踪区列表TAI用于标识跟踪区域。TAI由MCC，MNC和TAC组成。E-UMTS可以让UE向多个跟踪区域注册，多个跟踪区域组成TA列表。只要UE仍然

17、在它所注册的TA列表内，除了周期性的TA更新外，UE无须任何TA更新。多个TA注册机制有助于位于跟踪区域边缘的终端降低TA更新次数。UE的TAI由MME负责分配，MME可以在用户附着或跟踪区更新时，将跟踪区列表发给用户。UE认为已向整个TA列表进行了注册，直到进入一个不属于列表的TA或从网络得到了更新的列表。（3）eNB S1-AP UE ID该标识符用于在S1-MME参考点的eNodeB侧来临时标识UE，在一个eNodeB内是唯一的。（4）MME S1-AP UE ID该标识符用于在S1-MME参考点的MME侧来临时标识UE，在一个MME内是唯一的。（5）EPS承载标识符（EPS Beare

18、r Identity, EBI）EPS承载标识符由MME分配，用于唯一标识UE接入到E-UTRAN的一个EPS承载，在承载建立过程中传递给S-GW/P-GW使用。EPS无线承载（Radio Bearer）用于UE和eNodeB间传输E-RAB分组，EPS无线承载与EPS承载存在着一一映射，这种映射是由E-UTRAN来实现的。（6）TEID（Tunnel Endpoint ID）在基于GTP通信的两个节点间使用GTP隧道，每个GTP隧道在一个节点的标识同时使用IP地址、UDP端口和TEID。 HANTELEHANTELE一些基本流程及术语14 HANTELEHANTELEEPS承载架构15端到端

19、业务可以分为两部分承载：EPS承载和外部承载。外部承载用于连接核心和外部网节点间的业务承载。EPS承载则可以分为EPS无线承载、S1承载和S5/S8承载三部分。EPS承载相当于2G GPRS/3G UMTS中使用的“PDP上下文”。 HANTELEHANTELEEPS默认承载和专用承载16默认承载（Default Bearer）：在UE初始附着过程中按照用户签约的默认QoS等级建立一个默认承载，在PDN连接业务存在期间会始终保持这个默认承载，给UE提供“永远在线”的IP连接。专用承载（Dedicated Bearer）：连接到相同PDN的其他EPS承载称为专用承载。默认承载一定是Non-GBR

20、承载；专用承载可以是GBR，也可以是Non-GBR承载。通过UE的初始附着过程，建立起一个PDN连接，一个默认承载建立。根据业务需求，网络侧发起专用承载建立，可以存在一个或多个专用承载。下图是一个PDN连接（即一个GTP会话）上，存在一个默认承载和一个专用承载的情况。 HANTELEHANTELEQoS Class Identifier17 HANTELEHANTELEEPS状态管理18EPS有3种状态管理模型：EMM（EPS Mobility Management）EPS移动性管理模型EMM-DEREGISTEREDEMM-REGISTERED描述的是UE在网络中的注册状态，EMM状态的改变

21、是由于移动性管理过程产生的，比如附着过程和TAU过程。ECM（ EPS Connection Management）EPS连接性管理模型ECM-IDLEECM-CONNECTED描述的是UE和EPC间的信令连接性。在ECM-IDLE状态，UE和网络间没有NAS信令连接，在E-UTRAN中也没有UE上下文，没有S1-MME连接。在ECM-CONNECTED状态下，UE和网络间有信令连接，包括RRC连接和S1-MME连接。ESM（ EPS Session Management）EPS会话管理模型BEARER CONTEXT INACTIVE 没有默认承载，也没有专用承载BEARER CONTEXT

22、 ACTIVE 至少有一个承载存在 HANTELEHANTELEEPS状态转移19 HANTELEHANTELEEPS状态转移20“ECM Connected = RRC Connection + S1 Connection” HANTELEHANTELENAS协议消息列表21 HANTELEHANTELENAS协议信令流程22 HANTELEHANTELENAS协议信令流程23 HANTELEHANTELENAS协议信令流程24 HANTELEHANTELENAS协议信令流程25 HANTELEHANTELES1AP协议消息列表26 HANTELEHANTELES1AP协议基本信令流程27-

23、Class 1: Elementary Procedures with response (success and/or failure).-Class 2: Elementary Procedures without response.Elementary ProcedureInitiating MessageSuccessful OutcomeUnsuccessful OutcomeResponse messageResponse messageHandover PreparationHANDOVER REQUIREDHANDOVER COMMANDHANDOVER PREPARATION

24、 FAILUREHandover Resource AllocationHANDOVER REQUESTHANDOVER REQUEST ACKNOWLEDGEHANDOVER FAILUREPath Switch RequestPATH SWITCH REQUESTPATH SWITCH REQUEST ACKNOWLEDGEPATH SWITCH REQUEST FAILUREHandover CancellationHANDOVER CANCELHANDOVER CANCEL ACKNOWLEDGEE-RAB SetupE-RAB SETUP REQUESTE-RAB SETUP RES

25、PONSEE-RAB ModifyE-RAB MODIFY REQUESTE-RAB MODIFY RESPONSEE-RAB ReleaseE-RAB RELEASE COMMANDE-RAB RELEASE RESPONSEInitial Context SetupINITIAL CONTEXT SETUP REQUESTINITIAL CONTEXT SETUP RESPONSEINITIAL CONTEXT SETUP FAILUREResetRESETRESET ACKNOWLEDGES1 SetupS1 SETUP REQUESTS1 SETUP RESPONSES1 SETUP

26、FAILUREUE Context ReleaseUE CONTEXT RELEASE COMMANDUE CONTEXT RELEASE COMPLETEUE Context ModificationUE CONTEXT MODIFICATION REQUESTUE CONTEXT MODIFICATION RESPONSEUE CONTEXT MODIFICATION FAILUREeNB Configuration UpdateENB CONFIGURATION UPDATEENB CONFIGURATION UPDATE ACKNOWLEDGEENB CONFIGURATION UPD

27、ATE FAILUREMME Configuration UpdateMME CONFIGURATION UPDATEMME CONFIGURAION UPDATE ACKNOWLEDGEMME CONFIGURATION UPDATE FAILUREWrite-Replace Warning WRITE-REPLACE WARNING REQUESTWRITE-REPLACE WARNING RESPONSEKillKILL REQUESTKILL RESPONSEUE Radio Capability MatchUE RADIO CAPABILITY MATCH REQUESTUE RAD

28、IO CAPABILITY MATCH RESPONSEElementary ProcedureMessageHandover NotificationHANDOVER NOTIFYE-RAB Release IndicationE-RAB RELEASE INDICATIONPagingPAGINGInitial UE MessageINITIAL UE MESSAGEDownlink NAS TransportDOWNLINK NAS TRANSPORTUplink NAS TransportUPLINK NAS TRANSPORTNAS non delivery indicationNA

29、S NON DELIVERY INDICATIONError IndicationERROR INDICATIONUE Context Release RequestUE CONTEXT RELEASE REQUESTDownlinkS1 CDMA2000 TunnelingDOWNLINK S1 CDMA2000 TUNNELINGUplink S1 CDMA2000 TunnelingUPLINK S1 CDMA2000 TUNNELINGUE Capability Info IndicationUE CAPABILITY INFO INDICATIONeNB Status Transfe

30、reNB STATUS TRANSFERMME Status TransferMME STATUS TRANSFERDeactivate TraceDEACTIVATE TRACETrace StartTRACE STARTTrace Failure IndicationTRACE FAILURE INDICATIONLocation Reporting ControlLOCATION REPORTING CONTROLLocation Reporting Failure IndicationLOCATION REPORTING FAILURE INDICATIONLocation Repor

31、tLOCATION REPORTOverload StartOVERLOAD STARTOverload StopOVERLOAD STOPeNB Direct Information TransfereNB DIRECT INFORMATION TRANSFERMME Direct Information TransferMME DIRECT INFORMATION TRANSFEReNB Configuration TransfereNB CONFIGURATION TRANSFERMME Configuration TransferMME CONFIGURATION TRANSFERCe

32、ll Traffic TraceCELL TRAFFIC TRACEDownlink UE Associated LPPa TransportDOWNLINK UE ASSOCIATED LPPA TRANSPORTUplink UE Associated LPPa TransportUPLINK UE ASSOCIATED LPPA TRANSPORTDownlink Non UE Associated LPPa TransportDOWNLINK NON UE ASSOCIATED LPPA TRANSPORTUplink Non UE Associated LPPa TransportU

33、PLINK NON UE ASSOCIATED LPPA TRANSPORTClass 1 proceduresClass 2 procedures HANTELEHANTELEGTP协议消息列表28 HANTELEHANTELES6a接口消息列表29MME-HSSMME-HSSS6aS6a接口消息接口消息功能功能-Authentication Information Request鉴权信息请求Update Location Request位置更新请求-Update Location Answer位置更新响应，消息里包含了签约数据Cancel Location AnswerInsert Sub

34、scriber Data AnswerDelete Subscriber Data Answer-Purge UE RequestMME通知HSS删除去附着用户的签约数据和MM上下文Notify Request当用户状态变化，或用户终端改变，或用户当前APN的PDN GW信息改变时，MME向HSS发送此消息-Notify AnswerReset Answer HANTELEHANTELEEPC主要信令流程HANTELEHANTELE30 HANTELEHANTELEEPC主要信令流程31l附着(Attach)流程l去附着(Detach)流程 UE发起的去附着 MME发起的去附着 HSS发起的去附着l业务请求(Service Reques