LTE注冊(cè)和會(huì)話建立

1、一類 M2M 終端的業(yè)務(wù)流程優(yōu)化一、 目標(biāo) M2M 業(yè)務(wù)的特性M2M 業(yè)務(wù)種類繁多， 業(yè)務(wù)特性復(fù)雜，按照業(yè)務(wù)的觸發(fā)方式可將 M2M 業(yè)務(wù) 分為時(shí)間（定時(shí)器）觸發(fā)業(yè)務(wù)、事件觸發(fā)業(yè)務(wù)和混合觸發(fā)業(yè)務(wù)。 本文討論的 M2M 業(yè)務(wù)屬于其中的混合觸發(fā)業(yè)務(wù)范疇之內(nèi)， 定義此類 M2M 業(yè)務(wù)具有的特性是： 終 端位置長(zhǎng)期固定；業(yè)務(wù)請(qǐng)求類型固定；發(fā)送時(shí)間固定（除事件觸發(fā)情況外） ；業(yè) 務(wù)由終端主動(dòng)發(fā)起； 不涉及到尋呼和被叫業(yè)務(wù) 或者只涉及周期性的被叫 ；終端休 眠大部分情況下呈現(xiàn)周期性；終端發(fā)起的業(yè)務(wù)主要通過上行完成 （例如遙感勘測(cè) 類、水電氣報(bào)表和視頻監(jiān)控等 M2M 業(yè)務(wù) ）。傳統(tǒng)的 H2H 業(yè)務(wù)的主要特點(diǎn)是

2、終端位置移動(dòng)性強(qiáng)、業(yè)務(wù)請(qǐng)求類型多變、發(fā) 送信息周期、數(shù)據(jù)量大小不固定的、涉及主叫和被叫業(yè)務(wù)，針對(duì) H2H 業(yè)務(wù)的這 些特性， H2H 用戶在 LTE 網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)接入、用戶注冊(cè)、會(huì)話建立、移動(dòng)性管 理、小區(qū)間切換流程上都有一套完整的體系， 通過用戶端、 基站和核心網(wǎng)中協(xié)議 棧各層間的信息交互來(lái)完成這套流程，但是在 LTE 網(wǎng)絡(luò)，如果針對(duì) M2M 業(yè)務(wù) 仍然照搬這套流程， 雖然也可以滿足業(yè)務(wù)需求， 但是從部分 M2M 業(yè)務(wù)特性上來(lái) 講，這套流程顯得過于繁瑣， 不利于 M2M 終端在能耗和無(wú)線資源上的節(jié)約。 因 此如何對(duì)傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行簡(jiǎn)化， 使其符合部分 M2M 業(yè)務(wù)的需求，是我們研 究的重點(diǎn)

3、。二、LTE網(wǎng)絡(luò)中用戶端在網(wǎng)絡(luò)中的活動(dòng)狀態(tài)1.網(wǎng)絡(luò)接入過程當(dāng)用戶開機(jī)之后， 要向網(wǎng)絡(luò)發(fā)起注冊(cè)過程， 用戶端在向網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)之前需要進(jìn) 行網(wǎng)絡(luò)接入過程，包含以下四個(gè)步驟（1）檢測(cè)系統(tǒng)信息廣播系統(tǒng)信息廣播由網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)操作，周期性的發(fā)送， UE 開機(jī)后，會(huì)接收到由 eNode B通過物理廣播信道（PBCH）和物理下行控制信道（PDCCH）發(fā)送的 基站指示信息，包括本小區(qū)的物理隨機(jī)接入信道（ PRACH ）配置索引、邏輯根 序列初始值、循環(huán)移位配置索引、上下行配置索引等與發(fā)起隨機(jī)接入有關(guān)的參數(shù)。 UE 通過這些指示信息生成要發(fā)送給 eNode B 的隨機(jī)接入前導(dǎo)序列。（ 2）小區(qū)的選擇用戶端根據(jù)系統(tǒng)信息廣播

4、進(jìn)行小區(qū)選擇， 選擇信號(hào)質(zhì)量最好的小區(qū)， 用戶端 選擇一個(gè) PLMN （公共陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)） ，無(wú)線資源控制協(xié)議 （RRC 層）根據(jù)已有 信息開始搜小區(qū)。如果沒有以前的信息，就開始全頻搜，發(fā)現(xiàn)可用的頻率以后， 去同步小區(qū)，同步上以后，得到小區(qū)物理層的Cell ID，然后開始讀管理信息庫(kù)（MIB ），根據(jù)MIB再讀SIB1 包含NAS信息和UE處于空閑模式和連接模式 下的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，根據(jù) SIB1 再讀其他的系統(tǒng)消息塊，讀完系統(tǒng)消息判斷駐 留的條件， 如果滿足就駐留小區(qū)， 就會(huì)通知用戶端配置服務(wù)小區(qū)的測(cè)量， 配置尋 呼的參數(shù)，進(jìn)入空閑（IDLE）狀態(tài)。整個(gè)小區(qū)搜索狀態(tài)完成。（ 3）初始接入為了

5、注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)，終端還需經(jīng)過初始接入過程，首先進(jìn)行接入等級(jí)的判定， 目的在于在一些特定條件下動(dòng)態(tài)阻止或限制網(wǎng)絡(luò)的接入， 例如網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重超負(fù)荷和 一些緊急條件下。 當(dāng)用戶端符合接入等級(jí)時(shí)， 通過隨機(jī)接入過程， 使得終端能夠 與網(wǎng)絡(luò)建立一個(gè) RRC 連接。之后可以在上行共享控制信道上發(fā)消息。（ 4） RRC 連接RRC過程是UE與eNode B的RRC層通過一組消息進(jìn)行交互的過程，通過此類過程實(shí)現(xiàn)RRC對(duì)整個(gè)協(xié)議棧的管理和控制。 RRC連接建立請(qǐng)求通過上行公共控制信道上發(fā)送，消息的內(nèi)容包括UE的初始標(biāo) 識(shí)（S-TMSI或隨機(jī)數(shù)卜連接建立原因及預(yù)留的Ibit等子信息單元。 RRC連接建立過程是UE與eNB

6、之間通過信令交互建立信令無(wú)線承載 （SRBI）的 過程。RRC連接配置過程是對(duì)eNB的管理過程。 EUTRAN在下行公共控制信道（CCCH）上使用TM RLC （非確定模式）發(fā)送 RRC連接建立消息，消息包含了一個(gè)專用無(wú)線資源配置單元， 該消息單元中包含 有信令無(wú)線承載、 MAC主配置、專用物理配置等子單元。RRC層接收 到連接建立消息后停止定時(shí)器T300，并根據(jù)連接建立消息中的內(nèi)容配置 L2層的 工作模式、調(diào)度規(guī)劃、建立相關(guān)的物理信道等，建立 SRB1，此時(shí)SRBI適用于 AM-RLC （確定）模式。UE端RRC層接收到RRC Connection Setup 消息后建立L2鏈路，通過原語(yǔ)向

7、上 層指示RRC已經(jīng)建立完成的同時(shí)通過 AM-RLC方式向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送RRC連接建立完成消息，RRC連接建立過程完成2.注冊(cè)過程S6MMEHSSS11想獲取服務(wù)，需要向網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)關(guān)這個(gè)注冊(cè)過程被稱為附著F附著的過程建立了默認(rèn)的EUeNodeBPDN網(wǎng)關(guān)SGi (Attach )。IP網(wǎng)絡(luò)PS承載，從而使UE/User保持“一直在線”的IP連接,求（田戶識(shí)別）并且PGW將激活預(yù)告定義好連接請(qǐng)的相應(yīng)于此三成網(wǎng)路接入過程后，開始向網(wǎng) 絡(luò)進(jìn)行默認(rèn) EPS承載的策略與計(jì)費(fèi)規(guī)則。當(dāng)用戶連接接受RB建立請(qǐng)求注冊(cè)更新位置插入用戶數(shù)據(jù)插入用戶數(shù)據(jù)確認(rèn)更新位置確認(rèn)更新承載請(qǐng)求I創(chuàng)建承載響應(yīng) 用戶的連接請(qǐng)求中包含識(shí)別碼，

8、當(dāng)MME提取到用戶識(shí)別碼后，開始進(jìn)行認(rèn)證和密鑰協(xié)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和終端的互相認(rèn)證。 注冊(cè)過程時(shí)在終端開機(jī)后就要執(zhí)行的過程，移動(dòng)管理實(shí)體（MME ）需要更新歸屬用戶服務(wù)器（HSS），以便HSS可以注冊(cè)用戶的當(dāng)前的 MME，同時(shí) HSS向MME提供用戶信息（包括服務(wù)質(zhì)量限制和接入限制） ，MME使用這些 信息來(lái)控制和限制由終端發(fā)起的分組數(shù)據(jù)上下文請(qǐng)求。 MME在完成注冊(cè)過程后，為終端創(chuàng)建一個(gè)可用的默認(rèn)承載。 在空中接口使用無(wú)線承載建立過程來(lái)分配無(wú)線資源，為了提高效率，eNodeB 發(fā)送的請(qǐng)求消息中包括MME應(yīng)答的連接接受消息，通過注冊(cè)過程，終端獲取一個(gè)IP地址，有PDN網(wǎng)關(guān)在創(chuàng)建承載過程分配，通過連接接

9、受消息發(fā)送給終端，實(shí)現(xiàn)到外部IP網(wǎng)絡(luò)的連接性。 為了發(fā)起業(yè)務(wù)，終端需要向MME使用上面描述的隨機(jī)接入過程發(fā)送一個(gè) “服務(wù)請(qǐng)求” NAS消息。該消息封裝在“初始UE消息”中，通過S1接口在eNodeB和MME間進(jìn)行發(fā)送。服務(wù)請(qǐng)求消息包括用戶的臨時(shí)識(shí)別碼和關(guān)于服務(wù)類型的指示。 一旦NAS安全機(jī)制有效，M ME執(zhí)行“初始上下文建立”過程，其目標(biāo)是在 eNodeB內(nèi)產(chǎn)生EPS承載和終端上下文。此外，該過程還要在無(wú)線和 S1接口承載 上建立必要的資源。此時(shí)，初始上下文建立消息包括與EPS承載有關(guān)的服務(wù)質(zhì)量， 以及MME的完整性和加密算法，在完成該過程后，網(wǎng)絡(luò)和終端間激活的所有承載，包括默認(rèn)的EPS承載。

10、 最后，MME將為服務(wù)網(wǎng)關(guān)更新用戶的相關(guān)承載， 于是服務(wù)網(wǎng)關(guān)就能夠在下行 鏈路向終端發(fā)送數(shù)據(jù)了，在服務(wù)網(wǎng)關(guān)和 PDN網(wǎng)關(guān)間沒有信令交換，這是由于在 終端注冊(cè)的時(shí)候，在EPC中已經(jīng)保留過了 EPS承載的這一部分。4. 終端位置管理對(duì)于所有非激活移動(dòng)終端，網(wǎng)絡(luò)任意時(shí)間，在用戶被叫會(huì)話建立或郵件發(fā)送服務(wù)的情況下，需要知道當(dāng)前終端位置。但是空閑IDLE模式過程不要求網(wǎng)絡(luò)知道每一個(gè)終端非常準(zhǔn)確的泣置。因此引人了跟蹤區(qū)域 （TA）的概念。TA可以簡(jiǎn)單定義為一組連續(xù)的小區(qū)。 小區(qū)所屬的TA識(shí)別碼（TAI）是BCCH系統(tǒng)信息廣播的一部分。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)需要邀請(qǐng)某個(gè)終端時(shí)，會(huì)在所有屬于跟蹤區(qū)域的小區(qū) 發(fā)送尋呼消息。終端

11、在以下3種情況下向核心網(wǎng)絡(luò)發(fā)送TA信令（1）在初始注冊(cè)階段，終端通知核心網(wǎng)絡(luò)它當(dāng)前的跟蹤區(qū)域。（2）當(dāng)用戶在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)或終端改變跟蹤區(qū)域時(shí)，需要更新 TA以便保持分組核 心網(wǎng)內(nèi)終端位置的更新。(3) 此外，即使終端位置沒有改變，也要周期性地更新當(dāng)前TA,由終端的定時(shí)器T3412超時(shí)觸發(fā)的。周期性地更新TA的目的是：如果終端注銷失敗或突然離 開覆蓋區(qū)域時(shí)， 分組核心網(wǎng)絡(luò)就不會(huì)為網(wǎng)絡(luò)中不可到達(dá)的終端保持上下文， 空閑 狀態(tài)下的移動(dòng)性管理主要是執(zhí)行 TAU或周期性的TAU。 UE位置管理需要支持UE 的TAU過程來(lái)確保網(wǎng)絡(luò)能夠隨時(shí)跟蹤到它的位置。三、研究點(diǎn)本文中的目標(biāo) M2M 業(yè)務(wù)與傳統(tǒng)的 H2H

12、業(yè)務(wù)相比較，在業(yè)務(wù)流程中存在以下 幾點(diǎn)區(qū)別1 、傳統(tǒng)的 H2H 終端位置不固定，因此在每次終端開機(jī)的過程中，需要通 過系統(tǒng)廣播消息，讀取系統(tǒng)信息，判斷駐留的條件，然后選擇質(zhì)量最好的小區(qū)。 目標(biāo) M2M 終端位置長(zhǎng)期固定，一般不涉及到更換小區(qū)的問題，因此目標(biāo) M2M 終端所駐留的小區(qū)大部分情況下是唯一的， 可以對(duì)目標(biāo) M2M 終端的小區(qū)選擇流 程進(jìn)行優(yōu)化。2、 傳統(tǒng)的H2H終端位置不固定，向小區(qū)注冊(cè)時(shí)，MME需要更新HSS，以 便HSS可以注冊(cè)用戶的當(dāng)前的MME，同時(shí)HSS向MME提供用戶信息(包括服務(wù) 質(zhì)量限制和接入限制) ， MME 使用這些信息來(lái)控制和限制由終端發(fā)起的分組數(shù)據(jù) 上下文請(qǐng)求。

13、目標(biāo)M2M終端位置長(zhǎng)期固定，大部分情況下不會(huì)更換MME，用戶 信息保持不變，因此當(dāng)目標(biāo)M2M終端向小區(qū)注冊(cè)時(shí)，可以優(yōu)化MME和HSS交互 信息的流程。3、傳統(tǒng)的 H2H 終端涉及到尋呼和被叫業(yè)務(wù)， 因此當(dāng) H2H 終端即使處在空 閑狀態(tài)下也需要周期性接收系統(tǒng)廣播信道上的信息， 睡眠時(shí)間短。 目標(biāo) M2M 業(yè) 務(wù)不涉及到尋呼和被叫業(yè)務(wù) 或者只涉及到周期性被叫 ，業(yè)務(wù)主要是由 M2M 終端 主動(dòng)發(fā)起， 激活網(wǎng)絡(luò)會(huì)話流程， 因此可以在目標(biāo) M2M 終端周期性接受系統(tǒng)廣播 流程的問題上進(jìn)行優(yōu)化。4、傳統(tǒng)的H2H終端在空閑模式下涉及被叫業(yè)務(wù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)在跟蹤區(qū)域 （TA）內(nèi) 對(duì)用戶進(jìn)行尋呼。 因此終端在注冊(cè)

14、時(shí)會(huì)通知核心網(wǎng)絡(luò)它當(dāng)前的跟蹤區(qū)域， 當(dāng)終端 位置改變時(shí)，需要更新TA,即使終端位置沒有改變，也要周期性地更新當(dāng)前 TAo 目標(biāo)M2M業(yè)務(wù)一般情況下不涉及被叫業(yè)務(wù)，即使涉及到被叫業(yè)務(wù)，由于終端位 置固定，網(wǎng)絡(luò)也可以不必依靠 TA來(lái)尋呼目標(biāo)M2M終端，所以針對(duì)于目標(biāo)M2M 業(yè)務(wù)可以對(duì)TA信令交互和TAU過程進(jìn)行優(yōu)化。5、部分H2H業(yè)務(wù)，為了保證用戶的服務(wù)體驗(yàn)，需要保持“永遠(yuǎn)在線”的業(yè) 務(wù)特性，當(dāng) UE 注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)就會(huì)保存該用戶的 UE 上下文，在任何時(shí)間 發(fā)起到該UE的連接時(shí)，都可以依賴這些上下文，隨時(shí)找到 UE建立連接。為了 節(jié)省資源，當(dāng) UE 長(zhǎng)時(shí)間沒有業(yè)務(wù)時(shí)，空中接口的連接會(huì)被釋放，

15、但 EPC 中的 連接仍然存在，從而當(dāng) UE 再有業(yè)務(wù)需求時(shí)，不必從頭至尾執(zhí)行一遍承載激活過 程，只需進(jìn)行空中接口和S1連接的建立即可，從而加快了 UE從空閑狀態(tài)到激活 狀態(tài)的遷移。目標(biāo)M2M業(yè)務(wù)大部分情況下發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間固定，當(dāng)發(fā)送時(shí)間間隔 非常大的時(shí)候 （例如一天甚至更長(zhǎng)）， M2M 終端可能會(huì)選擇進(jìn)入一種深度休眠的 模式（甚至關(guān)機(jī)），此時(shí)EPC可以完全釋放掉終端的默認(rèn)承載，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源， 因此可以針對(duì)目標(biāo) M2M 業(yè)務(wù)中發(fā)送時(shí)間間隔很長(zhǎng)的業(yè)務(wù)進(jìn)行默認(rèn)承載釋放的優(yōu) 化。四、國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究狀況對(duì)LTE系統(tǒng)中業(yè)務(wù)流程優(yōu)化，可以從兩個(gè)層面上進(jìn)行考慮，一方面是針對(duì)業(yè) 務(wù)特性在協(xié)議棧中各層配合的流程上

16、進(jìn)行優(yōu)化。文章1主要針對(duì)RRC層中SRB1建立過程設(shè)計(jì)了信令和原語(yǔ)交互流程，并根據(jù)所從事項(xiàng)目的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了層間的原語(yǔ)交互。最后，設(shè)計(jì)了 RRC 連接建立 過程的 SDL 仿真流程圖，并通過 SDL 和 TTCN 協(xié)議仿真產(chǎn)生的 MSC 圖，驗(yàn)證 了所設(shè)計(jì)信令流程的正確性。文章 2 公開了一種 LTE TDD 系統(tǒng)中的上行數(shù)據(jù)傳 輸方法：終端發(fā)送上行數(shù)據(jù)；基站在數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)進(jìn)行接收,根據(jù)接收結(jié)果向終端發(fā)送反饋消息 ,并根據(jù)接收結(jié)果以及預(yù)定的發(fā)送條件確定是否將向終端發(fā)送 上行授權(quán)指示信令； 終端檢測(cè)反饋消息以及上行授權(quán)指示信令 , 并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果 進(jìn)行相應(yīng)的上行數(shù)據(jù)發(fā)送。 通過本發(fā)明的上述 HA

17、RQ 改進(jìn)技術(shù)方案 ,可以在不影 響系統(tǒng)吞吐量的前提下 ,有效地減小調(diào)度控制信令的開銷。另一方面是在注冊(cè)、會(huì)話建立、小區(qū)切換、移動(dòng)性管理流程上進(jìn)行優(yōu)化。 文章3 指出當(dāng)多模終端跨系統(tǒng)進(jìn)行小區(qū)重選時(shí)，需要進(jìn)行位置區(qū)域更新。 頻繁跨越不同系統(tǒng)， 終端會(huì)反復(fù)進(jìn)行位置更新， 從而使空口和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生大量的位 置區(qū)域更新信令。為了解決這一問題，在LTE部署初期，引入了空閑狀態(tài)下信令 縮減機(jī)制一一ISR，文章介紹了 ISR機(jī)制，分析了添加ISR機(jī)制后的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及ISR 機(jī)制的關(guān)鍵參數(shù)，說明了 ISR機(jī)制的相關(guān)過程。文章4首先介紹了移動(dòng)終端協(xié)議 棧的架構(gòu)和移動(dòng)性管理過程， 然后分析了 LTE 終端跟蹤區(qū)更新過程

18、， 研究了其正 常流程和異常流程， 提出了一種 LTE 終端跟蹤區(qū)更新過程的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法， 最 后利用SDL和TTCN的協(xié)仿真對(duì)該實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了測(cè)試。文章 指出在LTE系 統(tǒng)中小區(qū)搜索是一個(gè)至關(guān)重要的物理層過程。 小區(qū)搜索的實(shí)現(xiàn)過程中需要大量實(shí) 時(shí)運(yùn)算量處理 ,消耗硬件處理資源 ,制約終端性能的提高。文章提出了改進(jìn)的小區(qū) 搜索算法，大大降低運(yùn)算量，節(jié)省終端的硬件資源。公開了在LTE網(wǎng)絡(luò)中如何實(shí) 現(xiàn)短消息業(yè)務(wù)(SMS)和增值業(yè)務(wù)(SS)的方法和設(shè)備。RRC連接信令S RB被用于在無(wú)線發(fā)射/接收單元（WTRU）與移動(dòng)性管理實(shí)體（MME）之間在LTE控制平面上的SMS和SS傳輸。針對(duì)SMS和SS實(shí)體的行為定義了 EMM接口和原語(yǔ)以用于在LTE中經(jīng)由LTE控制平面媒介來(lái)允許SMS和SS業(yè)務(wù)。文章7介紹了 LTE系統(tǒng)的尋 呼機(jī)制，并把LTE的尋呼機(jī)制抽象成排隊(duì)論中的nB個(gè)獨(dú)立的M/D/1排隊(duì)模型，其中 nB是LTE系統(tǒng)廣播消息中包含的尋呼消息的一個(gè)參數(shù)，同時(shí)采用M/D/1模型分析了 LTE系統(tǒng)的尋呼時(shí)延和尋呼