LTE初始EPS接入流程.docx
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LTE初始EPS接入流程.docx
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LTE初始EPS接入流程
LTE小区搜索与初始接入过程
完整信令流程:
1、cellsearch
EUTRA支持的带宽从1.4M到20M(Rel.8),UE在刚开机时,并不知道系统带宽为多少,为了使UE能够获得系统带宽和同步信息,LTE设计了主同步信道/辅同步信道,PSS/SSS位于频率中心的1.08MHZ带宽上,6个PRB,72个子载波(实际上同步信道只使用了频率中心(DC)周围的62个子载波,两边各留5个子载波用做保护波段)。
LTE-TDD中,PSS位于子帧1和子帧6的第3个OFDM符号上,SSS位于子帧0和子帧5的最后一个OFDM符号上。
1.1PSSprimarysynchronizationsignal:
UE在中心频点周围尝试接受PSS,36.211协议定义了三种PSS序列,使用长度为62的频域Zadoff-Chu序列,每个序列与physicallayercellidgroup中的一个physicallayerid(0,1,2)相对应。
至此,UE获得了:
1)系统中心频点
2)小区的physicallayerid
3)子帧的同步信息
4)时隙同步
5)半帧同步
此时由于UE还未获得slot及帧的边界信息。
1.2SSSsecondarysynchronizationsignal:
SSS信号有168种不同的组合,对应physicallayercellidgroup(0~167),UE在检测到SSS后,就可以确定小区的PCI=physicallayercellidgroup*3+physicallayerid。
另外SSS在前半帧与后半帧填充内容不一样,由此,UE可获得:
1)小区PCI信息
2)帧同步
在多天线传输的情况下,同一子帧内,PSS和SSS总是在相同的天线端口上发射,而在不同的子帧上,则可以利用多天线增益,在不同的天线端口上发射。
1.3DLRS
1)下行信道质量测量
2)信道估计用于UE相干解调
1.4PBCHphysicalbroadcastchannel
PBCH使用QPSK调制,位于系统中心频段subframe0-SLOT1的前4个symbol(除去被RS占用的RE),以便在未知系统带宽情况下UE可以迅速的捕捉到MIB信息。
PBCH的更新周期为40ms,在40ms周期内传送4次,通过解调PBCH,可以获得:
1)系统带宽
2)PHCIH配置
PHCIH使用BPSK调制,在PBCH中使用1bit指示PHICH的长度(0normal1symbol),2bit指示PHICH使用的频域资源(Ng1/62个PHCICH组),即PHICH组的数量(每个PHICH组包含8个PHICH)。
3)系统帧号(SFN)
系统帧号SFN的长度为10Bit,在0到1023之间取值。
在PBCH中只广播SFN的前8位,因此,PBCH中的SFN只是在40ms的发送周期边界发生变化。
通过PBCH在40ms周期内的相对位置就可以确定SFN的后两位。
4)系统的天线配置信息
系统的天线端口数目隐含在PBCH的CRC里面,通过盲检PBCH的CRC就可以确定其对应的天线端口数目(AttennaPorts)。
?
?
MIB消息如下:
UE解码MIB消息后,还需要读取小区参数配置信息,如cellbarred、小区驻留、重选参数等。
而这些信息存在于PDSCH信道中,由PDCCH进行调度,所以UE还需要解码:
1.5PCFICH
PCFICH指示PDCCH时域上占用多少个symbol(1、2、3),2bit信息就可以满足,使用1/16编码,QPSK调制,产生16个symbol映射到中间72个子载波(位置由PCI和下行带宽计算),时域占用每个下行子帧的第一个symbol。
1.6PDCCH
PDCCH携带PDSCH调度信息,时域占用每个下行子帧的第1、2、3个symbol,频域上铺满整个系统带宽。
1.7PDSCH
PDSCH携带sib信息,UE解码sib信息后,确定是否驻留小区。
SIB1小区选择等SIB2初始接入PRACH等SIB3重选相关
至此,UE解码系统消息后,camponcell,下一步发起初始接入过程。
2、initialaccess
UEcamponcell之后,只有通过随机接入与上行同步之后,才能被系统调度资源进行上行传输。
LTE中的随机接入分为基于竞争和非竞争随机接入两种形式。
初始的随机接入过程,是基于竞争的随机接入过程,可以分为4个步骤,如下:
1)前导序列传输
2)随机接入响应
3)MSG3(RRCconnectionRequest)
4)竞争解决
对应流程图如下:
2.8MSG1:
PRACHpreamble
SIB2消息中参数确定了PRACHZC根序列及可以出现的位置,由算法确定:
prach-FreqOffset
代表的是物理块资源的号码
prach-ConfigIndex
决定了小区中PRACH可以出现的帧和子帧的位置以及所使用的PRACH的类型
rootSequenceIndex
广播第一个ZC根序列,对根序列按一定的规则循环移位,生成相应的PRACH前导序列
highSpeedFlag
指明小区是否支持高速移动下ZC序列循环移位的选择
LTE中,每个小区有64个随机接入前导序列,分别被用于基于竞争的随机接入(如初始接入)和非竞争的随机接入(如切换时的接入).其中,用于竞争的随机接入的前导序列的数目个数为numberofRA-Preambles,在SIB2系统消息中广播.
用于竞争的随机前导序列(numberOfRa_Preambles:
40)又分为GroupA(sizeOfRa-PreamblesGroupA:
32)及GroupB(8个)。
GroupA和GroupB的主要区别在于将要在MSG3中传输的信息的大小,由参数messageSizeGroupA(144bit)表示。
在GroupB存在的情况下,如果所要传输的信息的长度(加上MAC头部,MAC控制单元等)大于messageSizeGroupA,并且UE能够满足发射功率的条件下,UE就会选择GroupB中的前导序列。
所谓UE满足发射功率指的是:
UE的路损>PCMAX–preambleInitialReceivedTargetPower–deltaPreambleMsg3–messagePowerOffsetGroupB(36.321)
即UE的路损>23+90-10=103db,MSG3(RRCRequest)>144bit时。
UE通过选择GroupA或者GroupB里面的前导序列,,可以隐式地通知eNodeB其将要传输的MSG3的大小。
eNodeB可以据此分配相应的上行资源,从而避免了资源浪费。
eNodeB通过preambleinitialReceivedTargetPower通知UE其所期待接收到的前导序列功率,UE根据此目标值和下行的路径损耗,通过开环功控来设置初始的前导序列发射功率。
下行的路径损耗,可以通过RSRP(ReferenceSignalReceivedPower)的平均来得到。
这样可以使得eNodeB接收到的前导序列功率与路径损耗基本无关,从而利于NodeB探测出在相同的时间-频率资源上发送的接入前导序列。
下图是路损为124db时,preambleInitialReceivedTargetPower=-90db,UE使用最大功率发射。
(PRACHPower23dbm)
2.9PCFIH
2.10PDCCH
2.11MSG2(RARRandomAccessResponse)
发送了接入前导序列以后,UE需要监听PDCCH信道,是否存在ENODEB回复的RAR消息。
RAR的时间窗是从UE发送了前导序列的子帧+3个子帧开始,长度为Ra-ResponseWindowSize(7)个子帧。
如果在此时间内没有接收到回复给自己的RAR,就认为此次接入失败。
如果初始接入过程失败,但是还没有达到最大尝试次数preambleTransMax(10),那么UE可以在上次发射功率的基础上,功率提升powerRampingStep(4db),来发送此次前导,从而提高发送成功的机率。
当eNB检测到UE发送的前导序列,就会在DL-SCH上发送一个响应,包含:
检测到的前导序列的索引号、用于上行同步的时间调整信息、初始的上行资源分配(用于发送随后的MSG3),以及一个临时C-RNTI,此临时的C-RNTI将在步骤四(冲突解决)中决定是否转换为永久的C-RNTI。
UE需要在PDCCH上使用RA-RNTI(RandomAccessRNTI)来监听RAR消息.
RA-RNTI=1+t_id+10*f_id
其中,
t_id,发送前导的PRACH的第一个subframe索引号(0<=t_id<10)
f_id,在这个subframe里的PRACH索引,也就是频域位置索引,(0= RA-RNTI与UE发送前导序列的时频位置一一对应.UE和eNodeB可以分别计算出前导序列对应的RA-RNTI值.UE监听PDCCH信道以RA-RNTI表征的RAR消息,并解码相应的PDSCH信道,如果RAR中前导序列索引与UE自己发送的前导序列相同,那么UE就采用RAR中的上行时间调整信息,并启动相应的冲突调整过程. 在RAR消息中,还可能存在一个backoff指示,指示了UE重传前导的等待时间范围.如果UE在规定的时间范围以内,没有收到任何RAR消息,或者RAR消息中的前导序列索引与自己的不符,则认为此次的前导接入失败.UE需要推迟一段时间,才能进行下一次的前导接入.推迟的时间范围,就由backoffindictor来指示,UE可以在0到BackoffIndicator之间随机取值.这样的设计可以减少UE在相同时间再次发送前导序列的几率。 2.12MSG3(RRCconnREQ): UE接收到RAR消息,获得上行的时间同步和上行资源。 但此时并不能确定RAR消息是发送给UE自己而不是发送给其他的UE的,由于UE的前导序列是从公共资源中随机选取的,因此,存在着不同的UE在相同的时间-频率资源上发送相同的接入前导序列的可能性,这样,他们就会通过相同的RA-RNTI接收到同样的RAR。 而且,UE也无从知道是否有其他的UE在使用相同的资源进行随机接入。 为此UE需要通过随后的MSG3和MSG4消息,来解决这样的随机接入冲突。 MSG3是第一条基于上行调度,通过HARQ(HybridAutomaticRepeatrequest),在PUSCH上传输的消息。 其最大重传次数由maxHARQ-Msg3TX(SIB2: 4)定义。 在初始的随机接入中,MSG3中传输的是RRCConnectionRequest。 如果不同的UE接收到相同的RAR消息,那么他们就会获得相同的上行资源,同时发送Msg3消息,为了区分不同的UE,在MSG3中会携带一个UE特定的ID,用于区分不同的UE。 在初始接入的情况下,这个ID可以是UE的S-TMSI(如果存在的话)或者随机生成的一个40位的值(可以认为,不同UE随机生成相同的40位值的可能性非常小)。 UE在发完MSg3消息后就要立刻启动竞争消除定时器mac-ContentionResolutionTimer(SIB23: 32ms)(而随后每一次重传消息3都要重启这个定时器),UE需要在此时间内监听eNodeB返回给自己的冲突解决消息。 2.13MSG4(RRCconnSTP) 如果在mac-ContentionResolutionTimer时间内,UE接收到eNodeB返回的ContentionResolution消息,并且其中携带的UEID与自己在Msg3中上报给eNodeB的相符,那么UE就认为自己赢得了此次的随机接入冲突,随机接入成功。 并将在RAR消息中得到的临时C-RNTI置为自己的C-RNTI。 否则的话,UE认为此次接入失败,并按照上面所述的规则进行随机接入的重传过程。 3、initialEPSattach 1)RRCConnectionRequest: RRCConnReQ使用公共信道CCH传输,映射到SRB0上,SRB0一直存在;UE开机时是基于竞争的随机接入,在此消息中,ue-Identity的目的是为了底层随机接入的竞争消除,它可以是S-TMSI,也可以是一个40位的随机接入值。 在initialEPSattach过程中,UE还没有获得S-TMSI,因此使用randomvalue。 NAS层通过establishmentCause指明连接的原因 2)RRCConnectSetup: 通过底层的竞争接入冲突解决机制,UE接收到NodeB的rrcConnectionSetup信令,建立了UE与ENodeB之间的SRB1,NodeB为SRB1配置RLC层和逻辑层信道的属性。 ENodeB还可以在此信令中对MAC层和物理层进行配置,如果NodeB没有对此进行配置,36.331中定义了MAC层和物理层的缺省值。 UE收到NodeB的rrcConnectionSetup信令后,UE和NodeB之间的SRB1就建立起来了。 SRB1用来承载DCCH高层信令或SRB2未建立时的NAS信令。 3)RRCConnectionSetupcomplete: 在UE接收到RRCConnectionSetup消息后,向NodeB发送一个RRCConnectionSetupComplete消息。 其中,selectedPLMN-Identity表示UE选中的PLMN在SIB1中广播的PLMNList中的序号值。 RRCConnectionSetupComplete消息中的dedicatedInfoNAS包含了NAS层的信令,在EUTRAN中UE的初始接入过程中,NAS层信令通常是EMM层的AttachRequest消息和ESM层的PDNConnectivityRequest消息。 在attachrequest中,oldGutiOrImsi指示上一次在网络注册时MME分配给UE的GUTI,若新开卡或oldGuti不存在时,UE需要发送imsi;若oldGuti存在时,新的MME通过oldGuti向oldMME发送identificationRequest(GTP-C)消息获取UE的IMSI。 identificationRequest包含oldGuti及完整的attachrequest消息,若新的MME还是不能获取UE的IMSI,则向UE发送identificationRequest消息来获取IMSI。 GUTI=GUMMEI+M-TMSI,M-TMSI是32位的存在MME内的UE临时ID GUMMEI=MCC+MNC+MMEidentifier MMEidentifier=MMEGI(MMEGroupID)+MMEC(MMECode) lastVisitedRegisteredTai用来帮助MME生成有效的TAI列表,MME将在AttachAccept消息中返回给UE。 ueNetworkCapability包含NAS和AS的安全参数 pdnType表示PDN连接的IP类型。 (IPv4、IPv6或者IPv4/IPv6) 4)InitialUEMessage: eNodeB收到UE的RRCconnectionsetupcomplete消息后,根据里面的信息,选定相应的MME后,通过S1-C接口发送NAS信令给MME。 MME收到initialUEMessage后,进行网络间的安全认证过程。 NAS层的安全认证成功后,MME会向HSS发送UpdateLocationRequest消息,向HSS更新自己的位置信息。 同时,MME向HSS请求用户的APN签约信息。 包括缺省的APN设置,每个APN对应的PDN类型,缺省的EPSBearer的QOS设置等。 此后,MME就可以与SGW,PGW进行信令交互,为缺省的EPSBearer建立用户面和控制面的GTPTunnel了(GTP隧道)。 对于每个PDN的连接,需要建立一个控制面的GTPTunnel(GTP-C),包括MME和SGW之间的S11接口和SGW和PGW之间的S5接口。 对于每个EPSBearer,需要建立一个用户面的GTPTunnel(GTP-U),包括eNodeB和SGW之间的S1-U接口和SGW和PGW之间的S5接口。 在LTE中,GTP-U使用的版本号为1,注册的UDP端口号为2152。 GTP-C使用的版本号为2,注册的UDP端口号为2123。 在GTP的头部中,有一个重要的字段,叫做隧道端点标识符(TEID),标识了对端的GTP-U或GTP-C协议中的隧道端点。 由GTP隧道的接收端分配本地TEID值,供GTP隧道的发起方使用。 通过GTP-C消息在隧道的两个端点间交换TEID(包含在FTEID内)值。 通过IP地址,端口号,以及TEID值就可以唯一确定一个GTP的隧道。 MME分配相应的缺省EPSBearerID(即EBI),构造S11接口(控制面)上GTP-CTunnel的MME端标识MMEF-TEID(注意,此信令中只有S11上的控制面TEID,而不包含S1-U的用户面FTEID,S1-U的控制面终结在eNodeB和SGW之间,eNodeB的FTEID-U在后面的ModifyBearerRequest消息中发送),向GW发送CreateSessionRequest消息。 在CreateSessionRequest中,主要包含如下一些主要内容 (1) 用户的身份标识,如IMSI,MSISDN,MEI,ULI(UserLocationInformation)等 (2) 用户接入网的一些信息,(E-UTRAN,UTRAN等) (3) 服务网络的信息,包括MCC,MNC等。 (4) GTP-CTunnel的信息,包括MMEF-TEID (5) S5/S8Interface的信息,包括协议类型(GTP-C),PDN的地址(包含在PDN F-TEID内)。 (另外一个可能的协议类型就是PMIPV6)。 (6) PDN的类型(IPV4,IPV6或者IPV4、IPV6),APN, (7) 将要建立的DefaultEPSBearer的相关信息,包括EBI(EPSBearerID),QoS,APN-AMBR等,以及用于切换时的IndicationHeader等。 接收到MME发送的CreateSessionRequest消息后,SGW会为S5接口上的GTPTunnel创建SGW侧的标识,以供PGW侧发来的下行GTPTunnel使用。 由于S5接口上既包含有UE用户面的数据,也包含有控制面的数据。 因此,需要建立GTP-C和GTP-U的Tunnel,SGW需要创建SGWGTP-C的FTEID和SGWGTP-U的FTEID。 SGW向PGW发送CreateSessionRequest消息,包含上述TEID信息和接收到MME的CreateSessionRequest中的部分信息。 PGW为UE分配相应的IP地址,建立UE到PDN之间的路由。 返回CreateSessionResponse给SGW。 CreateSessionResponse的内容包括有: 分配的PDNAddress,以及PGWTEID-C和PGWTEID-U等。 这样SGW和PGW之间的EPSBearer就建立起来了。 SGW分配SGWTEID-C和SGWTEID-U,并将他们包含在返回给MME的CreateSessionResponse中。 CreateSessionResponse中的GTPHeader的TEID值取为SGW在CreateSessionRequest中报上来的SGWFTEID-C。 MME接收到SGW发送的CreateSessionResponse后,在相应的TAI中为UE注册。 并且构造NAS层的相应消息,包括EMM层的AttachAccept消息和ESM层的ActivateDefaultEPSBearerContext消息。 相应的TAI列表也返回给eNodeB,MME还为UE分配相应的GUTI。 MME将上述信息通过InitalContextSetupRequest消息返回给eNodeB。 SGW的上行GTP-U的TEID值也包含在InitialContextSetupRequeset消息中。 eNodeB接收到MME的上述消息后,与UE进行AS层的安全层信令交互以及UE能力查询的过程(见另外的文章)。 eNodeB向UE发送RRCConnectionReconfiguration 消息,建立SRB2和DRB,同时根据缺省的EPSBearer的QoS属性以及UE的能力对DRB的RLC及MAC、PHY层属性进行配置。 在此消息里,如果NAS层的安全已经建立起来,还将携带经过安全保护的NAS层PDU,包括EMM的AttachAccept消息和ESM层的ActivateDefaultEPSBearRequest消息。 在ESM消息中,包含了DefaultEPS的QoS信息,APN,分配给UE的IP地址等。 UE通过SRB1返回RRCConnectionReconfigurationComplete消息给eNodeB,确认SRB2和DRB的成功建立。 eNodeB接收到此消息后,分配下行方向的GTP-UFTEID,返回InitialContextSetupResponse消息给MME。 同时,UE向eNodeB发送ULinformationTransfer消息,其中包含NAS层PDU包含EMM层的AttachComplete和ESM层的ActivateDefaultEPSBearContextAccept消息。 接收到eNodeB的消息后,MME向SGW发送ModifyBearRequest消息,包含eNodeB的FTEID-U值,至此,端到端的(UE和PGW之间)缺省EPS承载完全建立起来。 SGW返回ModifyBearerResponse消息给eNodeB。
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