1、2012.09.广东通信技术19TD-LTE UE开机附着信令过程的详细研究王国仲 李小文王国仲重庆邮电大学硕士研究生，主要研究方向为TD-L TE协议栈软件开发。李小文重庆邮电大学教授，硕士生导师。UE开机附着过程是TD-LTE技术中的重要内容，是进行正常通信的必不可少的环节。文章分析了UE开机到附着成功的流程，具体包括PLMN选择、小区选择和UE附着。文章依次分析了这三个过程，重点在于对UE附着信令流程的分析，并提出了附着信令流程中可能存在的异常情况及其处理。摘要关键词：TD-LTE PLMN选择 小区选择 附着过程1 引言LTE( Long Term Evolution )系 统 作 为
2、 通 用 移 动 通 信系 统 (UMTS)技 术 的 长 期 演 进 项 目 ， 以 其 高 峰 值 速 率 、 高频 谱 效 率 及 低 延 迟 等 优 势 成 为 了 近 年 来 各 个 通 信 企 业 的 研究 热 点 课 题 。 其 中 ， UE开 机 的 信 令 流 程 作 为 相 互 通 信 首要 环 节 ， 其 重 要 性 和 必 要 性 就 是 不 言 而 喻 的 。 目 前 ， 对 于PLMN选 择 和 小 区 选 择 两 个 过 程 的 正 常 和 异 常 情 况 处 理 的研 究1已 经 比 较 成 熟 了 。 基 于 此 ， 本 文 对 于 PLMN选 择 和小 区
3、选 择 过 程 通 过 RRC子 状 态 划 分 与 RRC子 状 态 转 变 相结 合 的 方 式 来 进 行 必 要 的 论 述 ， 重 点 在 于 最 后 附 着 过 程 的正常和异常情况的分析。2 UE状态和状态的转移根 据 协 议 TS36.331， LTE把 UE的 RRC状 态 简 化 为RRC_IDLE（ 空 闲 状 态 ） 和 RRC_CONNECT（ 连 接 状态 ） 两 个 状 态2。 但 是 ， 本 文 为 了 对 开 机 流 程 的 模 块 化 设计 ， 对 两 个 流 程 进 行 了 进 一 步 的 划 分 ： RRC_IDLE细 分 为NUL（ 空 状 态 ） 和
4、 IDL（ 空 闲 状 态 ） 两 个 子 状 态 ， RRC_CONNECT细 分 为 ACC（ 随 机 接 入 ） 。 CON（ 连 接 状态）和 HO（切换）三个子状态。图1 RRC状态转移RRC的 子 状 态 转 移 如 图 1， 当 UE刚 开 机 或 者 异 常 原因 导 致 死 机 重 启 时 ， UE处 于 NUL状 态 。 然 后 ， UE开 始 进行 PLMN选 择 ， 在 从 已 选 PLMN中 选 择 一 个 合 适 的 小 区 进行 驻 留 ， 同 时 取 得 与 EUTRAN的 下 行 同 步 ， 能 够 正 常 的接 收 系 统 消 息 、 寻 呼 消 息 以 及
5、 紧 急 呼 叫 等 ， 此 时 ， UE进新技术新业务20入 IDL状 态 。 紧 接 着 UE开 始 进 行 初 始 附 着 过 程 ， 首 先 ，UE通 过 随 机 接 入 过 程 向 EUTRAN发 送 EPS附 着 请 求 ， UE进 入 ACC状 态 ； 当 UE与 EUTRAN完 成 随 机 接 入 过 程 并 取得 上 行 同 步 ， 并 且 UE对 AS（ 接 入 网 ） 中 PDCP、 RLC、MAC和 DSP进 行 连 接 配 置 后 ， UE进 入 CON状 态 。 随 后 ，通过 NAS安全过 程和 AS安全过程完成 UE的初始附着。3 具体过程分析3.1 PLMN选
6、择Power onUSIM卡中是否有先验信息按照先验信息搜MAX小区全频盲搜功率最大的小区是否只有一个PLMN读取SI获得PLMN IDRSRP=-110dB高质量PLMN报告给NAS低质量连同RSRP值和ID一起报告给NASY NNYNPLMN list尝试注册到该PLMNY驻留该PLMNY可用/非禁止PLMN list 注册失败N选择PLMN，并且登记，按优先级从高到低尝试 在此列表中没有找到可以成功注册的PLMN 在此列表中有可以注册的PLMN成功注册选择PLMN根据优先级从高到低尝试在此列表中有可以注册的PLMN成功注册在此列表中没有找到可以成功注册的PLMN 选择一个RPLMN/HP
7、LMN/EHPLMN是否有可用的PLMN出现图2 PLMN选择流程PLMN的 选 择 分 为 自 动 和 手 动 两 种 情 况 。 自 动 方 式就 是 UE的 NAS提 供 一 张 按 PLMN的 优 先 级 排 序 的 列 表 给AS； 手 动 方 式 就 是 UE将 可 用 的 PLMN呈 现 给 用 户 ， 供 用户手动选择 PLMN。无 论 是 自 动 还 是 手 动 方 式 ， PLMN又 可 分 两 种 情 况 ，一 种 是 USIM卡 中 存 有 先 验 信 息 （ 载 频 信 息 ） ， 另 一 种 就是没有先验信息。当 USIM卡 中 存 有 先 验 信 息 的 时 候
8、， NAS指 示 AS按 照先 验 信 息 进 行 搜 索 。 UE只 需 在 已 知 的 频 点 上 进 行 搜 索 ，在 这 些 频 点 上 搜 索 信 号 最 强 的 小 区 然 后 读 取 小 区 的 系 统 信息 （ PLMN ID等 ） ， 以 便 确 定 小 区 属 于 那 个 PLMN。 如 果UE在 最 强 的 小 区 上 可 以 读 到 不 止 一 个 PLMN ID,那 么 就 要将 这 些 读 到 的 PLMN上 报 给 NAS。 RRC指 示 物 理 层 做 测量，并将结果上报。如 果 小 区 的 参 考 信 号 接 收 功 率 RSRP不 小 于 -110db，就
9、将 此 小 区 的 PLMN上 报 为 高 质 量 的 PLMN， 不 需 要 上 报RSRP的 值 ； 若 小 区 的 RSRP小 于 -110db， 就 要 上 报 此 小区 的 PLMN为 低 质 量 的 PLMN给 NAS， 并 且 附 上 相 应 的RSRP的值。（ -110dBm只针对 E-UTRAN小区）。当 USIM卡 中 无 先 验 信 息 时 ， 具 体 步 骤 和 以 上 类 似 ，只 是 开 始 的 时 候 UE要 进 行 全 频 段 的 搜 索 。 找 到 信 号 最 强的 小 区 后 读 取 系 统 信 息 ， 做 测 量 ， 并 上 报 PLMN。 具 体 如图
10、2所示。3.2 小区选择当选择了 PLMN 后 ，就要选择此 PLMN的小区。小 区 的 选 择 也 分 为 两 种 情 况 ， 一 种 是 USIM卡 中 没 有存 储 此 PLMN 的 小 区 信 息 （ 初 始 小 区 选 择 ） ， 另 一 种 就是 USIM卡 中 有 与 所 选 PLMN相 关 的 小 区 信 息 （ 存 储 信 息小 区 选 择 ） 。 当 USIM卡 中 存 储 了 所 选 PLMN 相 关 的 小 区信 息 时 ， UE只 需 在 已 知 的 频 点 上 搜 索 小 区 。 在 每 个 频 点上， UE只要搜索信号最强的小区。这 里 涉 及 到 了 物 理 层
11、 的 相 关 过 程 。 主 要 步 骤 是 ： 检测 PSCH(用 于 获 得 5ms时 钟 )， 检 测 SSCH（ 用 于 获 得 无 线时 钟 ， 小 区 ID组 ， BCH天 线 配 置 ） ， 检 测 下 行 参 考 信 号（用于获得小区 ID），读取 BCH（用于获得小区信息）。小区选择的 S准则： Srxlev大于 0，min minS( )rxlev rxlecmeas rxlev rxlev offset compensationQ QQ P=+ Srxlev：是小区选 择的接收功率Qrxlevmin：是小区要求的最小接收功率Qr x l e v m e a s： 是 测
12、得 的 小 区 的 参 考 信 号 接 收 功 率（ RSRP）Pcompensation=max（ PEMAX PUMAX, 0）Pemax：是 UE上行最大发射功率 (系统消息广播 )PUMAX：是 UE的最大射频输出功率（见参考文献3）仅 当 UE驻 留 在 VPLMN(受 访 PLMN)小 区 的 时 候 才 用 到Qrxlevminoffset。 只 有 小 区 的 S值 大 于 0， 才 能 当 作 候 选 的 小 区 。当 找 到 合 适 的 小 区 后 ， UE就 驻 留 到 该 小 区 (如 果读 到 的 系 统 消 息 里 包 含 CSG(close subscribe g
13、roup) 新技术新业务新技术.新业务2012.09.广东通信技术21Indication， 且 该 IE的 值 为 true， 则 UE只 能 接 入 到 小 区 的CSG ID和 UE存 储 的 候 选 小 区 列 表 （ white list） 相 匹 配 的小 区 )， 调 整 到 它 的 控 制 信 道 ， 并 进 行 与 小 区 重 选 相 关 的测量。3.3 UE附着过程UE附 着 到 EUTRAN中 时 ， 要 建 立 一 个 默 认 的 EPS承载 ， 该 承 载 使 UE获 得 一 个 “ 总 是 在 线 ” 的 IP连 接4， UE附着过程的正常 MSC5（消息序列图）如
14、图 3。图3 UE附着过程的正常MSC(1)UE开 机 后 按 照 上 文 所 述 首 先 选 择 一 个 PLMN和 合适的小区，接受系统信息，为附着做好准备。(2)步 骤 1 5的 说 明 ： 建 立 RRC连 接 ， 在 RRC连 接 配置 完 成 消 息 中 携 带 高 层 的 附 着 请 求 消 息 。 附 着 请 求 消 息 中包 括 ： UE的 IMSI、 PDN连 接 类 型 、 附 着 类 型 、 NAS序 列号等参数。(3)步 骤 6 9的 说 明 ： 建 立 S1连 接 ， 完 成 这 些 过 程 即标 志 着 NAS signalling connection建 立 完
15、 成 ， 见 参 考 文 献6， MME通 知 eNB UE附 着 请 求 已 被 接 受 ， 并 请 求 建 立 一个初始上下文。(4)步 骤 10 12的 说 明 ： 如 果 消 息 9带 了 UE Radio Capability IE， 则 eNB不 会 发 送 UECapabilityEnquiry消 息给 UE， 即 没 有 1012过 程 ； 否 则 会 发 送 ， UE上 报 无 线 能力 信 息 后 ， eNB再 发 UE Capability Info Indication， 上 报UE的无线能力信息给核心网。(5)步骤 13 16的说明：消息 13和 14是接入网安全建立
16、 。 但 是 eNB发 送 完 消 息 13后 ， 并 不 需 要 等 收 到 消 息 14，就可直接发送消息 15，对 UE进行 RRC重配置。(6)步 骤 17的 说 明 ： eNB向 附 着 的 MME回 复 一 个 初 始上下文建立相应。(7)步 骤 18 19的 说 明 ： UE通 过 RRC上 行 信 息 向 eNB发 一 个 NAS消 息 ， 及 附 着 完 成 消 息 ， 标 志 着 UE侧 和 附 着相 关 的 操 作 和 设 置 已 经 完 成 。 eNB再 通 过 S1AP的 上 行NAS传 输 消 息 向 MME转 发 附 着 完 成 消 息 。 此 后 UE开 机 附
17、着过程全部完成。4 异常情况分析在 UE开 机 附 着 的 整 个 流 程 中 ， 本 文 主 要 提 出 了 可 能存 在 的 导 致 附 着 失 败 的 三 种 异 常 情 况 ： RRC连 接 失 败 、 核心网拒绝、和 RRC重配置过程失败。4.1 RRC连接失败图4 RRC连接失败新技术新业务TD-LTE UE开机附着信令过程的详细研究22如 图 4所 示 ， 在 定 时 器 T300规 定 时 间 内 UE都 未 接 收到 RRCConnectionSetup消 息 ， 则 表 示 UE的 RRC连 接 建立 失 败 ， 从 而 导 致 UE不 能 正 常 的 完 成 附 着 过
18、程 。 当 出 现该 种 情 况 时 ， 我 们 的 处 理 方 式 是 RRC告 知 EMM发 送 失败，用户再次发起 attach。4.2 核心网拒绝图5 核心网拒绝如 图 5所 示 ， 核 心 网 的 拒 绝 包 括 两 种 可 能 ， 分 别为 ESM拒 绝 和 EMM层 拒 绝 。 如 果 是 ESM过 程 导 致 的 拒绝 时 （ 比 如 默 认 承 载 建 立 失 败 ） ， DOWMLINK NAS TRANSPORT将会携带 PDN CONNECTIVITY REJECT消息，而 EMM层拒绝则只包括 ATTACH REJECT消息。4.3 RRC重配置过程失败如 图 6所
19、示 ， 在 系 统 设 定 时 间 内 没 有 完 成 UE RRC重配 置 过 程 ， UE将 不 能 正 常 的 完 成 开 机 附 着 过 程 。 在 此 情形 下 ， 处 理 方 式 是 ， eNB告 知 EPC上 下 文 初 始 建 立 失 败 ，从 而 释 放 UE连 接 。 当 还 是 需 要 与 该 小 区 进 行 附 着 时 ， 启动 定 时 器 T3411， 在 超 出 T3411设 置 时 间 后 ， UE重 新 发 起attach请求，进而完成整个初始附着过程。5 结束语本 文 针 对 TD-LTE中 开 机 附 着 这 一 重 要 过 程 通 过 状 态划 分 和 信
20、 令 流 程 进 行 了 详 细 的 分 析 ， 主 要 研 究 了 附 着 过 程的 正 常 情 况 和 异 常 情 况 的 MSC， 并 对 讨 论 了 AS中 出 现 异常 情 况 的 处 理 办 法 。 在 UE附 着 这 一 复 杂 的 过 程 中 ， 影 响其 正 常 完 成 的 因 素 很 多 ， 希 望 在 以 后 的 工 作 中 进 一 步 完 善并找到更合理解决 NAS中异常情况的解决办法。参考文献1 Xingbing Cao, Lili Liu. Research of the RRC layer IDLE state in TD-LTE. ICEIT 20102 3GP
21、P TS 36.331 V9.0.0. 3rd generation partnership project; Technical specification group radio access network; Evolved universal terrestrial radio access(E-URTAN) radio resource control (RRC) protocol specification, 2009, 9 3 3GPP TS 36.101 V9.0.0. 3rd generation partnership project; Technical specific
22、ation group radio access network; User equipment(UE) radio transmission and reception, 2010, 34 赵训威, 林辉. 3GPP长期演进(LTE)系统架构与技术规范M. 人民邮电出版社，2010:352-354.5 陈法堂, 袁金龙, 牛丽丽. 基于SDL的TD-LTE系统EMM子层协议测试J. 广东通信技术, 2012, 3: 55-586 3GPP TS 24.301 V8.9.0 3rd generation partnership Project; Technical specification group radio access network and terminals; Non-access-stratum(NAS) protocol for evolved packet system(EPS). 2010, 3(收稿日期：2012-09-05)图6 RRC重配置失败新技术新业务新技术.新业务
