LTE基本信令流程.doc

S1AP基本信令流程
1. 概述
LTE的系统架构分为两部分，包括演进后的核心网EPC（MME/S-GW）和演进后的接入网E-UTRAN。演进后的系统仅存在分组交换域。
LTE接入网仅由演进后的节点B（evolved NodeB）组成，提供到UE的E-UTRA控制面与用户面的协议终止点。eNB之间通过X2接口进行连接。LTE接入网与核心网之间通过S1接口进行连接，S1接口支持多-多联系方式。
与3G网络架构相比，接入网仅包括eNB一种逻辑节点，网络架构中节点数量减少，网络架构更加趋于扁平化。扁平化网络架构降低了呼叫建立时延以及用户数据的传输时延，也会降低OPEX与CAPEX。

1.1 E-UTRAN接口的通用协议模型
E-UTRAN接口的通用协议模型如下图所示，适用于E-UTRAN相关的所有接口，即S1和X2接口。

1.2 S1接口
S1接口是MME/S-GW网关与eNB之间的接口，S1接口与3G UMTS系统Iu接口的不同之处在于，Iu接口连接包括3G核心网的PS域和CS域，S1接口只支持PS域。
1.2.1 S1接口的用户平面
用户平面接口位于E-NodeB和S-GW之间，S1接口用户平面（S1-UP）的协议栈如下图所示。S1-UP的传输网络层基于IP传输，UDP/IP之上的GTP-U用来传输S-GW与eNB之间的用户平面PDU。

1.2.2 S1接口控制面
S1控制平面接口位于E-NodeB和MME之间，传输网络层是利用IP传输，这点类似于用户平面；为了可靠的传输信令消息，在IP曾之上添加了SCTP；应用层的信令协议为S1-AP。S1接口控制面协议栈如下图所示：

2. 典型信令流程分析
2.1 开机附着流程
2.1.1 正常流程
UE刚开机时，先进行物理下行同步，搜索测量进行小区选择，选择到一个suitable或者acceptable小区后，驻留并进行附着过程。附着流程图如下：

说明：
1) 步骤1~2会建立S1连接，标志着NAS signaling connection建立完成。
2) 如果消息2带了UE Radio Capability IE，则没有4过程
3) 发起UE上下文释放（即8~11）的条件：
- eNodeB-initiated with cause e.g. O&M Intervention, Unspecified Failure, User Inactivity, Repeated RRC signalling Integrity Check Failure, Release due to UE generated signalling connection release, etc.; or
- MME-initiated with cause e.g. authentication failure, detach, etc.
4) 消息3说明：该消息为MME向eNB发起的初始上下文建立请求，请求eNB建立承载资源，同时带安全上下文，可能带用户无线能力、切换限制列表等参数。UE的安全能力参数是通过attach request消息带给核心网的，核心网再通过该消息送给eNB。UE的网络能力（安全能力）信息改变的话，需要发起TAU。
2.1.2 异常流程case1（核心网拒绝）

2.1.3 异常流程case2（RRC重配消息丢失或者没收到RRC重配完成消息或者eNB内部配置UE的安全参数等失败）

2.2 UE发起的service request流程
2.2.1 正常流程
UE在IDLE模式下，需要发送业务数据时，发起service request过程，流程图如下：

2.2.2 异常流程case1（核心网拒绝）

2.2.3 异常流程case2（RRC重配消息丢失或者eNB内部配置UE的安全参数失败或者没有建立起来一个非GBR承载）
同2.1.3
2.2.4 异常流程case3（eNB建立专用承载失败）
如果eNB建立专用承载失败，则回复给核心网Initial context setup response，带失败列表，告知核心网专用承载建立失败，核心网会本地去激活该专用承载。流程图同2.2.1正常流程。
2.2.5 异常流程case4（eNB建立默认承载失败）

2.3 网络发起的paging流程
2.3.1 S_TMSI寻呼
UE在IDLE模式下，当网络需要给该UE发送数据（业务或者信令）时，发起寻呼过程，流程图如下：

2.3.2 IMSI寻呼
当网络发生错误需要恢复时（例如S-TMSI不可用），可发起IMSI寻呼，UE收到后执行本地detach，然后再开始attach。

2.4 TAU流程
去附当UE进入一个小区，该小区所属TAI不在UE保存的TAI list内时，UE发起正常TAU流程，分为IDLE和CONNECTED（即切换时）下。如果TAU accept分配了一个新的GUTI，则UE需要回复TAU complete，否则不用回复。
2.4.1 正常流程case1（IDLE下发起的）
IDLE下，如果有上行数据或者上行信令（与TAU无关的）发送，UE可以在TAU request消息中设置an "active"标识，来请求建立用户面资源，并且TAU完成后保持NAS信令连接。如果没有设置"active"标识，则TAU完成后释放NAS信令连接。
IDLE下发起的不设置"active"标识的正常TAU流程图如下：

说明：
1）如果TAU accept未分配一个新的GUTI，则无过程6；
2.4.2 正常流程case2（CONNECTED下发起的）

说明：
1）如果TAU accept未分配一个新的GUTI，则无过程4；
2）CONNECTED下发起的TAU，完成后不会释放NAS信令连接；不能带"active"标识。
2.4.3 异常流程同2.2.2~2.2.5
2.5 去附着流程
2.5.1 关机去附着
UE关机时，需要发起去附着流程，来通知网络释放其保存的该UE的所有资源，流程图如下：

说明：
1） IDLE和CONNECTED下发起的区别同上面TAU的区别；
2.5.2 非关机去附着case1（IDLE下）

2.5.3 非关机去附着case2（CONNECTED下）

2.6 专用承载建立流程
2.6.1 正常流程
专用承载建立可以由UE或者MME主动发起，eNB不能主动发起，并且只能在connected下发起该流程。

说明：
1）如果是MME主动发起的承载建立流程，则无步骤1；
2）UE发起的承载建立流程，核心网可以回复承载建立、修改流程；
2.6.2 异常流程case1（核心网拒绝）

2.6.3 异常流程case2（eNB本地建立失败，核心网主动发起的建立）
如果eNB建立失败，会回复E-RAB SETUP RESPONSE，带失败建立的承载列表，并带原因值，核心网应该根据原因值处理

2.6.4 异常流程case3（eNB未等到RRC重配完成消息，回复失败）

2.6.5 异常流程case4（UE NAS层拒绝）
如果是UE的NAS层拒绝，则核心网收到后会给eNB发送E-RAB释放消息，来释放刚刚建立的S1承载，此时不带NAS PDU。

2.6.6 异常流程case5（上行直传NAS消息丢失）
如果核心网没有收到UE回复的NAS消息，会重发请求消息，重发4次后，如果还没收到应答则放弃。

2.7 专用承载修改流程
专用承载修改可以由UE 、MME主动发起，不能由eNB主动发起，只能在connected下发起该流程。
2.7.1 正常流程case1（修改QoS）

说明：
1）MME主动发起的承载建立/修改/释放无步骤1；
2）eNB主动发起的释放，步骤1改为发送E-RAB RELEASE INDICATION消息给MME；
3）UE发起的承载修改流程，核心网可以回复承载建立、修改、释放流程。

2.7.2 正常流程case2（不修改QoS，只修改TFT）
不修改QoS，只修改TFT参数时，为上下行直传消息，与eNB无关。

2.7.3 异常流程case1（核心网拒绝）

如果拒绝原因值是"unknown EPS bearer context"，UE会本地去激活存在的专用承载。
2.7.4 异常流程case2（eNB回复失败）
eNB回复失败区分为：
eNB本地失败，没有给UE发送RRC重配消息；
eNB未收到RRC重配完成消息，回复失败。
以上过程同2.6.3和2.6.4。
2.7.5 异常流程case3（UE NAS层拒绝）
同2.6.5
2.7.6 异常流程case4（上行直传NAS消息丢失）
同2.6.6
2.8 专用承载释放流程
专用承载释放可以由eNB 、MME主动发起，只能在connected下发起该流程。