移动状态下流程

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移动性流程

1. 终端从一个小区移动到另外一个小区, 终端需要将业务连续转移到新的小区
2. 终端在不同网络间(2G/3G/4G)移动的过程, 也会发生移动性流程

切换

在连接状态下, 终端和eNodeB之间有RRC连接, 可以进行信令传送. 在eNodeB判断终端状态满足切换条件, 终端可能需要切换. eNodeB主动要求终端上报测量报告. 在信令连接上, 终端将自己测量到的邻区信号情况上报给eNodeB, eNodeB决定将终端切换到哪一个新的eNodeB. eNodeB发起切换流程, 通过网络侧的交互过程先在目标eNodeB为终端建立相关信令和数据承载. 信令连接建立完毕后, eNodeB只是终端切换, 将终端移交到目标网络.终端如果从广播信道中监测到当前TA List或者RAI与保存在SIM卡中的TAL/RAI不同, 触发更新流程(TAU/RAU)

• 盲切: 终端不支持测量, eNodeB不知道从终端角度看来哪个eNodeB信号更好, 那么eNodeB就根据盲切策略指定一个目标eNodeB, 发起切换.
• 重定位: 终端不支持切换, 就不会有上述切换的过程, eNodeB在放手的过程(RRC释放)给终端推荐一个目标小区的频点, 避免终端在频点选择上耗费时间

重选

在空闲状态下, 终端像收听收音机一样接收网络广播信息, 对当前小区信号以及邻区信号机型测量(并不通知网络). 当终端测量到更好信号质量的小区, 满足重选条件时, 终端会尝试注册到新的小区. 重选过程, 终端有与网络脱离的时间(秒级). 重选到新的小区后, 如果终端从广播信道中监测到的当前TA List或者RAI与保存在SIM卡中的TAL/RAI不同, 就会触发相关更新流程和这RAU.

位置标识

无线网络采用蜂窝式覆盖, 由很多微小单元组成, 每个小区都有一个CI(Cell ID)标识

• 在连接状态下, 网络对终端位置的识别精确到小区级
• 空闲状态下, 将终端精切到小区从技术上可以实现
  
  • 网络终端需要频繁处理终端小区更新信令
  • 终端需要占用无线资源发送小区更新消息
  • 终端频繁发送消息耗电量

更新位置消息的方式:
为此提出了位置区的概念, 位置区由多个小区构成.终端在空闲情况下发生小区切换并不通知网络, 终端达到新的小区后, 如果检测到当前小区的位置区与上次的位置区不同, 终端再次发起位置更新流程, 通知网络更新自己的位置区信息(当前的位置区标识通过无线空口广播信道中的系统消息下发)

那要如何定位到终端呢?
当终端有呼叫到达时, 网络在位置区范围内进行寻呼, 技能保证终端业务的接续能力, 又能避免大量空闲态用户小区更新带来的信令, 所以位置区是一个寻呼单位

2G/3G位置更新

• 在2G/3G的PS网络中, LAI后增加两位构成RAI, 因此一个LAI被划分成多个RAI, RAI是在空闲状态下PS的寻呼终端的范围

4G位置更新

• 在 LTE EPC网络中, 引入了TAI=MCC+MNC+TAC
• 和TAI/RAI通过无线广播信道系统消息广播给终端不同, TA List是配置在MME上, 并通过Attach Accept/TAU Accept下发给终端
• EPC网络寻呼处于空闲状态的终端时, 对整个TA List进行寻呼(缺点是SCTP和寻呼数量非常耗费资源)
• 当终端移出TA List时, 进行位置更新

TAU流程

终端处在ECM-IDLE状态时, 终端在MME上保持一个跟踪区列表粒度的注册状态, MME只知晓终端在哪个跟踪区列表内, 并不能掌握终端处在哪个小区. 在终端处于ECM-IDLE状态时, 网络如果需要给终端发送数据, MME会在TAL范围内内寻呼终端, 触发终端重新建立信令连接和数据面承载

在ECM-IDLE状态下:

• 网络侧保留S-GW和P-GW之间的S5/S8接口的承载资源, S11信令接口
• MME上保留S-GW侧的GTP IP和TEID(用户面), UE所在的TA List和其他上下文(用于寻呼)
• HSS上保存UE所在的MME的ID信息

当UE移动到另外一个TAL时, 为了让MME了解UE的位置, UE需要通过跟踪区更新流程更新上述信息

位置更新也主要发生以下事件:

• 完成SGW和PGW之间S5/S8接口的承载资源更新(如果SGW发生改变)
• 把保留在先前MME上的用户相关信息(如SGW侧的GTP IP和TEID, UE所在的TA List和其他上下文)转移到新的MME上
• 更新HSS上保存的MME的ID信息(如果MME改变)

1. UE触发TAU请求

UE(通过重选或者重定向等流程)进入新的跟踪区, 检测到(通过广播信道监测)当前跟踪区不在之前从网络获取的的TA List, 发起TAU流程

2. 获取上下文

• MME从eNodeB收到TAU REQ消息
• MME根据GUTI信息构造MME FQDN送往DNS查询MME主机名
• new MME向old MME发送Context Request消息, 请求用户上下文信息
• old MME返回上下文信息包括
  
  • 用户的IMSI
  • MME ID
  • MM上下文
  • EPS承载上下文
  • S-GW信令面地址和TEID/PGW FQDN信息

3. 安全流程

过程如附着流程

4. 位置更新

MME发起位置更新流程, 将新的MME ID注册到HSS

5. 承载切换

切换流程如下, 恢复到ECM-IDLE状态:

• MME 根据TAI FADN获取TAI的SGW列表, 再根据PGW FQDN选择SGW
• MME->SGW(Create Session Request)
• SGW->PGW(Modify Bearer Request)
• PGW->SGW(Modify Bearer Response)
• SGW->MME(Create Session Response)

6. UE接受TAU响应

• MME将TAU accept发送给终端(包含TA List)
• 如果同时携带新分配到的GUTI信息, UE需要给MME返回TAU Complete响应
• TAU Accept小子携带一个终端的T3412定时器, 用户UE周期周期性进行TAU, 避免隐式分离

Service Request流程

ECM-IDLE状态下信令连接状态

TAU流程, UE只存在部分的承载. 即 在ECM-IDLE状态下, 网络只为终端保持部分用户面承载和信令面连接

• 信令面, 保持终端(上下文)的S11/S5接口的GTPC连接
• 用户面, 保留终端(上下文)的S5接口的GTP-U连接

转移到ECM-CONNECTED状态

从ECM-IDLE状态迁移到ECM-CONNECTED状态时, 使用 服务请求(Service Request)流程 建立UE到PGW的端到端信令连接和用户面承载

• 当终端处于ECM-IDLE状态下时, 终端主动发送上行数据, 终端可以主动发起Service Request流程, 是终端自身应用层业务触发
• 当终端处在ECM-IDLE状态下时, 网络主动发送下行数据, 网络侧通过 寻呼(Paging)流程 通知终端发起Service Request流程(Service Request流程只能由终端发起)
  

总结

Service Request消息是终端处在ECM-IDLE状态下, 终端 发起建立端到端信令连接和用户面承载的流程

• 下行数据通过S5承载从PGW->SGW
• SGW通过 Downlink Data Notification 通知MME
• MME返回 Downlink Data Notification Ack, 并且向用户所在TA List内的全部eNodeB发送寻呼消息(MME内用户标识M-TMSI/TA List/UE Identify Index Value)
  
• UE和eNodebB之间的空口建立信令面的RRC连接, 在RRC Connection Setup Complete中将Service Request消息放在NAS层发送给eNodeB
• eNodeB将Service Request NAS消息封装在Iinitial UE Message中发给MME(创建S1接口信令连接, 那eNodeB如何知道id-MME-UE-s1ap-ID)
• MME和终端之间进行安全流程
• MME->eNodeB(S1-AP Initial Context Setup Request), 通告SGW S1接口的IP地址和TEID, 同时传递无线侧承载建立所需的QoS消息(创建了S1-U接口上行隧道, 同时在无线侧为UE创建无线承载)
• eNodeB->MME(Initial Context Setup Response), 向MME通告自己的S1接口IP地址和TEID
• MME->SGW(Modify Bearer Request), SGW将eNodeB S1接口IP和TEID保存在UE的上下文中(创建S1-U下行隧道)
• 最后终端进入ECM-CONNECTED状态

Handover 流程

eNodeB知道自己周围有哪些小区(在统一MME规划管和理下, 这样就知道是选择 X2接口切换 还是 S1接口切换)

• eNodeB在RRC连接建立的同时下发测量控制信息(上报门限)
• 切换是由网络侧的eNod eB发起的
• 两种切换除切换控制消息路径不同外, UE切换到目标eNodeB后, 源eNodeB侧剩余未转发成功的用户数据面转发通道也不同
• LTE网络切换过程保持PGW不变, eNodeB改变, MME和SGW可能改变

基于X2接口的切换

当eNodeB之间存在 X2接口 (eNodeB配置, 或通过MME/OMC学习), 并且切换过程 MME无需改变 (目标eNodeB和源eNodeB在一个MME下)时, eNodeB可以通过X2接口发起切换

切换前 ECM-CONNECTED状态下 用户面承载 包括:

• UE到源eNodeB的无线承载
• 源eNodeB到源SGW的S1-U承载
• 源SGW到PGW的S5/S8承载

• 终端测量当前小区及邻区的信号强度, 上报给eNodeB
• eNodeB根据信号强度决定发起切换
• old eNodeB->new eNodeB( Handover Request消息 ), 信息包括:
  
  • 目标小区ID(告诉它我要接入你那里)
  • 源SGW的用户面GTP地址和TEID( 创建了S-GW上行S1-U隧道 )
  • 建立无线承载必须的信元(UE-AMBR, 安全能力, KeNB)
• 目标eNodeB->源eNodeB(Handover Ack)
  
  • 创建无线承载相关ID(为创建无线承载准备)
  • 创建X2转发通道的本端TEID
• 源eNodeB->UE(Handover Command), UE释放当前连接, 接入目标eNodeB(到目前为止, 上行链路还是连通, 但下行链路不是连通的, 源SGW无到目标eNodeB的TEID)
• 终端切换完后, 源eNodeB通过X2接口将未送达数据传递给目标eNodeB
• 目标eNodeB->MME(path Switch Request 消息)核心网侧路径切换
  
  • 目标eNodeB的GTP地址和TEID
  • 目标TAI信息, 用于构建TAC FADN, 到DNS解析SGW列表, 根据PGW FQDN, "合一优选, 拓扑优先"选择SGW
• 如果SGW改变, MME->目标SGW(create->session), 否则源SGW发起 Modify Session流程(??)
• 目标S-GW->PGW(Modify Bearer Request), 目标SGW的GTP地址和TEID, 创建下行S5接口隧道
• PGW->目标SGW(Modify Bearer Response), PGW的GTP地址和TEID, 创建上行S5接口隧道
• 目标SGW->MME(Create Session Response), 到目前为止是不是所有承载都建立成功??待验证
• 删除源eNodeB资源和源SGW Session资源
• 进行位置更新(新的TAU是否在TAL中), 可能只是部分TAU流程

X2接口切换抓包验证

试验目的：将一个UE从基站A移动到基站B, 查看切换过程的码流

切换流程

• 启动eNodeB网元

# 本文使用aricent公司的SCTP协议, 配置两个基站和10个UE资源
sudo ./sim_enodeb -H 3.3.0.1 -r 7.7.7.7 -a 1 -i br1 -n 2 -u 5

• 启动两个基站

# 命令帮助:
start <enb id 1> <enb id 2>:      start enb from id1 to id2
start <enb id> :                  close and restart the sctp connection, send
                                  the s1-setup to MME

start 0 1

• 启动一个UE进行验证

# 命令帮助:
r U:                              start ALL UEs for all the registered enodeBs
r U <enb_id>:                     start ALL UEs within the enodeB
r U <enb id 1> <enb id 2>:        start ALL UEs from enb_id1 to enb_id2
r u <enb id>:                     start one UE within the enodeB
r u <enb id 1> <enb id 2>:        start one UE from enb_id1 to enb_id2

r u 0

• 将UE[0]从eNodeB Id 0移动到eNodeB Id 1

# 只有X2切换才会发送, PathSwitch Request, 一下命令用于X2接口切换
# p s(path switch)
p s <enb id1> <enb id2>:          move one active-ue from enodeb id1 to enodeb
                                  id2,  send  path switch request  to mme
p r <enb id1> <rmt ip> <enb id2>: move one active-ue from enodeb id1 to REMOTE
                                  enodeb id2, send path switch request to mme

# 移动一个UE
p s 0 1

UE从eNodeB Id 0 移动到了eNodeB Id 1

错误提示:
旧的ENB为确保清理干净，多删了一次UE， 重复删除时就会有这个提示

基于S1接口的切换

当无法执行X2切换时, 执行S1切换, 网元改变的消息都包含Relocation字样, 新老eNodeB之间的数据通过SGW完成. S1切换经过SGW转发为完成的数据

• 源eNodeB->MME(HO Required, 不是Request), 包括 目标TAC
• 源MME根据目标TAC构造TAC FQDN, 解析获得目标MME地址
• 源MME->目标MME
  
  • PGW地址(一直不知道是干啥用的)
  • 承载QOS
  • S-GW FQDN(供目标MME选择SGW)
  • 目标TAC信息(通知目标eNodeB建立承载)