LTE注册和会话建立.docx

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LTE注册和会话建立

一类M2M终端的业务流程优化

1、目标M2M业务的特性

M2M业务种类繁多，业务特性复杂，按照业务的触发方式可将M2M业务分为时间（定时器）触发业务、事件触发业务和混合触发业务。

本文讨论的M2M业务属于其中的混合触发业务范畴之内，定义此类M2M业务具有的特性是：

终端位置长期固定；业务请求类型固定；发送时间固定（除事件触发情况外）；业务由终端主动发起；不涉及到寻呼和被叫业务或者只涉及周期性的被叫；终端休眠大部分情况下呈现周期性；终端发起的业务主要通过上行完成（例如遥感勘测类、水电气报表和视频监控等M2M业务）。

传统的H2H业务的主要特点是终端位置移动性强、业务请求类型多变、发送信息周期、数据量大小不固定的、涉及主叫和被叫业务，针对H2H业务的这些特性，H2H用户在LTE网络中的网络接入、用户注册、会话建立、移动性管理、小区间切换流程上都有一套完整的体系，通过用户端、基站和核心网中协议栈各层间的信息交互来完成这套流程，但是在LTE网络，如果针对M2M业务仍然照搬这套流程，虽然也可以满足业务需求，但是从部分M2M业务特性上来讲，这套流程显得过于繁琐，不利于M2M终端在能耗和无线资源上的节约。

因此如何对传统的业务流程进行简化，使其符合部分M2M业务的需求，是我们研究的重点。

二、LTE网络中用户端在网络中的活动状态

1.网络接入过程

当用户开机之后，要向网络发起注册过程，用户端在向网络注册之前需要进行网络接入过程，包含以下四个步骤

（1）检测系统信息广播

系统信息广播由网络实现操作，周期性的发送，UE开机后，会接收到由eNodeB通过物理广播信道（PBCH）和物理下行控制信道（PDCCH）发送的基站指示信息，包括本小区的物理随机接入信道（PRACH）配置索引、逻辑根序列初始值、循环移位配置索引、上下行配置索引等与发起随机接入有关的参数。

UE通过这些指示信息生成要发送给eNodeB的随机接入前导序列。

（2）小区的选择

用户端根据系统信息广播进行小区选择，选择信号质量最好的小区，用户端选择一个PLMN（公共陆地移动网络），无线资源控制协议（RRC层）根据已有信息开始搜小区。

如果没有以前的信息，就开始全频搜，发现可用的频率以后，去同步小区，同步上以后，得到小区物理层的CellID，然后开始读管理信息库（MIB），根据MIB再读SIB1—包含NAS信息和UE处于空闲模式和连接模式下的定时器和计数器，根据SIB1再读其他的系统消息块，读完系统消息判断驻留的条件，如果满足就驻留小区，就会通知用户端配置服务小区的测量，配置寻呼的参数，进入空闲（IDLE）状态。

整个小区搜索状态完成。

（3）初始接入

为了注册到网络，终端还需经过初始接入过程，首先进行接入等级的判定，目的在于在一些特定条件下动态阻止或限制网络的接入，例如网络严重超负荷和一些紧急条件下。

当用户端符合接入等级时，通过随机接入过程，使得终端能够与网络建立一个RRC连接。

之后可以在上行共享控制信道上发消息。

（4）RRC连接

RRC过程是UE与eNodeB的RRC层通过一组消息进行交互的过程，通过此类过程实现RRC对整个协议栈的管理和控制。

●RRC连接建立请求通过上行公共控制信道上发送，消息的内容包括UE的初始标识（S-TMSI或随机数}、连接建立原因及预留的lbit等子信息单元。

●RRC连接建立过程是UE与eNB之间通过信令交互建立信令无线承载（SRBl）的过程。

RRC连接配置过程是对eNB的管理过程。

●EUTRAN在下行公共控制信道（CCCH）上使用TMRLC（非确定模式）发送RRC连接建立消息，消息包含了一个专用无线资源配置单元，该消息单元中包含有‘信令无线承载’、‘MAC主配置’、‘专用物理配置’等子单元。

RRC层接收到连接建立消息后停止定时器T300，并根据连接建立消息中的内容配置L2层的工作模式、调度规划、建立相关的物理信道等，建立SRB1，此时SRBl适用于AM-RLC（确定）模式。

●UE端RRC层接收到RRCConnectionSetup消息后建立L2链路，通过原语向上层指示RRC已经建立完成的同时通过AM-RLC方式向网络发送RRC连接建立完成消息，RRC连接建立过程完成。

2.注册过程

UE要想获取服务，需要向网络注册，这个注册过程被称为附着（Attach）。

附着的过程建立了默认的EPS承载，从而使UE/User保持“一直在线”的IP连接，并且PGW将激活预告定义好的相应于此默认EPS承载的策略与计费规则。

当用户完成网路接入过程后，开始向网络进行注册。

①用户的连接请求中包含识别码，当MME提取到用户识别码后，开始进行认证和密钥协，实现网络和终端的互相认证。

②注册过程时在终端开机后就要执行的过程，移动管理实体（MME）需要更新归属用户服务器（HSS），以便HSS可以注册用户的当前的MME，同时HSS向MME提供用户信息（包括服务质量限制和接入限制），MME使用这些信息来控制和限制由终端发起的分组数据上下文请求。

③MME在完成注册过程后，为终端创建一个可用的默认承载。

④在空中接口使用无线承载建立过程来分配无线资源，为了提高效率，eNodeB发送的请求消息中包括MME应答的连接接受消息，通过注册过程，终端获取一个IP地址，有PDN网关在创建承载过程分配，通过连接接受消息发送给终端，实现到外部IP网络的连接性。

3.会话建立过程

由于EPS的“一直在线”，当终端的状态改变为空闲（IDLE）模式时，核心网络保留所有的EPS承载，并保留服务质量信息，意味着当终端重新被激活时，不需要与服务网关或PDN网关重新建立承载。

只有E-UTRAN部分承载需要重新建立。

①为了发起业务，终端需要向MME使用上面描述的随机接入过程发送一个“服务请求”NAS消息。

该消息封装在“初始UE消息”中，通过S1接口在eNodeB和MME间进行发送。

服务请求消息包括用户的临时识别码和关于服务类型的指示。

②一旦NAS安全机制有效，MME执行“初始上下文建立”过程，其目标是在eNodeB内产生EPS承载和终端上下文。

此外，该过程还要在无线和S1接口承载上建立必要的资源。

此时，初始上下文建立消息包括与EPS承载有关的服务质量，以及MME的完整性和加密算法，在完成该过程后，网络和终端间激活的所有承载，包括默认的EPS承载。

③最后，MME将为服务网关更新用户的相关承载，于是服务网关就能够在下行链路向终端发送数据了，在服务网关和PDN网关间没有信令交换，这是由于在终端注册的时候，在EPC中已经保留过了EPS承载的这一部分。

4.终端位置管理

对于所有非激活移动终端，网络任意时间，在用户被叫会话建立或邮件发送服务的情况下，需要知道当前终端位置。

但是空闲IDLE模式过程不要求网络知道每一个终端非常准确的泣置。

因此引人了跟踪区域（TA）的概念。

TA可以简单定义为一组连续的小区。

小区所属的TA识别码（TAI）是BCCH系统信息广播的一部分。

当网络需要邀请某个终端时，会在所有属于跟踪区域的小区发送寻呼消息。

终端在以下3种情况下向核心网络发送TA信令

（1）在初始注册阶段，终端通知核心网络它当前的跟踪区域。

（2）当用户在网络中移动或终端改变跟踪区域时，需要更新TA以便保持分组核心网内终端位置的更新。

（3）此外，即使终端位置没有改变，也要周期性地更新当前TA，由终端的定时器T3412超时触发的。

周期性地更新TA的目的是：

如果终端注销失败或突然离开覆盖区域时，分组核心网络就不会为网络中不可到达的终端保持上下文，空闲状态下的移动性管理主要是执行TAU或周期性的TAU。

UE位置管理需要支持UE的TAU过程来确保网络能够随时跟踪到它的位置。

三、研究点

本文中的目标M2M业务与传统的H2H业务相比较，在业务流程中存在以下几点区别

1、传统的H2H终端位置不固定，因此在每次终端开机的过程中，需要通过系统广播消息，读取系统信息，判断驻留的条件，然后选择质量最好的小区。

目标M2M终端位置长期固定，一般不涉及到更换小区的问题，因此目标M2M终端所驻留的小区大部分情况下是唯一的，可以对目标M2M终端的小区选择流程进行优化。

2、传统的H2H终端位置不固定，向小区注册时，MME需要更新HSS，以便HSS可以注册用户的当前的MME，同时HSS向MME提供用户信息（包括服务质量限制和接入限制），MME使用这些信息来控制和限制由终端发起的分组数据上下文请求。

目标M2M终端位置长期固定，大部分情况下不会更换MME，用户信息保持不变，因此当目标M2M终端向小区注册时，可以优化MME和HSS交互信息的流程。

3、传统的H2H终端涉及到寻呼和被叫业务，因此当H2H终端即使处在空闲状态下也需要周期性接收系统广播信道上的信息，睡眠时间短。

目标M2M业务不涉及到寻呼和被叫业务或者只涉及到周期性被叫，业务主要是由M2M终端主动发起，激活网络会话流程，因此可以在目标M2M终端周期性接受系统广播流程的问题上进行优化。

4、传统的H2H终端在空闲模式下涉及被叫业务时，网络在跟踪区域（TA）内对用户进行寻呼。

因此终端在注册时会通知核心网络它当前的跟踪区域，当终端位置改变时，需要更新TA，即使终端位置没有改变，也要周期性地更新当前TA。

目标M2M业务一般情况下不涉及被叫业务，即使涉及到被叫业务，由于终端位置固定，网络也可以不必依靠TA来寻呼目标M2M终端，所以针对于目标M2M业务可以对TA信令交互和TAU过程进行优化。

5、部分H2H业务，为了保证用户的服务体验，需要保持“永远在线”的业务特性，当UE注册到网络后，网络就会保存该用户的UE上下文，在任何时间发起到该UE的连接时，都可以依赖这些上下文，随时找到UE建立连接。

为了节省资源，当UE长时间没有业务时，空中接口的连接会被释放，但EPC中的连接仍然存在，从而当UE再有业务需求时，不必从头至尾执行一遍承载激活过程，只需进行空中接口和S1连接的建立即可，从而加快了UE从空闲状态到激活状态的迁移。

目标M2M业务大部分情况下发送数据时间固定，当发送时间间隔非常大的时候（例如一天甚至更长），M2M终端可能会选择进入一种深度休眠的模式（甚至关机），此时EPC可以完全释放掉终端的默认承载，节约网络资源，因此可以针对目标M2M业务中发送时间间隔很长的业务进行默认承载释放的优化。

四、国内外相关研究状况

对LTE系统中业务流程优化，可以从两个层面上进行考虑，一方面是针对业务特性在协议栈中各层配合的流程上进行优化。

文章[1]主要针对RRC层中SRB1建立过程设计了信令和原语交互流程，并根据所从事项目的特点，简化了层间的原语交互。

最后，设计了RRC连接建立过程的SDL仿真流程图，并通过SDL和TTCN协议仿真产生的MSC图，验证了所设计信令流程的正确性。

文章[2]公开了一种LTETDD系统中的上行数据传输方法：

终端发送上行数据；基站在数据预计到达时进行接收,根据接收结果向终端发送反馈消息,并根据接收结果以及预定的发送条件确定是否将向终端发送上行授权指示信令；终端检测反馈消息以及上行授权指示信令,并根据检测结果进行相应的上行数据发送。

通过本发明的上述HARQ改进技术方案,可以在不影响系统吞吐量的前提下,有效地减小调度控制信令的开销。

另一方面是在注册、会话建立、小区切换、移动性管理流程上进行优化。

文章[3]指出当多模终端跨系统进行小区重选时，需要进行位置区域更新。

频繁跨越不同系统，终端会反复进行位置更新，从而使空口和网络产生大量的位置区域更新信令。

为了解决这一问题，在LTE部署初期，引入了空闲状态下信令缩减机制——ISR，文章介绍了ISR机制，分析了添加ISR机制后的网络架构及ISR机制的关键参数，说明了ISR机制的相关过程。

文章[4]首先介绍了移动终端协议栈的架构和移动性管理过程，然后分析了LTE终端跟踪区更新过程，研究了其正常流程和异常流程，提出了一种LTE终端跟踪区更新过程的设计和实现方法，最后利用SDL和TTCN的协仿真对该实现方法进行了测试。

文章[5]指出在LTE系统中小区搜索是一个至关重要的物理层过程。

小区搜索的实现过程中需要大量实时运算量处理,消耗硬件处理资源,制约终端性能的提高。

文章提出了改进的小区搜索算法,大大降低运算量,节省终端的硬件资源。

[6]公开了在LTE网络中如何实现短消息业务（SMS）和增值业务（SS）的方法和设备。

RRC连接信令SRB被用于在无线发射/接收单元（WTRU）与移动性管理实体（MME）之间在LTE控制平面上的SMS和SS传输。

针对SMS和SS实体的行为定义了EMM接口和原语以用于在LTE中经由LTE控制平面媒介来允许SMS和SS业务。

文章[7]介绍了LTE系统的寻呼机制,并把LTE的寻呼机制抽象成排队论中的nB个独立的M/D/1排队模型,其中nB是LTE系统广播消息中包含的寻呼消息的一个参数,同时采用M/D/1模型分析了LTE系统的寻呼时延和寻呼容量,对将来LTE网络寻呼的规划和优化有一定参考意义。

参考文献

[1].TD-LTE网络优化中信令分析的应用研究

[2]LTETDD系统中的上行数据传输方法

[3].空闲状态下信令缩减机制的研究

[4].ResearchandImplementationofTrackingAreaUpdatingProcedureinLTEMobile

Station

[5].TDDLTE系统小区搜索研究与实现

[6]用于传送短消息业务和增值业务消息的方法和设备（专利）

[7]LTE系统的寻呼机制及寻呼时延和容量的浅析

五、研究方法

上述提出的研究点，最根本的目的就是，针对目标M2M业务特性，优化传统业务流程和层间配合，从而达到节省网络资源和终端能耗的目的。

初步的研究方法打算从两方面入手。

一方面，深入研究3GPP文档中关于LTE网络接入层的信令，分析各项信令对于M2M业务的意义，对部分信令进行优化。

另一方面，在OPNET平台上搭建LTE网络模型，定义一种M2M业务，分别对传统的业务流程和优化后的业务流程进行仿真，在LTE各个设备接口中收集数据，进行对比，从而说明优化后的业务流程在节省网络资源上的优势。

M2M属于近几年来的新兴业务，业务特性复杂，由机器对机器完成，不强调人的直观感受，因此一些特性相对于传统H2H业务差别非常明显，所以当传统的业务流程用在M2M业务上时会有很大的优化空间。