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LTE网络下的4G业务流程浅析及案例分析
摘 要
本文主要是在现网LTE网络下,以信令协议相关知识为基础,通过实际测试验证,对LTE网络下的联合附着、语音主被叫、短信始发终结流程进行研究和分析,对比3G业务流程,对用户在3/4G网络下进行业务的流程共同点和差异进行分析和阐述,同时运用相关业务流程知识对典型案例进行分析,解决实际遇到的网络问题。
关键词:
LTE(LongTermEvolution);CSFallback(CircuitSwitchedFallback);联合附着;承载;
ABSTRACT
ThispaperismainlyonthecurrentLTEnetwork,thesignalingprotocolrelatedknowledgeasthefoundation,throughtheactualtest,attachment,thecombinedLTEnetworkofvoicecalling,SMSoriginatingendresearchandanalysisprocessofthe3Gbusinessprocess,comparison,analysisandelaborationofcommonusertoflowintoservicein3/4Gnetworkunderanddifferences,andrelatedbusinessprocessknowledgefortypicalcaseanalysisusingthenetwork,solvingpracticalproblems.
KEYWORDS:
LTE(LongTermEvolution);CSFallback(CircuitSwitchedFallback);Combinedwithattachment;Bearing;
1概述
随着2GGSM经过2.5GGPRS演进到3GUMTS,移动通信逐步实现了广域覆盖、高速无线数据传输和与因特网的融合,能够为人们提供语音、数据、视频等丰富多彩的业务。
但随着目前业务的迅猛发展和需求的多元化,对网络质量及业务接入能力提出了更高的要求。
而3GPP提出的LTE标准,能够实现更高的数据传输速率、更短的时延、更低的成本,更高的系统容量以及改进的覆盖范围来满足市场需求。
因此,4G网络的发展及4G业务的应用将在近几年呈高速发展的态势,以满足下一代移动网络业务发展的要求。
2研究背景
3LTE网络介绍
3.1LTE的网络结构
长期演进LTE(LongTermEvolution)是3GPP主导的无线通信技术的演进,用于全面支撑高性能数据业务。
LTE网络由E-UTRAN(EvolvedUMTSTerrestrialRadioAccessNetwork)和SAE(SystemArchitectureEvolution)组成。
LTE的EPC网络组网架构如下:
图3-1-1EPC网络组网架构
LTE网络的基本架构分为分组核心网演进部分(EPC)和无线接入网络部分,形成高效的两层节点架构。
分组核心网演进(EPC)部分包含MME和S-GW两种功能实体,它们提供GGSN、SGSN节点和RNC的部分功能,MME和S-GW两类实体分别完成EPC的控制面和用户面功能。
在LTE系统架构中,将RAN演进成为E-UTRAN,而且只有eNodeB一种节点,完成无线接入部分的管理过程。
LTE的EPC网络支持多种网络共接入,实现了核心网的融合,从物理网元来讲,核心网侧MME、MSCSERVER、HSS采用平滑升级的方式支持2/3/4G网络的共同接入。
3.2LTE网络下关键业务分类及流程
与WCDMA网络一样,LTE网络同样提供包括移动性管理、语音业务、短消息业务、上网业务等。
但对于语音业务,目前的网络架构及LTE网络机制,暂无法实现语音业务的承载,而是通过语音回落(CSFB)的方式让用户回落到原2/3G网络,实现2/3/4G网络互操作以提供语音业务。
3.2.1联合位置更新
结合2/3G网络下的位置更新流程,在4G网络里,UE发起的位置更新为联合位置更新流程,简而言之就是UE需要在LTE与2G/3G网络中进行联合附着、去附着以及位置更新。
附着流程[1]:
图3-2-1-13、4G网络下的附着流程
具体流程如下:
1、UE(UserEquipment)发起网络附着请求,向MME发送AttachRequest消息。
其中参数AttachType指示这是一个联合的EPS/IMSI附着流程,并且参数指示UE具备CSFallback能力。
图3-2-1-2AttachRequest消息信元
2、MME发送SGsAP-LOCATION-UPDATE-REQUEST消息给VLR,消息中包括newLAI、IMSI、MMEname和EPSlocationupdatetype等参数,其中MMEname是MME的域名。
图3-2-1-3LocationUpdateRequest消息信元
3、VLR存储MME信息,并创建与MME下此用户的SGs关联。
4、VLR根据用户信息和位置区信息,发起到HLR的位置更新流程。
5、VLR返回SGsAP-LOCATION-UPDATE-ACCEPT给MME,如果VLR支持TMSI重分配,消息中包括参数LAI和TMSI,否则消息中包括参数LAI和IMSI。
6、MME发送AttachAccept给UE,消息中包括参数LAI和VLRTMSI。
UE接收到信元LAI和VLRTMSI则表示附着CS域和LTE网络成功。
其中VLRTMSI信元会触发UE执行TMSI重分配流程。
图3-2-1-4TMSI重分配完成消息
7、附着成功后,MME通过S1AP-INITIAL-CONTEXT-SETUP-REQ消息发起上下文建立请求,用于MME向eNodeB请求在无线侧建立资源,同时请求UE返回相关能力集。
UE则通过S1AP-SPU-UE-CAPABILITY-INFO-INDICATION消息返回UE相关的能力。
通过研究LTE网络的移动性管理过程,能够清楚的了解LTE网络与2G/3G网络之间的互操作,对比3G网络下的附着流程,可以发现联合附着就是UE通过一次附着请求完成在LTE网络及3G网上的注册,而UE注册在CS域网络的消息都是通过LTE网络新增的SGs接口来传递。
3.2.2语音业务
(1)主叫语音业务
UE发起CSFallback主叫语音业务,MME指示eNodeB将UE回落到GERAN/UTRAN网络,UE在GERAN/UTRAN网络发起主叫语音业务,在主叫语音业务之前有可能先发起位置更新流程。
图3-2-2-1LTE网络下的主叫语音流程
对比3G网络语音流程,在LTE网络下,由驻留在LTE网络中的UE发起主叫,向MME发送语音业务请求,通知网络发起语音呼叫需要进行语音回落过程提供语音业务。
随后LTE网络会选择要回落的网络并与其发生数据交互,使UE回落到该网络完成语音业务,回落到3G网络后的流程与3G语音流程基本一致,如图3-2-2-1中流程5开始。
在语音流程结束后,4G主叫语音流程中,MSCServer向主叫回落到的RNC发送IU_RELEASE_COMMAND消息,携带EndOfCSFB信元,指示RNC拆除空口连接并指示UE回到LTE网络。
现网跟踪到的回到LTE网络消息如下:
图3-2-2-2用户返回4G网络消息
主叫语音业务流程[2]具体如下:
1、UE发起CSFallback语音业务请求。
ExtendedServiceRequest消息中,service-type信元指示业务类型为始发CSFB语音业务,同时携带该UE在联合附着过程中CS域给它分配的TMSI。
图3-2-2-3UE发起的ServiceRequest消息信元
2、MME向MSCServer发送SGsAP-SERVICE-REQUEST消息,携带信元MOFallbackindicator,指示主叫侧UE回落。
3、MME发送InitialContextSetupRequest消息给eNodeB,包含CSFallbackIndicator。
该消息指示eNodeB,UE因CSFallback业务需要回落到UTRAN/GERAN。
4、eNodeB要求UE开始系统的小区测量,并获得UE上报的测量报告,确定重定向的目标系统小区。
然后向UE发送目标系统具体的无线配置信息,并释放连接。
5、UE接入目标系统小区,发起CS域的业务请求CMServiceRequest。
之后的呼叫建立流程与3G网络下主叫语音流程一致。
(2)被叫语音业务
当UE驻留在LTE网络中却发生语音被叫时,同样由于LTE网络无法提供CS域语音业务,要将语音业务回落到2G/3G网络的CS域进行。
MSCServer收到对UE的被叫语音请求,通过存在的SGs关联和MME信息,向该MME发起寻呼请求。
MME通过eNodeB在空口寻呼该UE,并指示UE回落到目标GERAN/UTRAN网络。
UE接入到目标网络后,在电路域继续进行语音呼叫,后续流程与3G网络下的被叫语音流程一致。
当MSC收到RNC的IU_RELEASE_COMPLETE消息表示呼叫结束。
接入侧在指示终端重选网络时只针对CSFB用户携带LTE频点,实现CSFB终端快速返回E-UTRAN。
图3-2-2-4LTE网络下的被叫语音流程
具体被叫语音流程如下:
1、MSC/GMSCServer向被叫用户归属HLR发送取路由信息请求。
2、HLR收到该SRI消息后,向被叫用户当前附着到的oldMSCServer获取漫游号码。
3、oldMSCServer为该次呼叫分配漫游号码MSRN1,并返回给HLR。
4、HLR将该漫游号码发送给MSC/GMSC。
5、MSC/GMSC收到该漫游号码后,进行号码分析,根据分析结果将呼叫路由到oldMSCServer。
6、MSCServer收到IAM入局(例如中继ISUP入局)消息后,根据存在的SGs关联和MME信息,发送SGsAP-PAGING-REQUEST(携带IMSI,TMSI,Serviceindicator,CLI,LAC,Channelneeded信元)消息给MME。
图3-2-2-5被叫时的Paging消息信元
5、MME发送Paging消息给eNodeB。
eNodeB发起空口的Paging流程。
6、UE建立连接并发送ExtendedServiceRequest消息给MME。
7、MME发送SGsAP-SERVICE-REQUEST消息给MSCServer。
MSCServer收到此消息,不再向MME重发寻呼请求消息。
为避免呼叫接续过程中,主叫等待时间过长,MSCServer收到包含空闲态指示的SGsServiceRequest消息,先通知主叫,呼叫正在接续过程中。
8、MME发送InitialUEContextSetup消息给eNodeB,包含CSFallbackIndicator。
该消息指示eNodeB,UE因CSFB业务需要回落到UTRAN/GERAN。
9、UE回落到CS域之后,UE通过IU-CS口回PagingResponse消息给MSCServer,伴随着空口、A/Iu-CS接口连接的建立,建立呼叫。
3.2.3短消息业务
与2/3G网络下的短消息业务流程不同的是,SGs短消息功能不管是短消息始发还是终结流程,均不需要将UE回落到GERAN/UTRAN网络,直接利用E-UTRAN网络为UE提供短消息业务。
当用户附着在LTE网络中,发起短消息业务时,触发SGs接口始发短消息流程。
图3-2-3-1LTE网络下的始发短消息流程
具体流程如下:
1、UE处于空闲态,则UE在发送短消息前需要先发起始发短消息业务请求流程,伴随着空口RRC连接和S1信令连接的建立。
2、UE发送UplinkNASTransport消息给MME,相关的短消息信息CPDATA/RPDATA/TPDU/SMSSUBMIT作为参数NASmessagecontainer打包在上行NAS消息里。
3、MME查询UE的SGs关联信息,确定目标MSC,MME通过NASmessagecontainer信元将短消息打包在SGsAP-UPLINK-UNITDATA消息中(等同CS域CP_DATA消息)发给MSC。
图3-2-3-2携带短消息内容的消息信元
4、MSC收到MME的SGsAP-UPLINK-UNITDATA消息,返回SGsAP-DOWNLINK-UNITDATA消息(等同CS域CP_Acknowledge消息),确认收到短消息,并向短消息中心转发短消息。
5、MME将其中的NASmessagecontainer通过DownlinkNASTransport消息传给UE。
6、MSC向短消息中心发送主叫短消息在CS核心网传递的过程。
7、MSC收到短消息中心的始发短消息响应。
8、MSC通过SGsAP-DOWNLINK-UNITDATA消息(等同CS域CP_DATA消息)将响应消息透传给MME。
9、MME将短消息报告打包到DownlinkNASTransport消息中发给UE。
10、UE将短消息报告接收响应通过UplinkNASTransport发给MME。
11、MME通过SGsAP-UPLINK-UNITDATA消息向MSC返回短消息报告接收响应。
12、MSC向MME发SGsAP-RELEASE-REQUEST消息结束始发短消息流程。
现网MSC下跟踪的短消息始发消息如下:
图3-2-3-3始发短消息流程信令消息
4典型案例
4.1案例一:
4G用户在LTE网络下开机无法正常登网
问题现象:
使用已开通4G功能的号码用支持LTE网络手机开机进行登网,手机上无4G信号,通过手动搜索选4G网络,提示登网失败。
问题定位:
在MSCSERVER、HSS、MME上对该号码IMSI号打开信令跟踪,在MSCSERVER上跟到的消息如下:
图4-1-1MSC上返回的失败消息
结合4G用户在LTE网络下正常的联合附着信令流程可以看出,UE通过E-UTRAN网络向MME发起ATTACHRequest后,MME通过SGs接口向VLR发起LOCATONUPDATE_REQUEST进行联合位置更新,VLR收到MME的请求后,正常流程下VLR此时应向HLR发起位置更新,但从跟踪的消息来看,VLR并未给HLR发位置更新消息,而是直接向MME回STATUS错误消息,如上图红色框所示,此消息携带SGs-cause信元值为“invalid-mandatory-information(9)”指示VLR返回给MME“必选消息单元差错”原因值,且MMEname为16进制数。
解决方法:
联合MME侧分析确认,产生此原因值的原因是MME发送的SGs消息中携带的MMEname格式VLR无法识别,USN升级到USNV900R011C01SPC300版本后使用了新的R10协议版本来加密MMEName,而MSC使用R8协议来解密,所以MSC无法解析导致流程无法继续。
华为MME通过修改软参可控制发给MSC消息的MMEname格式,MME中定义了长度标示格式(R10协议)、点分格式(R8协议)两种name格式,系统默认为第一种。
通过将MME的软参Byte_Ex31Bit5设置为点分格式后问题解决。
4.2案例二:
4G用户在LTE网络下无法做被叫
问题现象:
4G用户开机登网在LTE网络正常,当用户使用语音业务CSFB回落到2/3G网络后,用户再做被叫时提示“无法接通”,手机上无网络标志。
问题定位:
分别在MME、HLR、eNodeB跟踪用户消息,在MME上跟到的消息如下:
图4-2-1初始化上下文失败消息
用户附着在LTE网络上,由于CSFB或者其他原因重选到2/3G网络,且再次TAU到LTE网络成功,此时UE发起了servicerequest流程,MME收到后发起InitialContextSetupRequest流程,但eNodeB初始上下文建立失败。
打开eNodeB发给MME的InitialContextSetupFailure失败消息可以看到,eNodeB返回失败原因值为failure-in-radio-interface-procedure(26),为空口方面的失败,消息如下:
图4-2-2初始化上下文失败消息信元
根据返回原因值,MME侧判断为eNodeB侧不支持手机侧上报的QCI导致eNodeB返回失败。
查询MME上用户的签约信息发现,用户签约的流量等级为“Interactive”、发送控制优先级为“2”、信令指示为“No”,经MME映射处理后对应的QCI等级为7。
图4-2-3用户签约的QCI等级
因为用户从2/3G网络TAU到4G时,会先使用2/3G的签约信息映射4G的QoS,映射关系如下:
图4-2-4EPSQCI参数和Pre-Rel-8QoS参数的映射关系
目前现网使用的QCI均为6,进一步判断为eNodeB上不支持QCI为7的QoS导致初始上下文建立失败,由于用户TAU已经完成,故原先2/3G的PDP以及用户信息就会被删除,此时如果InitialContextSetup流程失败,MME会把用户置为隐式分离状态,并同时通过SGs接口向VLR发IMSI_DETACH_INDICATION消息指示VLR将用户置为隐式分离状态,从而影响用户被叫。
解决方法:
通过在HLR侧修改APN对应的“发送控制优先级”为1来解决,该参数从2修改为1后,QCI映射后就会从7变为6。
5结论
通过对LTE网络基本架构的深入了解和对LTE网络与2G/3G网络互连的接口以及各个功能实体的学习,研究LTE网络与2G/3G网络之间的附着过程、主被叫语音过程、始发/终结短消息过程,可以更好地理解用户业务在LTE网络与2G/3G网络的互操作,加深对各业务流程的深入理解,为以后在业务使用过程中解决遇到的问题提供扎实的理论依据。
6参考文献
1、华为技术公司《典型信令流程用户手册》华为公司
2、华为技术公司《CSFallBack解决方案》华为公司