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LTE信令流程目 录第一章 协议层与概念51.1控制面与用户面51.2接口与协议51.2.1NAS协议（非接入层协议）71.2.2RRC层（无线资源控制层）71.2.3PDCP层（分组数据汇聚协议层）81.2.4RLC层（无线链路控制层）81.2.5MAC层（媒体接入层）91.2.6PHY层（物理层）101.3空闲态和连接态121.4网络标识131.5承载概念14第二章 主要信令流程162.1 开机附着流程162.2随机接入流程192.3 UE发起的service request流程232.4寻呼流程262.5切换流程272.5.1 切换的含义及目的272.5.2 切换发生的过程282.5.3 站内切换282.5.4 X2切换流程302.5.5 S1切换流程322.5.6 异系统切换简介342.6 CSFB流程352.6.1 CSFB主叫流程362.6.2 CSFB被叫流程372.6.3 紧急呼叫流程392.7 TAU流程402.7.1 空闲态不设置“ACTIVE”的TAU流程412.7.2 空闲态设置“ACTIVE”的TAU流程432.7.3 连接态TAU流程452.8专用承载流程462.8.1 专用承载建立流程462.8.2 专用承载修改流程482.8.3 专用承载释放流程502.9去附着流程522.9.1 关机去附着流程522.9.1 非关机去附着流程532.10 小区搜索、选择和重选552.10.1 小区搜索流程552.10.1 小区选择流程562.10.3 小区重选流程57第三章 异常信令流程603.1 附着异常流程613.1.1 RRC连接失败613.1.2 核心网拒绝623.1.3 eNB未等到Initial context setup request消息633.1.4 RRC重配消息丢失或eNB内部配置UE的安全参数失败643.2 ServiceRequest异常流程653.2.1 核心网拒绝653.2.2 eNB建立承载失败663.3 承载异常流程683.3.1核心网拒绝683.3.2 eNB本地建立失败（核心网主动发起的建立）683.3.3 eNB未等到RRC重配完成消息，回复失败693.3.4 UE NAS层拒绝703.3.5上行直传NAS消息丢失71第四章 系统消息解析724.1 系统消息734.2 系统消息解析744.2.1 MIB （Master Information Block）解析744.2.2 SIB1 （System Information Block Type1）解析754.2.3 SystemInformation消息77第五章 信令案例解析835.1实测案例流程845.2 流程中各信令消息解析845.2.1 RRC_CONN_REQ:RRC连接请求855.2.2 RRC_CONN_SETUP:RRC连接建立865.2.3 RRC_CONN_SETUP_CMP:RRC连接建立完成905.2.4 S1AP_INITIAL_UE_MSG:初始直传消息905.2.5 S1AP_INITIAL_CONTEXT_SETUP_REQ:初始化文本建立请求915.2.6 RRC_UE_CAP_ENQUIRY:UE能力查询945.2.7 RRC_UE_CAP_INFO:UE能力信息955.2.8 S1AP_UE_CAPABILITY_INFO_IND:UE能力信息指示995.2.9 RRC_SECUR_MODE_CMD:RRC安全模式命令1035.2.10 RRC_CONN_RECFG:RRC连接重配置1045.2.11 RRC_SECUR_MODE_CMP:RRC安全模式完成1075.2.12 RRC_CONN_RECFG_CMP:RRC连接重配置完成1075.2.13 S1AP_INITIAL_CONTEXT_SETUP_RSP:初始化文本建立完成1085.2.14 S1AP_ERAB_MOD_REQ:ERAB修改请求1095.2.15 RRC_DL_INFO_TRANSF:RRC下行直传消息1105.2.16 S1AP_ERAB_MOD_RSP:ERAB修改完成1105.2.17 RRC_CONN_RECFG:RRC连接重配置1115.2.18 RRC_UL_INFO_TRANSF:RRC上行直传消息1165.2.19 S1AP_UL_NAS_TRANS:上行NAS直传消息1165.2.20 RRC_CONN_RECFG_CMP:RRC连接重配置完成1175.2.21 RRC_CONN_RECFG:RRC连接重配置1175.2.22 RRC_CONN_RECFG_CMP:RRC连接重配置完成1195.2.23 RRC_MEAS_RPRT:RRC测量报告1195.2.24 RRC_UL_INFO_TRANSF:RRC上行信息传输1205.2.25 S1AP_UL_NAS_TRANS:上行NAS信息传输1205.2.26 S1AP_UE_CONTEXT_MOD_REQ:UE文本更改请求1215.2.27 S1AP_UE_CONTEXT_MOD_RSP:UE文本更改响应1225.2.28 RRC_CONN_REL:RRC连接释放1235.2.29 S1AP_UE_CONTEXT_REL_REQ:UE文本释放请求1245.2.30 S1AP_UE_CONTEXT_REL_CMD:UE文本释放命令1245.2.31 S1AP_UE_CONTEXT_REL_CMP:UE文本释放完成125概述本文通过对重要概念的阐述，为信令流程的解析做铺垫，随后讲解LTE中重要信令流程，让大家熟悉各个物理过程是如何实现的，其次通过异常信令的解读让大家增强对异常信令流程的判断，再次对系统消息的解析，让大家了解系统消息的特点和携带的内容。最后通过实测信令内容讲解，说明消息的重要信元字段。第一章 协议层与概念1.1 控制面与用户面 在无线通信系统中，负责传送和处理用户数据流工作的协议称为用户面；负责传送和处理系统协调信令的协议称为控制面。用户面如同负责搬运的码头工人，控制面就相当于指挥员，当两个层面不分离时，自己既负责搬运又负责指挥，这种情况不利于大货物处理，因此分工独立后，办事效率可成倍提升，在LTE网络中，用户面和控制面已明确分离开。1.2 接口与协议接口是指不同网元之间的信息交互时的节点，每个接口含有不同的协议，同一接口的网元之间使用相互明白的语言进行信息交互，称为接口协议，接口协议的架构称为协议栈。在LTE中有空中接口和地面接口，相应也有对应的协议和协议栈。图1 子层、协议栈与流图2 子层运行方式LTE系统的数据处理过程被分解成不同的协议层。简单分为三层结构：物理层、数据链路层L2和网络层。图1阐述了LTE系统传输的总体协议架构以及用户面和控制面数据信息的路径和流向。用户数据流和信令流以IP包的形式进行传送，在空中接口传送之前，IP包将通过多个协议层实体进行处理，到达eNodeB后，经过协议层逆向处理，再通过S1/X2接口分别流向不同的EPS实体，路径中各协议子层特点和功能如下：1.2.1 NAS协议（非接入层协议）处理UE和MME之间信息的传输，传输的内容可以是用户信息或控制信息（如业务的建立、释放或者移动性管理信息）。它与接入信息无关，只是通过接入层的信令交互，在UE和MME之间建立起了信令通路，从而便能进行非接入层信令流程了。NAS层功能如下：l 会话管理：包括会话建立、修改、释放及QoS协商l 用户管理：包括用户数据管理，以及附着、去附着l 安全管理：包括用户与网络之间的鉴权及加密初始化l 计费1.2.2 RRC层（无线资源控制层）RRC层是支持终端和eNodeB间多种功能的最为关键的信令协议。RRC的功能包括：l 广播NAS层和AS层的系统消息 l 寻呼功能（通过PCCH逻辑信道执行） l RRC连接建立、保持和释放，包括UE与E-UTRAN之间临时标识的分配、信令无线承载的配置 l 安全功能，包括密钥管理 l 端到端无线承载的建立、修改与释放l 移动性管理，包括UE测量报告，以及为了小区间和RAT间移动性进行的报告控制、小区间切换、UE小区选择与重选、切换过程中的RRC上下文传输等 l MBMS业务通知，以及MBMS业务无线承载的建立、修改与释放 l QoS管理功能 l UE测量上报及测量控制 l NAS消息的传输 l NAS消息的完整性保护1.2.3 PDCP层（分组数据汇聚协议层）负责执行头压缩以减少无线接口必须传送的比特流量。头压缩机制基于ROHC。在接收端，PDCP协议将负责执行解密及解压缩功能。对于一个终端每个无线承载有一个PDCP实体。一个PDCP实体是关联控制平面还是用户平面，主要取决于它为哪种无线承载携带数据。PDCP层在控制面对RRC和NAS层消息进行完整性校验，在用户面不进行完整性校验。PDCP层功能l IP包头压缩与解压缩l 数据与信令的加密l 信令的完整性保护。1.2.4 RLC层（无线链路控制层）负责分段与连接、重传处理，以及对高层数据的顺序传送。RLC层以无线承载的方式为PDCP层提供服务，其中，每个终端的每个无线承载配置一个RLC实体。主要目的是将数据交付给对端的RLC实体。所以RLC提出了三种模式：透明模式（Transparent Mode，TM）、非确认模式（Unacknowledged Mode，UM）和确认模式（Acknowledged Mode，AM）。TM模式最简单，它对于上层数据不进行任何改变，这种模式典型地被用于BCCH或PCCH逻辑信道的传输，该方式不需对RLC层进行任何特殊的处理。RLC的透明模式实体从上层接收到数据，然后不做任何修改地传递至下面的MAC层，这里没有RLC头增加、数据分割及串联。UM模式可以支持数据包丢失的检测，并提供分组数据包的排序和重组。UM模式能够用于任何专用或多播逻辑信道，具体使用依赖于应用及期望QoS的类型。数据包重排序是指对不按顺序接收到的数据进行排序。AM模式是一种最复杂的模式。除了UM模式所支持的特征外，AM RLC实体能够在检测到丢包时要求它的对等实体重传分组数据包，即ARQ机制。因此，AM模式仅仅应用于DCCH或DTCH逻辑信道。一般来讲，AM模式典型地用于TCP的业务，如文件传输，这类业务主要关心数据的无错传输；UM模式用于高层提供数据的顺序传送，但是不重传丢失的PDU，典型地用于如Voip业务，这类业务最主要关心传送时延；TM模式则仅仅用于特殊的目的，如随机接入。1.2.5 MAC层（媒体接入层） 负责处理HARQ重传与上下行调度。MAC层将以逻辑信道的方式为RLC层提供服务。其主要目的是为RLC层业务与物理层之间提供一个有效的连接。从这个角度看，MAC层支持的主要功能包括：l 逻辑信道与传输信道之间的映射；l 传输格式的选择，例如通过选择传输块大小、调制方案等作为输入参数提供给物理层；l 一个UE或多个UE之间逻辑信道的优先级管理；l 通过HARQ机制进行纠错；l 填充（Padding）；l RLC PDU的复用与解复用；l 业务量的测量与上报。MAC层提供给上层的业务主要包括：数据传送及无线资源分配。物理层提供给MAC层的业务包括：数据传送、HARQ反馈信令、调度请求信令以及测量。在上行链路发送中，终端侧的MAC层只是复用自己的多个上行链路数据流，并且决定是发送上行链路调度请求还是发送上行链路数据。然而在下行链路共享信道，eNodeB必须考虑小区内发往所有用户的数据流（或逻辑信道）。这就涉及到优先级处理过程，优先权处理是MAC层的一个主要功能。优先权处理过程是指从不同的等待队列选出一个分组，将其传递到物理层，并通过无线接口发送的过程。因为要考虑到不同信息流的发送，包括纯用户数据、E-UTRAN信令和EPC信令，这个过程非常复杂。当已传数据没有正确接收时，是否重传也与优先权处理有关，所以优先权处理过程还是与HARQ密切相关的，HARQ是MAC的另一个主要功能。此外，网络侧的MAC层要负责上行链路优先权处理，因为它必须从共享UL-SCH传输信道的多个终端的所有上行链路调度请求消息中进行选择。1.2.6 PHY层（物理层）负责处理编译码、调制解调、多天线映射以及其它电信物理层功能。物理层以传输信道的方式为MAC层提供服务。物理层将包含如下功能：l 传输信道的错误检测并向高层提供指示。l 传输信道的前向纠错编码（FEC）与译码。l 混合自动重传请求（HARQ）软合并。l 传输信道与物理信道之间的速率匹配及映射。l 物理信道的功率加权。l 物理信道的调制与解调。l 时间及频率同步。l 射频特性测量并向高层提供指示。l MIMO天线处理。l 传输分集。l 波束赋形。l 射频处理。以上为LTE网络架构中各层的主要功能和作用，其中MAC、RLC、PDCP三个子层组成数据链路层，称为L2。子层与子层之间使用服务接入点（Service Access Points， SAP）作为端到端通信的接口。PDCP层向上提供无线承载服务，并提供可靠头压缩（Robust Header Compression， ROHC）与安全保护功能；物理层与MAC层之间的SAP为传输信道，MAC层与RLC层之间的SAP为逻辑信道。物理信道，执行信息的收发；传输信道，区分信息的传输方式；逻辑信道，区分信息的类型。 MAC层主要负责提供逻辑信道到传输信道之间的映射，同时执行将几个逻辑信道（例如无线承载）复用到统一传输信道（例如传输块）。LTE系统的上下行架构各子层实现功能是基本相同的，它们的主要区别在于下行反映网络侧情况，处理多个用户；上行反映终端侧的情况，只处理一个用户。1.3 空闲态和连接态 EPS中有两种管理模型：移动性管理EMM和连接性管理ECM。EMM状态描述的是UE在网络中的注册状态，表明UE是否已经在网络中注册。注册状态的转变是由于移动性管理过程而产生的，比如附着过程和TAU过程。EMM分为已注册和为注册两种状态。而ECM描述的是UE和EPC间的信令连接性，也有两种状态：空闲态ECM-IDLE和连接态ECM-CONNECTED。空闲态和连接态是RRC子层中的两种状态，建立了RRC连接就是连接态，释放了RRC连接就是空闲态，如果是脱网、关机、DETACHED就是DEAD态（在RRC中描述为NULL）。表1 空闲态和连接态的特征空闲状态（RRC-IDLE）的特征连接状态（RRC-CONNECTED）的特征PLMN选择；系统信息广播；不连续接收寻呼；小区重选移动性；UE和网络之间没有信令连接，在E-UTRAN中不为UE分配无线资源，并且没有建立上下文。UE和网络之间没有S1-MME和S1-U连接。UE在由下行数据到达时，上述应终止在S-GW，并由MME发起寻呼。网络对应UE位置所知的精度为TA级别。当UE进入未注册的新TA时，应执行TA更新。应使用DRX等具有省电的功能UE有一个RRC连接；UE在E-UTRAN中具有通信上下文；E-UTRAN知道UE当前属于哪个小区；网络和终端之间可以发送和接收数据；网络控制的移动性管理，包括切换或者网络辅助小区更改（NACC）到GERAN小区；可以测量邻小区；终端可以监听控制信道以便确定网络是否为它配置了共享信道资源；eNodeB可以根据终端的活动情况配置不连续接收（DRX）周期，节约电池并提高无线资源的利用率图3 状态的转换过程1.4 网络标识在EPS网络中，一共有6种不同的UE标识，包括IMSI、IMEI、S-TMSI、C-RNTI、GUTI和IP，各个标识的生命周期、有效周期、功能作用和分配方式各不相同，在LTE信令分析中要懂得区分和查找。C-RNTI:小区无线网络临时标识，由基站分配给UE的一个动态标识，唯一标识了一个小区空口下的UE，只有处于连接态下的UE，C-RNTI才有效。（T-RNTI是临时的C-RNTI，连接态建立后T-RNTI会晋升为正式的C-RNTI）RA-RNTI: 接入用-无线网络临时标识，收端UE知道自己之前 Preamble的发送位置，通过计算可以检测PDCCH上是否有自己对应的RA-RNTI；有，则说明接入被响应。RA-RNTI可由UEeNodeB根据公式计算而得（发生时刻、频域资源、前导格式等决定），无需通过信令来传送。对于FDD，RA-RNTI和preamble发送的子帧号一一对应，对于TDD同时要考虑频率资源。所以RA-RNTI对于FDD是10个，对于TDD最多60个。此标识在这里与其他标识对比，是接入用的标识。 IMEI:是由设备制造商给UE设备分配的一个永久标识，IMEI存储在SIM卡和HSS中，同时IMEI可防止不法手机的再使用等，目前中国未使用。IMSI: 国际移动用户识别码，由SP（service provider）给UE分配的一个永久标识，开户就有。只要UE能够使用SP提供的服务就一直有效，IMSI存储在SIM和HSS中，是3GPP的PLMN中全球唯一标识。S-TMSI: S-TMSI是临时UE识别号，由MME产生并维护，用于NAS交互中保护用户的IMSI，其中S代表SAE，与M-TMSI一致。而在小区级识别RRC连接时，C-RNTI提供唯一的UE识别号。UE ID:UE标识，用于识别UE。这些标识用户身份的ID在建立RRC连接时发送到eNB进行用户身份识别。UE ID可以是IMEI、IMSI、S-TMSI，另外UE ID不仅用于基站进行用户识别，在SAE侧同样需要使用UE ID进行用户识别。GUTI: 在网络中唯一标识UE，可以减少IMSI、IMEI等用户私有参数暴露在网络传输中。GUTI由核心网分配的一个动态标识。只有在EPC注册同时附着MME的UE，GUTI才有效。存储在UE和MME中。在attach accept, TAU accept, RAU accept等消息中带给UE。第一次attach时UE携带IMSI，而之后MME会将IMSI和GUTI进行一个对应，以后就一直用GUTI，通过attachaccept带给UE。在同一个MME下,GUTI与M-TMSI一致。IP地址：是有PGW分配的一个动态的标识。在上下文本存在时有效。1.5 承载概念 在LTE系统中，一个UE到一个PGW之间，具有相同Qos待遇的业务流称为一个EPS承载。EPS承载中UE到eNB空口之间的一段称为无线承载RB；eNB到SGW之间的一段称为S1承载。无线承载与S1承载统称为E-RAB。图4 承载的位置关系 无线承载根据承载的内容不同分为SRB（signaling radio bearer）和DRB（data radio bearer）SRB承载控制面（信令）数据，根据承载的信令不同分为以下三类SRB：SRB0：承载RRC连接建立之前的RRC信令，通过CCCH逻辑信道传输，在RLC层采用TM模式。SRB1承载RRC信令（可能会携带一些NAS信令）和SRB2之间之前的NAS信令，通过DCCH逻辑信道传输，在RLC层采用AM模式。SRB2承载NAS信令，通过DCCH逻辑信道传输，在RLC层采用AM模式，SRB2优先级低于SRB1，安全模式完成后才能建立SRB2。DRB承载用户面数据，根据Qos不同，UE与eNB之间可能最多建立8个DRB。根据用户业务需求和Qos的不同可以分为GBR/ Non-GBR 承载，默认承载专用承载，对承载的概念可以理解为“隧道”、“专有通道”、“数据业务链路”。GBR/ Non-GBR 承载：在承载建立或修改过程中通过例如eNode B接纳控制等功能永久分配专用网络资源给某个保证比特速率（Guaranteed Bit Rate，GBR）的承载，可以确保该承载的比特速率。否则不能保证承载的速率不变则是一个 Non-GBR 承载默认承载（Default Bearer）：一种满足默认QOS的数据和信令的用户承载，提供“尽力而为”的IP连接。默认承载为Non-GBR 承载。默认承载为UE接入网络时首先建立的承载，该承载在整个PDN连接周期都会存在，为UE提供到PDN的“永远在线”的IP连接。专用承载：对某些特定业务所使用的SAE承载。一般情况下专用承载的QOS比默认承载高，专用承载可以是GBR或Non-GBR 承载。第二章 主要信令流程2.1 开机附着流程UE刚开机时，先进行物理下行同步，搜索测量进行小区选择，选择到一个合适或者可接纳的小区后，驻留并进行附着过程。附着流程图如下：图5 正常开机附着流程开机附着流程说明：1）步骤15会建立RRC连接，步骤6、9会建立S1连接，完成这些过程即标志着NAS signalling connection建立完成，见24.301。2）消息7的说明：UE刚开机第一次attach，使用的IMSI，无Identity过程；后续，如果有有效的GUTI，使用GUTI attach，核心网才会发起Identity过程（为上下行直传消息）。3）消息1012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，给核心网上报UE的无线能力信息。为了减少空口开销，在IDLE下MME会保存UE Radio Capability信息，在INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息会带给eNB，除非UE在执行attach或者first TAU following GERAN/UTRAN Attach or UE radio capability update TAU过程（也就是这些过程MME不会带UE Radio Capability信息给eNB，并会把本地保存的UE Radio Capability信息删除，eNB会问UE要能力信息，并报给MME。注：UE radio capability update TAU is only supported for changes of GERAN and UTRAN radio capabilities in ECM-IDLE.）。在CONNECTED下，eNB会一直保存UE Radio Capability信息。UE的E_UTRAN无线能力信息如果发生改变，需要先detach，再attach。4） 发起UE上下文释放（即2125）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.5）eNB收到msg3以后，DCM给USM配置SRB1，配置完后发送msg4给UE；eNB在发送RRCConnectionReconfiguration前，DCM先给USM配置DRB/SRB2等信息，配置完后发送RRCConnectionReconfiguration给UE，收到RRCConnectionReconfigurationComplete后，控制面再通知用户面资源可用。6）消息1315的说明：eNB发送完消息13，并不需要等收到消息14，就直接发送消息15。7）如果发起IMSI attach时，UE的IMSI与另外一个UE的IMSI重复，并且其他UE已经attach，则核心网会释放先前的UE。如果IMSI中的MNC与核心网配置的不一致，则核心网会回复attach reject。8）消息9的说明：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。2.2随机接入流程随机接入是蜂窝系统应具有的最基本的功能，它使终端与网络建立通信连接成为可能，由于用户的随机性、无线环境的复杂性决定了这种接入的发起以及采用的资源也具有随机性，因此随机接入的成功率取决于随机接入流程是否能够顺利完成。从随机接入发起的目的来看主要有：u 请求初始接入 u 从空闲状态向连续状态转换 u 支持eNB之间的切换过程 u 取得/恢复上行同步 u 向eNB请求UE IDu 向eNB发出上行发送的资源请求 总体来说随机接入就是UE与eNB建立无线链路，获取/恢复上行同步 从随机接入流程发起的场景来看，主要有以下几种情况： 图6 随机接入场景随机接入分为基于竞争的 (可应用于上述所有场景)、基于非竞争的(只应用于切换和下行数传场景)两种流程接入网络。其区别为针对两种流程选择随机接入前缀的方式不同。前者为UE从基于冲突的随机接入前缀中依照一定算法随机选择一个随机前缀；后者是基站侧通过下行专用信令给UE指派非冲突的随机接入前缀。 基于竞争模式的随机接入：RRC_IDLE状态下的初始接入；无线链路出错以后的初始接入；RRC_CONNECTED状态下，当有上行数据传输时，例如在上行失步后“non-synchronised”， 或者没有PUCCH资源用于发送调度请求消息，也就是说在这个时候除了通过随机接入的方式外，没有其它途径告诉eNB，UE存在上行数据需要发送基于非竞争模式的随机接入：RRC_CONNECTED状态下，当下行有数据传输时，这时上行失步“non-synchronised”，因为数据的传输除了接收外，还需要确认，如果上行失步的话，eNB无法保证能够收到UE的确认信息，因为这时下行还是同步的，因此可以通过下行消息告诉UE发起随机接入需要使用的资源，比如前导序列以及发送时机等，因为这些资源都是双方已知的，因此不需要通过竞争的方式接入系统；切换过程中的随机接入，在切换的过程中，目标eNB可以通过服务eNB来告诉UE它可以使用的资源； 图7 基于竞争的随机接入流程基于竞争随机接入流程说明1）MSG1：UE在RACH上发送随机接入前缀，携带preamble码；2）MSG2：eNB侧接收到MSG1后，在DL-SCH上发送在MAC层产生随机接入响应（RAR），RAR响应中携带了TA调整和上行授权指令以及T-CRNTI（临时CRNTI）；3）MSG3（连接建立请求）：UE收到MSG2后，判断是否属于自己的RAR消息（利用preamble ID核对），并发送MSG3消息，携带UE-ID。UE的RRC层产生RRC Connection Request 并映射到UL SCH上的CCCH逻辑信道上发送；4）MSG4(RRC连接建立)：RRC Contention Resolution 由eNB的RRC层产生，并在映射到DL SCH上的CCCH or DCCH(FFS)逻辑信道上发送，UE正确接收MSG4完成竞争解决。 在随机接入过程中，MSG1和MSG2是低层消息，L3层看不到，所以在信令跟踪上，UE入网的第一条信令便是MSG3(RRC_CONN_REQ) MSG2消息由eNB的MAC层产生，并由DL_SCH承载，一条MSG2消息可以同时对应多个UE的随机接入请求响应。 eNB使用PDCCH调度MSG2，并通过RA-RNTI进行寻址，RA-RNTI由承载MSG1的PRACH时频资源位置确定； MSG2包含上行传输定时提前量、为MSG3分配的上行资源、临时C-RNTI等； UE在接收MSG2后，在其分配的上行资源上传输MSG3 针对不同的场景，Msg3包含不同的内容:l 初始接入：携带RRC层生成的RRC连接请求，包含UE的S-TMSI或随机数；l 连接重建：携带RRC层生成的RRC连接重建请求，C-RNTI和PCI；l 切换：传输RRC层生成的RRC切换完成消息以及UE的C-RNTI；l 上/下行数据到达：传输UE的C-RNTI；竞争解决 初始接入和连接重建场景切换，上/下行数据到达场景竞争判定MSG4携带成功解调的MSG3消息的拷贝，UE将其与自身在MSG3中发送的高层标识进行比较，两者相同则判定为竞争成功UE如果在PDCCH上接收到调度MSG4的命令，则竞争成功调度MSG4使用由临时C-RNTI加扰的PDCCH调度eNB使用C-RNTI加扰的PDCCH调度MSG4C-RNTIMSG2中下发的临时C-RNTI在竞争成功后升级为UE的C-RNTIUE之前已分配C-RNTI，在MSG3中也将其传给eNB。竞争解决后，临时C-RNTI被收回，继续使用UE原C-RNTI图8 基于非竞争的随机接入基于非竞争随机接入流程说明1） MSG0：eNB 通过下行专用信令给UE指派非冲突的随机接入前缀（non-contention Random Access Preamble ），这个前缀不在BCH上广播的集合中。2） MSG1：UE在RACH上发送指派的随机接入前缀。3） MSG2：ENB的MAC层产生随机接入响应，并在DL-SCH上发送。对于非竞争随机接入过程，preamble码由ENB分配，到RAR正确接受后就结束。 UE根据eNB的指示，在指定的PRACH上使用指定的Preamble码发起随机接入 MSG0：随机接入指示消息对于切换场景，eNB通过RRC信令通知UE；对于下行数据到达和辅助定位场景，eNB通过PDCCH通知UE； MSG1：发送Preamble码UE在eNB指定的PRACH信道资源上用指定的Preamble码发起随机接入 MSG2：随机接入响应MSG2与竞争机制的格式与内容完全一样，可以响应多个UE发送的MSG12.3 UE发起的service request流程UE在IDLE模式下，需要发送或接收业务数据时，发起service request过程（值得强调的是这流程之前是随机接入流程）。当UE发起service request时，需先发起随机接入过程，Service Request由RRC Connection Setup Comlete携带上去，整个流程类似于主叫过程。当下行数据达到时，网络侧先对UE进行寻呼，随后UE发起随机接入过程，并发起service request过程，在下行数据达到发起的service request类似于被叫接入。service request流程就是完成Initial context setup，在S1接口上建立S1承载，在Uu接口上建立数据无线承载，打通UE到EPC之间的路由，为后面的数据传输做好准备。图9 service request流程Service Request流程说明：1） 处在RRC_IDLE态的UE进行Service Request过程，发起随机接入过程，即MSG1消息；2） eNB检测到MSG1消息后，向UE发送随机接入响应消息，即MSG2消息；3） UE收到随机接入响应后，根据MSG2的TA调整上行发送时机，向eNB发送RRCConnectionRequest消息，即MSG3消息；4） eNB向UE发送RRCConnectionSetup消息，包含建立SRB1承载信息和无线资源配置信息；5） UE完成SRB1承载和无线资源配置,向eNB发送RRCConnectionSetupComplete消息，包含NAS层Service Request信息；6） eNB选择MME，向MME发送INITIAL UE MESSAGE消息，包含NAS层Service Request消息；7） UE与EPC间执行鉴权流程，与GSM不同的是：4G鉴权是双向鉴权流程，提高网络安全能力。8） MME向eNB发送INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息，请求建立UE上下文信息；9） eNB接收到INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息，如果不包含UE能力信息，则eNB向UE发送UECapabilityEnquiry消息，查询UE能力；10） UE向eNB发送UECapabilityInformation消息，报告UE能力信息；11） eNB向MME发送UE CAPABILITY INFO INDICATION消息，更新MME的UE能力信息；12） eNB根据INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息中UE支持的安全信息，向UE发送SecurityModeCommand消息，进行安全激活；13） UE向eNB发送SecurityModeComplete消息，表示安全激活完成；14） eNB根据INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息中的ERAB建立信息，向UE发送RRCConnectionReconfiguration消息进行UE资源重配，包括重配SRB1和无线资源配置，建立SRB2信令承载、DRB业务承载等；15） UE向eNB发送RRCConnectionReconfigurationComplete消息，表示资源配置完成；16） eNB向MME发送INITIAL CONTEXT SETUP RESPONSE响应消息，表明UE上下文建立完成。流程到此时完成了service request，随后进行数据的上传与下载。17） 信令1720是数据传输完毕后，对UE去激活过程，涉及UE context release流程。2.4寻呼流程寻呼是网络寻找UE时进行的信令流程，网络中被叫必须通过寻呼来响应，才能正常通信。为减少信令负荷，在LTE中寻呼触发条件有三种：UE被叫（MME发起）；系统消息改变时（eNB发起）；地震告警（Etws，不常见）。寻呼过程的实现依靠TA来进行（相当于2/3G的LAC），需要说明的是寻呼的范围在TAC区内进行，不是在TAC LIST的范围内进行寻呼，TA LIST只是减少了位置更新次数，从另一个方面降低信令负荷。寻呼指示在PDCCH信道上通知UE响应自己的寻呼消息（PDCCH通知上携带P-RNT1，表示这是个寻呼指示），空口进行寻呼消息的传输时，eNB将具有相同寻呼时机的UE寻呼内容汇总在一条寻呼消息里，寻呼消息内容被映射到PCCH逻辑信道中，并根据UE的DRX周期在PDSCH上发送，UE并不是一次到位找到属于自己的寻呼消息，而是先找到寻呼时机，如果是自己的寻呼时机就在PDSCH信道上查询并响应属于自己的寻呼内容。为了降低IDLE状态下的UE的电力消耗，UE使用非连续接收方式（DRX），接收寻呼消息。IDLE状态下的UE在特定的子帧里面根据P-RNTI监听读取PDCCH，这些特定的子帧称为寻呼时机（Paging Occasion），这些子帧所在的无线帧称为（Paging Frame），UE通过相关的公式来确定PF和PO的位置。计算出PF和PO的具体位置后，UE开始监听PDCCH，如果发现有P-RNT1，那么UE在响应的位置上（PDSCH信道）获取Paging消息,Paging message中携带具体的被寻呼的UE标识(IMSI或S-TMSI)。若在PCH上未找到自己的标识，UE再次进入DRX状态。 如果按寻呼方式不同，可以有STMSI寻呼和IMSI寻呼，一般情况下，优先使用STMSI寻呼，当网络发生错误需要恢复时（例如S-TMSI不可用），才发起IMSI寻呼。 寻呼发起原因不同也可分为被叫寻呼和小区系统消息改变时寻呼（地震寻呼不考虑），区别在于被叫寻呼由EPC发起，经ENB透传；而小区系统改变时寻呼由ENB发起。我们常说的寻呼，主要还是指被叫寻呼。图10 寻呼流程被叫寻呼流程说明：1）当EPC需要给UE发送数据时，则向eNB发送PAGING消息；2）eNB根据MME发的寻呼消息中的TA列表信息，在属于该TA列表的小区发送Paging消息，UE在自己的寻呼时机接收到eNB发送的寻呼消息。2.5切换流程2.5.1 切换的含义及目的当正在使用网络服务的用户从一个小区移动到另一个小区，或由于无线传输业务负荷量调整、激活操作维护、设备故障等原因，为了保证通信的连续性和服务的质量，系统要将该用户与原小区的通信链路转移到新的小区上，这个过程就是切换。本文中所描述的均为LTE系统内切换，系统间切换需要UE支持，并不做详细描述。在LTE系统中，切换可以分为站内切换、站间切换（或基于X2口切换、基于S1口切换），当X2接口数据配置完善且工作良好的情况下就会发生X2切换，否则基站间就会发生S1切换。一般来说X2切换的优先级高于S1切换。2.5.2 切换发生的过程切换判决准备测量报告控制和测量报告上报基站根据不同的需要利用移动性管理算法给UE下发不同种类的测量任务，在RRC重配消息中携带 MeasConfig 信元给UE下发测量配置；UE收到配置信息后，对测量对象实施测量，并用测量上报标准进行结果评估，当评估测量结果满足上报标准后向基站发送相应的测量报告，比如A2A3等事件。基站通过终端上报的测量报告判决是否执行切换。当判决条件达到时，执行以下步骤：l 切换准备：目标网络完成资源预留l 切换执行：源基站通知UE执行切换；UE在目标基站上连接完成l 切换完成：源基站释放资源、链路，删除用户信息值得注意的是LTE系统中，切换命令封装在消息RRC_CONN_RECFG信令消息中。2.5.3 站内切换当UE所在的源小区和要切换的目标小区同属一个eNB时，发生eNB内切换。eNB内切换是各种情形中最为简单的一种，因为切换过程中不涉及eNB与eNB之间的信息交互，也就是X2、S1接口上没有信令操作，只是在一个eNB内的两个小区之间进行资源配置，所以基站在内部进行判决，并且不需要向核心网申请更换数据传输路径。图11 站内切换流程站内切换流程说明：其中步骤1、2、3、4为切换准备阶段，步骤5、6为切换执行阶段，步骤7为切换完成阶段。1) eNodeB向UE下发测量控制，通过RRC Connection Reconfigration消息对UE的测量类型进行配置；2) UE按照eNodeB下发的测量控制在UE的RRC协议端进行测量配置，并向eNodeB发送RRC Connection Reconfigration Complete消息表示测量配置完成；3) UE按照测量配置向eNodeB上报测量报告；4) eNodeB根据测量报告进行判决，判决该UE将发生eNodeB内切换，在新小区内进行资源准入，资源准入成功后为该UE申请新的空口资源；5) 资源申请成功后eNodeB向UE发送RRC Connection Reconfigration消息，指示UE发起切换动作；6) UE接入新小区后eNodeB发送RRC Connection Reconfigration Complete消息指示UE已经接入新小区；7）eNodeB收到重配置完成消息后，释放该UE在源小区占用的资源。 2.5.4 X2切换流程当UE所在的源小区和要切换的目标小区不属于同一eNodeB时，发生eNodeB间切换，eNodeB间切换流程复杂，需要加入X2和S1接口的信令操作。X2切换的前提条件是目标基站和源基站配置了X2链路，且链路可用。u 在接到测量报告后需要先通过X2接口向目标小区发送切换申请（目标小区是否存在接入资源）；u 得到目标小区反馈后（此时目标小区资源准备已完成）才会向终端发送切换命令，并向目标侧发送带有数据包缓存、数据包缓存号等信息的SNStatus Transfer消息；u 待UE在目标小区接入后，目标小区会向核心网发送路径更换请求，目的是通知核心网将终端的业务转移到目标小区，更新用户面和控制面的节点关系；u 在切换成功后，目标eNB通知源eNB释放无线资源。X2切换优先级大于S1切换，保证了切换时延更短，用户感知更好。图12 X2切换流程X2切换流程说明其中步骤1、2、3、4、5、6、7为切换准备阶段，步骤8、9为切换执行阶段，步骤10、11、12、13为切换完成阶段：1) 源eNodeB向UE下发测量控制，通过RRC Connection Reconfigration消息对UE的测量类型进行配置；2) UE按照eNodeB下发的测量控制在UE的RRC协议端进行测量配置，并向eNodeB发送RRC Connection Reconfigration Complete消息表示测量配置完成；3) UE按照测量配置向eNodeB上报测量报告；4) 源eNodeB根据测量报告进行判决，判决该UE发生eNodeB间切换，也有可能负荷分担的原因触发切换；5) 源eNodeB向目标eNodeB发生HANDOVER REQUEST消息，指示目标eNodeB进行切换准备，切换请求消息包含源eNB分配的Old eNB UE X2AP ID，MME分配的MME UE S1AP ID，需要建立的EPS承载列表以及每个EPS承载对应的核心网侧的数据传送的地址。目标ENB收到HANDOVER REQUEST后开始对要切换入的ERABs进行接纳处理。；6) 目标小区进行资源准入，为UE的接入分配空口资源和业务的SAE承载资源；7) 目标小区资源准入成功后，向源eNodeB 发送“切换请求确认”消息，指示切换准备工作完成，“切换请求确认”消息包含New eNB UE X2AP ID、Old eNB UE X2AP ID、新建EPS承载对应在D侧上下行数据传送的地址、目标侧分配的专用接入签名等参数；8) 源eNodeB将分配的专用接入签名配置给UE，向UE发送RRC Connection Reconfigration消息命令UE执行切换动作；9) UE向目标eNodeB发送RRC Connection Reconfigration Complete消息指示UE已经接入新小区，表示UE已经切换到了目标侧。同时，切换期间的业务数据转发开始进行；10) 目标eNodeB向MME发送PATH SWITCH REQUEST消息请求，请求MME更新业务数据通道的节点地址，通知MME切换业务数据的接续路径，从源eNB到目标eNB，消息中包含原侧侧的MME UE S1AP ID、目标侧侧分配的eNB UE S1AP 、EPS承载在目标侧将使用的下行地址； 11) MME成功更新数据通道节点地址，向目标eNodeB发送PATH SWITCHREQUEST ACKNOWLEDGE消息，表示可以在新的SAE bearers上进行业务通信；12) UE已经接入新的小区，并且在新的小区能够进行业务通信，需要释放在源小区所占用的资源，目标eNodeB向源eNodeB发送UE CONTEXTRELEASE消息；13) 源eNodeB释放该UE的上下文，包括空口资源和SAE bearers资源。2.5.5 S1切换流程S1切换流程与X2切换类似，只不过所有的站间交互信令及数据转发都需要通过S1口到核心网进行转发，时延比X2口略大。协议36.300中规定eNodeB间切换一般都要通过X2接口进行，但当如下条件中的任何一个成立时则会触发S1接口的eNodeB间切换：（1）源eNodeB和目标eNodeB之间不存在X2接口；（2）源eNodeB尝试通过X2接口切换，但被目标eNodeB拒绝。从LTE网络结构来看，可以把两个eNodeB与MME之间的S1接口连同MME实体看做是一个逻辑X2接口。相比较于通过X2接口的流程，通过S1接口切换的流程在切换准备过程和切换完成过程有所不同。S1切换的前提条件：目标基站和源基站没有配置X2链路，或是配置的X2链路不可用。如果同时配置了X2和S1链路，优先走X2切换。下图中的流程没有跨MME和SGW，相对简单。即使涉及跨MME，主流程差异不大，主要在核心网的信令会更多一点而已。图13 S1切换流程S1切换流程说明其中步骤1到9为切换准备过程，步骤10、11为切换执行过程，步骤12到16为切换完成过程。14) 图中14步骤与X2切换相同，不做累述；5) 源eNB通过S1接口的HANDOVER REQUIRED消息发起切换请求，消息中包含MME UE S1AP ID、源侧分配的eNB UE S1AP ID等信息。6) MME向目标eNB发送HANDOVER REQUEST消息，消息中包括MME分配的MME UE S1AP ID、需要建立的EPS列表以及每个EPS承载对应的核心网侧数据传送的地址等参数。78) 目标eNB分配后目标侧的资源后，进行切换入的承载接纳处理，如果资源满足，小区接入允许就给MME发送HANDOVER REQUEST ACKNOWLEDGE消息，包含目标侧侧分配的eNB UE S1AP ID，接纳成功的EPS承载对应的eNodeB侧数据传送的地址等参数。9) 源eNB收到HANDOVER COMMAND，获知接纳成功的承载信息以及切换期间业务数据转发的目标侧地址 。10) 源eNB向UE发送RRCConnectionReconfiguration消息，指示UE切换指定的小区.11) 源eNB通过eNB Status Transfer消息，MME通过MME Status Transfer消息 ，将PDCP序号通过MME从源eNB传递到目标eNB。目标eNB收到UE发送的RRC Connecti