（通信与信息系统专业论文）lte终端移动管理过程的研究与实现.pdf

摘要 摘要 t d l t e 是我国主导的新一代移动通信技术，已经入选成为第四代移动通信的 国际标准，和f d d l t e 一起成为4 g 国际两大主流标准。在信息技术领域，由于移 动互联网迅速发展带来的无线数据流量的爆炸性增长，产生了对宽带无线网络的巨 大需求。在这种需求的驱动下，国际上以l t e 为主流的移动通信网的建设比预期提 前几年启动了，给我国主导的t d l t e 技术在国际上的应用，带来了新的机遇。但 是，在l t e 的产业链上，终端的发展仍然相对滞后，成为t d l t e 技术产业链发展 的瓶颈，因此对l t e 终端的研究显得尤为重要。 本文正是在此技术背景下，从终端协议栈软件的角度对l t e 终端的移动管理过 程进行研究与实现。首先对l t e 系统和终端协议栈做了介绍，然后对l t e 终端移动 管理过程进行了协议深入分析，包括附着过程、跟踪区更新过程和分离过程。 其次，在协议栈软件设计思想的基础上，对协议栈软件的整体架构进行了设计， 定义了移动管理e m m 层状态机和各个模块之间的接e l 。对附着过程、跟踪区更新 过程和分离过程的正常流程和各种异常流程进行了分析和设计，给出了具体的实现 方案。 最后，基于s d l t t c n 协仿真测试方法和t t c n 板级集成测试方法对所设计的 附着过程、跟踪区更新过程和分离过程进行测试验证，包括测试方法的介绍，测试 目的，测试例的构造，测试结果分析等，并通过测试产生的消息序列图和数据流来 分析接口和流程设计是否合理，从而验证了设计方法与3 g p p 标准一致性和代码开 发的正确性。 关键词：t d l t e ，移动管理，附着过程，跟踪区更新过程，分离过程 a b s t r a c t a b s t r a c t t d l t ei st h el e a d i n gn e x t - g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi nc h i n a , h a sb e e ns e l e c t e da st h ef o u r t hg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s ，h a sb e c o m e t w om a i n s t r e a m4 gi n t e m a t i o n a ls t a n d a r d st o g e t h e rw i t hf d d l t e i nt h ef i e l do f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ye x p l o s i v eg r o w t ho fm o b i l ew i r e l e s sd a t at r a f f i cb r o u g h ta b o u tb y r a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e m e t ，h a si n t r o d u c e dah u g ed e m a n df o rb r o a d b a n dw i r e l e s s n e t w o r k d r i v e nb yt h i sd e m a n d ，i n t e r n a t i o n a l l yc o n s t r u c t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r kw h i c ht a k e sl t ea st h em a i n s t r e a mh a ss t a r t e daf e wy e a r se a r l i e rt h a ne x p e c t e d ， b r i n g i n gn e wo p p o r t u n i t i e st oc h i n a sl e a d i n gt d l t et e c h n o l o g yi nt h ei n t e r n a t i o n a l a p p l i c a t i o n h o w e v e r , o nt h ei n d u s t r i a lc h a i no fl t e ，t e r m i n a ld e v e l o p m e n ti s s t i l l l a g g i n gb e h i n d ，w h i c hb e c o m e sab o t t l e n e c ki nt h ed e v e l o p m e n to f t d - l t et e c h n o l o g y i n d u s t r yc h a i n , s ot h a ti ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt t or e s e a r c ho nl t e t e r m i n a l ni se x a c t l yi nt h i st e c h n i c a lb a c k g r o u n dt h a tt h i sa r t i c l ec o n d u c tar e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o no fm o b i l i t ym a n a g e m e n tp r o c e s s e sf r o ma na s p e c to f t e r m i n a lp r o t o c o l s t a c ks o f t w a r ef o rl t et e r m i n a l ，f i r s t l y , tt h el t es y s t e m sa n dt e r m i n a lp r o t o c o ls t a c k w a si n t r o d u c e d ，t h e n ，t h e r ei sa ni n - d e p t ha n a l y s i so fl t et e r m i n a lm o b i l i t y m a n a g e m e n tp r o c e d u r e si n c l u d i n gt h ea t t a c hp r o c e s s ，t r a c k i n ga r e au p d a t ep r o c e s sa n d d e t a c hp r o c e s s s e c o n d l y , 眦sa r t i c l ed e s i g n st h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f t h ep r o t o c o ls t a c ks o f t w a r e b a s e do nt h ei d e ao fp r o t o c o ls t a c ks o f t w a r ed e s i g n , i td e f i n e ss t a t em a c h i n es t a t em a c h i n e o fe 埘- l a y e r , a n dv a r i o u si n t e r f a c e sb e t w e e nt h em o d u l e s i tc o n d u c t sa na n a l y s i sa n d d e s i g no fa t t a c hp r o c e s s ，t r a c k i n ga r e au p d a t ep r o c e s sa n dd e t a c hp r o c e s s ，g i v e st h ed e t a i l s o fi m p l e m e n t a t i o n l a s t l y , i td o e st e s tv a l i d a t i o nt o w a r d st h ed e s i g no fa t t a c hp r o c e s s ，t r a c k i n ga r e a u p d a t ep r o c e s sa n dd e t a c hp r o c e s sb a s e do ns d l 厂i 1 c ns i m u l a t i o nt e s tm e t h o da n d t t c nb o a r dl e v e li n t e g r a t e dt e s tm e t h o d , i n c l u d i n gd e s c r i p t i o no ft e s tm e t h o d ，t e s t p u r p o s e ，t e s tc a s e sa n dt e s tr e s u l t sa n a l y s i s ，t h e ni tv e r i f i e s t h a tt h ed e s i g no fi n t e r f a c ea n d p r o c e s si sr e a s o n a b l eb y t e s tp r o d u c e do fm e s s a g es e q u e n c ef i g u r ea n dd a t af l o w ，p r o v e s t h a tt h ed e s i g ni si nc o n s i s t e n c yw i t h3 g p ps t a n d a r da n di tp r o v e st h ec o r r e c t n e s sa n do f t h ed e s i g ni nt h i sa r t i c l e k e yw o r d s ：t d l t e ，e p sm o b i l i t ym a n a g e m e n t ，a t t a c h ，t r a c k i n ga r e au p d a t e ，d e t a c h 缩略表 3 g 3 g p p 4 g a p n a p n a m b r a s c n c s e 埘 e p c e p s e s m e u e i t r a n e k s i e n o d e b f d d f s m g b r g 删 g p r s g u t i g s m h s s m s i p i 【玎 l t e 讹c 删 缩略表 3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t 1 1 矾g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t 4 t hg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n a c c e s sp o i n tn a m e a p n a g g r e g a t em a x i m u m b i tr a t e a c c e s ss t r a t u m c o r en e t w o r k c i r c u i ts w i t c h e d e p sm o b i l i t ym a n a g e m e n t e v o l v e dp a c k e tc o r en e t w o r k e v o l v e dp a c k e ts y s t e m e p ss e s s i o nm a n a g e m e n t e p su p d a t a e v o l v e du t ra n k e ys e ti d e n t i f i e rf o re i 兀ra n e v o l v e dn o d e b f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f i n i t es t a t em a c h i n e g u a r a n t e e db i tr a t e g p r sm o b i l i t ym a n a g e m e n t g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e g l o b a l l yu n i q u et e m p o r a r yi d e n t i f i e r g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n h o m es u b s c r i b e rs e r v e r i n t e m a t i o n a lm o b i l es u b s c r i b e ri d e n t i t y i n t e m e tp r o t o c o l i m p l e m e n t a t i o nu n d e l t e s t l o n gt e r me v o l u t i o n m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m o b i l i t ym a n a g e m e n t v i i 第三代移动通信 第三代合作项目 第四代移动通信 接入点 接入点最大位速率 接入层 核心网 电路交换 e p s 移动管理 演进型分组核心网 演进型分组系统 e p s 会话管理 e p s 更新 演进型u t r a n 密钥集合标识 演进型结点b 频分双工 有限状态机 保证位速率 g p r s 移动管理 通用分组无线服务 全球唯一临时标识 全球移动通信系统 本地用户服务器 国际移动用户识别码 网络之间互连的协议 被测实体 长期演进 媒质接入控制 移动管理 重庆邮电大学硕士论文 m m e m i m o m s c n a s p c c o f d m p c e f p c o p d c p p d p p d n p d u p h y p i m n p g w q c i q o s r a b m r b r l c r a t r r c s a e s g s n s p n s 田m s i s r b s g w s d l t a c ，i = a j t a u m o b i l i t ym a n a g e m e n te n t i t y m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e o u t - p u t m e s s a g es e q u e n c ec h a r t s n o na c c e s ss t r a t u m p o l i c yc o n t r o la n dc h a r g i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e p o l i c ya n dc h a r g i n ge n f o r c e m e n t f u n c t i o n p r o t o c a lc o n f i g u r a t i o no p t i o n s p a c k e td a t ac o n v e r g ep r o t o c o l p a c k e td a t ap r o t o c o l p a c k e td a t an e t w o r k p r o t o c a ld a t au 1 1 i t p h y s i c a ll a y e r p u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k p d n - g a t e w a y q o sc l a s si d e n t i f i e r ) q u a l i t yo f s e r v i c e r a d i oa c c e s sb e a r e rm a n a g e m e n t r a d i ob e a r e r r a d i ol i n kc o n t r 0 1 r a d i oa c c e s st e c h n o l o g y r a d i or e s o u r c ec o n t r o l s y s t e ma r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n s e r v i c i n gg p r ss u p p o r tn o d e s e r v i c ep r o v i d e rf o rn e t w o r k s h o r tp a c k e tt e m p e r a t em o b i l e s u b s c r i p t i o ni d e n t i t y s i g n a l i n gr a d i ob e a r e r s e r v i c e - g a t e w a y s p e c i f i c a t i o nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e t r a c k i n g a r e ac o d e t r a c k i n ga r e ai d e n t i t y t r a c k i n ga r e au p d a t e v i i i 移动管理实体 多输入多输出 消息序列图 非接入层 策略控制和计费规则 正交频分多址 策略及计费执行功能 协议配置选项 分组数据汇聚协议 分组数据协议 分组数据网 协议数据单元 物理层 公共陆地移动网络 分组数据网关 q o s 类别标识 服务质量 无线接入管理 无线存载 无线链路控制 无线接入技术 无线资源控制 系统架构演进 g p r s 服务支持节点 为网络提供服务 短分组域临时标识 信令无线承载 服务网关 规范描述语言 跟踪区码 跟踪区标识 跟踪区更新 缩略表 t a i l i s t t d s c d m a t d d u e t t c n u m t s u s 【m u t r a n t r a c k i n ga r e ai d e n t i t yl i s t t i m ed i v i s i o n - s y n c h r o n i z a t i o nc o d e t i m ed i v i s i o nd u p l e x u s e re q u i p m e n m ea n d 乃6 u l a rc o m b i n e dn o t a t i o n u i l i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m u m t ss u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d u l e u n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s n e t w o r k i x 跟踪区标识列表 时分同步码分多址接入 时分双工 用户终端 协议测试规格语言 通用移动通信系统 u m t s 用户识别模块 u m t s 陆地无线接入 重庆邮电大学硕士论文 x 第一章绪论 第一章绪论 1 1t d l t e 研究背景与现状 移动通信技术的发展日新月异，不断革新，从1 9 7 8 年第一代模拟蜂窝网电话系 统的诞生，1 9 9 0 年第二代全数字通信技术全球移动通信系统g s m 开始投入使用， 到2 0 0 0 年第三代移动通信标准的制定，移动通信产业以史无前例的速度高速发展， 用户对移动通信业务的要求已经从单纯的语音业务扩展到多媒体业务，同时由于移 动用户数量的快速增长，频谱资源显得日趋紧张【l 】【2 1 。 l t e 是近几年来3 g p p 启动的最大的新技术研发项目，其目标是在相当程度上 推动3 g 技术的发展，并满足人们未来十年左右对于移动通信的技术要求。l t e 是 以o f d m 正交频分多址和m i m o 多输入多输出为核心技术，改进并增强了3 g 的空 中接入技术。 在信息技术领域，由于移动互联网迅速发展带来的无线数据流量的爆炸性增长， 产生了对宽带无线网络的巨大需求。在这种需求的驱动下，国际上以l t e 为主流的 移动通信网技术迅速发展。2 0 0 9 年，全球首张l t e 商用网推出。2 0 1 0 年，l t e 发 展势头全球迅速蔓延，在美国、日本、新加坡、俄罗斯、中国等国家不断扩展。2 0 1 2 年，全球l t e 网络用户将达到1 0 4 0 万，预计到2 0 1 4 年，l t e 网络用户将超过3 亿。 我国主导的新一代移动通信技术t d l t e ，于2 0 1 0 年1 0 月已经入选成为第四 代移动通信的国际标准，和f d d l t e 一起成为4 g 国际两大主流标准。t d l t e 是 在t d s c d m a 发展基础上研发的新一代移动通信技术，不仅具有技术先进性，与 国际最新移动通信同步发展，特别是其频率利用率高的特点，在目前频率资源普遍 短缺的情况下，更显突出。 2 0 1 0 年上海世博会、广州亚运会期间，t d l t e 的成功演示引起国际产业界的 高度关注和认可。丹麦、波兰的运营商已经签订t d l t e 商用网建设合同，印度多 个运营商已经发布t d l t e 商用计划，预计2 0 1 1 年将超过1 0 个国家和地区开始 t d l t e 商用部署。2 0 1 2 年底，将会有3 7 个t d l t e 网络投入商用。我国已决定在 北京、上海、广州、深圳、杭州、南京、厦门等7 个城市建设t d l t e 规模试验网。 当然，l t e 之所以能够高速发展，并非偶然。l t e 拥有经济规模大、相容性强、 速度快、升级方向明确、单位成本较低等五大有利条件。l t e 发展潜力巨大，国际 上以l t e 为主流的移动通信网的建设比预期提前几年启动。国际信息网络的这一趋 势，给我国主导的t d l t e 技术在国际上的应用，带来了新的机遇。 重庆邮电大学硕士论文 1 2t d l t e 技术演进目标 l t e 是一个高数据率、低时延和基于全分组的移动通信系统，具体演进目标主 要包括【3 1 4 l ： 1 数据率和频谱利用率 在数据率和频谱利用率方面，实现达到下行峰值速率1 0 0 m b s ，上行峰值速率 5 0m b s ：频谱利用率为h s p a 的2 4 倍，用户平均吞吐量为h s p a 的2 4 倍。为 保证3 g p pl t e 系统在频谱利用率方面的技术优势，主要通过多天线技术、自适应 调制与编码和基于信道质量的频率选择性调度实现。 2 频谱带宽配置 实现灵活的频谱带宽配置，支持1 2 5m h z 、1 6m h z 、2 5m h z 、5m h z 、1 0m h z 、 1 5m h z 和2 0m h z 的带宽设置，从技术上保证3 g p pl t e 系统可以使用第3 代移 动通信系统的频谱。 3 小区边缘传输速率 提高小区边缘传输速率，改善用户在小区边缘的体验，增强3 g p pl t e 系统的 覆盖性能，主要通过频分多址和小区间干扰抑制技术实现。 4 时延 提供低时延，使用户平面内部单向传输时延低于5 m s ，控制平面从睡眠状态到 激活状态的迁移时间低于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于1 0 0 m s ，以 增强对实时业务的支持。 5 多媒体广播和多播业务 进一步增强对多媒体广播和多播业务的支持，满足广播业务、多播业务和单播 业务融合的需求，主要通过物理层帧结构、层2 的信道结构和高层的无线资源管理 实现。 6 全分组的包交换 取消电路交换，采用基于全分组的包交换，从而提高系统频谱利用率。v 0 疋达 到u t r a n 电路域性能。 7 运维成本降低 整个网络架构扁平化，降低运维成本。 l t e 频谱利用率更高，同时可以提供更丰富、更个性化的业务，从长期来看， l t e 取代3 g 是必然的趋势。国内外各大移动通信公司都在如火如荼的研究l t e ， 因此我们对l t e 的研究是很必要的。 2 第一章绪论 1 3 论文研究内容和意义 1 3 1 论文研究内容 本论文主要对l t e 终端的移动管理过程做分析和研究，并在研究成果的基础上 对移动管理过程进行了设计和实现及测试验证。移动管理过程的主要功能是支持用 户的移动性管理，例如向网络注册、通知网络终端目前的位置和状态、与网络断开 连接。移动管理过程包括附着过程、跟踪区更新过程和分离过程。 附着过程 终端u e 在进行业务之前需要在网络端m m e 附着，在开机后的首次附着又称 为注册。通过附着过程，终端l i e 与网络端m m e 建立移动管理层e m m 的上下文， 与分组数据网关p d n 建立连接；m m e 为l i e 建立默认的e p s 承载，分配地址， 进而为用户提供“永远在线”的m 连接。而以前的t d 系统的附着过程中不会分配口 地址，需要在附着过程之后，l i e 通过激活p d p 上下文过程，请求为其分配p 地址。 跟踪区更新过程 跟踪区更新过程是l t e 终端协议栈中的一个重要过程，其目的是终端l i e 通知 网络端当前所在的位置和状态，可以分为：正常跟踪区更新和周期性跟踪区更新。 正常跟踪区更新是当终端检测到所在跟踪区发生变化且不在跟踪区列表t a i l i s t 内， u e 将发起正常跟踪区更新；周期性跟踪区更新是由终端的定时器t 3 4 1 2 超时触发 的。附着过程和跟踪区更新过程能否及时完成直接影响着终端工作的稳定性。 分离过程 分离过程是终端u e 与连接的分组数据网关p d n 断开连接，从而分离e p s 服 务的过程。终端关机、u s 口卡分离、附着过程和跟踪区更新过程拒绝的一些原因 都会触发终端发起分离过程。 1 3 2 论文研究意义 移动通信是在上世纪八十年代后期在全球范围内大规模发展起来的。到目前已 经经历了三代技术标准。在第一、第二和第三代移动通信发展的过程中，欧美在技 术方面一直处于主导地位。我国从1 9 8 7 年开始建设移动通信网络和提供移动通信服 务。在建设第一代网络时，设备供应几乎完全依赖从欧美企业进口。进入第二代移 动通信发展时期，我国的电信运营市场得到了快速的发展，网络规模和用户规模均 跃居世界第一。到了第三代移动通信发展时期，我国具有自主知识产权的 t d s c d m a 技术成为了3 g 国际标准之一，t d s c d m a 与欧美主导的3 g 技术同台 竞争，在技术上实现了突破。但是，由于起步较晚，产业基础薄弱，在技术和产品 3 重庆邮电大学硕士论文 成熟度上距国际领先水平仍有一定差距。 在新一代移动通信t d l t e 发展过程中，我国要借鉴第一、二、三代移动通信 发展的经验教训，统一认识，抢抓机遇，尽早进行规划布局，扩大和提升自主创新 技术的国际影响力，实现全球应用推广，要在同国外标准的竞争中占领制高点。 终端作为产业链上与用户最密切相关的一环，终端技术的发展是推动l t e 产业 走向市场的最重要因素。终端的发展直接影响着t d l t e 产业的发展。重邮信科通 信技术有限公司作为国内的终端研发企业，为了促进t d l t e 产业链的快速发展， 在业界较早展开了t d l t e 终端的研发工作，目前已完成了第一款t d l t e 终端通 信芯片设计和开发，我所参与开发的l t e 终端协议栈软件，经过开发部的s d l t t c n 协仿真测试和测试部的t t c n 板级集成测试，最后通过了中国工信部组织的l t e 移 动终端互操作性测试和一致性测试，证明了设计方案和实现方法与3 g p p 标准的一 致性和正确性，奠定了其在行业内的领先地位。 终端的移动管理过程的研发直接影响着终端的研发进度和稳定性，对l t e 系统 的成熟发展起着相当重要的作用，因此在毕业论文选题过程中选择了l t e 终端的移 动管理过程作为自己研究的题目。并希望此论文的成果能够为奋斗在l t e 产业化战 线上的战友提供有价值的借鉴，为l t e 事业的快速发展做出自己的贡献。 1 4 论文内容安排 本论文共分为六章，各章节内容安排如下： 第一章首先介绍了l t e 技术的研究背景、研究现状和论文的研究内容及意义。 第二章介绍了l t e 网络体系结构，各个网络节点的功能和l t e 终端协议栈的结 构及各模块的功能。 第三章对l t e 终端移动管理过程进行了协议深入研究，包括附着过程、跟踪区 更新过程和分离过程及其正常流程和各种异常流程。 第四章对l t e 终端移动管理过程在其协议分析的基础上进行设计与实现。首先 分析了通信协议软件设计思想与实现方法，包括状态机及其在n u c l u e sp l u s 操作系 统上的设计，终端协议栈层与层间的消息处理流程的设计；然后设计了移动管理实 体e m m 状态机及层间接口原语；最后设计了附着过程、跟踪区更新过程和分离过 程的正常流程和异常流程。 第五章对l t e 终端移动管理过程的设计方法进行了仿真与测试。首先介绍协议 测试工具s d l 和t t c n ，包括测试原理和测试模型，并设计了测试平台和测试流程。 在开发前期采用s d l t t c n 协仿真测试方法和开发后期采用t t c n 板级集成测试方 4 第一章绪论 法对附着过程和跟踪区更新过程进行测试，对测试生成的l o g ，m s c 图和数据流 进行分析，结果验证了设计的方案和实现方法与3 g p p 标准一致。 第六章总结了本论文所做的工作和贡献，并探讨了下一步的研究方向。 5 重庆邮电大学硕士论文 6 第二章t d l t e 终端协议栈的介绍 第二章t d l t e 终端协议栈的介绍 2 1t d l t e 网络体系结构及网元介绍 基于降低成本和低时延的要求，t d l t e 网络体系结构进行改进，减少节点数 目，取消电路交换，采用基于全分组的包交换，这将有效减少系统处理时间和系统 中的接口数量，从而减少呼叫等待时间，同时降低了成本。 l t e 系统由核心网e p c ( e v o l v e dp a c k e tc o r e ) 、接入网e u t r a n 和用户终端 u e3 部分组成。图2 1 是t d l t e 网络体系结构图【5 】【6 】，其中移动管理实体m m e 负 责信令平面；服务网关s - g w ( s a eg a t e w a y ) 和分组数据网关p g w ( p d ng a t e w a y ) 负责数据平面；e - u t r a n 负责接入网部分，也称e n o d e b ；u e 是指用户终端设备。 图2 1t d l t e 网络体系结构图 t d l t e 网络体系的各网络实体的主要功能如下描述。 1 ：e u t r a n e u t r a n 实体主要负责终端u e 和核心网e p c 之间的接入，主要包括以下功能： 一头压缩及用户平面加密。 一在无法根据u e 提供的信息路由到一个m m e 的情况下，选择一个合适的 删e 。 一基于u e a m b r 和m b r ，进行上行承载级别的速率调整。 一基于u e a m b r 进行下行承载级别的速率调整。 一上行和下行承载级准入控制。 一在上行链路中，进行数据包传送级标记，例如：基于q c i ，来设置d i f f s e r v 的编码点。 7 重庆邮电大学硕士论文 2 ：m m e 移动管理实体m m e 主要负责终端l i e 和核心网之间的信令连接，主要包括以下 功能： 一n a s 信令及其安全。 一跟踪区列表的管理。 一p g w 和s g w 的选择。 一发生跨m m e 切换时的m m e 选择。 一发生与2 g 3 g3 g p p 接入网之间切换时的s g s n 选择。 一鉴权。 一承载管理，包括专用承载的建立。 一3 g p p 不同接入网络的核心网络节点之间的移动性管理( 终结于s 3 节点) 。 一e c m i d l e 状态下的u e 可达性管理( 包括控制和寻呼重传) 。 一漫游控制( 提供到h s s 的s 6 a 接口) 。 一信令面的合法监听。 一告警信息传送功能( 包括选择合适的e _ n b ) 。 3 ：s g w 服务网关实体s - g w 主要负责终端的本地移动定位，是一个终止于e u t r a n 接口的网关。终端一次只能有一个s - g w 为之服务，所有的p 数据包都需要经过 s - g w 。主要包括以下功能： 一e n o d e b 间切换时，作为本地的移动定位。 一e n o d e b 间切换或r a t 间切换时，在路径转换后立即向源e n o d e b 、源s g s n 或源r n c 发送一个或多个“结束标记 来协助完成e n o d e b 的重排序功能。 一3 g p p 内不同接入技术之间的移动性锚点。 一在e c m i d l e 状态下，缓存下行数据，并能启动网络发起的业务请求流程。 一合法侦听。 一数据包的路由和前转。 一在上行和下行链路中，进行数据包传送级标记，例如：基于q c i 来设置不同 服务体系结构的编码点。 一根据用户和q c l 分类进行运营商间的计费。 一根据每个l i e ，p d n 和q c i 进行上行和下行链路的计费。 4 ：p g w 分组数据网关实体p d n 主要负责终端的地址分配，和数据包的过滤功能。如 果l i e 访问多个p d n ，u e 将对应一个或多个p - g w ，但是不能同时支持$ 5 $ 8 和 g n g p 接口。主要包括以下功能： 第二章t d l t e 终端协议栈的介绍 一基于用户的包过滤。 一合法侦听。 一u e 的p 地址分配。 一在上行和下行链路中，进行数据包传送级标记，例如，基于q c i ，来设置不 同服务体系结构的编码点。 一按照3 g p p2 3 2 0 3 要求，进行上、下行业务级别的计费，例如，基于p c e f 中定义的s d f 或者根据本地策略中定义的深度包检测等。 一根据3 g p p2 3 2 0 3 ，进行上、下行业务级别的门限控制。 一根据3 g p p2 3 2 0 3 ，进行上、下行业务级别的速率调整。 一基于a p n a m b r ，进行上、下行的速率调整。 一基于有相同g b rq c i 的所有s d f 的m b r 的总和，来进行下行速率调整。 一d h c p v 4 ( 服务器和客户端) 和d h c p 、，6 ( 服务器和客户端) 功能。 一根据3 g p p3 2 2 4 0 中定义的计费原则和参考点，跟在线计费系统和离线计费 系统进行通信。 一分组过滤。 5 ：h s s 本地用户服务器h s s 是用于存储用户签约信息的数据库，归属网络中可以包含 一个或多个h s s 。h s s 负责保存以下与用户相关的信息： 一 用户标识、编号和路由信息。 一 用户安全信息：用于鉴权、完整性保护和加密的安全信息。 一用户位置信息：h s s 支持用户注册，并存储系统间的位置信息。 一用户档案信息。 2 2t d l t e 终端协议栈的结构 图2 2 是t d l t e 终端协议栈的整体结构图，包括物理层p h y 、媒体控制层 m a c 、无线链路控制层r l c 、分组数据汇聚层p d c p 、无线资源控制层r r c 、移 动管理层e m m 、会话管理层e s m 、无线接入控制层r a b m ，应用层s p n 和人机 界面m m i 。根据作用可以分为控制平面协议栈和数据平面协议栈【，圳。 控制平面负责用户无线资源的管理、无线连接的建立、业务的q o s 保证和最终 的资源释放，主要由上层的无线资源控制r r c 层和非接入子层n a s 实现。这种结 构简化了控制平面从睡眠状态到激活状态的过程，使得迁移时间相应减少。无线资 源控制r r c 层位于接入层的最高层，对下面的p d c p 、r l c 、m a c 起着控制作用， 9 重庆邮电大学硕士论文 对无线资源进行管理和控制、接受非接入层的控制、透明传输非接入层信息等。n a s 功能包括s a e 无线承载管理、鉴权、a g w 和u e 间信令加密控制、用户面信令加 密控制和终端的移动性管理等。终端在数据传输之前首先要求控制平面上建立好链 图2 2t d l t e 终端协议栈的整体结构 数据平面主要是指终端l i e 和啪之间用户数据的传输。数据平面主要包括 p d c p , r l c ，m a c 层，其用于执行无线接入承载业务，主要负责用户发送和接收的 所有信息的处理、执行头压缩、调度、加密等功能。其中p d c p 主要任务是数据包 的头压缩和数据的加密及完整性保护。r l c 层的主要功能是支持确认模式a m 、非 确认模式u m 、透明模式t m 数据传输、数据切分和重组级联、s d u 的按序投递、 数据的重复检测、协议错误检测和恢复、a g w 和c n o d c b 间的流量控制、业务数据 1 0 第二章t d l t e 终端协议栈的介绍 单元s d u 丢弃。m a c 层主要用于逻辑信道和传输信道的映射、复用和解复用、数 据量测量、h a r q 功能、u e 内的优先级调度和u e 间的优先级调度、传输格式t f 选择、协议数据单元r l cp d u 的按序提交【l o 】【l l 】。 霎鏖坚皇盔堂堡主笙壅一 i _ - _ _ - - - _ - - _ i _ - _ - _ _ _ - - _ - _ - _ _ - - _ - _ - _ - _ 一一 1 2 第三章移动管理过程的协议研究 第三章移动管理过程的协议研究 移动管理过程的主要功能是支持终端的移动性管理，例如，终端向网络注册、 告知网络终端目前的位置和状态、与网络断开连接；进一步的功能是为会话管理 e s m 层提供连接管理服务。移动管理过程是针对终端的开机、移动、关机这一系列 的过程，与之对应的是附着过程、跟踪区更新过程过程和分离过程。 移动管理的过程可以分为一般过程和特殊过程。一般过程有g u t i 重分配过程、 鉴权过程、安全模式控制过程和身份认证过程。特殊过程有附着过程、跟踪区更新 过程过程和分离过程。一般过程往往伴随在特殊过程中发生。本文主要研究移动管 理的特殊过程。 3 1 附着过程的研究 终端l i e 在进行业务之前需要在网络端附着a t t a c h ，开机后的首次附着又称 为注册。通过附着过程，将完成如下工作：终端u e 与网络端m m e 之间建立移动 管理层e m m 的上下文；与分组数据网关p d n - g w 之间建立默认e p s 承载，并得 到一个p d n 地址即p 地址，进而为用户提供“永远在线”的p 连接【8 】。 3 1 1 终端和网络端总体交互流程 在终端的附着过程中，终端u e 和网络端m m e 之间的交互流程如下【9 】【1 2 】： 1 u e 发起附着请求a t t a c hr e q u e s t 消息给e n b ，参数包含：网络标识、 i m s i 或上次网络分配的g u t i 、t a i 、u e 网络能力、p d n 类型和协议配置选项p c o 等。 2 e n b 将u e 的附着请求消息转发给m m e 。 3 如果网络中不存在u e 上下文，或者第一步的附着请求消息没有完整性保护 或加密、或者完整性检查失败，则身份认证过程和鉴权加密过程将强制进行。在该 步骤之后，所有e m m 消息将进行完整性保护和加密保护。 4 如果这是第一次附着，或上一次分离之后m m e 发生改变，则m m e 发送位 置更新请求给本地用户服务器h s s ，参数包括：m m ei d e n t i t y 、i m s i 、u p d a t et y p e ， 其中u p d a t et y p e 指示了这是一个附着过程。 重庆邮电大学硕士论文 1 a t t a c hr e q u e 叱 2 a t t a c j lr e q u e s t 。 3 a u t h e n t i c a t i o n ，：；e c u d t y 3 a u t h e n t i c a t i o n 删n 婶 4 u p d a t el o c a t i o nr e q略蚍 5 u p d a t el o c a t i o na c l 6 c r e a t ed e f a u l tb e 8 哩r e q u e s t 7 c r e a t ed e f a u l tb e a 惶r e q u e s t 8 p c e fs e s s i o n 。9 c 他a 协d e f a u l tb e a r e rr e s p o n s e j o c r e a t ed e f a u l tb e a r ( rr e s o o f t s e 1 a t