劉 毅，王 瓊

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

責(zé)任編輯:孫 卓

1 引言

面對(duì)高速的數(shù)據(jù)傳輸，LTE系統(tǒng)取消了低速率CS域，僅由PS域構(gòu)成，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)了全I(xiàn)P化。作為在UE和一個(gè)PLMN外部包數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（PDN）之間實(shí)現(xiàn)IP連接的PDN連接業(yè)務(wù)成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋匾侄危淠康氖墙⒛J(rèn)承載。LTE系統(tǒng)通過(guò)引入默認(rèn)承載的概念，同時(shí)在開(kāi)機(jī)注冊(cè)（Attach過(guò)程）時(shí)伴隨PDN連接的建立，從而實(shí)現(xiàn)“永久在線”，使用戶在體驗(yàn)高速上網(wǎng)的同時(shí)，保證信息的實(shí)時(shí)性[1-2]。筆者對(duì)Attach過(guò)程中的PDN連接過(guò)程以及默認(rèn)承載的建立流程與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了討論。

2 LTE協(xié)議棧總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)3GPP協(xié)議中對(duì)LTE協(xié)議棧層次結(jié)構(gòu)的描述，可以將LTE系統(tǒng)終端協(xié)議棧劃分為如圖1所示的結(jié)構(gòu)[3-4]。

對(duì)于PDN連接過(guò)程的處理，主要由NAS層的ESM（EPS Session Management）模塊完成[5]。由圖 1 可知，與ESM相關(guān)的模塊包括EMM，RABM和SPVESM。其中，EMM主要為PS域提供移動(dòng)性管理服務(wù)，同時(shí)為ESM提供連接管理服務(wù)；RABM主要負(fù)責(zé)EPS承載上下文和DRB之間的映射關(guān)系，將SPVCOM傳來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇DCP；SPVESM是負(fù)責(zé)與ESM通信的SPV子模塊，主要判斷承載是否可以建立。

圖1 LTE系統(tǒng)終端協(xié)議層結(jié)構(gòu)

接入層主要負(fù)責(zé)與接入相關(guān)的操作。其中，RRC主要完成無(wú)線資源的管理和控制功能；PDCP是一個(gè)多實(shí)例的模塊，主要對(duì)IP數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和解壓縮；RLC主要是對(duì)數(shù)據(jù)鏈路的控制，完成對(duì)數(shù)據(jù)的重組；MAC完成邏輯信道和傳輸信道之間的映射，是數(shù)據(jù)的復(fù)用和去復(fù)用[4]。

由于ESM模塊是多實(shí)例的，如果整體考慮，會(huì)造成實(shí)例管理混亂。為更好地管理每一個(gè)ESM實(shí)例，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)CMC模塊，它負(fù)責(zé)將發(fā)送到ESM模塊的信號(hào)中轉(zhuǎn)到相應(yīng)的實(shí)例，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)實(shí)例的創(chuàng)建、修改和刪除，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 PDN連接建立過(guò)程的設(shè)計(jì)

開(kāi)機(jī)注冊(cè)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包含很多子過(guò)程，比如在注冊(cè)過(guò)程中包含鑒權(quán)、用戶身份驗(yàn)證和安全模式控制等過(guò)程，用以驗(yàn)證用戶的合法性、為用戶提供加密等。PDN連接建立過(guò)程是其中重要的過(guò)程，在連接建立過(guò)程期間，還伴有網(wǎng)絡(luò)為終端分配無(wú)線承載資源等行為。

3.1 ESM過(guò)程地址處理原則

由于ESM模塊是多實(shí)例的，因而正確地將消息發(fā)送給對(duì)應(yīng)的實(shí)例是十分重要的。ESM過(guò)程的地址處理主要由PTI和EBI兩個(gè)參數(shù)完成，當(dāng)SSM發(fā)送SMREG_EPS_ACTIVATE_REQ原語(yǔ)給CMC時(shí)，CMC分配PTI作為當(dāng)前ESM實(shí)例的區(qū)分。當(dāng)收到ACTIVATE DEFAULT EPS BEARER CONTEXT REQUET消息（此消息包含PTI和EBI值）后，CMC依據(jù)PTI值將消息發(fā)送給PTI對(duì)應(yīng)的實(shí)例，之后PTI值無(wú)效，ESM實(shí)例會(huì)刪除這個(gè)PTI值，使CMC可以再次分配此PTI值給別的過(guò)程，此時(shí)EBI值有效，且在PDN去連接之前唯一地標(biāo)識(shí)這個(gè)實(shí)例，并且之后與此ESM實(shí)例相關(guān)的過(guò)程，都用EBI來(lái)標(biāo)識(shí)。具體處理方式如圖3所示。

圖3 ESM過(guò)程地址處理原則

其中，a和e表示具體的值，unassigned表示不存在值，用默認(rèn)值0表示。

3.2 PDN連接建立過(guò)程的設(shè)計(jì)

開(kāi)機(jī)附著時(shí)注冊(cè)到PLMN，應(yīng)用層會(huì)發(fā)消息給EMM，通知其發(fā)起Attach過(guò)程。此時(shí)SPVESM通過(guò)SMREG_EPS_ACTIVATE_REQ消息指示ESM發(fā)起PDN連接過(guò)程。消息首先發(fā)送到CMC，CMC會(huì)建立ESM實(shí)例，然后將消息轉(zhuǎn)發(fā)到這個(gè)ESM實(shí)例，同時(shí)CMC會(huì)為此ESM實(shí)例分配PTI。ESM通過(guò)EMMESM_ESTABLISH_REQ將PDN CONNECTIVITY REQUEST消息發(fā)送給EMM，消息中指明UE對(duì)IP版本的能力要求（PDN Type）。EMM在收到開(kāi)機(jī)信號(hào)后將完成讀USIM卡、搜網(wǎng)等操作，之后將PDN CONNECTIVITY REQUEST消息作為一個(gè)IE（Information Element）添加到 ATTACH REQUEST消息中，發(fā)送給RRC。為了盡可能地避免因信令交互造成的通信速率降低，RRC將ATTACH REQUEST消息整合到RRCConnectionSetupComplete消息中，通過(guò)下層發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，等待網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)。由于這個(gè)過(guò)程是伴隨Attach過(guò)程一塊進(jìn)行的，因此ESM模塊不開(kāi)啟定時(shí)器，所有的定時(shí)操作都由EMM控制。

RRC收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的RRCConnectionReconfiguration后，將radioResourceConfigDedicated IE中 DRB與EBI的映射關(guān)系通知RABM，同時(shí)將dedicatedInfoNASList中的內(nèi)容拆分成多條NAS消息，逐條發(fā)送給EMM。當(dāng)EMM收到ATTACH ACCEPT消息后將消息的ESM message container IE（即 ACTIVATE DEFAULT EPS BEARER CONTEXT REQUEST消息）發(fā)送給CMC，CMC根據(jù)PTI值將消息轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的實(shí)例，此后PTI值失效，CMC會(huì)用EBI值唯一標(biāo)識(shí)這個(gè)實(shí)例。ESM解析其中的QoS，APN，PDN address（即IP地址）等參數(shù)，詢問(wèn)SPVESM當(dāng)前默認(rèn)EPS承載是否能夠建立。收到SPVESM的SMREG_EPS_ACTIVATE_RSP（此消息表明上層同意默認(rèn)承載建立）后，ESM通知RABM默認(rèn)EPS承載上下文已經(jīng)建立，同時(shí)回復(fù)網(wǎng)絡(luò)ACTIVATE DEFAULT EPS BEARER CONTEXT ACCEPT。最后，ESM發(fā)送SMREG_EPS_ACTIVATE_CNF給SPVESM。至此，整個(gè)過(guò)程完成[6-7]。消息流程如圖4所示。

4 PDN連接建立過(guò)程的仿真

為驗(yàn)證方案的可行性，筆者利用Telelogic AB公司的TTCN Suites測(cè)試工具對(duì)PDN連接建立過(guò)程進(jìn)行了仿真，其MSC圖如圖5所示[8-9]。

收到網(wǎng)絡(luò)的Attach Request消息，UE回復(fù)網(wǎng)絡(luò)Attach Complete。其數(shù)據(jù)完全符合3GPP 24301協(xié)議中對(duì)消息結(jié)構(gòu)的規(guī)定，與筆者的設(shè)計(jì)方案完全相同，實(shí)現(xiàn)了PDN連接過(guò)程的功能。

圖4 Attach過(guò)程中的PDN連接過(guò)程

5 小結(jié)

LTE系統(tǒng)是將移動(dòng)通信與寬帶無(wú)線接入技術(shù)相融合，采用新的基于全I(xiàn)P的PS域，逐步趨近于典型的IP寬帶網(wǎng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)由于希望更好地實(shí)現(xiàn) “永久在線”，在QoS中引入默認(rèn)承載等新概念[10-11]。PDN連接過(guò)程是UE接入IP網(wǎng)絡(luò)的首要過(guò)程，也是UE進(jìn)行注冊(cè)必備的過(guò)程，它的成功與否直接關(guān)系到UE是否正常運(yùn)行。筆者對(duì)PDN連接過(guò)程作了詳細(xì)的闡述，而要使UE進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，還需要承載資源分配等過(guò)程的支持，這將是以后研究的重點(diǎn)。

[1]張克平.LTE-B3G/4G移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[2]ITU-T Q.784 TTCN version of Recommendation[EB/OL].[2010-05-10].http://59.64.144.8/itut/product/..%5Crec%5CQ%5CT-REC-Q.784-199303-I!AnnA!PDF-E.pdf.

[3]3GPP TS 24.007 V8.2.0，Technicalspecification group core network and terminals；mobile radio interface signaling layer 3[S].2009.

[4]3GPP TS 36.300 V8.10.0，Technical specification group radio access network；Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network（E-UTRAN）；overall description[S].2009.

[5]3GPP TS 24.301 V8.3.0，Technical specification group core network and terminals；Non-Access-Stratum （NAS）protocol for Evolved Packet System （EPS）[S].2009.

[6]3GPPTS 23.401 V8.6.0，Technicalspecification group servicesand system aspects； General Packet Radio Service （GPRS）enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）access[S].2009.

[7]3GPP TS 24.008 V8.7.0，Technical specification group core network and terminals；mobile radio interface layer3 specification；core network protocols[S].2009.

[8]3GPP TS 36.523 V8.3.2，Technical specification group radio access network； Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）and Evolved Packet Core（EPC）； User Equipment （UE）conformance specification[S].2009.

[9]3GPP TS 36.508 V8.3.0，Technical specification group radio access network； Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）and Evolved Packet Core （EPC）； common test environments for User Equipment（UE）conformance testing[S].2009.

[10]沈嘉，索士強(qiáng)，全海洋,等.3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社，2008.

[11]黃韜，劉韻潔，張智江，等.LTE/SAE移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社，2009.