Регистрация в сети LTE (UE Attach)

В начале работы мобильная станция (МС) должна выполнить регистрацию в сети для того, чтобы получить возможность пользоваться различными сервисами (в том числе и обмениваться данными). В рамках процедуры подключения к сети также создается соединение, сконфигуренное по умочанию, и устанавливается прямое IP соединение с PDN шлюзом.

Перед регистрацией в EPC мобильная станция должна "подружиться" с базовой станцией (БС). Данная процедура называется созданием RRC соединения (RRC Connection Establishment) и сопровождается изменением состояния МС с RRC_IDLE на RRC_CONNECTED. В начале этой процедуры МС осуществляет синхронизацию с БС, используя первичный и вторичный сигналы синхронизации (PSS и SSS). После синхронизации МС слушает канал PBCH (Physical Broadcast Channel), в котором передается MIB (Master Information Block), где указываются основные характеристики сети (ширина канала, текущий номер кадра и формат PHICH канала).

После этого МС может принимать каналы PDCCH (перед этим необходимо принять канал PCFICH - Physical Control Format Indicator Channel) и PDSCH (Physical Downlink Shared Channel). По каналу PDSCH передаются блоки системной информации (SIB - System Information Block). МС необходимо прочитать блоки системной информации SIB 1 и SIB 2 для того, чтобы выполнить процедуру случайного доступа (RA - Random Access). Процедура случайного доступа будет подробно описана в отдельной статье. Тут же отметим, что с помощью данной процедуры МС сообщает о себе БС. В конце процедуры случайного доступа БС выделяет МС идентификатор, который называется C-RNTI (Cell Radio Network Temporary Identifier).

Установку RRC соединения можно разделить на три этапа. На первом этапе МС отправляет сообщение 'RRC Connection Request'. Выделение ресурса (аллокация) для передачи этого сообщения происходит в сообщении 'Random Access Response', которое БС отправляет МС в ответ на случайную преамбулу. Так как в момент передачи сообщения 'RRC Connection Request' сигнальное соединение SRB1 (Signal Radio Bearer 1) и выделенный канал управления DCCH (Dedicated Control Channel) не созданы, то это сообщение передается по сигнальному соединению SRB0 и логическому каналу CCCH (Common Control Channel). В сообщении 'RRC Connection Request' передаются два поля: UE Identity и Establishment Cause. В поле UE Identity передается S-TMSI (SAE Temporary Mobile Subscriber Identity), если МС уже зарегистрирована в зоне слежения (Tracking Area), к которой относится текущий сектор. Если же МС не зарегистрирована, то она выбирает случайное число от 0 до 2⁴⁰ - 1 и передает его. Значение поля Establishment Cause зависит от процедуры Non-Access Stratum (NAS), для которой выпоняется создание соединения. Соответствие значения этого поля и процедур NAS определено в документе 3GPP TS 24.301.

После отправки сообщения 'RRC Connection Request' МС запускает таймер Т300 (его значение сообщается в SIB2 и может принимать следующие величины: 100, 200, 300, 400, 600, 1000, 1500, 2000 мс). В LTE не предусмотрено повторных передач сообщения 'RRC Connection Request'. Поэтому, если таймер Т300 истекает до получения ответа от БС, то процедура завершается с ошибкой. При отправке сообщения 'RRC Connection Request' может возникнуть коллизия (когда две или более МС выберут одну и ту же RACH преамбулу для передачи в одном и том же подкадре). В этом случае, МС будет повторно передавать сначала RACH преамбулу, а потом и сообщение 'RRC Connection Request'. Из-за чего общее время создания соединения может увеличиться.

После успешной передачи сообщения 'RRC Connection Request' мобильной станцией, БС передает сообщение 'RRC Connection Setup'. Так как МС уже успешно завершила процедуру случайного доступа, ей уже выделен идентификатор C-RNTI. Поэтому МС принимает канал PDCCH (Physical Downlink Control Channel) и ищет выделение ресурсов, адресованное ее C-RNTI. После этого МС принимает сообщение 'RRC Connection Setup', которое передается по сигнальному соединению SRB0, логическому каналу CCCH (Common Control Channel) и физическому каналу PDSCH (Physical Downlink Shared Channel). В этом сообщении передается конфигурация для сигнального соединения SRB1. После этого соединение SRB1 может использоваться для передачи управляющей информации. Напомним, что соединение SRB1 на логическом уровне использует канал DCCH (Dedicated Control Channel). В сообщении 'RRC Connection Setup' не передается конфигурация соединения SRB2, так как это соединение настраивается после активации защиты передачи информации. Соединение SRB2 имеет более низний приоритет (3), чем соединение SRB1 (1). При этом, оба соединения используют режим передачи с подтверждениями на уровне RLC. Соединение SRB1 может быть сконфигурено либо по умолчанию, либо с некоторыми специальными настройками. Конфигурацию по умолчанию можно найти в документе 3GPP TS 36.331.

В сообщении 'RRC Connection Setup' так же может передаваться конфигурация для таких физических каналов, как PDSCH, PUCCH и PUSCH. Кроме этого, информация о контроле мощности при восходящей передаче, измерениях (CQI reporting и SRS - Sounding Reference Signal), конфигурация антенн и запросы на предоставление ресурсов. Как только МС принимает сообщение 'RRC Connection Setup', она останавливает таймер T300 и изменяет свое состояние на 'RRC Connected'. Процедура завершается передачей сообщения 'RRC Connection Setup Complete' от МС к БС. В этом сообщении передается выбранный МС идентификатор сети PLMN (если более точно, то передается не само значение PLMN, а порядковый номер PLMN, под которым PLMN передавался в списке в блоке системной информации SIB1), к которой она подсоединяется. Если информация об MME уже доступна, то она также будет передаваться в сообщении 'RRC Connection Setup Complete'. Информация об MME заключается в значении глабального идентификатора MME - GUMMEI (Globally Unique MME Identity).

МС в сообщение 'RRC Connection Setup Complete' также включает начальное сообщение NAS (Non-Access Stratum). В качестве таких сообщений могут выступать следующие: Attach, Detach, Tracking Area Update, Service Request и Extended Service Request. В случае процедуры подключения к сети МС включает сообщение 'Attach Request' в сообщение 'RRC Connection Setup Complete'. БС достает это сообщение и передает его на MME.

В таблице ниже приводится содержание сообщения 'Attach Request'. Первые три поля представляют заголовок сообщения. Первое поле указывает, что это сообщение относится классу управления мобильностью - EPS Mobility Management (подробнее см. 3GPP TS 24.007). Второе поле заголовка содержит информацию о том, зашифровано и имеет ли сообщение защиту целостности. И последнее поле из заголовка информирует, что это сообщение 'Attach Request'.



В первом поле из тела сообщения - 'EPS Attach Request' указывается тип регистрации. Может быть одно из следующих двух значений: 'EPS Attach' и 'Combined EPS/IMSI Attach'. Первое значение свидетельствует о том, что МС после регистрации сможет использовать только EPS сервисы (по сути сервисы предоставляемые LTE сетью). А второе значение - что МС может также пользоваться и не EPS сервисами (например, голосовые сервисы). Значение поля 'NAS Key Set Identifier' не релевантно, так как в момент передачи сообщения 'Attach Request' защита данных еще не включена.

В поле 'Old GUTI or IMSI' передается предыдущий идентификатор МС в сети. Предыдущее значение идентификатора IMSI передается в том случае, если предыдущее значение идентификатора GUTI больше не доступно. В следующем поле сообщения - 'UE Network Capability' передается информация о том, какие алгоритмы шифрования и обеспечения целостности поддерживаются МС. Также тут указывается имеется ли поддержка функциональности SRVCC (Single Radio Voice Call Continuity, один из механизмов предоставления голосового сервиса в сетях LTE) на МС.

Поле 'ESM Message Container' используется для того, чтобы передать сообщение 'PDN Connectivity Request', которое является еще одним NAS сообщением. Содержание этого сообщения приводится в следующей таблице.



Первые четыре элемента этого сообщения формируют его заголовок. В первом поле передается информация о том, что данное сообщение относится к управлению соединениями - EPS Session Management.

Тело сообщения начинается с поля 'Request Type', в которое может принимать одно из следующих двух значений: 'Initial Request' или 'Handover'. Значение 'Handover' используется в тех случаях, когда МС переходит в сети LTE из других сетей. В следующем поле сообщения 'PDN Type' передается информация о том, какие версии протокола IP поддерживаются МС (возможные значения: IPv4, IPv6, IPv4v6).

Необязательное поле 'ESM Information Transfer Flag' используется в том случае, когда у МС есть конфигурация, при передаче которой должна быть обеспечена защита целостности информации (например, МС хочет передать значение APN - Access Point Name. Однако, значение этого поля не передается если сообщение 'PDN Connectivity Request' включается в сообщение 'Attach Request' из-за соображений безопастности).

После отправки сообщения 'Attach Request' МС запускает таймер T3410. Значение этого таймера составляет 15 секунд. Если таймер истечет раньше, чем МС получит ответ от MME, то текущая попытка регистрации считается неуспешной и счетчик количества попыток увеличивается на 1. После этого, если счетчик попыток меньше, чем 5, то МС запускает таймер T3411. Значение таймера T3411 составляет 10 секунд. Как только этот таймер истечет, МС повторяет посылку сообщения 'Attach Request'. Если же значение счетчика попыток больше 5, то МС запускает таймер T3402 и сбрасывает значение GUTI, TAI и список PLMN. Значение по умолчанию таймера T3402 составляет 12 минут. Это значение может быть изменено с помощью сообщений 'Attach Accept' или 'Tracking Area Update Accept'. Значение, передаваемое в этих сообщениях актуально только для тех областей слежения (Tracking Area), которые указаны в сообщении. Процедура регистрации начинается снова, как только таймер T3402 истечет.

Когда БС получает сообщение 'RRC Connection Setup Complete', она достает оттуда сообщение 'Attach Request' и отправляет его по интерфейсу S1-AP (S1 Application Protocol) на MME в сообщении 'Initial UE Message'. Также в это сообщение включаются следующие поля: идентификатор зоны слежения (TAI - Tracking Area Identity), идентификатор сектора (CGI - Cell Global Identity). И еще может быть включен S-TMSI. После приема сообщения 'Attach Request', MME необходимо определить IMSI для МС. Значение этого идентификатора может быть включено в сообщение 'Attach Request'. Однако, если МС указала предыдущее значение GUTI (Old GUTI) вместо IMSI, то MME использует предыдущее значение GUTI для того, чтобы выяснить значение идентификатора IMSI. Для этого MME может связываться с другим MME, на котором последний раз была зарегистрирована МС. Или отправить запрос ('Identity Request') МС, если предыдущая процедура не позволила определить значение IMSI. После определения IMSI, MME выполняет аутентификацию (выполняется с помощью узла EIR - Equipment Identity Register) и настройку защиты сообщений NAS (шифрование и защита целостности).

Если МС передавала поле 'ESM Information Transfer Flag' в сообщении 'PDN Connectivity Request', то MME запускает процедуру по получению значения APN (Access Point Name) и ее настроек. Эта процедура начинается с сообщения 'ESM Information Request', отправляемое с MME. Данное сообщение состоит только из заголовка. В ответ МС отправляет сообщение 'ESM Information Response', в котором передается APN и ее параметры (могут передаваться логин и пароль). Если МС не включила поле 'ESM Information Transfer Flag' в сообщении 'PDN Connectivity Request', то будет использована APN по умолчанию.

После определения APN, которая будет использоваться для МС, MME отправляет сообщение 'Create Session Request' на S-GW (Serving Gateway). Это сообщение относится к GTP протоколу (а точнее к GTPv2-C - GTP Control Plane) и описывается в документе 3GPP TS 29.274. Получив это сообщение, S-GW создает у себя в таблице EPS соединений новую запись и отправляет сообщение 'Create Session Request' дальше к P-GW (PDN Gateway). P-GW создает новый контекст EPS соединения. После этого, P-GW отправляет на S-GW сообщение 'Create Session Response', в котором передается выделенный P-GW IP адрес для МС. S-GW переправляет это сообщение на узел MME, который запускает процедуру установления контрольного соединения с БС для конкретной МС (S1-AP Initial Context Setup). Эта процедура начинается с отправки сообщения 'Initial Context Setup Request' на БС. В этом сообщении передаются:

• общее ограничение на суммарную скорость передачи всех non-GBR соединений МС (UE-AMBR - UE Aggregate Maximum Bit Rate)
• параметры качества обслуживания (QCI, ARP, GRB, MBR)
• IP адрес МС (поле 'Transport Layer Address'), который используется для передачи пользовательских данных между БС и S-GW
• идентификатор туннеля (TEID - GTP Tunnel Endpoint Identifier)
• сообщение 'Attach Accept' (поле 'NAS PDU')

И другие параметры (более подробно см. 3GPP TS 36.413).

После отправки сообщения 'Attach Accept' MME запускает таймер T3450. Значение этого таймера равно 6 секундам. Если до истечения этого таймера MME не получил ответ от МС, то посылка сообщения 'Attach Accept' повторяется. Всего посылка этого сообщения может быть повторена 4 раза. Ниже в таблице приводится содержание сообщения 'Attach Accept'.



Первые три поля представляют заголовок сообщение. Следующее поле - 'EPS Attach Result' сообщает тип регистрации ('EPS Only' или 'Combined EPS/IMSI'). Затем передается значение таймера T3412, который определяет периодичность процедуры обновления зоны слежения (TAU - Tracking Area Update). Максимальное значение этого таймера может составлять 186 минут. В следующем поле - 'TAI List' передается список идентификаторов зон слежения (TAI - Tracking Area Identity), в которых зарегистрирована МС. Если МС перемещается в зону, которая относится к другой зоне слежения, не включенной в этот список, то МС должна выполнить процедуру TAU.

Поле 'ESM Message Container' используется для того, чтобы передать сообщение 'Activate Default EPS Bearer Context Request'. В этом сообщении передаются параметры соединения по умолчанию (такие, как качество обслуживания, APN и т.д.). БС достает сообщение 'Attach Accept' из сообщения 'Initial Context Setup Request' и передает его МС в сообщении 'RRC Connection Reconfiguration'. В ответ МС отправляет сообщение 'RRC Connection Reconfiguration Complete'. Так как МС в это сообщение не может включить сообщение 'Attach Complete', она передает его отдельно. БС завершает процедуру S1-AP Initial Context Setup отправкой сообщения 'Initial Context Setup Response' на MME.

В сообщении 'Attach Complete' также передается сообщение 'Activate Default EPS Bearer Context Accept'. Как только БС получает оба сообщения 'Initial Context Response' и 'Attach Accept', она отправляет сообщение 'Modify Bearer Request' на S-GW. В этом сообщение передается адрес для нисходящих данных и идентификатор туннеля (GTP TEID). Эти параметры берутся из сообщения 'S1-AP Initial Context Setup Response'. В свою очередь, S-GW отправляет сообщение 'Modify Bearer Response' на MME, которое носит цель подтверждения. На этом процедура заканчивается.





Если вы не нашли интересующую вас информацию по LTE/LTE-A в этой статье, напишите мне об этом письмо на alexey.anisimov86@gmail.com. Я постараюсь ее добавить в кратчайшие сроки.