LTE系統中PDN連接過程的建立與實現*

劉 毅，王 瓊

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065）

責任編輯:孫 卓

1 引言

面對高速的數據傳輸，LTE系統取消了低速率CS域，僅由PS域構成，數據傳輸實現了全IP化。作為在UE和一個PLMN外部包數據網絡（PDN）之間實現IP連接的PDN連接業務成為數據傳輸的必要手段，其目的是建立默認承載。LTE系統通過引入默認承載的概念，同時在開機注冊（Attach過程）時伴隨PDN連接的建立，從而實現“永久在線”，使用戶在體驗高速上網的同時，保證信息的實時性[1-2]。筆者對Attach過程中的PDN連接過程以及默認承載的建立流程與實現進行了討論。

2 LTE協議棧總體結構

根據3GPP協議中對LTE協議棧層次結構的描述，可以將LTE系統終端協議棧劃分為如圖1所示的結構[3-4]。

對于PDN連接過程的處理，主要由NAS層的ESM（EPS Session Management）模塊完成[5]。由圖 1 可知，與ESM相關的模塊包括EMM，RABM和SPVESM。其中，EMM主要為PS域提供移動性管理服務，同時為ESM提供連接管理服務；RABM主要負責EPS承載上下文和DRB之間的映射關系，將SPVCOM傳來的數據傳輸到PDCP；SPVESM是負責與ESM通信的SPV子模塊，主要判斷承載是否可以建立。

圖1 LTE系統終端協議層結構

接入層主要負責與接入相關的操作。其中，RRC主要完成無線資源的管理和控制功能；PDCP是一個多實例的模塊，主要對IP數據進行加解密以及對數據進行壓縮和解壓縮；RLC主要是對數據鏈路的控制，完成對數據的重組；MAC完成邏輯信道和傳輸信道之間的映射，是數據的復用和去復用[4]。

由于ESM模塊是多實例的，如果整體考慮，會造成實例管理混亂。為更好地管理每一個ESM實例，筆者設計了一個CMC模塊，它負責將發送到ESM模塊的信號中轉到相應的實例，同時實現多個實例的創建、修改和刪除，其結構如圖2所示。

3 PDN連接建立過程的設計

開機注冊是一個復雜的過程，包含很多子過程，比如在注冊過程中包含鑒權、用戶身份驗證和安全模式控制等過程，用以驗證用戶的合法性、為用戶提供加密等。PDN連接建立過程是其中重要的過程，在連接建立過程期間，還伴有網絡為終端分配無線承載資源等行為。

3.1 ESM過程地址處理原則

由于ESM模塊是多實例的，因而正確地將消息發送給對應的實例是十分重要的。ESM過程的地址處理主要由PTI和EBI兩個參數完成，當SSM發送SMREG_EPS_ACTIVATE_REQ原語給CMC時，CMC分配PTI作為當前ESM實例的區分。當收到ACTIVATE DEFAULT EPS BEARER CONTEXT REQUET消息（此消息包含PTI和EBI值）后，CMC依據PTI值將消息發送給PTI對應的實例，之后PTI值無效，ESM實例會刪除這個PTI值，使CMC可以再次分配此PTI值給別的過程，此時EBI值有效，且在PDN去連接之前唯一地標識這個實例，并且之后與此ESM實例相關的過程，都用EBI來標識。具體處理方式如圖3所示。

圖3 ESM過程地址處理原則

其中，a和e表示具體的值，unassigned表示不存在值，用默認值0表示。

3.2 PDN連接建立過程的設計

開機附著時注冊到PLMN，應用層會發消息給EMM，通知其發起Attach過程。此時SPVESM通過SMREG_EPS_ACTIVATE_REQ消息指示ESM發起PDN連接過程。消息首先發送到CMC，CMC會建立ESM實例，然后將消息轉發到這個ESM實例，同時CMC會為此ESM實例分配PTI。ESM通過EMMESM_ESTABLISH_REQ將PDN CONNECTIVITY REQUEST消息發送給EMM，消息中指明UE對IP版本的能力要求（PDN Type）。EMM在收到開機信號后將完成讀USIM卡、搜網等操作，之后將PDN CONNECTIVITY REQUEST消息作為一個IE（Information Element）添加到 ATTACH REQUEST消息中，發送給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，通過下層發送到網絡，等待網絡的響應。由于這個過程是伴隨Attach過程一塊進行的，因此ESM模塊不開啟定時器，所有的定時操作都由EMM控制。

RRC收到網絡發來的RRCConnectionReconfiguration后，將radioResourceConfigDedicated IE中 DRB與EBI的映射關系通知RABM，同時將dedicatedInfoNASList中的內容拆分成多條NAS消息，逐條發送給EMM。當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）發送給CMC，CMC根據PTI值將消息轉發到相應的實例，此后PTI值失效，CMC會用EBI值唯一標識這個實例。ESM解析其中的QoS，APN，PDN address（即IP地址）等參數，詢問SPVESM當前默認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承載建立）后，ESM通知RABM默認EPS承載上下文已經建立，同時回復網絡ACTIVATE DEFAULT EPS BEARER CONTEXT ACCEPT。最后，ESM發送SMREG_EPS_ACTIVATE_CNF給SPVESM。至此，整個過程完成[6-7]。消息流程如圖4所示。

4 PDN連接建立過程的仿真

為驗證方案的可行性，筆者利用Telelogic AB公司的TTCN Suites測試工具對PDN連接建立過程進行了仿真，其MSC圖如圖5所示[8-9]。

收到網絡的Attach Request消息，UE回復網絡Attach Complete。其數據完全符合3GPP 24301協議中對消息結構的規定，與筆者的設計方案完全相同，實現了PDN連接過程的功能。

圖4 Attach過程中的PDN連接過程

5 小結

LTE系統是將移動通信與寬帶無線接入技術相融合，采用新的基于全IP的PS域，逐步趨近于典型的IP寬帶網結構。同時由于希望更好地實現 “永久在線”，在QoS中引入默認承載等新概念[10-11]。PDN連接過程是UE接入IP網絡的首要過程，也是UE進行注冊必備的過程，它的成功與否直接關系到UE是否正常運行。筆者對PDN連接過程作了詳細的闡述，而要使UE進行數據傳輸，還需要承載資源分配等過程的支持，這將是以后研究的重點。

[1]張克平.LTE-B3G/4G移動通信系統無線技術[M].北京:電子工業出版社，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.

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[10]沈嘉，索士強，全海洋,等.3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統設計[M].北京:人民郵電出版社，2008.

[11]黃韜，劉韻潔，張智江，等.LTE/SAE移動通信網絡技術[M].北京:人民郵電出版社，2009.