LTE系統ATTACH過程中PDN連接建立的研究與設計

彭大芹，馬 鳳

(重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065)

責任編輯:許 盈

為了滿足用戶不斷增強的移動寬帶和高數據率的需求，3GPP開始了通用移動通信系統(Universal Mobile Tele communications System，UMTS)技術的長期演進(LongTermEvolution，LTE)項目。LTE系統取消了電路交換域(Circuit Switched，CS)，采用了全因特網協議(Internet Protocol，IP)的扁平化網絡架構，為了確保演進的分組系統(EvolvedPacket System，EPS)充分發揮自身的技術優勢，LTE引入多種承載及處理機制;為實現用戶設備(User Equipment，UE)的永遠在線，LTE系統在開機附著(ATTACH)過程中伴隨著PDN的建立，保證了信息的實時性［1－2］。本文對ATTACH過程中PDN連接建立過程進行了詳細設計，設計避免了資源的浪費，并且實現了LTE終端在開機過程和出現異常時增強移動管理(EPSMobilityManagement，EMM)模塊和增強會話管理(EPS SessionManagement，ESM)模塊間交互流程的統一。

1 LTE協議棧非接入層總體架構

圖1介紹了 LTE系統中 NAS的協議架構［3］。ATTACH過程中PDN連接建立過程的處理，主要由非接入層(Non－access Stratum，NAS)的 ESM 模塊完成，與 PDN連接建立相關的模塊還包括EMM、服務提供(ServiceProvider，SPV)、無線接入承載管理(Radio Access Bearer Management，RABM)、無線資源控制(Radio Resource Control，RRC)等模塊。其中ESM子層位于協議棧NAS層的最上層，與應用層的SPV交互，主要處理控制平面的會話管理相關的信令;EMM主要為分組交換域(Packet Switched，PS)提供移動管理、附著和注冊等服務;SPV負責與ESM通信，主要判斷承載是否可以建立;RABM主要管理EPS承載與無線承載之間的映射關系;RRC主要完成無線資源管理和控制功能［4－5］。

2 PDN連接建立過程的設計

2.1 ATTACH過程中PDN連接請求的設計原則

圖1 LTE協議棧非接入層協議架構

為了實現LTE系統提出的“永遠在線”的目的，終端的EMM模塊必須和演進的分組核心網(EvolvedPacket Core，EPC)之間進行附著過程［4］(ATTACH 過程)，同時必須伴隨著PDN的連接建立過程。本文通過由EMM模塊來觸發ESM模塊發起PDN連接請求，而不是ESM模塊自行發起觸發EPS附著的PDN連接請求，使EPS附著過程剝離了ESM和EMM以上控制模塊的參與，讓上層模塊只是被動地接收EPS附著的結果，而不是控制EPS附著流程的進行，避免了由高層觸發ESM模塊PDN連接請求過程，而EMM模塊還沒有準備好開始EPS附著過程，不得不拒絕該PDN連接請求而造成的資源浪費。另外，本設計還提供了一種通用的發起EPS請求附著過程(EPS ATTACH REQUEST)流程，使得LTE終端在開機過程發起EPS附著過程以及后續出現異常時而需要重新發起EPS附著過程的EMM模塊和ESM模塊間交互流程統一。其設計原則的流程圖如圖2所示。

圖2 PDN連接請求設計

增強移動管理EMM模塊發起PDN連接請求到增強會話管理ESM模塊，要求ESM模塊發起PDN連接建立過程;ESM模塊收到連接建立請求后，向EMM模塊發送PDN連接請求;EMM模塊收到來自ESM模塊的PDN連接請求后，發送EPS附著請求(ATTACH REQUEST)，開始EPS附著過程。

2.2 ATTACH過程中PDN連接過程的詳細設計

圖3為ATTACH過程中PDN連接建立的詳細設計。

圖3 ATTACH過程中PDN連接建立流程

1)終端開機后，EMM模塊和ESM模塊分別收到來自高層模塊的開機請求。EMM模塊收到開機請求后開始讀取SIM卡信息、搜網等操作，而ESM模塊由于還未收來自EMM模塊請求的PDN連接請求(PDN CONNECTIVITY REQEST)消息，不需要做任何操作，當EMM模塊根據來自RRC的駐留指示，判斷如果當前駐留的小區能夠提供正常服務，并且當前小區還未進行EPS附著過程，則向ESM模塊發起請求PDN CONNECTIVITY REQEST的消息，要求ESM 模塊發起PDN連接過程［5］。

2)ESM模塊收到連接請求后，向SPV模塊發送PDN連接建立指示。當SPV收到PDN連接建立指示后通過SMREG_EPS_ACTIVATE_REQ消息請求ESM發起PDN連接建立過程，消息中包含接入點名(Access Point Name，APN)、分組數據協議類型(Packet Data Protocol，Pdp-Type)、協議 結 構 選 項 (Protocol Configuration Options，PCO)等參數信息。ESM模塊將PDN CONNECTIVITY REQEST消息通過原語EMMESM_ESTABLISH_REQ發送給EMM模塊，EMM模塊開始EPS附著過程。EMM將PDN CONNECTIVITY REQEST消息添加到附著請求(ATTACH REQUEST)消息中［6］，發送給 RRC 模塊，RRC 模塊將ATTACH REQUEST消息通過下層發送到網絡，等待網絡的響應。

圖4 ATTACH過程中PDN連接建立的MSC圖

3)網絡通過RRC連接重新配置(RRC CONNECTION RECONFIGURATION)消息將EPS承載和數據無線承載(Data Radio Bearer，DRB)的映射關系通知給RABM，當EMM收到附著接受(ATTACH ACCEPT)消息后將消息中的激活默認EPS承載上下文請求(ACTIVATE DEFAULT EPS BEARER CONTEXT REQUEST)消息發送給ESM，并用EPS承載標識(EPS Bearer Identity，EBI)唯一來標識這個實例。ESM解析其中的EPS承載的IP地址、APN、服務質量(Quality of Service，QoS)等參數［7］，并請示SPV當前的EPS承載是否能夠建立。

4)若SPV同意PDN連接建立，則發送SMREG_EPS_ACTIVATE_RSP消息到ESM模塊，ESM通知RABM模塊PDN連接已經建立，同時通知網絡PDN連接已經建立。最后，發送SMREG_EPS_ACTIVATE_CNF響應給SPV。至此，ATTACH過程中PDN建立過程完成。

3 測試驗證

為了驗證ATTACH過程中PDN連接建立過程設計的正確性和可行性，以SDL/TTCN為測試驗證平臺對ATTACH過程中PDN連接建立過程進行測試驗證［8］。此協仿真生成的消息序列流圖(Message Sequence Chart，MSC)如圖4所示，與設計的流程圖相比較，發現設計的流程完全符合3GPP協議規范的要求。

4 小結

本文設計了一種ATTACH過程中PDN的連接建立方法，采用了EMM模塊來觸發ESM模塊發起PDN連接請求，而不是ESM模塊自行發起觸發EPS附著的PDN連接請求，本設計避免了資源浪費，并且提供了一種通用的發起EPS ATTACH REQUEST流程。接著利用SDL/TTCN為測試平臺對ATTACH過程中PDN的連接建立過程進行測試和驗證，測試結果表明，ATTACH過程中PDN連接建立的設計完全符合LTE標準一致性測試要求。

［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.

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［3］李小文，李貴勇，陳賢亮，等.TD－SCDMA第三代移動通信系統、信令及實現［M］.北京:人民郵電出版社，2003.

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［5］姬自英，李小文.LTE網絡中ESM協議分析與設計［J］.電視技術，2010，34(12):80－83.

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