3G 关键流程讲解

1. 3G系列培训教材之— 3G关键流程讲解 中国移动集团公司研发中心

2. 主要内容 • 信令流程的基本概念 • WCDMA无线网络和核心网络之间的协议栈 • UE的工作模式与状态 • SRNC与DRNC • 信令流程 • 终端开机选网 • 移动性管理 • 小区重选 • 位置更新 • 切换 • SRNS重定位 • 安全性管理 • 鉴权 • 加密和完整性保护 • PS域的其他基本流程 • 附着 • PDP激活、PDP去激活 • QOS协商 • 分离

3. Non-Access Stratum Radio Protocols Radio Protocols Iu Protocols Iu Protocols Access Stratum Uu Iu UE UTRAN Core Network WCDMA协议栈

4. UTRAN接口的一般模型 Control Plane User Plane Radio Network Layer Application Protocol Data Stream(s) Transport Network User Plane Transport Network Control Plane Transport Network User Plane ALCAP(s) Transport Network Layer Signaling Bearer(s) Signaling Bearer(s) Data Bearer(s) Physical Layer UMTS Terrestrial Radio Access Network

5. NBAP NBAP RNSAP RANAP RANAP SCCP SCCP MTP3-B MTP3-B Service Specific Layers Service Specific Layers Service Specific Layers AAL5 AAL5 AAL5 ATM ATM ATM PHY PHY PHY Node B RNC Core Network (CS Domain) NBAP RNSAP RANAP RANAP SCCP SCCP MTP3-B MTP3-B Service Specific Layers Service Specific Layers AAL5 AAL5 ATM ATM PHY PHY RNC Core Network (PS Domain) 控制平面/Control Plane Iur接口 的引入，使得跨RNC的软切换过程可以不需要核心网进行资源调配

6. Data Streams Iub Data Streams Iub, Iur Data Streams Iu CS Data Streams Iu PS Data Streams Iu CS GTP-U UDP IP AAL2 AAL2 AAL2 AAL5 ATM ATM ATM PHY PHY PHY Node B RNC Core Network (CS Domain) Data Streams Iur Data Streams Iu PS GTP-U UDP IP AAL2 AAL5 ATM ATM PHY PHY RNC Core Network (PS Domain) 用户平面/User Plane 用户平面，GTP Tunnel延伸到了RNC与SGSN之间

7. Uu接口协议栈 Control Plane User Plane Network layer protocol: Ipv4, Ipv6, ... Non Access Stratum Management functions: MM,GMM CC AMR Layer 3 RRC (Radio Resource Control) PDCP BMC Access Stratum RLC (Radio Link Control) Layer 2 MAC (Medium Access Control) Layer 1 PHY (PHYsical)

8. 主要内容 • 信令流程的基本概念 • WCDMA无线网络和核心网络之间的协议栈 • UE的工作模式与状态 • SRNC与DRNC • 信令流程 • 终端开机选网 • 移动性管理 • 安全性管理 • PS域的其他基本流程

9. UE的工作模式 • UE有两种基本的运行模式：空闲模式和连接模式 • 空闲模式 • UE处于待机状态，没有业务的存在，UE和UTRAN之间没有连接，UTRAN内没有任何有关此UE的信息； • 通过非接入层标识如IMSI、TMSI或P-TMSI等标志来区分UE； • 连接模式 • 当UE完成RRC连接建立时，UE才从空闲模式转移到连接模式； • UE有4种状态： Cell-DCH, Cell-FACH, Cell-PCH, URA-PCH。通过无线网络临时标识区分UE。 • 某些信令流程只能发生在特定的工作模式。

10. UE在连接模式下的状态 • Cell-DCH（Dedicated channel）：UE处于激活状态，正在利用自己专用的信道进行通信，上下行都具有专用信道，UTRAN准确的知道UE所位于的小区中 • Cell-FACH（Forward access channel） UE处于激活状态，但是上下行都只有少量的数据需要传输，不需要为此UE分配专用的信道，上下行的数据在公共信道上传输，下行需要随时监听FACH上是否有自己的信息，UTRAN准确的知道UE所位于的小区，保留了UE所使用的资源，所处的状态等信息。

11. UE在连接模式下的状态 • Cell-PCH（ Paging channel ）UE上下行都没有数据传送，需要监听寻呼信道，以便收听寻呼，因此UE此时进入非连续接收，可有效的节电。UTRAN准确的知道UE所位于的小区，这样， UE所位于的小区变化后，UTRAN需要更新UE的小区信息。 • URA-PCH（ Paging channel ） UE上下行都没有数据传送，需要监听寻呼信道，进入非连续接收， UTRAN只知道UE所位于的URA（UTRAN Registration Area，一个URA包含多个小区），也就是说，UTRAN只在UE位于的URA发生变化后才更新其位置信息，这样更加节约了资源，减少了信令。

12. UE工作模式比较

13. URA_PCH CELL_PCH CELL_DCH CELL_FACH IDLE DEAD UE工作模式的转换 RRC connection - 专用信道 - Radio bearers传输业务 - 高层信令触发 (CN) - 侦听paging channel - 小区重选 这些状态只用于UTRAN与UE，对CN来说，这些状态是透明的 - 搜索网络(PLMN) - “驻扎”小区(camp on)

14. URA_PCH CELL_PCH CELL_DCH CELL_FACH IDLE DEAD UE UTRAN SYSTEM_INFO UE开机后进入IDLE状态 • 手机开机 • 高层指示RRC搜索网络 • 搜速过程中，RRC控制L1寻找驻扎小区(频率，扰码) • RRC检测BCH上的系统消息 • 侦听PCH上的寻呼信号 • RRC通知上层已经进入IDLE 状态 • UE准备做位置更新流程和IMSI Attach流程

15. URA_PCH CELL_PCH CELL_DCH CELL_FACH IDLE DEAD UE UTRAN PAGING TYPE 1 IDLE状态（1） • 手机监听寻呼信道(Paging Channel) • RRC检测寻呼信息中的ID信息 • RRC检测系统消息更新信息 • RRC控制L1测量检测，进行小区重选判决 • RRC控制进行小区重选 • 收到寻呼消息、或发起呼叫、或发起位置更新等，高层指示RRC与网络侧间建立RRC连接

16. URA_PCH CELL_PCH CELL_DCH CELL_FACH IDLE DEAD IDLE状态（2） • RRC建立RAN连接，进入CELL_FACH或 CELL_DCH 状态 • RRC建立信令承载 • RRC指示RLC启用UM/AM模式进行信令信息传送 UE UTRAN RRC CONNECTION REQUEST RRC CONNECTION SETUP RRC CONNECTION SETUP COMPLETE

17. URA_PCH CELL_PCH CELL_DCH CELL_FACH IDLE DEAD UE UTRAN INITIAL DIRECT TRANSFER DOWNLINK DIRECT TRANSFER UE UTRAN UPLINK DIRECT TRANSFER RADIO BEARER SETUP RADIO BEARER SETUP COMPLETE UE FACH状态 • 核心网的消息通过RRC信令承载 • UE在FACH上接收下行消息 • UE在RACH信道上发送上行消息 • 传送高层（MM/GMM)以及 RRC对等实体间的消息 • 网络侧通过RB建立建立用户面，RRC按照网络侧指示配置物理层、MAC、RLC各层的具体参数 • 网络侧可以通过启动安全模式控制流程进行加密

18. URA_PCH CELL_PCH CELL_DCH CELL_FACH IDLE DEAD UE UTRAN RADIO BEARER RECONFIGURATION RADIO BEARER RECONFIGURATION COMPLETE UE DCH状态 • UE使用专用信道与网络侧通信 • 传送高层(MM/GMM)以及 RRC对等实体间的消息 • UE在DCH 上接收下行消息 • UE在DCH 上发送上行消息 • 在进行分组业务(Packet Switched Data)的情况下，如果没有流量，网络侧将指示UE迁移到URA_PCH或CELL_PCH状态

19. URA_PCH CELL_PCH CELL_DCH CELL_FACH IDLE DEAD UE UTRAN UE UTRAN UE UTRAN PAGING TYPE 1 CELL UPDATE URA UPDATE CELL UPDATE CONFIRM URA UPDATE CONFIRM UE PCH状态 • 活动减少，节省电能 • L1使用DRX侦听寻呼消息 • 寻呼消息将使UE重新进入CELL_FACH/CELL_DCH状态 • UE通过小区更新过程重新进入CELL_FACH状态 • URA_PCH状态下，UE通过URA更新过程以进行URA重选 • L1的测量过程与IDLE状态下的情况类似

20. 主要内容 • 信令流程的基本概念 • WCDMA无线网络和核心网络之间的协议栈 • UE的工作模式与状态 • SRNC与DRNC • 信令流程 • 终端开机选网 • 移动性管理 • 安全性管理 • PS域的其他基本流程

21. CN Iu Iur SRNC DRNC SRNC（Serving RNC）与DRNC（Drift RNC） • 在WCDMA系统中，由于Iur接口的引入而产生了SRNC/DRNC的概念。 • SRNC和DRNC都是对于某一个具体的UE来说的,是逻辑上的一个概念。 • 简单的说，对于某一个UE来说，其与CN之间的连接中，直接与CN相连，并对UE的所有资源进行控制的RNC叫该UE的SRNC。 • UE与CN之间的连接中，与CN没有连接，仅为UE提供资源的RNC叫该UE的DRNC。 • 处于连接状态的UE必须而且只能有一个SRNC，可以有0个或者多个DRNC

22. 主要内容 • 信令流程的基本概念 • 信令流程 • 终端开机选网 • 概述 • PLMN选择 • 小区选择 移动性管理 • 安全性管理 • PS域的其他基本流程

23. 当UE开机后或在漫游中，它的首要任务就是找到网络并和网络取得联系，只有这样，才能获得网络服务，开机选择流程如左图，一般包括：当UE开机后或在漫游中，它的首要任务就是找到网络并和网络取得联系，只有这样，才能获得网络服务，开机选择流程如左图，一般包括： PLMN选择和重选 小区的选择和重选 位置登记（终端开始和网络有信令交互） 开机选网概述

24. 开机选网－PLMN选择 RPLMN （RPLMN为上一次终端登陆的PLMN） Failed HPLMN（HPLMN为用户的归属网络） Failed UPLMN （UPLMN为用户控制的PLMN列表，方便用户手动选网） Failed OPLMN（OPLMN为运营商控制的PLMN列表） Failed VPLMN（VPLMN为拜访地网络广播的PLMN列表） • 对于同一HPLMN，终端根据接入技术（ACT）来优选3G或2G。开机选网阶段的优选只是短暂时刻的优选。小区重选阶段的优选才是真正意义上的优选。

25. 开机选网－小区选择 • 当PLMN选定之后，就要进行小区选择，目的是选择一个属于这个PLMN的信号最好的小区。 • 小区选择的过程大致如下： • 1、小区搜索：小区搜索的目的是找到一个小区，尽管它可能不属于选择的PLMN的。先进行时隙同步(主SCH)，然后进行帧同步（副SCH），接着进行主扰码同步； • 2、读广播信道：通过判读广播信道中的参数，断定当前小区是否是可用的PLMN和小区。如果可用则驻留下来，如果不可用，则重选小区，如果没有一个小区符合条件，则进行PLMN的重选。 • 小区选择阶段选定的小区可能是暂时的。UE后续将通过小区重选选择更好的小区

26. 主要内容 • 信令流程的基本概念 • 信令流程 • 终端开机选网 • 移动性管理 • 小区重选 • 空闲状态 • Cell-fach状态 • Cell-dch状态 • 系统间重选 • 位置更新 • 切换 • SRNS重定位 • 安全性管理 • PS域的其他基本流程

27. 小区重选－空闲状态 • UE随时监测当前小区和邻区（包括WCDMA邻区、GSM/GPRS邻区）的信号质量，以选择一个最好的小区提供服务。信号质量及信号电平满足S（驻留）准则且R（排名）准则中排名最高的小区将成为最终的重选目标小区。 • UE就选择这个目标小区驻留下来，读该小区的广播消息 。 • 如果重选目标小区与当前小区属于不同的位置区，UE将发起位置更新过程。

28. 小区重选－cell_fach（公共信道）状态 • 重选过程类似空闲状态的小区重选 • 新增过程 • 同一RNC内小区重选：增加了UE与UTRAN之间的小区更新过程。 • 跨RNC小区重选：增加了DSCR过程。即：在小区更新过程中直接释放RRC连接并在DRNC上重建RRC连接

29. 小区重选-cell_dch（专用信道）状态 • cell_dch状态下的小区重选过程为一切换过程。 • 信令流程参见切换的信令流程。

30. 系统间重选 • S（驻留）准则、R（排名）准则同样适于空闲状态/cell-fach状态下的WCDMA与GPRS/GSM之间的小区重选 • 在系统运行中，网络侧可以通过系统消息调整小区重选的参数（小区重选偏置参数和小区重选迟滞参数），从而引导双模终端优选WCDMA的小区。

31. 主要内容 • 信令流程的基本概念 • 信令流程 • 终端开机选网 • 移动性管理 • 小区重选 • 位置更新 • 概述 • 正常流程 • 有漫游限制的流程 • 切换 • SRNS重定位 • 安全性管理 • PS域的其他基本流程

32. 位置更新 • 目的：更新用户的位置数据信息。由移动台触发。 • 主要触发时机 • 开机 • 周期性位置更新 • 移动台发现广播信息的位置区与当前的位置区不同时。如系统间小区重选等

33. 位置更新－成功的位置更新流程

34. 位置更新－有漫游限制（HLR判决） 目前，在2代中，主要采用这种方式限制本地通的漫游

35. 位置更新－有漫游限制（MSS判决） • 特点：采用Zone code方式。Zone code的定义方式灵活。一般情况下，Zone code 所包含的小区的个数比MSS 少。 • 应用场景：3代中，MSS管辖的范围有可能超过本地的范围，此时，可以通过Zone code方式实现本地通的漫游限制。需在MSS配置LAI与Zone code的对应关系。

36. 位置更新－有漫游限制（MSS判决）

37. 主要内容 • 信令流程的基本概念 • 信令流程 • 终端开机选网 • 移动性管理 • 小区重选 • 位置更新 • 切换 • 概述 • 软切换 • 硬切换 • 系统间切换 • SRNS重定位 • 安全性管理 • PS域的其他基本流程

38. 切换 • 目的：维持移动台从一个小区移动到另一个小区时通话或数据传输可以继续进行。 • 主要触发条件 • 处于cell-dch状态的用户从一个小区移向另一个小区时 • 由于本小区或邻区的信号的变化，cell-dch状态的用户即使静止不动时，也可能触发切换

39. 软切换： 同一个NodeB不同扇区间的更软切换 同一个RNC不同NodeB间的软切换 √ 有Iur接口的跨RNC间的的软切换 √ 硬切换： 同频硬切换 无Iur接口的跨RNC间的硬切换 √ 无Iur接口的跨MSS间的硬切换 √ 异频硬切换：手机在不同频率间的切换 系统间切换： WCDMA到GSM的话音切换 √ WCDMA到GPRS间的切换 √ GPRS到WCDMA间的切换 √ GSM/GPRS只有硬切换，没有软切换。 UMTS Carrier x Inter-Frequency HHO GSM/GPRS UMTS Carrier 1 SRNC DRNC BSC 2G to 3G HHO NodeB 2 NodeB 3 BTS 1 Cell 4 Cell 1 Softer HO Soft HO Soft HO inter -RNC 3G to 2G HHO 图例 更软切换 RNC内的软切换 2G到3G的系统间切换 RNC间的软切换 3G到2G的系统间切换 异频硬切换 Cell 3 Cell 2 Cell 1 NodeB 1 切换

40. 1、测量（主要由UE完成） 测量控制 测量的执行与结果的处理 测量报告 2、判决（主要由RNC 完成） 以测量为基础 资源申请与分配 3、执行（RNC/NodeB/UE共同完成） 信令过程 测量控制更新 切换三步曲

41. Data UE received/ sent time 软切换 • 软切换特点 • CDMA系统所特有，只能发生在同频小区间 • 先建立目标小区的链路，后中断源小区的链路 • 可以避免通话的“缝隙” • 软切换会比硬切换占用更多的系统资源 N o “GAP” of communication Source BS Target BS UE move

42. CN AirBridge AirBridge AirBridge 软切换示意图(RNC内) RNC Node B • 同频 – 不同码 • RNC分集合并

43. CN AirBridge AirBridge AirBridge 软切换示意图(跨RNC，有Iur接口) SRNC DRNC Node B • 同频 – 不同码 • SRNC分集合并， • DRNC透传

44. Data DL1 Data DL2 Data DL Data UL1 Data UL2 Data UL SRNC Data DL1 Data UL Data UL1 Node B (BTS) Data UL Data DL1 Data UL Data DL Data DL2 Core Network Node B (BTS) Data UL Data UL2 UE Data DL2 Data DL2 Data UL2 DRNC 软切换示意图(跨RNC，有Iur接口)

45. UE Node B(new) SRNC Decision to setup new RL 1. Radio Link Setup Request NBAP NBAP Start RX description 2. Radio Link Setup Response NBAP NBAP 3 ALCAP Iub Data Transport Bearer Setup 4. Downlink Synchronisation DCH-FP DCH-FP 5.Uplink Synchronisation DCH-FP DCH-FP Start TX description 6.DCCH: Active Set Update Command RRC RRC 7. DCCH : Active Set Update Complete RRC RRC 软切换流程（RNC内－增加新链路） 当新小区的信号质量好于一个门限时，增加这个小区的链路

46. UE Node B(old) SRNC Decision to delete a RL 1.DCCH: Active Set Update Command RRC RRC 2. DCCH : Active Set Update Complete RRC RRC 3. Radio Link Deletion Request NBAP NBAP Stop RX and Tx 4. Radio Link Deletion Response NBAP NBAP 5 ALCAP Iub Transport Bearer release 软切换流程（RNC内－删除旧链路） 当原小区的信号质量弱于一个门限时，删除这个小区的链路

47. 软切换流程（跨RNC，有Iur接口） 与RNC内软切换相比，增加了Iur接口上对Drift RNC下的 Node B的资源分配过程

48. “GAP” of communication Source BS Target BS UE move Data UE received/ sent time 硬切换 • 硬切换的特点 • 先中断UE和系统源小区的链路，然后建立目标小区的链路 • 通话会产生“缝隙” • 节省资源

49. 硬切换流程（跨RNC－无Iur接口） 终端收到此条消息后，先中断原小区的通信，再连接到新的小区上。与软切换的主要差别。

50. UE RNS-A RNS-A' MGW A MGW A' A A' MSS MSS 通话中 Relocation required MAP prepare handover request MGW selection ADD request ADD response Relocation request ERQ(Q2630 for AAL2) ERF(Q2630 for AAL2) IuUP Init IuUP Init ACK 硬切换流程（跨3G MSC－无Iur接口 1） 与跨RNC的硬切换相比，主要是增加了MSS、MGW之间的切换消息。