【和你聊一聊NB-IoT】NB-IoT的关键流程

  1、寻呼过程

  UE应支持空闲状态和连接状态下接听PCCH上的寻呼(Paging),包括系统消息改变、业务寻呼。寻呼指示业务寻呼时,UE应检查寻呼内的UEID列表是否和本UB的标志(IMSI或者S-TMSI)匹配,如果UED列表中包含了本UE的标志,则上报NAS寻呼指示。

  NB-IoT采用E-UTRAN寻呼相关配置,其主要区别如下:
  ①对于NB-IoT,仅通计BCCH配置EDRX:
  ②空闲状态使用eDRX时,DRX周期最大值为2.91小时:
  ③UE在RRCIdle空闲状态时,在锚点载波上接收寻呼。

  当在空闲状态使用eDRX时,可以适用如下情况:
  1)eDRX周期在空闲状态中被延长至并超过10.24秒,并具有最大值43.69分钟;对于NB-IoT,eDRX周期的最大值是2.91小时。
  2)当SFN环绕时,由小区广播超级SFN(H-SFN)并且超级SFN增加1。
  3)寻呼超高帧(PH)指的是H-SFN,在H-SFN,UE在ECM Idle空闲状态所使用的寻呼时间窗(Paging Time Windows,PTW)期间开始监测寻呼eDRX。PH是依据MME、UE和eNB基站的公式来确定的,并用于实现eDRX周期和UE识别的功能。
  4)在PTW期间,UE监测对于PTW持续时间的寻呼(如由NAS配置的)或直到接收到对于UE的寻呼消息,该寻呼消息包括UE的NAS身份,取两者中先发生的。
  5)MME确定PH和PTW的开始,并且在第一个寻呼时段即将发生之前发送S1寻呼请求以便避免在eNB基站中存储寻呼消息。
  6)当UE在eDRX中时,无法满足地震及海啸预警系统、商业移动预警业务、公共警报系统的要求。对于EAB,如果用户终端支持SIB14,当在延长的DRX中时,它在建立RRC连接之前获取SIB14。
  7)当eDRX比系统消息修改周期长时,UE会验证:在建立RRC连接之前被存储的系统消息是否保持有效。对于一个配置有比系统消息改变周期长的eDRX周UE,当包括System Info Modification-eDRX时,寻呼消息可以被用于系统消息改变通知。

  对于NB-IoT,处于RRC Idle空闲状态的UE在已经接收到NPSS/NSSS,NPBCH和SIB传输的承载上接收寻呼。

  2、附着

  附着是UE进行业务前在网络中的注册过程,主要完成接入鉴权和加密、资源清理和注册更新、默认承载建立等过程。附着过程完成后,网络侧记录UE的位置信息,相关节点为UE建立上下文。同时,网络建立为UE提供“永远在线”连接的默认承载,并为UE分配IP地址、UE驻留的跟踪区列表、临时标志GUTI等必需参数。

  在附着过程中,UE应与MME协商是否支持如下特性:
  ●是否支持CP模式。
  ●是否支持UP模式。
  ●优选CP模式还是UP模式。
  ●是否支持S1-U数据传输(传统EPS过程)。
  ●是否要求采用联合附着来传输SMS。
  ●是否支持不携带PDN连接的附着过程。
  ●是否支持CP模式的报头压缩。

  在NB-IoTRel-13版本中,UE应支持CP模式和S1-U数据传输,支持采用不携带PDN连接的附着,而不采用联合附着来传输SMS。为了提高传输效率,UE还应支持CP模式的报头压缩。

UE初始附着到UE-UTRAN网络的过程

  具体流程如下:

  步骤1:支持峰窝物联网优化的E-UTRAN小区应在系统广播消息中包含支持能力。对于NB-IoT接入,E-YTRAN小区应广播,是否连接到支持不建立PDN连指广播消息中包含其支持能力。对于NB-IoT接入,E-UTRAN小区应广播,是否能够的EPS附着的MME、是否能够连接到支持CP模式的MME、是否能够连接到文持中模式的MME、是否连接到支持UP模式的MME。

  如果公共陆地移动网络(PLMN)不支持不建立PDN连接的EPS附着,并且UE只支持不建立PDN连接的EPS附着,则UE不能在该PLMN的小区内发起附着过程。

  如果UE能够进行附着过程,则UE发起附着请求消息和网络选择指示给eNB基站,消息包含国际移动用户识别码(IMSI)、旧的GUTI、有效的上次访问TAI、UE核心网络能力、UE指定的eDRX参数、ESM消息、协议配置选项PCO、加密选项传输标记、附看类型、安全加密相关的参数及偏好网络行为。

  如果UE支持Non-IP数据传输并请求建立PDN连接,则PDN类型可设置为“Non-IP”。

  如果UE支持蜂窝物联网优化,则UE可以在附着请求消息中不携带ESM消息。此时,MME不为该UE建立PDN连接,不需要执行以下步骤6、步骤12~步骤16、步骤23~步骤26。此外,如果UE在附着时采用CP模式,则步骤17-步骤22仅使用S1-APNAS传递和RRC透传消息来传输NAS附着接受和NAS附着完成消息。

  如果UE支持CP模式和报头压缩,并且UE在附着请求消息携带ESM消息,以及PDN类型为IPv4或IPv6或IPv4/IPv6,UE应在ESM消息中包括报头压缩配置。报头压缩配置包括建立ROHC信道所必需的信息,还可能包括报头压缩上下文建立参数,如目标服务器的IP地址。

  步骤2:eNB基站根据RRC参数中的旧全球唯一的MME标识(GUMMEI)、选择网络指示和RAT类型(NB-IoT或WB-E-UTRAN)来获取MME地址。如果该MME与eNB基站没有建立关联或没有旧GUMMEI,则eNB基站选择新的MME,并将附着消息和UE所在小区的TAI+E-UTRAN小区全球标识符(ECGI)一起转发给新的MME。

  如果UE在附着请求消息中携带偏好网络行为,并且偏好网络行为中指示的蜂窝物联网优化方案与网络支持的不一致,则MME应拒绝UE的附着请求。

  步骤3:如果UE通过GUTI标示自己,并且UE在去附着之后MME已经发生变化,新的MME通过UE的GUTI获取旧的MME或SGSN地址,并发送身份标志请求消息到旧MME请求获取UE的IMSI,由旧的MME返回IMS和未使用的EPS认证向量够参数。如果是向旧SCSN发送身份标志请求消息,则旧SGSN返回IMS及未使用认证五元组尊参数。如果旧ME/SGSN不能识别UE或附着请求消息的完整性检查失败,则返回恰当的错误原因。

  步骤4:如果在新MME及旧MME/SGSN中都不认识UE,则新的MME发送标志请求给UE以请求IMSI。UE使用包含IMSI的标志响应消息通知网络。

  步骤5a:如果网络中没有UE上下文存在,且第一步的附看请求消息没有完整性保护或加密,或者如果完整性检查失败,则UE和MME之间必须进行认证和NAS安全建立过程。如果NAS安全算法改变,则该步骤只执行NAS安全建立过程。在该步骤之后,所有NAS消息将受到MME指示的NAS安全功能保护。

  步骤5b:MME从UE获取ME标志(IMEISV)。IMEI标志必须以加密方式传输。为了最小化信令的迟延,ME标识获取也可以合并在步骤5a的NAS安全建立过程中。MME发送ME标识检测请求给设备标志寄存器(EIR),EIR将检测的结果通过ME标志检测应答消息响应。

  步骤6:如果UE在附着请求消息中设置了加密选项传输标记,则可以从UE获取PCO或APN等加密选项。PCO选项中可能包含用户的身份信息,如用户名和密码等。

  步骤7:如果在新的MME中存在激活的承载上下文(如没有事先去附着就在同一个MME再次附着),则删除在相关的SGW中旧的承载上下文。

  步骤8:如果从上一次去附着之后MME发生改变,或第一次附着,或ME标志改变,或UE提供的IMSI或GUTI在MME中没有相应的上下文信息,则MME发送位置更新消息给HSS。MME能力指示了该MME支持的接入限制功能状况。更新类型指示了这是一个附着过程。

  步骤9:HSS发送取消位置消息给旧MME,旧MME删除移动性管理和承载上下文。如果更新类型为附着,HSS中包含有SGSN注册信息,则HSS发送取消位置消息给旧SGSN。

  步骤10:如果旧MME/SGSN有激活的承载上下文存在,则旧MME/SGSN发送删除承载请求消息给所涉及的网关以删除承载资源。网关返回删除承载响应消息给旧MME/SGSN。

  步骤11:HSS发送更新位置应答消息给新MME以应答更新,该更新位置应答中包含有IMSI及签约数据,签约数据包含一个或多个PDN签约上下文信息。

  步骤12:如果附着请求不包括ESM消息,则不需要执行步骤12~步骤16。如果签约上下文没有指示该APN是到SCEF的连接,则MME按照网关选择机制进行S-GW和P-GW选择,并发送创建会话请求消息给S-GW。对于“Non-IP”PDN类型,当UE使用了CP模式时,如果签约上下文指示该APN是到SCEF的连接,则MME根据签约数据中的SCEF地址建立到SCEF的连接,并且分配EPS承载标志。

  步骤13:S-GW在其EPS承载列表中创建一个条目,并给P-GW发送创建会话请求消息。

  步骤14:如果网络中部署了动态PCRF并且不存在Handover Indication,P-GW执行IP-CAN会话建立过程,获取UE的默认PCC准则。这可能会导致多个专用承载的同时建立。如果部署了动态PCC并且切换指示存在,则P-GW执行IP-CAN会话修改过程以获取所需要的PCC规则。如果没有部署动态PCC,则P-GW采用本地QoS策略。

  步骤15:P-GW在EPS承载上下文列表中创建一个新的条目,并生成一个计费标识符Charging ID。P-GW给S-GW返回创建会话响应消息。P-GW在分配PDN地址时需要考虑UE提供的PDN类型、双地址承载标记及运营商策略。对于“Non-IP”PDN类型,创建会话响应消息不包括PDN地址。

  步骤16:S-GW给MME返回创建会话响应消息。

  步骤17:新MME发送附着接受消息给eNB基站。S1控制消息也包括UE的AS安全上下文等参数。如果MME确定使用CP模式,或UE发送的附着请求消息不包括ESM消息,则附着接受通过S1-AP下行NAS传输消息发送至eNB基站。

  如果新的MME分配一个新的GUTI,则GUTI也包含在消息中。MME在支持网络行为中指示网络能够接受的蜂窝物联网优化传输方案,包括是否支持CP模式、是否支持UP模式、是否支持S1-U数据传输、是否请求非联合注册的SMS短信业务、是否支持不建立PDN连接的附着、是否支持CP模式报头压缩。如果UE在附着请求指示的PDN类型为“Non IP",则MME和P-GW不应改变PDN类型。如果PDN类型设置为“Non-IP",则MME将该信息包括在S1-AP初始上下文建立请求消息中,以指示eNB基站不执行报头压缩。

  如果一个IPPDN连接采用了CP模式,UE在附着请求消息中包括报头压缩配置,并且MME支持报头压缩参数,MME应在ESM消息中包括报头压缩配置。MME绑定上行和下行ROHC信道以便于传输反馈信息。如果UE在报头压缩配置中包括了报头压缩上下文建立参数,MME应向UE确认这些参数。如果ROHC上下文在附着过程中没有建立,UE和MME应在附着完成之后根据报头压缩配置建立ROHC上下文。

  如果MME根据本地策略决定该PDN连接仅能使用CP模式,MME应在ESM消息中包括仅控制面指示信息。对于到SCEF的PDN连接,MME应总是包括仅控制面指示信息。如果UE接收到仅控制面指示信息,则该PDN连接只能使用CP模式。

  如果附着请求不包括ESM消息,则附着接受消息中不应包括PDN相关的参数,并且S1-AP下行NAS传递消息中不应携带接入层上下文相关的信息。

  步骤18:如果eNB基站接收到S1-AP初始上下文建立请求消息,eNB基站发送RRC连接重配置消息给UE,其包含EPS无线承载ID和附着接受消息。如果eNB基站接收到S1-AF下行NAS传递消息,eNB基站发送RRC透传消息给UE。

  步骤19:UE发送RRC连接重配置完成消息给eNB基站。

  步骤20:eNB基站发送初始上上下文响应消息给新MME。该初始上下文响应消息包含eNB基站的TEID及地址用于UE下行数据转发。

  步骤21:UE发送一条透传消息给eNB基站,包含附着完成信息。

  步骤22:eNB基站使用上行NAS传输消息转发附着完成消息给新的MME。如果UE在步骤1中包含ESM信息,则在收到附着接受消息及UE已经得到一个PDN地址NAS传输消息以后,UE就可以发送上行数据包给eNB基站,eNB基站通过隊道将数据传给S-GW和P-GW。

  步骤23:按收到步骤21的初始上下文响应消息和步骤22的附着完成消息后,新的MME发送一条升级承载请求消息给S-GW。

  步骤23a:如果切换指示包含在步骤23中,则S-GW发送一条升级承载请求消息给P-GW,提示P-GW把从非3GPP接入系统的数据包通过隧道转发,在默认承载或专用的PS承载一旦建立就立即开始给S-GW传送数据包。

  步骤23b:P-GW发送升级承载响应确认消息给S-GW。

  步骤24:S-GW发送升级承载响应给新的MME确认。S-GW就可以发送缓存的下行数据包。

  步骤25:在MME接收升级承载响应消息后,如果附着类型没有指示切换并且建立个EPS承载,并且签约数据指示用户允许切换到非3GPP网络,而如果MME选择一个不同于HSS指示的P-GW标志的P-GW,MME发送一条包含APN和P-GW标志通知请求消息给HSS用于非3GPP接入移动性。

  步骤26:HSS存储APN和P-GW标志对,并发送通知响应消息给MME。

  3、去附着

  去附着可以显式去附着,也可以隐式去附着。显式去附着指由网络或UE通过明确的信令方式来去附着UE,隐式去附着指网络侧注销UE,但不通过信令方式告知UE。

  去附着过程包括UE发起的过程和网络发起(MME/HSS发起)的过程。

  3-1、UE发起的去附着过程

  UE发起的去附着过程如图1所示。

图1UE发起的去附着过程

  步骤1:UE向MME(Mobility Management Entity)发送去附着请求(GUTI、Switch Off)消息。参数Swich Off用于指示是否由关机导致去附着。

  步骤2:如果UE没有激活的PDN连接,则步骤2~步骤10不需要执行。对于任何到SCEF的PDN连楼,ME应向SCEF指示UE的PDN连接不可用,并且不需要执行步骤2~步骤10.如果UE存在连接到P.GW的PDN连接,MME向SGW发送释放会话请求消息。

  步骤3:S-Gw释放相关的EPS承载上下文信息,并向MME返回释放会话响应消息。

  步骤4:如果信令缩减(ISR)激活,MME向UE注册的SGSN发送去附着指示消息。Cause值用于指示去附着已完成。

  步骤5:SGSN向S-GW发送释放会话请求,以便于S-GW删除UE相关的分组数据协议(PDP)上下文。

  步骤6:如果ISR激活,S-GW去激活ISR。当ISR去激活之后,S-GW向P-GW发送释放会话请求消息。如果ISR未激活,则步骤2触发S-GW向P-GW发送释放会话请求消息。

  步骤7:P-GW向S-GW回复释放会话响应消息。

  步骤8:如果网络部署了策略及计费执行功能(PCEF),则P-GW发起PCEF初始IP-CAN信令终止过程,告知PCRF已释放UE的EPS承载。

  步骤9:S-GW向SGSN回复释放会话响应消息。

  步骤10:SGSN向MME回复去附着的应答消息。

  步骤11:如果Switch Off指示去附着过程不是关机导致的,则MME向UE发送附着接受消息。

  步骤12:MME向eNB基站发送S1释放命令以释放该UE的S1-MME信令连接。

  3-2、MME发起的去附着过程

  MME发起的去附着过程如图2所示。

图2MME发起的去附着过程

  步骤1:MME发起显示或隐式去附着的过程。对于隐式去附着,MME不向发送去附着请求消息。如果UE处于连接状态,MME可显示地向UE发起去附着的请求消息。如果UE处于空闲状态,MME可先寻呼UE。

  步骤2:如果UE没有激活的PDN连接,则步骤2~10不需要执行。对于任何到SCEF的PDN连接,MME应该向SCEF指示UE的PDN的连接不可用,并且不需要执行步骤2~10.对于P-GW的PDN连接,MME向S_GW发送释放回话请求。

  步骤3:S-GW释放相关的EPS承载上下文信息,并且向MME返回释放请求响应消息。

  步骤4:如果ISR激活,则MME向UE注册的SGSN发送去附着指示消息。Cause值用于指示去附着已完成。

  步骤5:SGSN向S-GW发送去附着会话请求,以便于S-GW删除UE相关的PDP上下文。

  步骤6:如果ISR激活,S-GW去激活ISR。当ISR去激活之后,S-GW向P-GW发送释放会话请求消息。如果ISR未激活,则步骤2出发S-GW向P-GW发送释放会话请求消息。

  步骤7:P-GW向S-GW回复释放会话响应消息。

  步骤8:如果网络部署了PCEF,则P-GW告知PCRF已释放UE的EPS承载。

  步骤9:S-GW向SGSN回复释放会话响应消息。

  步骤10:SGSN向MME回复去附着响应消息。

  步骤11:如果UE接收到MME在步骤1发送的去附看请求消息,UE向MME发现去附着接受消息。

  步骤12:MME向eNB基站发送SI释放命令以释放该UE的SI-MME信令连接。

  3-3、HSS发起的去附着过程

  HSS发起的去附着过程如图3所示。

图3HSS发起的去附着过程

  步骤1:如果HSS希望立即删除用户的MM上下文和EPS承载,HSS向UE注册的MME及SGSN发送取消位置消息(IMSI、Cancellation Type),并将Cancellation Type设置为“Subscription Withdrawn”。

  步骤2:如果Cancellation Type为“Subscription Withdrawn",并且UE处于连接状态,则MME/SGSN向UE发送去附着请求消息。如果取消位置消息中还携带了指示UE重新附着的标志,则MME/SGSN应将去附着类型设置为需要重新附着。如果UE处于空闲状态,MME可先寻呼UE。

  步骤3a:如果UE没有激活的PDN连接,则步骤3~7不需要执行。如果MME有激活的UE上下文,对于任何到SCEF的PDN连接,MME应向SCEF指示UE的PDN连接不可用,并且不需要执行步骤3~7。对于到P-GW的PDN连接,MME向S-GW发送释放会话请求以指示S-GW释放EPS承载上下文信息。

  步骤3b:如果SGSN有激活的UE上下文,SGSN向S-GW发送释放会话请求以指示S-GW释放EPS承载上下文信息。

  步骤4:S-Gw释放相关的EPS承载上下文信息,并向P-GW发送释放会话请求消息。

  步骤5:P-GW向S-GW回复释放会话响应消息。

  步骤6:如果网络部署了PCEF,P-GW发起PCEF初始IP-CAN信令终止过程,告知PCRF已释放UE的EPS承载。

  步骤7:S-GW向MME/SGSN回复释放会话响应消息。

  步骤8:如果UE接收到MME在步骤1发送的去附着请求消息,UE向MME发送去附着接受消息。

  步骤9a:当收到去附着接受消息,MME向eNB基站发送S1释放命令以释放该UE的S1-MME信令连接。

  步骤9b:当收到去附着接受消息,并且去附着类型指示不需要UE发起新的附着,SGSN释放PS信令连接。