LTE系统中PDN连接过程的建立与实现*

刘 毅，王 琼

（重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065）

责任编辑:孙 卓

1 引言

面对高速的数据传输，LTE系统取消了低速率CS域，仅由PS域构成，数据传输实现了全IP化。作为在UE和一个PLMN外部包数据网络（PDN）之间实现IP连接的PDN连接业务成为数据传输的必要手段，其目的是建立默认承载。LTE系统通过引入默认承载的概念，同时在开机注册（Attach过程）时伴随PDN连接的建立，从而实现“永久在线”，使用户在体验高速上网的同时，保证信息的实时性[1-2]。笔者对Attach过程中的PDN连接过程以及默认承载的建立流程与实现进行了讨论。

2 LTE协议栈总体结构

根据3GPP协议中对LTE协议栈层次结构的描述，可以将LTE系统终端协议栈划分为如图1所示的结构[3-4]。

对于PDN连接过程的处理，主要由NAS层的ESM（EPS Session Management）模块完成[5]。由图 1 可知，与ESM相关的模块包括EMM，RABM和SPVESM。其中，EMM主要为PS域提供移动性管理服务，同时为ESM提供连接管理服务；RABM主要负责EPS承载上下文和DRB之间的映射关系，将SPVCOM传来的数据传输到PDCP；SPVESM是负责与ESM通信的SPV子模块，主要判断承载是否可以建立。

图1 LTE系统终端协议层结构

接入层主要负责与接入相关的操作。其中，RRC主要完成无线资源的管理和控制功能；PDCP是一个多实例的模块，主要对IP数据进行加解密以及对数据进行压缩和解压缩；RLC主要是对数据链路的控制，完成对数据的重组；MAC完成逻辑信道和传输信道之间的映射，是数据的复用和去复用[4]。

由于ESM模块是多实例的，如果整体考虑，会造成实例管理混乱。为更好地管理每一个ESM实例，笔者设计了一个CMC模块，它负责将发送到ESM模块的信号中转到相应的实例，同时实现多个实例的创建、修改和删除，其结构如图2所示。

3 PDN连接建立过程的设计

开机注册是一个复杂的过程，包含很多子过程，比如在注册过程中包含鉴权、用户身份验证和安全模式控制等过程，用以验证用户的合法性、为用户提供加密等。PDN连接建立过程是其中重要的过程，在连接建立过程期间，还伴有网络为终端分配无线承载资源等行为。

3.1 ESM过程地址处理原则

由于ESM模块是多实例的，因而正确地将消息发送给对应的实例是十分重要的。ESM过程的地址处理主要由PTI和EBI两个参数完成，当SSM发送SMREG_EPS_ACTIVATE_REQ原语给CMC时，CMC分配PTI作为当前ESM实例的区分。当收到ACTIVATE DEFAULT EPS BEARER CONTEXT REQUET消息（此消息包含PTI和EBI值）后，CMC依据PTI值将消息发送给PTI对应的实例，之后PTI值无效，ESM实例会删除这个PTI值，使CMC可以再次分配此PTI值给别的过程，此时EBI值有效，且在PDN去连接之前唯一地标识这个实例，并且之后与此ESM实例相关的过程，都用EBI来标识。具体处理方式如图3所示。

图3 ESM过程地址处理原则

其中，a和e表示具体的值，unassigned表示不存在值，用默认值0表示。

3.2 PDN连接建立过程的设计

开机附着时注册到PLMN，应用层会发消息给EMM，通知其发起Attach过程。此时SPVESM通过SMREG_EPS_ACTIVATE_REQ消息指示ESM发起PDN连接过程。消息首先发送到CMC，CMC会建立ESM实例，然后将消息转发到这个ESM实例，同时CMC会为此ESM实例分配PTI。ESM通过EMMESM_ESTABLISH_REQ将PDN CONNECTIVITY REQUEST消息发送给EMM，消息中指明UE对IP版本的能力要求（PDN Type）。EMM在收到开机信号后将完成读USIM卡、搜网等操作，之后将PDN CONNECTIVITY REQUEST消息作为一个IE（Information Element）添加到 ATTACH REQUEST消息中，发送给RRC。为了尽可能地避免因信令交互造成的通信速率降低，RRC将ATTACH REQUEST消息整合到RRCConnectionSetupComplete消息中，通过下层发送到网络，等待网络的响应。由于这个过程是伴随Attach过程一块进行的，因此ESM模块不开启定时器，所有的定时操作都由EMM控制。

RRC收到网络发来的RRCConnectionReconfiguration后，将radioResourceConfigDedicated IE中 DRB与EBI的映射关系通知RABM，同时将dedicatedInfoNASList中的内容拆分成多条NAS消息，逐条发送给EMM。当EMM收到ATTACH ACCEPT消息后将消息的ESM message container IE（即 ACTIVATE DEFAULT EPS BEARER CONTEXT REQUEST消息）发送给CMC，CMC根据PTI值将消息转发到相应的实例，此后PTI值失效，CMC会用EBI值唯一标识这个实例。ESM解析其中的QoS，APN，PDN address（即IP地址）等参数，询问SPVESM当前默认EPS承载是否能够建立。收到SPVESM的SMREG_EPS_ACTIVATE_RSP（此消息表明上层同意默认承载建立）后，ESM通知RABM默认EPS承载上下文已经建立，同时回复网络ACTIVATE DEFAULT EPS BEARER CONTEXT ACCEPT。最后，ESM发送SMREG_EPS_ACTIVATE_CNF给SPVESM。至此，整个过程完成[6-7]。消息流程如图4所示。

4 PDN连接建立过程的仿真

为验证方案的可行性，笔者利用Telelogic AB公司的TTCN Suites测试工具对PDN连接建立过程进行了仿真，其MSC图如图5所示[8-9]。

收到网络的Attach Request消息，UE回复网络Attach Complete。其数据完全符合3GPP 24301协议中对消息结构的规定，与笔者的设计方案完全相同，实现了PDN连接过程的功能。

图4 Attach过程中的PDN连接过程

5 小结

LTE系统是将移动通信与宽带无线接入技术相融合，采用新的基于全IP的PS域，逐步趋近于典型的IP宽带网结构。同时由于希望更好地实现 “永久在线”，在QoS中引入默认承载等新概念[10-11]。PDN连接过程是UE接入IP网络的首要过程，也是UE进行注册必备的过程，它的成功与否直接关系到UE是否正常运行。笔者对PDN连接过程作了详细的阐述，而要使UE进行数据传输，还需要承载资源分配等过程的支持，这将是以后研究的重点。

[1]张克平.LTE-B3G/4G移动通信系统无线技术[M].北京:电子工业出版社，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.

[3]3GPP TS 24.007 V8.2.0，Technicalspecification group core network and terminals；mobile radio interface signaling layer 3[S].2009.

[4]3GPP TS 36.300 V8.10.0，Technical specification group radio access network；Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network（E-UTRAN）；overall description[S].2009.

[5]3GPP TS 24.301 V8.3.0，Technical specification group core network and terminals；Non-Access-Stratum （NAS）protocol for Evolved Packet System （EPS）[S].2009.

[6]3GPPTS 23.401 V8.6.0，Technicalspecification group servicesand system aspects； General Packet Radio Service （GPRS）enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）access[S].2009.

[7]3GPP TS 24.008 V8.7.0，Technical specification group core network and terminals；mobile radio interface layer3 specification；core network protocols[S].2009.

[8]3GPP TS 36.523 V8.3.2，Technical specification group radio access network； Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）and Evolved Packet Core（EPC）； User Equipment （UE）conformance specification[S].2009.

[9]3GPP TS 36.508 V8.3.0，Technical specification group radio access network； Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）and Evolved Packet Core （EPC）； common test environments for User Equipment（UE）conformance testing[S].2009.

[10]沈嘉，索士强，全海洋,等.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社，2008.

[11]黄韬，刘韵洁，张智江，等.LTE/SAE移动通信网络技术[M].北京:人民邮电出版社，2009.