LTE系统ATTACH过程中PDN连接建立的研究与设计

彭大芹，马 凤

(重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065)

责任编辑:许 盈

为了满足用户不断增强的移动宽带和高数据率的需求，3GPP开始了通用移动通信系统(Universal Mobile Tele communications System，UMTS)技术的长期演进(LongTermEvolution，LTE)项目。LTE系统取消了电路交换域(Circuit Switched，CS)，采用了全因特网协议(Internet Protocol，IP)的扁平化网络架构，为了确保演进的分组系统(EvolvedPacket System，EPS)充分发挥自身的技术优势，LTE引入多种承载及处理机制;为实现用户设备(User Equipment，UE)的永远在线，LTE系统在开机附着(ATTACH)过程中伴随着PDN的建立，保证了信息的实时性［1－2］。本文对ATTACH过程中PDN连接建立过程进行了详细设计，设计避免了资源的浪费，并且实现了LTE终端在开机过程和出现异常时增强移动管理(EPSMobilityManagement，EMM)模块和增强会话管理(EPS SessionManagement，ESM)模块间交互流程的统一。

1 LTE协议栈非接入层总体架构

图1介绍了 LTE系统中 NAS的协议架构［3］。ATTACH过程中PDN连接建立过程的处理，主要由非接入层(Non－access Stratum，NAS)的 ESM 模块完成，与 PDN连接建立相关的模块还包括EMM、服务提供(ServiceProvider，SPV)、无线接入承载管理(Radio Access Bearer Management，RABM)、无线资源控制(Radio Resource Control，RRC)等模块。其中ESM子层位于协议栈NAS层的最上层，与应用层的SPV交互，主要处理控制平面的会话管理相关的信令;EMM主要为分组交换域(Packet Switched，PS)提供移动管理、附着和注册等服务;SPV负责与ESM通信，主要判断承载是否可以建立;RABM主要管理EPS承载与无线承载之间的映射关系;RRC主要完成无线资源管理和控制功能［4－5］。

2 PDN连接建立过程的设计

2.1 ATTACH过程中PDN连接请求的设计原则

图1 LTE协议栈非接入层协议架构

为了实现LTE系统提出的“永远在线”的目的，终端的EMM模块必须和演进的分组核心网(EvolvedPacket Core，EPC)之间进行附着过程［4］(ATTACH 过程)，同时必须伴随着PDN的连接建立过程。本文通过由EMM模块来触发ESM模块发起PDN连接请求，而不是ESM模块自行发起触发EPS附着的PDN连接请求，使EPS附着过程剥离了ESM和EMM以上控制模块的参与，让上层模块只是被动地接收EPS附着的结果，而不是控制EPS附着流程的进行，避免了由高层触发ESM模块PDN连接请求过程，而EMM模块还没有准备好开始EPS附着过程，不得不拒绝该PDN连接请求而造成的资源浪费。另外，本设计还提供了一种通用的发起EPS请求附着过程(EPS ATTACH REQUEST)流程，使得LTE终端在开机过程发起EPS附着过程以及后续出现异常时而需要重新发起EPS附着过程的EMM模块和ESM模块间交互流程统一。其设计原则的流程图如图2所示。

图2 PDN连接请求设计

增强移动管理EMM模块发起PDN连接请求到增强会话管理ESM模块，要求ESM模块发起PDN连接建立过程;ESM模块收到连接建立请求后，向EMM模块发送PDN连接请求;EMM模块收到来自ESM模块的PDN连接请求后，发送EPS附着请求(ATTACH REQUEST)，开始EPS附着过程。

2.2 ATTACH过程中PDN连接过程的详细设计

图3为ATTACH过程中PDN连接建立的详细设计。

图3 ATTACH过程中PDN连接建立流程

1)终端开机后，EMM模块和ESM模块分别收到来自高层模块的开机请求。EMM模块收到开机请求后开始读取SIM卡信息、搜网等操作，而ESM模块由于还未收来自EMM模块请求的PDN连接请求(PDN CONNECTIVITY REQEST)消息，不需要做任何操作，当EMM模块根据来自RRC的驻留指示，判断如果当前驻留的小区能够提供正常服务，并且当前小区还未进行EPS附着过程，则向ESM模块发起请求PDN CONNECTIVITY REQEST的消息，要求ESM 模块发起PDN连接过程［5］。

2)ESM模块收到连接请求后，向SPV模块发送PDN连接建立指示。当SPV收到PDN连接建立指示后通过SMREG_EPS_ACTIVATE_REQ消息请求ESM发起PDN连接建立过程，消息中包含接入点名(Access Point Name，APN)、分组数据协议类型(Packet Data Protocol，Pdp-Type)、协议 结 构 选 项 (Protocol Configuration Options，PCO)等参数信息。ESM模块将PDN CONNECTIVITY REQEST消息通过原语EMMESM_ESTABLISH_REQ发送给EMM模块，EMM模块开始EPS附着过程。EMM将PDN CONNECTIVITY REQEST消息添加到附着请求(ATTACH REQUEST)消息中［6］，发送给 RRC 模块，RRC 模块将ATTACH REQUEST消息通过下层发送到网络，等待网络的响应。

图4 ATTACH过程中PDN连接建立的MSC图

3)网络通过RRC连接重新配置(RRC CONNECTION RECONFIGURATION)消息将EPS承载和数据无线承载(Data Radio Bearer，DRB)的映射关系通知给RABM，当EMM收到附着接受(ATTACH ACCEPT)消息后将消息中的激活默认EPS承载上下文请求(ACTIVATE DEFAULT EPS BEARER CONTEXT REQUEST)消息发送给ESM，并用EPS承载标识(EPS Bearer Identity，EBI)唯一来标识这个实例。ESM解析其中的EPS承载的IP地址、APN、服务质量(Quality of Service，QoS)等参数［7］，并请示SPV当前的EPS承载是否能够建立。

4)若SPV同意PDN连接建立，则发送SMREG_EPS_ACTIVATE_RSP消息到ESM模块，ESM通知RABM模块PDN连接已经建立，同时通知网络PDN连接已经建立。最后，发送SMREG_EPS_ACTIVATE_CNF响应给SPV。至此，ATTACH过程中PDN建立过程完成。

3 测试验证

为了验证ATTACH过程中PDN连接建立过程设计的正确性和可行性，以SDL/TTCN为测试验证平台对ATTACH过程中PDN连接建立过程进行测试验证［8］。此协仿真生成的消息序列流图(Message Sequence Chart，MSC)如图4所示，与设计的流程图相比较，发现设计的流程完全符合3GPP协议规范的要求。

4 小结

本文设计了一种ATTACH过程中PDN的连接建立方法，采用了EMM模块来触发ESM模块发起PDN连接请求，而不是ESM模块自行发起触发EPS附着的PDN连接请求，本设计避免了资源浪费，并且提供了一种通用的发起EPS ATTACH REQUEST流程。接着利用SDL/TTCN为测试平台对ATTACH过程中PDN的连接建立过程进行测试和验证，测试结果表明，ATTACH过程中PDN连接建立的设计完全符合LTE标准一致性测试要求。

［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］3GPP TS24.301 V8.3.0，Technical specification group core network and terminals;non－access－stratum(NAS)protocolfor evolved packetsystem(EPS)［S］.2009.

［3］李小文，李贵勇，陈贤亮，等.TD－SCDMA第三代移动通信系统、信令及实现［M］.北京:人民邮电出版社，2003.

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［5］姬自英，李小文.LTE网络中ESM协议分析与设计［J］.电视技术，2010，34(12):80－83.

［6］周巧成，段红光，周中立.LTE终端非接入层ESM和EMM模块间交互操作方法:中国，201010192399.X［P］.2011－12－07.

［7］3GPP TS24.008 V9.0.0，Technical specification group core network and terminals;mobile radio interface layer3 specification core network protocols［S］.2009.

［8］3GPP TS36.523 V8.2.1，Technical specification group radio access network;evolved universalterrestrialradio access(E－UTRAN)and evolved packetcore(EPC);user equipment(UE)conformance specification［S］.2009.