2.5　LTE的基本业务过程

本节简要介绍LTE网络中发生的业务总流程及接入、寻呼、跟踪区注册等主要业务流程，更加具体的信令分析会在第3章中详细阐述。关于小区选择／重选、切换过程的具体内容，将在第5章进行重点描述。

2.5.1　LTE业务总流程

LTE系统业务从网络侧启动、用户开机到业务结束，总体流程如图2-23所示。

2.5.2　LTE系统消息

系统信息块（System Information Block，SIB）主要用来提供接入系统所需要的一些信息，便于UE建立无线连接。广播中的系统信息是连接UE和E-UTRAN网络的纽带，通过系统消息的传递，UE与E-UTRAN得以完成无线通信各类业务和物理过程。

系统消息广播的功能主要包括：

（1）下发对小区中所有UE配置都完全相同的信息，节省无线资源。

（2）使UE获得足够的接入信息、小区选择／重选等公共配置参数。

（3）通知UE的紧急信息，如地震和海啸预警系统（ETWS）。

系统消息的格式及内容如图2-24所示，系统广播消息的内容被划分为多个系统信息块SIB，但是有一个“块”有个特殊的名字：主信息块（Master Information Block，MIB）。除MIB外其他所有系统信息块统称为SIBs。SIB1是SIBs里的异类，它没有映射；除SIB1以外的其他SIBs则需要映射到系统消息（System Information，SI）。因此，整个系统消息可以看成由三部分组成：MIB、SIB1、SI。

MIB包含系统中最重要的一些参数信息，在PBCH信道上发送，表现为RRC_MASTER_INFO_BLOCK，含有下行链路系统带宽、PHICH配置信息和系统帧号等比较重要的系统信息参数。MIB的传输周期为40ms，即从系统帧号MOD4等于0的无线帧开始，传输4次。

SIB是在PDSCH信道上传输，SIB1包括广播小区接入与小区选择的相关参数以及SI消息的调度信息，表现为RRC_SIB_TYPE1，其传送周期为80ms。SIB1包含的信息包括小区接入相关信息、小区选择信息、SIB调度信息、TDD参数配置、SI窗口长度、Value Tag。

SI消息中承载的是SIB2~SIB13，表现为RRC_SYS_INFO。具体包含的信息如下：

（1）SIB2：小区内所有UE共用的无线参数配置以及其他无线参数基本配置。

（2）SIB3：小区重选信息，主要包括服务小区重选参数以及同频小区重选参数。

（3）SIB4：同频邻区列表以及每个邻区的重选参数、同频白／黑名单小区列表。

（4）SIB5：异频相邻频点列表以及每个频点的重选参数、异频相邻小区列表以及每个邻区的重选参数、异频黑名单小区列表。

（5）SIB6：UTRA FDD邻频频点列表以及每个频点的重选参数、UTRA TDD邻频频点列表以及每个频点的重选参数。

（6）SIB7：GERAN邻频频点列表以及每个频点的重选参数。

（7）SIB8：CDMA2000的预注册信息、CDMA2000邻频频段列表和每个频段的重选参数、CDMA2000邻频频段的邻区列表。

（8）SIB9：Home eNodeB的名称。

（9）SIB10：ETWS主信息（Primary Notification）。

（10）SIB11：ETWS辅信息（Secondary Notification）。

（11）SIB12：CMAS信息（CMAS Notification）。

（12）SIB13：请求获取跟一个或多个MBSFN区域相关的MBMS控制信息的信息。

在网络运行过程中，系统信息也可能会发生改变。如果系统信息更新，网络侧就需要通知UE更新系统信息。对于处于RRC_IDLE和RRC_CONNECTED状态的UE都可以通过寻呼来通知。从UE侧来看，除非系统消息超过最大有效时间（例如设置为6小时），否则UE不会主动尝试接收系统信息。

UE会在以下情况下接收系统消息以完成后续的网络动作：①小区选择／重选；②切换完成；③从其他系统进入E-UTRAN；④重新进入覆盖区域；⑤收到更新指示；⑥系统消息超过最大有效时间。

UE接收到的系统消息与其RRC状态有关，UE在RRC_IDLE状态下接收的是MIB、SIB1和SIB2~SIB8，在RRC_CONNECTED状态下接收的是MIB、SIB1、SIB2或SIB3（读不读取SIB3取决于终端的实现及RRC层协议栈的需要）。

2.5.3　跟踪区注册

跟踪区（Tracking Area，TA）是E-UTRAN系统中设置的位置管理的概念，和UMTS系统中的位置区（Location Area，LA）类似。LTE系统中通过跟踪区标识（Tracking Area Identity，TAI）来标识一个TA，TAI由移动国家码（Mobile Country Code，MCC）、移动网络码（Mobile Network Code，MNC）和跟踪区码（Tracking Area Code，TAC）共同组成。跟踪区注册包括跟踪区更新与跟踪区附着／分离。UE通过跟踪区注册，将自己的跟踪区通知网络。

从本质上看，跟踪区和位置区是一样的，但是在使用过程中有所不同。在LTE网络中，终端注册到的是一个跟踪区列表（TAI LIST），而在GSM或者UMTS电路域中，终端注册到的是一个位置区LA。

1. 跟踪区更新

UE在以下几种情况下会进行跟踪区更新（Tracking Area Update，TAU）：

（1）当UE检查到系统消息中的TAI不同于USIM里存储的TAI，发现自己进入了一个新的TA。

（2）周期性更新的定时器超时。

（3）UE从其他系统小区重选到E-UTRAN小区。

（4）由于负载平衡的原因释放RRC连接时，需要进行跟踪区更新。

（5）EPC存储中关于UE能力信息的变化引起TAU。

（6）由于DRX参数信息引起的TAU。

UE通过TAU过程将自己的TA告知核心网，核心网获悉后会将寻呼消息发送到UE所属TA的所有eNodeB。

2. 跟踪区附着／分离

当UE需要接受网络服务但尚未注册时，需要通过网络附着进行跟踪区注册。附着成功后，UE将分配到一个IP地址，该UE的MEI（Mobile Equipment Identity）也被提交给MME做鉴权。当UE不能接入EPC，或者EPC不允许UE再接入时，则启动跟踪区分离过程。在分离之后，EPC不再寻呼UE。

2.5.4　随机接入过程

在上行链路中，eNodeB将负责快速完成对有数据传输业务的UE进行资源调配。但在UE刚刚开启时，由于eNodeB通常无法获取UE最近的上行信息，因此不能直接完成传输同步（时间和频率同步）。需要eNodeB与UE之间通过随机接入过程（Random Access，RA）实现UE与网络的同步。LTE随机接入是为了实现UE和网络的同步或从网络处获取无线网络临时标签（Radio Network Temporary Identity，RNTI）。在LTE系统中，当出现以下5种情况之一时，UE会发起随机接入过程：

（1）在RRC_IDLE状态下的初始接入（为了获取RNTI）。

（2）在无线链路失败时的初始接入（为了获取RNTI）。

（3）切换过程中，通过随机接入获取与目标小区的上行同步。

（4）RRC_CONNECTED状态下收到下行数据，而上行处于失步状态，此时由网络侧下发PDCCH指令，从而触发随机接入过程。

（5）RRC_CONNECTED状态下收到上行数据，但却没有可用的PUCCH调度请求（Scheduling Request，SR）资源时，此时UE需要通过随机接入请求获得上行的调度资源授权；或在RRC_CONNECTED状态下，当有上行数据需要发送时，而上行处于失步状态，需要通过随机接入过程，进行上行同步并请求上行调度资源授权。

1. 随机接入的分类

UE可通过公共信令（如SIB2中的RACH-Config Common）或专用信令（如RRC重配置中的RACH-Config Dedicated）等方式，获得RACH配置及随机接入相关参数。UE最多可生成64个前导（Preamble）序列码，而这64个前导序列又被分为两组，因此随机接入过程也被分为两种，即基于竞争的随机接入和非竞争的随机接入。

（1）基于竞争（Contention Based）的随机接入。由UE自行选择前导序列，存在冲突的可能，例如：①不同终端在不同时频单元发送公共前导序列；②不同终端在同一时频单元发送不同公共前导序列；③不同终端在同一时频单元发送同一公共前导序列。当出现以上情况时，必须通过竞争解决，确定究竟哪个UE可以进行接入。

（2）基于非竞争（Non-contention Based）的随机接入。终端由eNodeB指定的专用前导序列随机接入网络，其他用户不会用到，因此不会出现冲突情况，无须通过竞争接入方式解决。

2. 随机接入步骤

随机接入的主要步骤包括：

（1）确定并发送前导序列。若由eNodeB指定随机接入前导，则采用该分配的前导序列；若由UE选择前导序列，则根据MSG3消息长度进行随机接入序列组（A组或B组）选择，然后在所选择的序列组中，按等概率原则随机选择一个前导序列号。

（2）接收随机接入响应。在由eNodeB指示长度的搜索时间窗口内，进行PDCCH监测及盲检。若UE盲检到一个由RA-RNTI加扰的PDCCH，则根据该PDCCH所含的下行调度信息，接收同一TTI（1ms）内的PDSCH信道。通过对PDSCH所含信息的解码，就可以提取TA命令、20bit的上行授权（UL_Grant，也称为随机接入响应授权）和临时C-RNTI。若是非竞争随机接入，则随机接入过程成功结束；若是竞争的随机接入，则设定临时C-RNTI，并进行UL_Grant解码，准备进行MSG3发送。

（3）发送MSG3。根据eNodeB指示的相关功控参数、路径损耗估计、PUSCH发送所占RB数等，计算MSG3的开环发射功率；根据随机接入响应授权，按指定的资源和格式在PUSCH上进行MSG3发送，MSG3中包含了用于竞争解决的信息。

（4）竞争解决（MSG4）。每次MSG3信号传输／重传后，启动或重新启动竞争解决定时器（mac-Contention Resolution Timer）。

竞争解决场景一：在由RRC连接建立／重建触发的随机接入中，在CCCH SDU中包含了UE Identity。检测由Temporary C-RNTI加扰的PDCCH，并根据该下行分配将对应的PDSCH进行解码（MSG4），然后检查UE Contention Resolution Identity MAC中所含内容是否与MSG3发送的CCCH SDU携带的UE Identity相匹配。若匹配，竞争解决并通过，UE将Temporary C-RNTI升级为C-RNTI。

竞争解决场景二：其他情况（如切换、上／下行数据待传输）触发的随机接入中，在C-RNTI MAC控制信元中包含了UE的C-RNTI。若随机接入过程由UE发起，检测由C-RNTI加扰的PDCCH上行授权。若随机接入过程由eNodeB发起，检测由C-RNTI加扰的PDCCH。如果竞争解决成功，就丢弃Temporary C-RNTI。

2.5.5　寻呼

寻呼是移动通信系统的关键过程之一，LTE网络可以向空闲状态或者连接状态的UE发送寻呼消息。寻呼可以由核心网触发，用于通知UE接收寻呼消息；或由eNodeB触发，用于向UE发送系统更新消息以及地震、海啸预警等信息。

1. 寻呼消息

寻呼消息一般携带三类信息：寻呼的UE ID列表、系统消息改变指示标识及地震和海啸预警系统（ETWS）指示标识。在LTE系统中，寻呼消息是由PDSCH信道承载的，而寻呼标识在PDCCH信道上承载。UE周期性地监听PDCCH，如果从PDCCH信道上解析出了寻呼无线网络临时标识（P-RNTI），则表示终端需要接收对应的PDSCH，然后通过解析PDSCH上的数据块，进而获得寻呼消息。而如果终端在PDCCH上未解析出P-RNTI，则无须再去接收PDSCH物理信道数据。

对于IDLE状态的UE，寻呼标识在PDCCH信道上发送，具体被寻呼的UE ID承载在PCH的寻呼消息中（一个寻呼消息最多可携带有16个UE ID），PCH映射到PDSCH信道上。

2. 寻呼容量

在LTE的物理层协议中，寻呼帧（Paging Frame，PF）对应一个LTE无线帧，寻呼时刻（Paging Occasion，PO）对应LTE一个无线帧中的某个子帧。对于UE来讲，通过PF和PO以及IMSI，可以计算出应该在哪个PF的PO中监听寻呼消息。因为PF和PO的值对应了DRX周期内需要探测的相应PDCCH在时频资源上的无线帧的位置和无线子帧的位置。PF与PO主要由寻呼周期T与寻呼密度nB两个参数决定，这两个参数通过系统消息SIB2通知UE。

寻呼周期T的取值范围是32、64、128和256，单位是无线帧。该值越大，则空闲状态下UE的电力消耗越少，但是寻呼消息在无线信道上的平均延迟越大。

寻呼密度nB的取值范围是4T、2T、T、T/2、T/4、T/8、T/16、T/32，该参数主要表征了寻呼的密度。4T表示每个无线帧有4个子帧用于寻呼，T/4表示每4个无线帧中有1个子帧用于寻呼。

用户寻呼下发次数（Paging Sent Num）的取值范围为1~3，需要综合考虑寻呼成功率与寻呼资源占用之间的关系，一般建议取值为1。

下面举例说明寻呼容量的测算。假设T取64，nB取T，即寻呼周期为640ms，在每个无线帧的子帧0发送寻呼消息，所有用户分成64个组，则最大寻呼量每秒为16×100=1600次。查满足一定阻塞率（2%）的ERL表（容量为16），同时可寻呼9.8个UE ID，则平均寻呼量可达每秒980个，比2G或3G系统至少高1个或2个数量级。由于LTE寻呼消息与其他业务共享PDSCH，且优先级高于其他业务，因此LTE系统一般无须担心寻呼容量受限的问题。