3.2 基本信令流程
对网优工程师来说，需要熟悉掌握的基本信令流程包括随机接入、RRC建立、RRC释放、RRC重建、RRC重配置、寻呼、语音的电路域回落、紧急呼叫以及LTE测量等流程。
3.2.1 随机接入流程
随机接入使UE终端与网络建立通信连接成为可能，简单来讲就是确保UE与eNodeB建立无线链路，获取或恢复上行同步。用户的随机性和无线环境的复杂性决定了接入的发起以及分配的资源具有随机特征，因此，随机接入的成功率取决于随机接入流程是否顺利完成。
随机接入发起的目的主要包括：①请求初始接入；②从空闲状态向连接状态转换；③支持eNodeB之间的切换过程；④取得或恢复上行同步；⑤向eNodeB请求UE-ID；⑥向eNodeB发出上行发送的资源请求。
在第2章中提到，随机接入分为竞争性随机接入和非竞争性随机接入两类。前者是UE从基于冲突的随机接入前缀中依照一定算法随机选择一个随机前导序列，后者是基站侧通过下行专用信令给UE指派非冲突的随机接入前导序列。
基于竞争模式的随机接入包括三种场景：①RRC_IDLE状态下的初始接入；②无线链路失败以后的初始接入；③RRC_CONNECTED状态下，当有上行数据需要传输时存在上行失步non-synchronised，或者没有PUCCH资源用于发送调度请求消息的场景。第③种场景，除了通过随机接入的方式外，此时没有其他途径告诉eNodeB，UE存在上行数据需要发送。
基于非竞争模式的随机接入包括两种情况：
（1）RRC_CONNECTED状态下，当下行有数据需要传输时，此时发生上行失步non-synchronised的情况。因为数据的传输除了接收外，还需要确认，如果上行失步，eNodeB无法保证能够收到UE的确认信息。此时下行还是同步的，因此可以通过下行消息告诉UE发起随机接入需要使用的资源，如前导序列以及发送时机等，这些资源都是双方已知的，不需要通过竞争的方式接入系统。
（2）切换过程中的随机接入，在切换的过程中，目标eNodeB可以通过服务eNodeB来告诉UE它可以使用的资源。
如图3-3所示，基于竞争的随机接入流程包括：
（1）MSG1：UE在RACH上发送随机接入前缀，携带前导码（Preamble）。
（2）MSG2：eNodeB接收到MSG1后，在DL-SCH上发送随机接入响应（Random Access Response，RAR），RAR中携带了TA调整、上行授权指令和T-CRNTI。
（3）MSG3（连接建立请求）：UE收到MSG2后，通过preamble ID核对，判断是否属于自己的RAR消息。如果是，则发送MSG3消息，携带UE-ID。UE的RRC层产生RRC Connection Request并映射到UL-SCH上的CCCH逻辑信道上发送。
（4）MSG4（RRC连接建立）：竞争解决消息RRC Contention Resolution由eNodeB的RRC层产生，并在CCCH或DCCH（FFS）逻辑信道上发送，UE正确接收MSG4完成竞争解决。
如图3-4所示，非竞争性随机接入流程包括：
（1）MSG1：eNodeB通过下行专用信令给UE指派非竞争的随机接入前缀（Preamble），这个前缀不在BCH上广播的集合中。
（2）MSG2：UE在RACH上发送指派的随机接入前缀。
（3）MSG3：eNodeB的MAC层产生随机接入响应，并在DL-SCH上发送。对于非竞争随机接入过程，Preamble码由eNodeB分配，随机接入响应（RAR）消息正确接收后接入流程结束。
图3-3 竞争性随机接入流程
图3-4 非竞争性随机接入流程
3.2.2 RRC信令流程
RRC连接在UE与E-UTRAN之间传输无线网络信令，在呼叫建立之初RRC连接建立，在通话结束后释放，并在期间一直维持。每个UE最多只有一个RRC连接。RRC信令流程是信令分析的重点，具体包括RRC连接建立、连接释放、连接重建和连接重配置。
1. RRC连接建立
RRC连接的建立通常有两种触发原因：一是UE初始接入网络，进行Attach时发起；二是UE从RRC_IDLE状态进入到连接状态时发起，如发起呼叫、响应寻呼、跟踪去更新（TAU）或者去附着（Detach）等操作。如图3-5所示，RRC连接建立包括以下步骤：
（1）RRC连接请求：UE通过上行CCCH（UL_CCCH）信道在SRB0上发送RRC Connection Request消息，消息中携带了UE的初始（NAS）标识和建立原因等信息。该消息对应于随机接入过程中的MSG3，是UE向eNodeB发送的第一条RRC信令消息，目的是请求建立一条RRC连接。建立RRC连接的目的是进行冲突解决和建立SRB1，同时RRC连接建立时也可以让UE向E-UTRAN发送初始的NAS专用消息。E-UTRAN通过该过程仅能建立SRB1。
（2）RRC连接建立：eNodeB通过下行CCCH信道（DL_CCCH）在SRB0上发送RRC Connection Setup消息，消息中携带了SRB1的完整配置信息。该消息对应于随机接入过程中的MSG4。
（3）RRC连接建立完成：UE通过UL_DCCH在SRB1上发送RRC Connection Setup Complete消息，该消息携带了上行NAS消息，如Attach Request、TAU Request、Service Request、Detach Request等，eNodeB根据这些消息进行S1口建立。
RRC连接建立失败的流程如图3-6所示。在RRC连接建立流程的第二步中，如果eNodeB拒绝为UE建立RRC连接，则会通过DL_CCCH在SRB0上回复RRC Connection Reject消息给UE。
图3-5 RRC连接建立流程
图3-6 RRC连接建立失败
2. RRC连接重建
当UE处于RRC连接状态但是出现切换失败、无线链路失败、完整性保护失败、RRC重配置失败等事件时，UE会发起RRC连接重建流程。如图3-7所示，RRC连接重建步骤如下：
（1）RRC连接重建请求：UE通过UL_CCCH在SRB0上发送RRC Connection Restablishment Request消息，消息中含有UE的AS层初始标识信息及重建原因，该消息对应随机接入过程中的MSG3。
（2）RRC连接重建立：eNodeB收到重建请求后，通过DL_CCCH在SRB0上回复UE RRC Connection Reestablishment消息，消息中携带SRB1的完整配置信息，该消息对应随机接入过程的MSG4。
（3）RRC重建完成：UE通过UL_DCCH在SRB1上发送RRC Connection Reestablishment Complete消息，该消息并不携带任何实质性信息，仅实现重建完成确认并通知eNodeB。
图3-7 RRC连接重建流程
在RRC重建过程中的第2步，如果eNodeB没有UE的上下文信息，则拒绝为UE重建RRC连接。eNodeB通过下行CCCH信道回复一条RRC重建拒绝的指令RRC Connection Reestablishment Reject给UE，如图3-8所示。
图3-8 RRC连接重建失败
3. RRC连接重配置
当需要发起对SRB和DRB的管理、底层参数配置、切换执行和测量控制时，会触发RRC连接重配置流程。如图3-9所示，RRC连接重配置流程包括以下步骤：
（1）RRC连接重配置：eNodeB通过DL_DCCH在SRB1上发送RRC Connection Reconfiguration消息给UE，根据携带的不同配置信息，一条消息中可以携带体现多个功能的信息单元。
（2）RRC连接重配置完成：UE通过UL_DCCH在SRB1上发送RRC Connection Reconfiguration Complete消息给eNodeB，该消息中不含实质性信息，仅仅实现RRC层的确认功能。
图3-9 RRC连接重配置流程
在RRC连接重配置流程的第2步，如果UE无法执行RRC连接重配置消息中的内容，UE会回退到收到重配消息前的配置，并发起RRC重建流程，如图3-10所示。
图3-10 RRC连接重配置失败
4. RRC连接释放
当网络希望解除与UE的RRC连接时，会触发RRC连接释放流程。如图3-11所示，在RRC连接释放时，eNodeB通过DL_DCCH在SRB1上发送RRC Connection Release消息给UE，该消息中可选择携带重定位信息和专用优先级分配信息（用于控制UE的小区选择和重选）。在某些情况下（如NAS层鉴权过程中没有通过鉴权检查），UE的RRC层根据NAS层的指示可以主动释放RRC连接，不通知网络侧而主动进入空闲状态，称为本地释放。
图3-11 RRC连接释放
表3-3对RRC连接建立、连接重建、重配置和连接释放这几个典型场景进行了总结。
表3-3 典型的RRC场景列表
3.2.3 寻呼流程
寻呼是网络寻找UE时进行的信令流程，当网络告知UE有些信息要下发给它，UE必须通过解析寻呼消息、发起相应寻呼流程来响应，才能确保通信的正常进行。
在LTE网络中，寻呼被触发的条件有三种：①UE被叫（MME发起）；②系统消息改变时（eNodeB发起）；③地震告警（ETWS，小概率事件）。寻呼过程的实现依靠跟踪区（TA）来进行（相当于2/3G系统的LAC），寻呼的范围在TAC内进行，并不是在TAC列表的范围内进行寻呼。TAC列表的设计只是减少了位置更新次数，从而降低信令负载。
从信令角度可以把寻呼流程分为两类：S_TMSI寻呼和IMSI寻呼。一般情况下，优先使用S_TMSI寻呼，当网络发生错误需要恢复时（如S_TMSI不可用），才发起IMSI寻呼。
从寻呼发起原因来分，也可以分为被叫寻呼和小区系统消息改变时寻呼（暂不考虑地震寻呼），区别在于被叫寻呼是由EPC发起，经eNodeB透传；而小区系统消息改变时寻呼由eNodeB发起。通常所说的寻呼，主要指被叫寻呼。
1. S-TMSI寻呼
当UE在RRC_IDLE模式时，网络若需要给UE发送数据（业务或信令），则发起S_TMSI寻呼过程，S_TMSI寻呼流程如图3-12所示。
图3-12 S_TMSI寻呼流程
2. IMSI寻呼
当网络发生错误需要恢复时（如S-TMSI不可用），可发起IMSI寻呼，UE收到后执行本地去附着（Detach）过程，然后再开始附着请求（Attach），如图3-13所示。
图3-13 IMSI寻呼流程
3.2.4 语音的电路域回落流程
当4G网络覆盖不完全或VoLTE网络尚未完全建好时，LTE用户的语音要回落到2G（GSM EDGE Radio Access Network，GERAN）或3G（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UTRAN）网络上进行，称为电路域回落（Circuit Switch Fallback，CSFB）。作为一种过渡性解决方案，CSFB较好地解决了语音电话的可靠性问题，同时可以在一定程度上通过延长2G/3G网络的服务年限来保护运营商的前期投资。CSFB的流程分为主叫流程和被叫流程。
1. 主叫CSFB流程
如图3-14所示，主叫CSFB流程包括以下步骤：
（1）UE发起CS Fallback语音业务请求。当用户拨打语音电话时，UE会发一条Extended Service Request消息，该消息里会携带CSFB信息。
（2）MME发送Initial Context Setup Request消息给eNodeB，包含CS Fallback Indicator，该消息告知eNodeB，UE因CS Fallback业务需要回落到UTRAN/GERAN。
（3）eNodeB要求UE启动系统小区测量，并获取UE上报的测量报告，确定重定向的目标系统小区。然后向UE发送目标系统具体的无线配置信息，并释放RRC连接。LTE网络通过RIM流程（无线消息管理流程）提前获取2G目标小区的广播信息，将其填充至RRC Connection Release消息中下发，省去了终端读取2G广播信息的时间。
（4）UE接入目标系统小区，发起CS域的业务请求消息CM Service Request。如果CM业务请求消息中有CSMO字样，则说明本次呼叫是移动终端发起的CSFB呼叫。
（5）如果目标系统小区归属的MSC Server与UE附着EPS网络时登记的MSC Server不同，则该MSC Server收到UE的业务请求时，并没有该UE的信息。若MSC Server可以采取隐式位置更新流程，则接受用户请求。若MSC Server不支持隐式位置更新，则会拒绝用户的请求。MSC Server拒绝用户的业务请求会导致UE发起一个CS域的位置更新。如果位置更新请求消息中携带了CSMO标识，且该标识有效，则MSC Server会记录本次呼叫是CSFB呼叫。
图3-14 主叫CSFB流程
（6）完成位置更新后UE再次尝试在CS域建立语音呼叫流程。
（7）通话结束后，MSC Server向主叫回落到的BSC发送的Clear Command消息中携带CSFB Indication信元，指示BSC拆除空口连接并通知UE回到LTE网络。或者MSC Server向主叫回落到的RNC发送Iu Release Command消息，携带End Of CSFB信元，指示RNC拆除空口连接并指示UE回到LTE网络。
（8）MSC收到BSC的Clear Complete消息或者RNC的Iu Release Complete消息，表示呼叫结束，A口连接拆除完成。接入侧在指示终端重选网络时只针对CSFB用户通话前携带的LTE频点，实现终端快速返回LTE网络。
2. 被叫CSFB流程
如图3-15所示，被叫CSFB流程包括以下步骤：
图3-15 被叫CSFB流程
（1）GMSC Server向被叫用户归属HLR发送取路由信息SRI。
（2）HLR收到该SRI消息后，向被叫用户当前附着的MSC Server获取漫游号码。
（3）MSC Server为该次呼叫分配漫游号码MSRN1，并返回给HLR。
（4）HLR将漫游号码反馈给GMSC。
（5）GMSC收到漫游号码后，对号码进行分析，并根据分析结果把呼叫路由发给MSC Server。
（6）MSC Server收到IAM入局消息后，发送SGsAP-PAGING-REQUEST（含IMSI、TMSI、Service indicator、CLI、LAC等信息）消息给MME。
（7）MME发送寻呼消息给eNodeB，eNodeB发起空口的寻呼流程。
（8）UE建立连接并发送Extended Service Request消息给MME。
（9）MME发送SGsAP-SERVICE-REQUEST消息给MSC Server。为避免主叫等待时间过长，MSC Server收到包含空闲态指示的SGsAP-SERVICE-REQUEST消息后，先通知主叫，呼叫正在进行中。
（10）MME发送Initial UE Context Setup消息（包含CS Fallback Indicator）给eNodeB，通知eNodeB，UE因CSFB业务需要回落到UTRAN/GERAN。
（11）UE回落到CS域后，若检测到当前的位置区信息和存储的位置区不同，将发起位置更新，MSC Server会收到UE发送的位置更新（Location Update Request）消息。如果位置更新消息中携带CSMT字样，则MSC Server会标识本次呼叫为CSFB呼叫。
（12）随着空口、A/Iu-CS等连接的建立，UE发送Paging Response消息给MSC Server。该消息中携带CSMT标识，即使BSC/RNC没有向该UE发起过寻呼请求，也需要能处理UE的寻呼响应。如果寻呼响应消息中的位置区信息和VLR中保存的不一致，则VLR在业务接入成功之后将SGs关联置为非关联。
（13）建立CS呼叫。
（14）通话结束后，告知BSC/RNC拆除空口连接并指示UE返回LTE网络。
（15）MSC收到BSC的Clear Complete消息或RNC的Iu Release Complete消息表示呼叫结束。接入侧在指示终端重选网络时只针对CSFB用户携带的LTE频点，可以让CSFB终端快速返回E-UTRAN。
3.2.5 紧急呼叫流程
在VoLTE尚未商用之前，当使用USIM卡的用户发起紧急呼叫（例如用手机拨打112、110、119、120之类的报警或求救号码）时，MME会指示eNodeB将UE回落到GERAN/UTRAN网络上进行。与普通的语音呼叫相比，紧急呼叫业务流程无须进行位置更新处理。当非USIM卡用户发起紧急呼叫时，由于SIM卡类型的原因，其紧急呼叫流程与GERAN/UTRAN网络的呼叫流程是一样的。
如图3-16所示，LTE网络紧急呼叫流程包括以下步骤：
（1）UE发起电路域回落（CS Fallback）呼叫业务请求，向eNodeB发送Extended Service Request消息（其中的service-type信元指示业务类型为紧急呼叫），eNodeB再把该消息发给MME。
（2）MME收到请求后，指示eNodeB需要将UE回落到CS域。
（3）CS域回落完成后，UE向2G/3G MSC发起CM Service Request消息（消息中携带紧急呼叫标识）。
图3-16 紧急呼叫流程
（4）MSC通过eNodeB向UE返回CM Service Accept消息。
（5）UE向2G/3G MSC发送Emergency Setup消息，并发起紧急呼叫。
3.2.6 LTE测量过程
在移动通信系统中，测量过程作为实现移动性管理的先决条件，为移动台的切换和重选等操作提供数据来源。LTE的测量过程分为两个动作：eNodeB的测量控制消息下发和UE的测量数据上报。
当UE处于RRC_IDLE状态下时，UE通过E-UTRAN的广播获得测量参数信息。小区重选是空闲模式中最重要的一项操作，UE端通过对具体测量量（如RSRP或RSRQ）进行测量，获取当前服务小区和邻近小区的质量。通过小区重选，可以确保UE驻留在优质的小区中。
当UE处于RRC_CONNECTED状态下，E-UTRAN通过RRC连接重配置（RRC Connection Reconfiguration）消息，提供测量配置信息（Measurement Configuration）给UE，具体流程可参考RRC的连接重配置信令流程。
关于小区重选及切换的测量准则、测量过程等相关内容，将在本书第5章结合小区重选和切换算法进行详细描述。