1 LTE協議棧EMM培訓 2012 03 08 EMM 2 內容提要 開機信令流程 EMM相關 EMM過程類型表述移動性管理安全性 3 協議棧各子層功能實現及驗證 協議研究C代碼設計測試聯合調試 實現步驟 4 開機信令流程 EMM相關 EMM 5 LTEnetworkarchitecture E UTRAN UE Evolvedpacketcore EPC 6 LTENEFunction 7 LTE協議棧架構 7 8 UE端EMM模塊結構 9 EMM DEREGISTERED Pressabuttontoswitchonthephone UE ECM IDLE 10 eNBS1APID eNBS1APIDMMES1APID RRCconnectionestablished ECM CONNECTED EMM REGISTERED INITIATED AuthenticationRequest AttachRequest IMSI MME HSS eNB UE ECM IDLE EMM DEREGISTERED InitialUEmessage eNBS1APID AttachRequest IMSI EMM COMMON PROCEDURE INITIATED ECM CONNECTED Stored Allocated AuthenticationInformationRequest IMSI AuthenticationInformationAnswer Authentication securityparameters ECM EMM DownlinkNAStransport eNBS1APID1 MMES1APID AuthenticationRequest S1 MMEinterfaceS1APprotocol S6AinterfaceDiameterprotocol Allocated Stored IMSI MMES1APIDMTMSI GUTI MMETEID C eNBS1APID 11 eNBS1APIDMMES1APID EMM REGISTERED INITIATED ECM CONNECTED UplinkNAStransport eNBS1APID MMES1APID AuthenticationResponse DownlinkNAStransport eNBS1APID1 MMES1APID AuthenticationResponse integrityprotection MME HSS eNB UE EMM COMMON PROCEDURE INITIATED ECM ECM CONNECTED MMES1APIDMTMSI GUTI MMETEID C IMSI eNBS1APID 12 EMM REGISTERED INITIATED SGW UplinkNAStransport eNBS1APID MMES1APID UpdateLocationRequest IMSI UpdateLocationAnswer QoSprofile APN integrityprotection confidentialityprotection MME HSS eNB UE EMM COMMON PROCEDURE INITIATED ECM CONNECTED ECM CONNECTED eNBS1APIDMMES1APID CreateSessionRequest MMETEID C IMSI IMSI MMETEID C Stored SGWTEID CSGWTEID USGWIP U Allocated DNS APN SGWIP S11interfaceGTPv2protocol MMES1APIDMTMSI GUTI MMETEID C IMSI eNBS1APID 13 InitialContextSetupRequest eNBS1APID1 MMES1APID SGWTEID U SGWIP U eNBTEID UeNBIP USGWTEID USGWIP U EMM REGISTERED INITIATED SGW InitialContextSetupResponse eNBS1APID MMES1APID eNBTEID U eNBIP U integrityprotection confidentialityprotection MME eNB UE EMM COMMON PROCEDURE INITIATED ECM CONNECTED ECM CONNECTED eNBS1APIDMMES1APID CreateSessionResponse MMETEID C SGWTEID C SGWTEID U SGWIP U SGWTEID CSGWTEID USGWIP U Stored EMM REGISTERED Stored Allocated GUTITAILIST Stored eNBTEID UeNBIP U Temporarilystored MMES1APIDMTMSI GUTI MMETEID C IMSI eNBS1APID IMSI MMETEID C SGWTEID CSGWTEID USGWIP U 14 ModifyBearerRequest SGWTEID C eNBTEID U eNBIP U ModifyBearerResponse MMETEID C EMM REGISTERED Attachcompleted eNBS1APIDMMES1APIDeNBTEID UeNBIP USGWTEID USGWIP U SGW integrityprotection confidentialityprotection MME eNB UE EMM COMMON PROCEDURE INITIATED ECM CONNECTED ECM CONNECTED GUTITAILIST UplinkNAStransport eNBS1APID MMES1APID EMM REGISTERED eNBTEID UeNBIP U Temporarilystored Firstuplinkdatapacket Firstdownlinkdatapacket IMSI MMETEID C SGWTEID CSGWTEID USGWIP U eNBTEID UeNBIP U SGWTEID CSGWTEID USGWIP U MMES1APIDMTMSI GUTI MMETEID C IMSI eNBS1APID 15 EMM過程類型 EMM 16 EMM實體主要過程描述 17 EMM狀態轉換 根據協議規范和設計實現EMM共分為7個大狀態和20個小狀態 7個大狀態為EMM NULL EMM DER EMM DIN EMM REG EMM RIN EMM SRI EMM TRACKING AREA UPDATING INITIATED 20個小狀態為NUL DPS DNC DNS DLS DNI DAA DAN RIN RNS RPS RLS RAU RUN RUM RID RNC TAI DIN SRI 在進行狀態跳轉時會根據不同的EMM原因值跳轉到不同的小狀態 18 UE端EMM狀態躍遷圖 EMM NUL Disenables1模式 Enables1模式 EMM DER 關機信號 任意狀態 EMM DIN EMM RIN EMM SRI EMM REG EMM TAI 分離接受 底層失敗 非關機分離 附著拒絕 附著請求 附著接受 默認上下文激活 業務請求 業務接受 TAU請求 TAU拒絕或小區禁止接入或TAU僅EPS業務成功 TAU拒絕 19 Attach和Detach過程 作用 Attach過程完成UE在網絡的注冊 完成核心網 EPC 對該UE默認承載的建立Detach過程完成UE在網絡側的注銷和所有EPS承載的刪除Attach說明 LTE中 Attach伴隨著核心網處默認承載的建立Detach說明 UE MME SGSN HSS均可發起detach過程若網絡側長時間沒有獲得UE的信息 則會發起隱式的Detach過程 即核心網將該UE的所有承載釋放而不通知UE Attach與Detach過程 20 AttachProcedure 在無線網部分 LTE的attach與3G的類似 完成相同的功能而在核心網部分 除鑒權 身份驗證 用戶注冊以外 LTE還包含默認承載的建立 而3G中沒有 Attach信令流程E UTRAN部分 21 Attach過程說明 處在RRC IDLE態的UE進行Attach過程 首先發起隨機接入過程 即MSG1消息 eNB檢測到MSG1消息后 向UE發送隨機接入響應消息 即MSG2消息 UE收到隨機接入響應后 根據MSG2的TA調整上行發送時機 向eNB發送RRCConnectionRequest消息 eNB向UE發送RRCConnectionSetup消息 包含建立SRB1承載信息和無線資源配置信息 UE完成SRB1承載和無線資源配置 向eNB發送RRCConnectionSetupComplete消息 包含NAS層Attachrequest信息 eNB選擇MME 向MME發送INITIALUEMESSAGE消息 包含NAS層Attachrequest消息 MME向eNB發送INITIALCONTEXTSETUPREQUEST消息 請求建立默認承載 包含NAS層AttachAccept ActivatedefaultEPSbearercontextrequest消息 eNB接收到INITIALCONTEXTSETUPREQUEST消息 如果不包含UE能力信息 則eNB向UE發送UECapabilityEnquiry消息 查詢UE能力 UE向eNB發送UECapabilityInformation消息 報告UE能力信息 eNB向MME發送UECAPABILITYINFOINDICATION消息 更新MME的UE能力信息 eNB根據INITIALCONTEXTSETUPREQUEST消息中UE支持的安全信息 向UE發送SecurityModeCommand消息 進行安全激活 UE向eNB發送SecurityModeComplete消息 表示安全激活完成 eNB根據INITIALCONTEXTSETUPREQUEST消息中的ERAB建立信息 向UE發送RRCConnectionReconfiguration消息進行UE資源重配 包括重配SRB1和無線資源配置 建立SRB2 DRB 包括默認承載 等 UE向eNB發送RRCConnectionReconfigurationComplete消息 表示資源配置完成 eNB向MME發送INITIALCONTEXTSETUPRESPONSE響應消息 表明UE上下文建立完成 UE向eNB發送ULInformationTransfer消息 包含NAS層AttachComplete ActivatedefaultEPSbearercontextaccept消息 eNB向MME發送上行直傳UPLINKNASTRANSPORT消息 包含NAS層AttachComplete ActivatedefaultEPSbearercontextaccept消息 Attach流程說明 22 ConnectedUEinitiatedDetach Detach信令流程 連接態UE發起 23 ConnectedUEinitiatedDetach說明 處在RRC CONNECTED態的UE進行Detach過程 向eNB發送ULNASTransfer消息 包含NAS層Detachrequest信息 eNB向MME發送上行直傳UPLINKNASTRANSPORT消息 包含NAS層Detachrequest信息 MME向Serving GW發送DeleteSessionRequest 以刪除EPS承載 Serving GW向MME發送DeleteSessionResponse 以確認EPS承載刪除 MME向基站發送下行直傳DOWNLINKNASTRANSPORT消息 包含NAS層Detachaccept消息 eNB向UE發送DLInformationTransfer消息 包含NAS層Detachaccept消息 MME向eNB發送UECONTEXTRELEASECOMMAND消息 請求eNB釋放UE上下文信息 eNB接收到UECONTEXTRELEASECOMMAND消息 向UE發送RRCConnectionRelease消息 釋放RRC連接 eNB釋放UE上下文信息 向MME發送UECONTEXTRELEASECOMPLETE消息進行響應 24 ServiceRequest過程 作用把EMM模式從EMM IDLE轉換成EMM CONNECTED模式 并為上行鏈路用戶數據或信令發送建立無線鏈路和S1承載 另一個目的是 喚起MO MTCS滾回過程以下情況UE會喚起業務請求過程 a UE處于EMM IDLE模式時 從網絡收到一個CN域為 PS 的尋呼請求 b UE在EMM IDLE模式 掛起發送的用戶數據 c UE在EMM IDLE模式 上行信令掛起 d UE用CSfallback和從低層請求生成的CSfallback來配置EMM IDLE或EMM CONNECTED模式 e UE用CSfallback和收到的CN域為 CS 的尋呼請求來配置EMM IDLE模式 或者用CSfallback與收到的CSSERVICENOTIFICATION消息來配置EMM CONNECTED 25 UEtriggeredServiceRequest 26 ServiceRequest過程 說明當UE發起servicerequest時 需先發起隨機接入過程ServiceRequest由RRCConnectionSetupComlete攜帶上去當下行數據達到時 網絡側先對UE進行尋呼 隨后UE發起隨機接入過程 并發起servicerequest過程UE發起servicerequest相當于主叫過程下行數據達到發起的servicerequest相當于被叫接入 27 尋呼 Paging 由網絡向空閑態或連接態的UE發起Paging消息會在UE注冊的所有小區發送 TA范圍內 核心網觸發 通知UE接收尋呼請求 被叫 數據推送 eNodeB觸發 通知系統消息更新以及通知UE接收ETWS等信息 目的 1 網絡端請求建立與UE的NAS信令連接 也可以用來建立與UE之間傳輸cdma2000信令消息 2 觸發UE的重附著 當由于網絡失敗時 如果當UE收到EPS業務時還沒有附著 UE則忽視該尋呼 另外 網絡可以用尋呼來發起移動性終止CSfallback過程或SMS 28 S TMSI尋呼 當NAS信令消息 或用戶數據在等待發送給UE而此時沒有NAS信令連接存在時 網絡將會發起一個用于EPS業務的尋呼過程 該過程用S TMSI CN域指示器設置為PS 為了初始該過程 網絡端的EMM實體會請求低層發起尋呼 開啟T3413 UE收到尋呼后 將發送一個SERVICEREQUEST消息響應 如果EPS業務尋呼與EMM特殊過程 或者業務請求過程沖突 則UE將會忽視該尋呼過程 UE和網絡將進行EMM特殊過程和業務請求過程 網絡收到來自UE的響應將停止定時器 29 IMSI尋呼 當網絡發生錯誤需要恢復時 例如S TMSI不可用 可發起IMSI尋呼 UE收到后執行本地detach 然后再開始attach 30 移動性管理 EMM 31 TAU概述 當移動臺由一個TA移動到另一個TA時 必須在新的TA上重新進行位置登記以通知網絡來更改它所存儲的移動臺的位置信息 這個過程就是跟蹤區更新 TrackingAreaUpdate TAU TAU的定義 32 TAU概述 為了確認移動臺的位置 LTE網絡覆蓋區將被分為許多個跟蹤區 TrackingArea TA TA功能與3G的位置區 LA 和路由區 RA 類似 是LTE系統中位置更新和尋呼的基本單位 TA用TA碼 TrackingAreaCode TAC 標識 一個TA可包含一個或多個小區 TAC在這些小區的SIB1中廣播與LAC RAC類似 網絡運營時用TAI作為TA的唯一標識 TAI由MCC MNC和TAC組成 共計6字節 TA和TAI的定義 UE在附著時 MME會為UE分配一組TAlist 長度1 16 并發送給UE保存 當需要尋呼UE時 網絡會在TAlist所包含的小區內向UE發送尋呼消息 TAILIST長度為8 98字節 分為三種類型 最多可包含16個TAIsUE附著時 MME通過ATTACHACCEPT或TAUACCEPT消息為UE分配一組TAI TAIlist 當需要尋呼UE時 網絡在TAIlist所包含的所有小區內向UE發送尋呼UE收到TAILIST后保存在本地 移動過程中只要進入的新TA的TAI包含在TALIST中 UE都無需發起TAU過程 33 Identifier PLMN Identity MCC MNCTAI PLMN Identity TAC 34 TAU概述 UE狀態不同空閑態TAU連接態TAU更新內容不同非聯合TAU 更新TAILIST聯合TAU 更新TAILIST LAU 當前TA不在UE的TAIlist里周期性TAU表明UEAlive 網絡配置 IDLE或連接態均強制執行從服務區外返回服務區時 且周期性TAU到期 立刻執行MME負載均衡時 可要求UE發起TAUECM IDLE狀態下UE的GERAN和UTRANRadio能力發生變化從UTRANPMMConnected或GPRSREADY狀態通過小區重選進入E UTRAN時 TAU的應用場景 TAU分類 35 TAU過程 在網絡登記新的用戶位置信息進入新的TA 其TAI不在UE存儲的TAILIST內給用戶分配新的GUTI核心網在同一個MMEpool用GUTI唯一標識一個UE 若TAU過程中更換了MMEpool 則核心網會在TAUACCEPT消息中攜帶新GUTI分配給UE使UE和MME的狀態由EMM DEREGISTERED變為EMM REGISTEREDUE短暫進入無服務區后回到覆蓋區 信號恢復 且周期性TAU到期IDLE態用戶可通過TAU過程請求建立用戶面資源IDLE下發起TAU過程時 如果有上行數據或者上行信令 與TAU無關的 發送 UE可以在TAUrequest消息中設置an active 標識 來請求建立用戶面資源 并且在TAU完成后保持NAS信令連接連接態不可設置該標識 TAU的作用 36 安全性 EMM 37 鑒權過程說明 EPS的鑒權和密鑰協商過程的目是 提供UE和網絡間的相互鑒權和約定一個密鑰KASME EPS鑒權過程總是由網絡發起和控制 但是 UE可以拒絕網絡發送的鑒權過程 UE當且僅當只有USIM卡存在是才能執行鑒權任務 當EPS鑒權過程成功完成 一部分本地的的EPS安全上下文在UE端和網絡端被建成 在成功的EPS鑒權過程中 CK和IK由USIM計算出 然后CK和IK被ME當做密鑰原料來計算新的密鑰 KASME KASME存儲在網絡的安全上文和ME可變存儲器的安全上文中 它是EPS完整性保護密鑰和加密密鑰的根要密鑰 38 圖中的Key進行相關說明 IK CK 這是一對在AKA過程中 在AuC和USIM中產生的密鑰 這兩個密鑰在產生過程中都是以USIM和AuC中的永久密鑰K作為密鑰輸入 以鑒權向量中的隨機數RAND作為參數輸入 在不同的函數中產生 f3 f4 IK CK在應用于anEPSsecuritycontextoralegacysecuritycontext時 將進行不同的處理 NASkeys KNASint 它同它一個產生該key時選定的的完整性保護算法一起用于對NAS事務進行完整性保護 它是在UE和MME通過KASME和一個選定的完整性保護算法的標識由KDF產生的 KNASenc 它同一個產生該key時選定的加密算法一起用于對NAS事物進行加密保護 它是由UE和MME通過KASME和一個選定的加密算法的標識由KDF產生的 密鑰等級 39 鑒權參數產生流程 40 鑒權過程 41 加密和完整性保護 UE在加密和完整性保護都被激活的情況下 NAS消息將先被加密 然后再將加密后的NAS消息同NAS序列號一起計算MAC I 注意 NAS消息中的Protocoldiscriminator和Securi