EMM(EPS移动性管理)概念及流程

爱卫生

一、总述
   参考协议：TS24301，TS23401，TS36300, TS33401
   EMM (EPS mobility management)EPS移动性管理，管理UE在无线资源环境中的位置移动，包括以下几个主要功能：
   1) 位置注册
   向核心网注册UE信息。只有注册成功后，才可发起业务、发起呼叫和响应寻呼。
   2) 位置更新
   在UE的位置发生改变时，将最新的位置信息通知核心网。
   另外，UE能力信息，比如支持的算法、DRX寻呼周期长度等发生改变时，也通过位置更新通知核心网。
   EMM在网络侧的对等端为MME，如果服务的MME过载，MME将通知UE，通过位置更新，重新选择服务MME，实现负责均衡(load balance)。
   3) 业务请求(Service Request)
   注册成功后，UE需要发起业务时，首先通过ServiceReqeust，建立连接，并恢复承载。
   4) 鉴权(Authentication)
   UE和网络侧之间进行双向鉴权。
   鉴权由网络侧发起，只有合法的UE才可以注册。但当网络侧提供的鉴权参数不正确时，UE认为网络侧非法，可以拒绝。
   5）安全
   为UE和网络侧之间的信令交互提供加密和完整性保护。包括双方的算法协商、密钥的生成、加解密和完整性检查等。

二、重要的概念
1、NAS信令连接(NAS signalling connection)
    EMM在网络侧的对等端是MME。NAS信令连接是指EMM-MME之间的端对端(peer to peer)连接。如下图控制面协议栈所示：

图一 EMM控制平面协议栈

所以，NAS信令连接包括UE和eNB之间的通过空口(Uu)的RRC连接，以及eNB和MME之间通过S1接口的S1 AP连接，两个部分。

2、EMM规程
   EMM的功能通过发起EMM规程实现，EMM规程可以分为3类：
  1) 通用规程(EMM common procedures)
   只有在NAS信令连接已经建立时，才可发起通用规程。通用规程都是由网络侧发起：
- GUTI reallocation; 为UE分配标识符GUTI。
- authentication; 鉴权
- security mode control; 安全模式控制
- identification; 鉴别
- EMM information. 通知
  2) 专用规程（EMM specific procedures）
  由UE发起，同一时间只能发起一个专用规程。
- attach and combined attach.向网络侧注册EPS和non-EPS服务。
- detach and combined detach. 向网络侧去注册EPS和non-EPS服务。
- normal tracking area updating and combined tracking area updating;
- periodic tracking area updating.
   3) 连接管理规程(EMM connection management procedures)
- service request. 建立和网络侧的安全连接，为发生数据请求资源。没有专用规程在运行时，才可发起。
- paging procedure. 网络侧通知UE建立NAS信令连接。或者在网络侧出现错误时，通知UE重新Attach。
- transport of NAS messages. 传输NAS消息

2、initial NAS message
  为进行NAS规程，首先需要建立NAS连接。NAS初始消息，就是触发建立NAS信令连接的消息，有以下几个：
- ATTACH REQUEST;
- DETACH REQUEST;
- TRACKING AREA UPDATE REQUEST;
- SERVICE REQUEST;
- EXTENDED SERVICE REQUEST.
  这些消息就是NAS的专用规程和SR规程的第一条消息。
  NAS初始消息一定是不加密的。但如果已经建立的安全上下文，可进行完整性保护。

3、Establishment of the NAS signalling connection
  在UE处于EMM-IDLE模式，需要发生NAS初始消息时，UE将请求AS建立RRC连接。成功后，转入CONNECTED态，认为NAS连接已经建立。

4、Release of the NAS signalling connection
  在规程结束时，由网络侧主动发起。RRC连接释放完成后，UE进入IDLE态，认为NAS连接已经释放。

5、TAI和TAI list
  TAI(Tracking Area identity)用于标示一个跟踪区域(Tracking Area)，由PLMN ID和 TAC (Tracking Area Code) 的组成。TAI列表，由MME分配，属于同一个服务MME的跟踪区域。在TAI list范围内的跟踪区域发生改变时，不必发起位置更新。
  网络侧寻呼UE时，也在整个TAI list范围内发起寻呼，这样，不论UE处于TAI list内哪一个TAI，都可以接收。
  TAI list由运营商在网络规划时确定，在UE注册、位置更新、或GUTI重配时，通知UE。
  TAI list等同于GERAN的LAI(位置区)和UTRAN的RAI(路由区)。

划分为TAI列表的优点?
   答：TAI list中的成员，可属于不同的eNB，但一定属于同一个MME。并且可以根据网络的热点和非热点地区来设置TAI list，减少TAU流程，降低信令网络负荷。

图二 E-UTRAN结构图

amr

问个问题：看协议EMM-NULL切换到EMM-未注册的状态，触发方式是enable S1 mode或者 enable S1和S101 mode。

S1/S101 mode是啥？度娘和协议都没看到详细定义

chanmao83

爱版主 好闻 请问有附件么？

hxp_hust

tau request消息里没有active flag这个字段呀.
Table 8.2.29.1: TRACKING AREA UPDATE REQUEST message content

amr

有一个疑问，LTE是全IP的。由于当前LTE的技术和覆盖的原因，语音业务使用了CSFB和SRVCC技术，既使用了2/3G的网络。UE注册时是combined类型。

LTE的attach类型有EPS/Combined/EPS emergency，但detach的时候有EPS/IMSI/Combined这三种类型，而IMSI是non-EPS服务（即语音业务），这又是怎么来的呢？

爱卫生

amr 发表于 2013-12-9 15:51
看协议流程无论是UE还是网络侧发起的去附着，最后都要释放S1连接。

但看去附着类型，有单独的针对CS域和 ...

去附着的话，网络侧就感知不到用户存在了，S1肯定要释放的。

amr

顺便再问如果手机关闭上网服务，这样算是EPS DETACH吗？

amr

看协议流程无论是UE还是网络侧发起的去附着，最后都要释放S1连接。

但看去附着类型，有单独的针对CS域和PS域的去附着。这些的话S1连接是无需释放的吧

爱卫生

hxp_hust 发表于 2013-12-3 18:55
请问active flag这个IE在哪？我在attach request里没有找到这个IE，还是在别的消息里？

tau request

hxp_hust

请问active flag这个IE在哪？我在attach request里没有找到这个IE，还是在别的消息里？

爱卫生

qiandl 发表于 2011-11-18 00:04
" 3) 业务请求(Service Request)
   注册成功后，UE需要发起业务时，首先通过ServiceReqeust，建立连接，并 ...

  是这样的。有很多手机是开机自动要做PS域的附着，但他们当时又不上网。所以，在附着的时候，实际上会有一个active flag，如果置1的话，MME将会把空口和S1的bearer全部保留而不会释放，并且不会切换UE的ECM状态。但如果没有置1，则MME将会把E-RAB释放掉并将UE状态切换到ECM-IDLE状态。这时候，UE如果要上网就需要发起Service Request流程去重建空口和S1的bearer。

qiandl

" 3) 业务请求(Service Request)
   注册成功后，UE需要发起业务时，首先通过ServiceReqeust，建立连接，并恢复承载。"
请教，是这样的吗？不是attach流程结束后就可以直接使用业务了吗？有点迷惑？

爱卫生

zhenjiucuo 发表于 2011-8-24 07:17
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多谢！

  谢谢。你的这番话纠正了我的一些理解。我很认同你的观点。针对你说的：“个人感觉可能是在连接态不会再发Service Request了，因为每次Idle态转连接态时所有的E-RAB都建好了。”我非常同意。
  因为我仔细对比了3G中TS24008和EPC中TS24301关于Service Request使用场景的说明，在TS24008中明确提到“
1 The purpose of this procedure is to transfer the PMM mode from PMM-IDLE to PMM-CONNECTED mode, and/or to assign radio access bearer in case of PDP contexts are activated without radio access bearer assigned. In latter case, the PMM mode may be PMM-IDLE mode or may alternatively be the PMM-CONNECTED mode if the MS requires radio access bearer re-establishment.
2 This procedure is used for; uplink (in PMM-IDLE or PMM CONNECTED) and downlink (only in PMM-IDLE) user data.
3 If the SERVICE REQUEST message was sent in PMM-CONNECTED mode, then the reception of the SERVICE ACCEPT message shall be treated as a successful completion of the procedure. “这就足以证明3G中service request如你所说你可以在连接态发送的。
  但在TS24301中，得到的说明却是：“
1 The purpose of the service request procedure is to transfer the EMM mode from EMM-IDLE to EMM-CONNECTED mode and establish the radio and S1 bearers when uplink user data or signalling is to be sent.
2 This procedure is used when:the UE in EMM-IDLE or EMM-CONNECTED mode has requested to perform mobile originating/terminating CS fallback or 1xCS fallback;
3 The UE shall invoke the service request procedure when: 后面定义了a到k共11种UE应调用service request流程的场景，但仔细看过后发现没有一种是要求UE在连接态去重建没有激活的RAB的”
   这足以证明你的观点，就是在EPC中根据就不允许在EMM连接态去发送Service Request，除非有一种特例就是CS fallback。
  

zhenjiucuo

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多谢！
但是，在3G中，Service Request如果是Idle进入Connected状态，则也不需要Service Accept，AS建立链接就够了。一般都是在有Iu链接的条件下，比如需要重建其中被释放的一个或几个RAB，则需要Service Request和Service Accept。结合你回答的第三个问题，个人感觉可能是在连接态不会再发Service Request了，因为每次Idle态转连接态时所有的E-RAB都建好了。有没可能是这样？

爱卫生

zhenjiucuo 发表于 2011-8-21 23:49
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楼主，想问一下，不知道你是否有研究，就是Service Request在EPS中的流程与在WCDMA中的 ...

  最后，再来尝试回答下第三个问题，但这个只是个人想法，仅供参考啊。
  问题是“在EPS中一旦Service Request收到，就把所有的E-RAB全部建起来，而不是像在W中一样，可以有选择的建立？"
  先看W中的实现，确实，根据TS23.060是这么说的“When the Service Type indicates Data, the UE may also include PDP context activity information to indicate which PDP contexts need to transfer data.“，以及网络侧的行为是“The SGSN may in addition use PDP context activity information provided by the UE in the Service Request to decide which RABs to set up. ”根据上面两句话，就可以判断出，W中UE发起service request消息，里面可以携带PDP上下文的状态，总共可以有11个，哪个是active的，哪个是inactive的。然后SGSN根据这个信息来决定由选择性的激活特定的PDP上下文而非全部。
  再看EPC中的实现，根据TS23.401是这么说的“This step activates the radio and S1 bearers for all the active EPS Bearers. ”。代表MME收到UE的service request请求后，将激活所有的这个UE的承载，包括default bearer还有dedicated bearer。而不是像W中的有选择性的激活PDP上下文。
  以上你对楼主问题的现象描述。
  再来看下W和EPC中关于Service Request的描述。W的在TS24.008中描述，字段组成如下：

图1：3G中的Service Request消息字段内容

  而EPC中关于Service Request的描述在TS24.301中描述，字段组成如下：

图2：EPC中的Service Request消息字段内容

  对比后就会发现，EPC中的Service Request消息做了很多精简，4个IE全部是强制的，总长也只有4个字节了，而W中则是变长的，强制字段为9个字节，而可选部分为27个字节，总共是36个字节。因此EPC的service request占用的资源更小，但也能实现相同的功能。而网络侧则将用户的所有承载激活，应该是为了增强用户体验吧。另外，也可能是做了调研，发现大多数用户可能都只有一个default bearer或者像现在的只有一个PDP Context。所以虽然说是激活所有的，但实际上可能还是一个。但我觉得规范里面用词欠妥，不应该用all the active EPS Bearers,而应该是all the available EPS Bearers，因为既然已经active了，还要你激活干什么？

  另外，还需要提到，EPC中的Service Request有两种，前面提到一种，还有一种叫做Extened Service Request，字段组成如下：

图三：EPC中的Extended Service Request消息字段内容

   在里面发现了3G的Service Request消息中对应PDP Context Status的EPS Bearer Context Status，但这个Extended Service Request是有条件触发使用的，要求网络侧的支持。“For cases a, b, c, h and k, if the UE is configured for NAS signalling low priority, and the last received ATTACH ACCEPT message or TRACKING AREA UPDATE ACCEPT message from the network indicated that the network supports use of EXTENDED SERVICE REQUEST for packet services, the UE shall send an EXTENDED SERVICE REQUEST message with service type set to "packet services via S1". If the last received ATTACH ACCEPT message or TRACKING AREA UPDATE ACCEPT message from the network did not indicate that the network supports use of EXTENDED SERVICE REQUEST for packet services, the UE shall instead send a SERVICE REQUEST message. ”

   另外，这个Extended Service Request还用于CS Fallback流程，规范里也有指明。并且这个Extend Service Request也不一定能用于网络侧来选择性的激活EPS Bearer，这个规范里没有明确说。

爱卫生

  然后，我再试着回答下第二个问题，就是service accept消息消失了。
  Serivce accept消息是当UE发起serivce request时的网络侧的回应。而根据TS24.301，UE需要在以下场景中调用service request流程：
a) the UE in EMM-IDLE mode receives a paging request with CN domain indicator set to "PS" from the network;
b) the UE, in EMM-IDLE mode, has pending user data to be sent;
c) the UE, in EMM-IDLE mode, has uplink signalling pending;
d) the UE in EMM-IDLE or EMM-CONNECTED mode is configured to use CS fallback and has a mobile originating CS fallback request from the upper layer;
e) the UE in EMM-IDLE mode is configured to use CS fallback and receives a paging request with CN domain indicator set to "CS", or the UE in EMM-CONNECTED mode is configured to use CS fallback and receives a CS SERVICE NOTIFICATION message;
f) the UE in EMM-IDLE or EMM-CONNECTED mode is configured to use 1xCS fallback and has a mobile originating 1xCS fallback request from the upper layer;
g) the UE in EMM-CONNECTED mode is configured to use 1xCS fallback and accepts cdma2000® signalling messages containing a 1xCS paging request received over E-UTRAN;
h) the UE, in EMM-IDLE mode, has uplink cdma2000® signalling pending to be transmitted over E-UTRAN;
i) the UE, in EMM-IDLE or EMM-CONNECTED mode, is configured to use 1xCS fallback, accepts cdma2000® signalling messages containing a 1xCS paging request received over cdma2000® 1xRTT, and the network supports dual Rx CSFB or provide CS fallback registration parameters (see 3GPP TS 36.331 [22]);
j) the UE, in EMM-IDLE or EMM-CONNECTED mode, has uplink cdma2000® signalling pending to be transmitted over cdma2000® 1xRTT, and the network supports dual Rx CSFB or provide CS fallback registration parameters (see 3GPP TS 36.331 [22]); or
k) the UE performs an inter-system change from S101 mode to S1 mode and has user data pending.
  然后，根据图5.6.1.1.1，service request流程成功建立的标志是，如下图：

  也就是说，当收到MME侧关于用户面承载建立的AS指示就应视为Service Request流程成功完成了。

  然后再看5.6.1.4 Service request procedure accepted by the network
“For cases a, b, c, h and k in subclause 5.6.1.1, the UE shall treat the indication from the lower layers that the user plane radio bearer is set up as successful completion of the procedure. The UE shall stop the timer T3417 and enter the state EMM-REGISTERED.”

  上面就提到，对于上述a,b,c,h,k这几种场景，只要UE收到了来自底层的用户面无线承载成功建立的指示，就应该认为service request流程成功的完成，用的是treat ... as ...。然后进入EMM-REGISTERED状态。

  所以，就没有Service Accept消息了。我猜这样做的目的主要还是为了减少空口的符合，因为service accept消息和承载成功建立消息都可以用来指示service request流程的完成，功能是重复的，没有必要在一个消息报文里面重复携带两种具有同样功能的消息。因此，Service Accept消息就被拿掉了。

爱卫生

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  我先尝试着回答一下第一个问题吧。就是EPC和W中关于service request流程的区别。
  区别主要可以对照一下3G的规范TS24.008以及EPC的规范24.301来一起看。先看3G中service request的使用场景，摘自TS24.008：
This procedure is used for;
- the initiation of CM layer service (e.g. SM or SMS) procedure from the MS in PMM-IDLE mode,
- the network to transfer down link signalling,
- uplink (in PMM-IDLE or PMM CONNECTED) and downlink (only in PMM-IDLE) user data,
- counting the number of mobile stations in a cell which are interested in a specific MBMS service.
- requesting the establishment of a point-to-point Radio Bearer for receiving a MBMS service.
  再来看下TS24.301中关于Service Request流程的使用场景：
This procedure is used when:
- the network has downlink signalling pending;
- the UE has uplink signalling pending;
- the UE or the network has user data pending and the UE is in EMM-IDLE mode;
- the UE in EMM-IDLE or EMM-CONNECTED mode has requested to perform mobile originating/terminating CS fallback or 1xCS fallback;
- the network has downlink cdma2000® signalling pending; or
- the UE has uplink cdma2000® signalling pending.
  基本来看，service request的基本功能并没有发生变化，主要是用于IDLE状态的UE要发送信令或者用户面消息的情况下去重建承载用的。但EPC增加了其他网络技术的融合，因此有和其他技术之间的interworking。
  如果用中文来说明EPC中的service request的使用场景，可以参考《3GPP系统架构演进原理与设计》的5.4章节的说明，service request主要用于：
1）针对空闲状态的UE有下行数据到达核心网，由核心网侧发起业务请求过程。
2）网络针对空闲状态的UE需要发起信令过程（如注销等过程）。
3）空闲状态的UE有上行的数据或信令需要发送。
4）空闲状态的UE对网络的寻呼进行响应。
  还有一个重要的区别是，W中的service request消息是作为一个单独的消息发送，而EPC/LTE的要求之一是UE从空闲态转入激活状态过程，控制面的延迟应小于100ms，因此信令需要尽量的精简，所以EPC中的service request消息是包含在RRC连接建立请求消息中的，在建立RRC连接的同时，MME就可以开始对业务请求消息进行响应。节省了一个RRC连接建立的处理时间。

zhenjiucuo

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楼主，想问一下，不知道你是否有研究，就是Service Request在EPS中的流程与在WCDMA中的区别。
1. Service Accept从EPS消失了
2. 在EPS中一旦Service Request收到，就把所有的E-RAB全部建起来，而不是像在W中一样，可以有选择的建立？
我没从标准中找到答案。