空闲状态下信令缩减机制的研究

admin

本文摘自《电信网技术》2010年08期。【作者】 李昱璇：北京邮电大学信息与通信工程学院硕士研究生； 莫宏波：工业和信息化部电信研究院通信标准研究所工程师； 康亮：工业和信息化部电信研究院通信标准研究所助理工程师；

【机构】 北京邮电大学信息与通信工程学院； 工业和信息化部电信研究院通信标准研究所；

【摘要】 在移动通信系统中,当多模终端跨系统进行小区重选时,需要进行位置区域更新。如果频繁跨越不同系统,终端会反复进行位置更新,从而使空口和网络产生大量的位置区域更新信令。为了解决这一问题,在LTE/SAE部署初期,引入了空闲状态下信令缩减机制——ISR(Idle State Signaling Reduction)。本文介绍了ISR机制提出的背景,分析了添加ISR机制后的网络架构及ISR机制的关键参数,说明了ISR机制的相关过程。

1 引言

为了保持在移动通信领域的领导地位，第三代合作伙伴组织（Third Generation Partnership Project，3GPP)对3G长期演进型技术，即LTE/SAE进行了研究与标准化工作，以期待获得更高速度、更大容量和更好的用户性能。

在LTE/SAE部署初期，E-UTRAN仅对热点地区部署，而GERAN(或UTRAN)进行全面覆盖，这时用户可以使用多模终端以保持服务的连续性。在多种无线网络重叠或者相邻的区域，终端可能会在系统间往返移动。

如图1所示，在TA1和RA3之间移动时，终端需要进行系统间小区重选，每一次系统间的小区重选都会引起终端的位置区域更新过程，从而更新其在核心网中注册的位置信息，这会导致网络和空口增加大量的信令负载。针对这一问题，3GPP引入了空闲状态信令缩减（Idle State Signaling Reduction，ISR)机制。在激活ISR机制后，终端在图1的RA3和TA1之间移动时，不需要进行位置区域更新，从而可减少系统间重选过程中的位置区域更新过程和由此产生的信令负载。

2 空闲状态下信令缩减机制的概述

为了实现ISR机制，3GPP接入网络（见图2)中的相关实体需要增加以下功能：

(1) S-GW
增加同时存储终端在GERAN(或UTRAN)和E-UTRAN的注册信息的功能。

(2) HSS
增加同时存储终端在GERAN(或UTRAN)和E-UTRAN中的注册信息以及鉴权信息的功能。

(3) S3接口

•在“上/下文请求/响应/确认”消息中增加一个信息单元，用于指示ISR状态。

•增加“去附着指示”消息，用于SGSN和MME之间去附着协商过程，决定终端需要完全去附着还是仅在一种接入网络中进行去附着。

(4) S11/S4接口

“更新承载请求”消息中增加一个信息单元，用于通知S-GW当前终端ISR状态。

核心网络实体MME和SGSN共同决定是否激活ISR机制。从MME和SGSN发送的“附着接受”、“跟踪区域更新接受”或者“路由区域更新接受”消息中，终端判断是否激活ISR机制，并设置相应的移动性管理参数TIN(Temporary Identity Used in Next Update，下次更新所用的临时识别码）。

TIN作为终端ISR状态的识别码，在下一次位置区域更新过程中识别终端身份，可以设置为P-TMSI,GUTI或者RAT-related TMSI等临时身份标识码，设置原则参见表1。

如果核心网激活ISR机制，TIN设置为RAT-related TMSI，终端同时保存两个接入网中的临时标识码，即GUTI和P-TMSI。这时，终端在E-URTAN和GERAN(UTRAN)的位置区域都进行了注册，在已经注册的位置区域之间移动时，不需要再次进行位置区域更新。

3 ISR机制的相关过程

(1)激活ISR机制

ISR机制激活的前提条件是终端已经在一种无线接入网络中注册且支持ISR功能，同时终端移动区域同时存在GERAN(或UTRAN)和E-UTRAN两种网络。

本文以终端已经驻留到E-UTRAN，其准备移动到GERAN时，MME和SGSN协商决定激活终端ISR机制为例介绍ISR激活的整个过程，具体参见图3。

首先终端开机并附着到E-UTRAN。在此过程中，终端初始化ISR状态信息，避免上次ISR机制没有正确去激活影响其激活过程。TIN设置为GUTI，MME在HSS上注册，核心网存储终端的位置信息，此时ISR机制没有激活。重选到GERAN/UTRAN后，接入网以及位置区域发生变化，网络激活ISR机制，其过程具体如下：

•终端发送“路由区域更新请求”消息到SGSN，该消息包含P-TMSI和RAI，ISR准备激活。因为TIN为GUTI，所以该P-TMSI由“附着接受”消息中的GUTI映射得到。

• SGSN发送“上/下文请求”消息到MME，请求MME和它共享终端的移动性管理上/下文信息。

• MME发送“上/下文响应”消息到SGSN，将终端在核心网中的注册信息发送给SGSN，同时指示终端支持ISR机制。其后，S-GW与SGSN建立控制连接，其与MME和S-GW之间的控制连接共同为终端传输信令消息。

• SGSN发送“上/下文确认”消息指示激活ISR机制，MME保留终端的位置信息。

• HSS保存终端在GERAN中的注册信息，为终端服务的SGSN在HSS中注册。

• SGSN发送“路由区域更新接受”消息到终端，该消息包括SGSN新分配的P-TMSI和RAI，终端设置TIN为RAT-relatedTMSI，同时存储GUTI和P-TMSI,ISR机制被激活。

• ISR激活后，在注册的两个位置区域间进行小区重选时，终端不需要更新在网络中位置信息。此时，网络对终端的寻呼范围是终端在网络中注册的跟踪区域和路由区域。驻留到GERAN(或UTRAN)的终端通过跟踪区域更新过程激活ISR机制与上述流程类似，本文不再赘述。

(2) ISR机制激活后的下行数据传输过程

ISR机制激活后，有数据或者信令需要发送时，网络在GERAN(或UTRAN)和E-UTRAN的位置区域同时对终端进行寻呼，下行数据传输过程如图4所示。

这里假设ISR激活后，终端驻留在E-UTRAN的小区上。驻留到GERAN(或UTRAN)时，终端通过SGSN执行相同的寻呼过程，进行类似的下行数据传输过程，具体如下：

• S-GW接受下行数据并存储。

•由于S-GW与MME和SGSN均有控制连接，因此S-GW同时向MME和SGSN发送“下行数据传输通知”消息。

• MME和SGSN各自发起寻呼过程，即在注册的RA和TA中同时对终端进行寻呼。

•驻留在E-UTRAN上的终端应答MME发送的寻呼消息。根据寻呼结果，终端在E-UTRAN上发起服务请求过程，同时SGSN通知S-GW其寻呼过程失败。

• S-GW发送停止寻呼消息到SGSN，使SGSN终止RNC/BSC对终端的寻呼过程，ISR机制转为去激活状态。

• MME在eNodeB和S-GW之间建立用户平面连接。通过该连接，S-GW发送下行数据到终端。

(3) ISR机制的去激活

ISR去激活过程较为简单。当终端收到“路由区域更新接受”或者“跟踪区域更新接受”消息时，如果更新结果未指示“ISR激活”，ISR均为去激活状态，此时终端仅可在一种无线网络中注册，TIN设置为GUTI或者P-TMSI，其设置方法参见表1。

4 结束语

通过ISR机制可使核心网同时保留终端在E-UTRAN和GERAN(UTRAN)区域中的位置信息。当终端在已经注册的系统间位置区域移动时，终端不需要再次进行位置区域更新。因此，ISR减少了终端小区重选时需要进行位置区域更新的概率，减少了终端和网络之间的信令交互次数，降低了网络和终端间的信令负载，从而在一定程度上也可延长终端的电池使用时间。

ISR机制不仅可以应用于3GPP内部的接入网络之间，也可以应用于非3GPP的接入网之间。如果终端具有在多种接入网中同时注册的功能，则终端可以在多种网络中实现ISR机制，而不仅仅是两种网络。由于ISR机制是通过减少空闲模式下异系统间位置区域更新的频率来减少网络和终端信令负载的，因此该机制也可应用到连接模式下终端进行系统间的位置区域更新的过程中，例如终端在E-UTRAN与GERAN(UTRAN)之间的切换过程。

参考文献

1 李小辉,崔伟.演进分组系统(EPS):3GUMTS的长期演进和系统结构演进.机械工业出版社.2009

2 沈嘉,索世强,全海洋等.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计.人民邮电出版社

heropoet

图2中，三种无线接入网的接口标识错了