ESM(EPS会话管理)概念及流程

爱卫生

一、总述
   参考协议：
TS24301：UE侧NAS协议；
TS23060：GPRS业务描述，参考其中的TFT部分；
TS23401：EPS接入网的协议，参考其中QoS部分。
TS27007：AT命令介绍。
   ESM (EPS session management)EPS会话管理，建立和维护UE和PDN GW之间的IP连接。主要包括以下几个主要功能：
1) 网络侧激活、去激活和修改EPS承载上下文；
2) UE请求资源(跟PDN的IP连接，以及专用承载资源)

二、重要的概念
1、TFT
  数据包过滤器通常是在将数据包传送过程中允许或阻止它们的通过。若要完成数据包过滤，就要设置好规则来指定哪些类型的数据包被允许通过和哪些类型的数据包将会被阻止。
  数据包过滤器对所有通过它进出的数据包进行检查，并阻止那些不符合既定规则数据包的传输。数据包过滤器能够基于如下的标准对数据包进行过滤：
- Remote Address and Subnet Mask.
- Protocol Number (IPv4) / Next Header (IPv6).
- Local Port Range.
- Remote Port Range.
- IPSec Security Parameter Index (SPI).
- Type of Service (TOS) (IPv4) / Traffic class (IPv6) and Mask.
- Flow Label (IPv6).
  其中'Remote' 指the external network entity；'Local' 指 MS。过滤时，将IP数据包的报头跟过滤器指定的标准进行匹配，匹配成功则过滤通过。
  TFT(Traffic Flow Template)是关联到EPS承载上的一个数据包过滤器的集合。上行过滤模板UL TFT (UpLink Traffic Flow Template)是TFT中的一组上行数据包过滤器；下行过滤模板DL TFT(DownLink Traffic Flow Template)是TFT中的一组下行数据包过滤器。
  每一个专用承载都关联一个TFT。UE通过UL TFT把上行的数据映射到TFT关联的承载上传输。PDN GW通过DL TFT把下行的数据映射到TFT关联的承载上传输。
  另外，运营商配置为所有过滤器配置了优先级(evaluation precedence)， PDN-GW把UL TFT中过滤器的优先级传给UE。在传输上行数据时，UE首先匹配优先级最高的过滤器，如果匹配成功，则在该过滤器关联的承载上传输数据。否则，找下一个优先级的过滤器进行匹配，直至匹配成功。
  UE可以配置缺省承载为最低优先级的过滤器，这样在专用承载上都匹配不成功时，数据包可通过缺省承载上传输。

2、EPS承载
  EPS承载(EPS Bearer)，是UE和PDN GW之间的一或多个业务数据流(Service Data Flow，SDF)的逻辑聚合，包括Radio Bearer、S1 Bearer和S5/S8 Bearer三部分，如下图所示：

图一 EPS承载

1) UE通过UL TFT将上行数据映射到一个EPS承载上；
2) PDN GW通过DL TFT将下行数据映射到一个EPS承载上；
3) 通过Radio Bearer在UE和eNodeB之间的空口上传输数据。Radio Bearer和EPS承载一一对应。
4) 通过S1 Bearer在eNodeB和S-GW之间传输数据；
5) An E-RAB (E-UTRAN Radio Access Bearer)指的就是Radio Bearer，和与其关联的S1 Bearer；
6) 通过S5/S8 Bearer在S-GW和PDN GW之间传输数据；
7) UE保存了上行过滤器(uplink packet filter)和Radio Bearer之间的映射；
8) PDN GW保存了下行过滤器(downlink packet filter)和S5/S8 Bearer之间的映射；
9) S-GW保存了S1 Bearer和S5/S8 Bearer之间的映射。

   有缺省承载(default)和专用承载(dedicated)两种:
   EPS系统中，在进行Attach的同时，为用户建立一个缺省承载，保证其基本的业务需求。在PDN连接存在期间，缺省承载上下文始终保持激活，这样，就给UE提供“永远在线”的IP连接。
   专用承载上下文表示UE和PDN之间额外的承载。专用承载总是有一个关联的缺省承载。专用承载可以释放，并不影响缺省承载。通过赋予指定的TFT(传输流模板Traffic Flow Template )和QoS(Quality of Service)，专用承载可完成特定的业务。

3、QoS参数
  QoS是承载级的属性，相同承载上的所有数据流量将获得相同的QoS保障，不同类型的承载提供不同的QoS保障。
  QoS包括QCI, ARP, GBR and MBR共4项参数：
1) QCI (QoS Class Identifier)
  QCI是一个标度值，用于衡量特定的提供给SDF（服务数据流）的包转发行为（如丢包率，包延迟预算），它同时应用于GBR和Non-GBR承载，用于指定访问节点内定义的控制承载级分组转发方式(如调度权重、接纳门限、队列管理门限、链路层协议配置等)，这些都由运营商预先配置到eNodeB中。在接口上使用QCI而不是传输一组QoS参数主要是为了减少接口上的控制信令数据传输量，并且在多厂商互连环境和漫游环境中使得不同设备／系统间的互连互通更加容易。

图二：QCI属性

  注释：

  1).1资源类型：用来决定与业务或者承载级别的GBR值相关的专有网络资源能否被恒定地分配。GBR的SDF集合需要动态的策略与计费控制，而Non-GBR的SDF集合可以只通过静态的策略与计费控制。
  1).2优先级：针对不同用户或者不同数据流采用相应不同的优先级。
  1).3数据包时延预算(PDB)：用于表示数据包在UE和PDN-GW之间可能被延迟的时间，引入PDB参数的目的是支持时序和链路层功能的配置。对于同一个QCI，PDB值在上行和下行方向相同。
  1).4数据包丢失率(PLR)：定义为已经被发送端链路层处理但没有被接收端成功传送到上层SDU的比率，因此，PLR参数实际上体现了非拥塞情况下数据包丢失率的上限。对同一个QCI，PLR值在上下行方向上相同。

2) ARP(Allocation and Retention Priority)
  ARP是在资源限制的情况下，决定接受还是拒绝承载的建立或修改请求。同时，ARP用于特殊的资源限制时(例如在切换时)，决定丢弃哪个承载。一旦承载成功建立后，ARP对承载上的数据包传输没有任何影响。

3) GBR(Guaranteed Bit Rate)
  保证比特率，通过恒定的分配网络资源，保证该承载上的比特率，这个承载就称为GBR承载。参数GBR代表了预期能够由GBR承载提供的比特速率。

4) MBR
   MBR则限制了GBR承载能提供的比特速率，它表示了GBR承载提供期望数据速率的上限。
   GBR承载主要用于语音、视频、实时游戏等业务，采用专用承载和静态调度的方式进行承载。
   Non-GBR承载则主要用于各种数据业务的承载，为了尽可能提高系统的带宽利用率，EPS系统引入了汇聚(Aggregate)的概念，并定义了AMBR(Aggregate Maximum Bit Rate)参数。相同PDN连接的多个EPS承载可以共享相同的AMBR值。当其他EPS承载不传送任何业务时，这些Non-GBR承载中的每一个承载都能够潜在地利用整个AMBR。因此，AMBR参数实际上限制了共享这一AMBR的所有承载能所能提供的总速率。
   缺省承载是Non-GBR承载。专用承载可以是GBR承载，也可以是Non-GBR承载。

4、优先级的总结
  上述提到了3种优先级：TFT中过滤器的优先级、网络侧控制的ARP和QoS的优先级。下面对它们加以总结。
1) TFT中过滤器的优先级
  匹配IP数据包时，优先使用哪个过滤器。这样就可以根据数据包的协议、端口号码、源IP地址等，使得满足指定过滤规则的数据包优先得到处理。
  比如有些协议业务量大，一直占用资源，像譬如，AppleTalk协议采用0x809B，IPX使用0x8137，根据协议，将其过滤器设置为低优先级，就可以降低延迟。
  许多应用都采用一些TCP或UDP端口进行通信，如 HTTP采用TCP端口80。通过检查IP数据包的端口号码，智能网络可以确定数据包是由哪类应用产生的。
  许多应用都是通过其源IP地址进行识别的。由于服务器有时是专门针对单一应用而配置的，如电子邮件服务器，所以分析数据包的源IP地址可以识别该数据包是由什么应用产生的。
2) 网络侧控制的ARP
  承载级的控制，决定哪类承载优先接入。比如在UE可进行语音和视频。运营商可配置传输语音的承载为高的ARP，传输视频的承载为低的ARP。在无线环境不好时(比如小区边缘)，eNB就可以断开视频，只进行语音，以保证服务的连续性。
  另外，ARP也可用于极端环境中，比如灾难情况，为其提供高ARP的承载，保证其服务。
3) QoS的优先级
  优先保证哪个承载的QoS。可以根据QoS的优先级，决定优先传输哪个数据。比如用户同时在下载电影和打电话，通过提高打电话承载的QoS优先级，可以确保在下载的同时，不影响通话质量。

5、PDN
  PDN (Packet Data Network)为UE提供IP数据连接，通过接入运营商的PDN，也可以接入外网。比如，下面几种PDN：
- Public Internet
- Operator’s private IP network which provides wireless application protocol (WAP) service
- Operator’s private IP network which provides multimedia messaging service (MMS) service
- Corporate intranet.

  APN用来标识一个PDN，也可以定义PDN提供的一类服务。比如上述的WAP、MMS等。
  UE在和运营商签约上网服务后，其签约信息保存在HSS中，包括缺省APN，QoS等。
  在UE建立PDN连接时，如果不指定APN，MME将选择缺省的APN。
  另外，UE也可以通过ESM INFORMATION RESPONSE消息，在加密模式下提供APN。

6、ESM规程
  有两种ESM规程：
1) 和EPS上下文相关的规程
  由网络侧发起，用来操纵EPS上下文：
- default EPS bearer context activation;
- dedicated EPS bearer context activation;
- EPS bearer context modification;
- EPS bearer context deactivation.

2) 业务相关的规程
  由UE发起，请求建立PDN连接或者专用承载的资源，或者释放这些资源。
- PDN connectivity procedure;
- PDN disconnect procedure;
- bearer resource allocation procedure;
- bearer resource modification procedure.

  另外，在Attach过程中，建立PDN连接时，可触发网络侧发起ESM information request 规程。
  UE发起的业务相关的规程，将触发网络侧发起EPS上下文相关的规程。在网络侧通过发起规程作为响应时，UE就认为发起的规程成功结束。

7、PTI和EBI
  PTI(procedure transaction identity)和EBI(EPS bearer identity)
  UE发起的业务相关的规程，通过PTI来标识。网络侧的响应消息中携带UE指定的PTI。这样，UE可知是哪个规程的响应。
  网络侧发起的EPS上下文相关的规程，通过EBI标识。UE的响应消息中携带EBI。
  另外，如果网络侧发起的EPS上下文相关的规程，是由UE发起的业务相关的规程触发的，此时，网络侧发起规程，又作为UE的响应，所以，PTI和EBI都携带。如下图所示：

图三：PTI和EBI

8、ESM和EMM的联系
  在Attach过程中，网络侧激活EPS缺省承载，同时，还可以激活EPS专用承载。所以，激活缺省承载的消息，可包含在Attach规程的信元中传输。
   Attach成功，缺省承载激活；Attach失败，也认为缺省承载激活失败。
   除了Attach，在EMM的其它规程过程中，ESM消息挂起。

爱卫生

1、Default EPS bearer context activation procedure
   - 功能
   由网络侧发起，作为UE发起的PDN连接请求的响应，建立UE和EPC之间的缺省EPS承载。
   也可以作为Attach规程的一部分。Attach成功，缺省承载激活成功。
   在激活缺省承载时，并不指派TFT，不进行过滤，认为缺省承载可以传输所有类型的数据包（match all）。
   另外，缺省承载的QOS由网络侧指派。

图一：缺省EPS承载信令交互

  - 网络侧发起激活缺省承载
A) EPS bearer identity
  网络侧指定EBI，是EPS承载的ID，也用来匹配UE的响应消息。
B) Procedure transaction identity
  作为UE的PDN建立请求的响应时，网络侧通过此信元携带UE指示的PTI；否则，填为 "no procedure transaction identity assigned"。
C) Access point name
  这里使用网络侧配置的缺省接入点，指示UE要连接的网络。
D) PDN address
  为UE分配的IP地址。
E) UE的响应
  UE根据REQUEST消息中的PTI，将UE发起的PDN连接请求和激活的缺省承载关联起来。
  UE检查REQUEST消息中的EBI：
1)如果发现是已经激活的缺省承载，则本地去激活该缺省承载，以及关联的所有专用承载，然后重新激活缺省承载。
2)如果是已经激活的专用承载，则本地去激活该专用承载，激活新的缺省承载。
  在UE接受REQUEST时，响应ACCEPT。
  如果拒绝，则响应REJECT，指明拒绝原因。

2 Dedicated EPS bearer context activation procedure
  由网络侧发起，激活指派了特定TFT和QoS的EPS承载。可以和缺省承载激活规程一起发起。
  在ACTIVATE DEDICATED EPS BEARER CONTEXT REQUEST请求消息中，指示了3个信息：
1) Linked EPS bearer identity
  关联的EPS缺省承载上下文
2) EPS QoS
  指示专用承载的QoS
3) TFT
  指示专用承载的TFT。

  UE检查REQUEST消息中的EBI：
1)如果发现是已经激活的缺省承载，则本地去激活该缺省承载，以及关联的所有专用承载，然后重新激活专用承载。
2)如果是已经激活的专用承载，则本地去激活该专用承载，激活新的专用承载。
3)如果找不到关联的缺省承载，UE将拒绝激活。
  UE检查TFT IE：

图五：TFT IE

   在以下情况下，UE通过REJECT返回指定的拒绝原因：
1) TFT operation code不是"Create a new TFT"。
2) TFT operation code不是"Create a new TFT"，但Packet filter list为空；或者在解码TFT IE的其它错误，比如packet filters个数不匹配等。
3) 过滤的规则冲突，比如没有IP包能满足该过滤规则。
4) TFT operation code是"Create a new TFT"，但有两个以上的packet filter identifiers；或者有相同优先级的packet filter，或者packet filters的其它编码错误，比如使用了保留位等。

3、EPS bearer context modification procedure
   由网络侧发起，修改EPS承载，为其指派QoS和TFT。
   在MODIFY EPS BEARER CONTEXT REQUEST消息中，通过EBI指示修改的EPS承载。New EPS QoS和TFT为新指定的参数。

4、EPS bearer context deactivation procedure
   由网络侧发起，去激活EPS承载。也作为UE发起的断开PDN连接的响应。
   在没有NAS连接时，MME直接本地去激活，不必和UE进行信令交互。在重新进入CONNECTED态时，可通过ServiceRequest和TAU同步承载。
   通过EBI指示去激活的承载，并由ESM cause指示去激活原因。如果去激活原因是：ESM cause #39 "reactivation requested"：
   去激活的是缺省承载时，UE将重新激活该承载。
   去激活的是专用承载时，协议并没有指定UE怎么处理。可根据实现决定。

   另外，UE和MME在下列情况下，发起本地去激活。
1) ServiceRequest没有恢复起来的承载。
2) 通过TAU的TRACKING AREA UPDATE ACCEPT携带的承载状态，在网络侧已经去激活，则UE本地去激活该承载。
3) 在Handover中，不能恢复的承载。
4) 其它原因E-UTRAN释放的承载。
   需要注意的是，在ServiceRequest和TAU没有成功恢复缺省承载时，UE需要本地去激活所有关联的承载。

5、UE requested PDN connectivity procedure
   请求建立PDN连接，由UE发起，建立和PDN之间的缺省承载。可以在Attach过程中完成，建立第一个缺省承载；也可以单独发起，同时接入多个PDN。
   如果是在Attach过程发起的PDN连接建立请求，则PDN CONNECTIVITY REQUEST消息中，不指定APN(此时APN由网络侧配置)。

图六 PDN连接连接信令交互

   - REQUEST信元分析
A) EPS bearer identity
   由于不是响应网络侧的规程，EBI填为”unassigned”.
B) Procedure transaction identity
   UE分配的PTI
C） Request type
   第一次建立和PDN的连接时，比如Attach过程中，为”initial request”类型。
   从其它制式切换过来，建立的PDN时，为” handover”类型。
D） PDN type
   为UE支持的IP类型。
E) ESM information transfer flag
   如果用户想在Attach过程中指定APN，可设置ESM information transfer flag，网络侧依据这个标志，发起ESM information request规程，在加密模式下，让用户指定的APN。
F) Access point name
   如果连接的PDN使用的缺省承载需要PAP/CHAP协议认证，则UE通过此信元，指定APN。

   - 网络侧的响应
   MME首先检查ESM information transfer flag，如果UE设置，则等ESM information request规程完毕。如果UE在ESM INFORMATION RESPONSE中并没有指定的APN，则仍使用缺省的APN。
   如果网络侧可以接受建立PDN连接，则发起Default EPS bearer context activation 规程，作为响应。
   如果网络侧可以不接受建立PDN连接，则通过PDN CONNECTIVITY REJECT拒绝UE，并指明原因。

6、UE requested PDN disconnect procedure
   UE发起，断开PDN连接，去激活缺省承载。
   通过linked EPS bearer identity指示去激活的缺省承载的ID。
   网络侧通过EPS bearer context deactivation procedure响应。
   如果网络侧不接收PDN断开请求，则通过PDN DISCONNECT REJECT拒绝UE，并指明原因。如果拒绝原因是：ESM cause #49 "last PDN disconnection not allowed"，UE本地去激活这个PDN所有的承载。

7、UE requested bearer resource allocation procedure
   UE发起，请求承载资源。
   通过linked EPS bearer identity指示缺省承载的ID。
   信元Required traffic flow QoS为UE指定的QoS参数；
   信元Traffic flow aggregate指定请求承载上数据包过滤的参数，和TFT格式相同，但需要注意以下几点：
1) TFT operation为"Create new TFT"
2) packet filter identifier为0。
   包过滤参数由网络侧设定，通过响应规程带回。

   网络侧通过dedicated EPS bearer context activation procedure 或者 an EPS bearer context modification procedure响应。
   网络侧不接受时，通过BEARER RESOURCE ALLOCATION REJECT拒绝UE，并指明原因。

8、UE requested bearer resource modification procedure
   UE发起，修改或释放承载资源，或者修改包过滤规则，或增加包过滤规则。
   信元EPS bearer identity for packet filter为准备操作的承载ID。
   信元Traffic flow aggregate指定操作承载上数据包过滤的参数，和TFT格式相同。分以下几种情况：
1) 修改GBR(Guaranteed Bit Rate)，而不修改包过滤参数。
   TFT operation为" no TFT operation "；
   指定packet filter identifier(s)，修改GBR后，仍然使用的过滤参数。
   另外通过Required traffic flow QoS信元，指定新的GBR。
2) 修改承载
   TFT operation为"Replace packet filters in existing TFT" 或者 "Add packet filters to existing TFT"；
3) 释放承载
   TFT operation为"Delete packet filters from existing TFT"。

海浪

顶
LTE有好多都和2G，3G的GPRS不一样。
楼主能否介绍一下EPS的数据业务完整的PDP上网流程，这样和GPRS比较可以更好的理解EPS。

jmt110

楼主能否介绍一下EPS的数据业务完整的PDP上网流程，这样和GPRS比较可以更好的理解EPS

有同样的需求，请爱卫生讲一个例子！谢谢！

ldc7491

關於SDF, TFT的關係，小弟一直弄不太明白，看了spec 我認為他們屬於不同的東西。

一個TFA(traffic flow aggregate)包含一到多個SDF(service data flow)
而一個sdf是一組packet data的集合，這群集合擁有相同的ip五元組（source/destination IP, port, protocol ID），但不見得是被TFT過濾在同一個EPS bearer裡，也就是不同的QoS。所以有了3GPP TS23.401 V10.7.0 figure4.7.2.2-1 這張圖，也就是本文中EPS承載所使用的那張圖。
另外，SDF template和TFT packet filter兩者之間有什麼對應的關係嗎？

這是我個人理解，不知道各位先進是否能給小弟這個見解一點意見或指教呢？

zglaojiang

请问下为什么SAE里面新的MME去找旧的MME时通过OLD GUTI解析，为什么不是OLD TAI。

hycl5410

zglaojiang 发表于 2012-7-11 23:22
请问下为什么SAE里面新的MME去找旧的MME时通过OLD GUTI解析，为什么不是OLD TAI。

好问题！
这个就要看GUTI的结构来分析为什么了。
TS 23.003 r8以上

<GUTI> = <GUMMEI><M-TMSI>,

      where <GUMMEI> = <MCC><MNC><MME Identifier>

      and <MME Identifier> = <MME Group ID><MME Code>

简单说就是，GUTI带了old MME groupID和MME ID。所以可以通过GUTI直接找到old MME。而P-TMSI是无法直接找到old SGSN的，所以要加RAI才可以解析出old SGSN来。

以下是UE侧 GUTI和RAI+P-TMSI的映射关系，用于2G/3G和LET之间跨SGSN/MME切换。

The mapping of the GUTI shall be done to the combination of RAI of GERAN / UTRAN and the P‑TMSI:

E‑UTRAN <MCC> maps to GERAN/UTRAN <MCC>

E‑UTRAN <MNC> maps to GERAN/UTRAN <MNC>

E‑UTRAN <MME Group ID> maps to GERAN/UTRAN <LAC>

E‑UTRAN <MME Code> maps to GERAN/UTRAN <RAC> and is also copied into the 8 most significant bits of the NRI field within the P‑TMSI;

E‑UTRAN <M-TMSI> maps as follows:

-     6 bits of the E‑UTRAN <M-TMSI> starting at bit 29 and down to bit 24 are mapped into bit 29 and down to bit 24 of the GERAN/UTRAN <P‑TMSI>;

-     16 bits of the E‑UTRAN <M-TMSI> starting at bit 15 and down to bit 0 are mapped into bit 15 and down to bit 0 of the GERAN/UTRAN <P‑TMSI>;

-     and the remaining 8 bits of the E‑UTRAN <M-TMSI> are mapped into the 8 MBS bits of the <P-TMSI signature> field.

For UTRAN, the 10-bit long NRI bits are masked out from the P-TMSI and also supplied to the RAN node as IDNNS (Intra Domain NAS Node Selector). However, the RAN configured NRI length should not exceed 8 bits.

SGSN/MME侧的映射关系也可以在23.003中找到，这里就不再赘述。

olleh

版主的QCI属性截图，有点模糊；补充一下截图

hiphop157

缺省承载可以保证基本业务需求，是不是相当于PDP激活。而专用承载是指定TFT和QoS，是不是相当于二次PDP激活。
爱总和各位大牛能不能将缺省承载和PDP激活、专用承载和二次PDP激活做个比较！！！！

amr

ldc7491 发表于 2012-6-5 22:00
關於SDF, TFT的關係，小弟一直弄不太明白，看了spec 我認為他們屬於不同的東西。

一個TFA(traffic flow ...

我怎么觉得你搞错了呢，
一个dedicated bearer = 相同的QoS业务


相同QoS的业务里有不同的SDF（比如不同的视频网站业务）。

一个TFT有多个的PF，而一个PF对应一个SDF。通过PF你才知道这个SDF从哪来到哪去，是啥协议业务。

一句话说来就是一个dedicated bearer的聚合了（TFA）相同QoS的SDF，到了UE或P-GW是通过TFT中的PF来筛选。

hou3331

For UTRAN, the 10-bit long NRI bits are masked out from the P-TMSI 。不知这句话中的mask是怎么理解哦？我自己算了几把，都把10位NRI算错了。