Сетевые процедуры

Процедура случайного доступа


Процедура случайного доступа предназначена для обеспечения доступа M2M-терминала к сети из состояния RRC_IDLE с последующим установлением RRC соединения, а также в рамках процедуры восстановление RRC соединения (RRC connection re-establishment).

Сигнальная диаграмма процедуры показана на Рис. 30.

Рис. 30:

Процедура случайного доступа включает в себя следующие шаги:
1. Определение M2M-терминалом (M2M-UE) ресурса физического канала NPRACH для отправки преамбулы.
Символьная группа и индекс поднесущей выбираются M2M-терминалом случайным образом из диапазона, назначенного сетью для соответствующего уровня качества радиопокрытия (coverage enhancement - CE), и с учетом поддержки передачи M2M-UE mult-itone msg3.

2. Передача M2M-терминалом (M2M-UE) преамбулы в рамках определенного на предыдущем шаге ресурса физического канала NPRACH, с учетом заданного сетью для соответствующего уровня качества радиопокрытия (coverage enhancement - CE) кол-ва повторов  и с мощностью излучения, определенной в соответствии с п 5.1.3 3GPP TS 36.321.

3. Прием M2M-терминалом (M2M-UE) по каналу NPDSCH от сети отклика Random Access Response (MAC RAR), содержащего параметры для последующей передачи M2M-терминалом сообщения msg3 по каналу NPUSCH, включая временный идентификатор пользователя (Temporary C-RNTI), значение временной задержки (Timing Advance), выделенный ресурс для передачи (UL-Grant) - см. рисунок ниже.

Рис. 31:

M2M-UE ожидает RAR отклик в течение окна приема (ra-ResponseWindowSize), определенного для соответствующего уровня качества радиопокрытия (coverage enhancement - CE) и начиная с 3-го субфрейма после завершения передачи преамбулы (если определенное кол-во повторов менее 64), либо с 40-го субфрейма (если определенное кол-во повторов более 64). CRC пакета RAR отклика скремблируется с использованием идентификатора RA-RNTI (Random access radio network temporary identity), вычисляемого только на основании системного номера фрейма, в котором была осуществлена передача преамбулы: RA-RNTI = 1+floor(SFN/4).

Если в рамках определенного окна приема M2M-терминал не получил отклик, RAR процедура повторяется. При превышении максимального кол-во повторений процедуры случайного доступа для соответствующего уровня качества радиопокрытия (coverage enhancement - CE) - maxNumPreambleAttemptCE, M2M-UE переходит на следующий CE уровень (если это возможно).

4. Передача M2M-терминалом (M2M-UE) сообщения msg3, содержащего запрос установления RRC соединения (RRCConnectionRequest) по каналу NPUSCH.
CRC сообщения msg3 скремблируется временным идентификатором пользователя (Temporary C-RNTI), полученным на шаге 3. Сообщение содержит в т.ч. идентификатор M2M-UE на NAS уровне – TMSI (если терминал уже был подключен к данной сети) или случайное значение (если терминал подключается впервые). Использование случайного значения в качестве идентификатора позволяет разрешить коллизию, в ситуации если несколько M2M-UE используют один и тот же Temporary C-RNTI.

5. Прием M2M-терминалом (M2M-UE) по каналу NPDSCH от сети сообщения разрешения коллизии (Contention Resolution), содержащего команду установления RRC соединения (RRCConnectionSetup).
Сообщение адресуется на конкретный TMSI (реальный или представляющий собой случайное число), полученный от M2M-UE на предыдущем шаге, что позволяет разрешить коллизию при использовании несколькими терминалами одного и того же "temporary C-RNTI". Сообщение содержит C-RNTI, который будет использоваться при последующей коммуникации.

Процедуры управления RRC соединением


Ниже приведен перечень основных процедур управления соединением, доступных для NB-IoT. Данный перечень содержит процедуры установления и возобновления соединения с сетью, процедуры разъединения, процедуры установки механизмов безопасности, переконфигурации параметров соединения и пр.:
 1. RRC connection establishment.
 2. RRC connection resume (не применимо для M2M-UE, поддерживающих только Control Plane CIoT EPS optimisation);
 3. Initial security activation (не применимо для M2M-UE, поддерживающих только Control Plane CIoT EPS optimisation);
 4. RRC connection reconfiguration (не применимо для M2M-UE, поддерживающих только Control Plane CIoT EPS optimisation);
 5. RRC connection re-establishment (не применимо для M2M-UE, поддерживающих только Control Plane CIoT EPS optimisation);
 6. RRC connection release;
 7. RRC connection release requested by upper layers;
 8. Radio resource configuration;
 9. Radio link failure related actions;
 10. UE Capability Transfer.

Рассмотрим их подробнее.

RRC connection establishment - установление RRC соединения

Целью процедуры является установление соединения M2M-терминала (M2M-UE) с сетью и перевод его из состояния RRC-IDLE в состояние RRC-CONNECTED.

Сигнальная диаграмма процедуры RRC connection establishment показана на Рис. 32.

Рис. 32:

В соответствии с данной диаграммой M2M-терминал (M2M-UE) запрашивает подключение к сети посредством сообщения "RRCConnectionRequest". Сообщение передается по виртуальному соединению SRB0 общего канала управления (CCCH) и содержит:
-  идентификатор M2M-UE (ue-Identity) – TMSI, либо случайное значение;
-  причину, с которой устанавливается соединение (establishmentCause), которая может принимать следующие значения: mobile originated, signaling, mobile originated data, mobile terminated access или exceptional reports;
-  флаги, индицирующие возможности M2M-UE в части поддержки "multi-tone" и "multi carrier".

Посредством сообщения RRCConnectionSetup базовая станция eNodeB транслирует M2M-терминалу конфигурацию созданных виртуальных соединений для передачи сигнального трафика (SBR1 и SBR1bis), параметры каналов и протоколов.

В завершение процедуры M2M-терминал направляет базовой станции eNodeB сообщение RRCConnectionSetupComplete, включающее PLMNid, MMEid и, (опционально), NAS запрос Attach Request.

В случае если базовая станция посредством бита ab-Enabled блока мастер-информации (MIB-NB) индицирует активацию блокировки доступа (access barring), M2M-терминал перед выполнением процедуры установки (либо возобновления) соединения с сетью для передачи пакетов данных или сигнализации (originated signaling / data) должен выполнить проверку наличия блокировки для соответствующего класса доступа, который присвоен терминалу. Таблица блокировки (при установленном бите MIB ab-Enabled) для всех возможных классов доступа (access class - 0..9) транслируется базовой станцией в блоке системной информации SIB14-NB. В случае если для класса доступа M2M-терминала доступ к соте запрещен, терминал не должен генерировать запросы установления соединения (кроме возможных исключений, обозначенных в SIB-14) и осуществлять мониторинг SIB-14 до изменения ситуации.

Если базовая станция eNodeB не имеет свободных ресурсов она должна отвергнуть запрос на соединение (либо продолжения соединения - см.ниже) от M2M-терминала (M2M-UE) посредством сообщения RRCConnectionReject с указанием таймера ожидания до следующей попытки (extendedWaitTime=1..1800 сек). Использование таймера ожидания (extendedWaitTime) позволяет предотвратить лавинообразное возрастание нагрузки на сеть за счет множественных попыток переподключения к сети от большого кол-ва M2M-терминалов. В случае если базовая станция eNodeB отвергает запрос на восстановление соединения с сетью сообщение RRCConnectionReject должно также содержать параметр rrc-SuspendIndication, который индицирует должен ли M2M-UE удалить сохраненный AS-контекст и при следующей попытки использовать процедуру соединения (а не восстановления соединения) с сетью или сохранить.

RRC connection resume - продолжение RRC соединения

Целью данной процедуры является продолжение RRC соединения, приостановленного при разрыве соединения (RRC connection release).

Сигнальные диаграммы процедуры для случаев "одобрения" и "неодобрения" такого продолжения сетью приведены на Рис. 33. В последнем случае M2M-UE удаляет сохраненный AS-контекст и выполняет штатную процедуру установления соединения.

Рис. 33:

Процедура продолжения RRC соединения (RRC connection resume) не применима для M2M-UE, поддерживающих только Control Plane CIoT EPS optimisation.

Initial security activation - установка параметров безопасности

Следующим шагом после установления RRC соединения является установка безопасности на AS уровне. Это выполняется посредством процедуры "Initial security activation procedure" (не применимо для M2M-UE, поддерживающих только Control Plane CIoT EPS optimisation) – см. Рис. 34.

Посредством запроса SecurityModeCommand базовая станция указывает M2M-UE какой алгоритм контроля целостности должен использоваться на SRB1 и какие алгоритмы шифрования должны использоваться на SRB1 и DRB виртуальных соединениях. После данного сообщение SRB1bis автоматически заменяется на SRB1, которое используется для передачи всех последующих управляющих сообщений.

Рис. 34:

RRC connection reconfiguration - реконфигурация RRC соединения

После завершении процедуры активации механизмов безопасности выполняется создание виртуальных соединений DRB. Это выполняется посредством процедуры "RRC connection reconfiguration" – см. Рис. 35.

Рис. 35:

Посредством запроса RRCConnectionReconfiguration базовая станция указывает M2M-UE:
- параметры виртуальных соединений, включая конфигурацию логических каналов, конфигурации RLC и PDCP;
- параметры MAC, включая конфигурацию буфера отчетов о состоянии (buffer status report - BSR), конфигурацию DRX, значение таймера TimeAlignmentTimer;
- параметры физических каналов;
- значения RLF таймеров и констант (T301, T310, N310, T311, N311).

Процедура реконфигурации RRC соединения (RRC connection reconfiguration) не применима для M2M-UE, поддерживающих только Control Plane CIoT EPS optimisation.

RRC connection re-establishment - восстановление RRC соединения

Целью данной процедуры является восстановление RRC соединения и виртуального сигнального канала SRB1 после обрыва радиосоединения или сбоя процедуры RRC connection reconfiguration. Сигнальная диаграмма показана на Рис. 36.

Рис. 36:

Процедура восстановления RRC соединения (RRC connection re-establishment) не применима для M2M-UE, поддерживающих только Control Plane CIoT EPS optimisation.

RRC connection release - разрыв RRC соединения

При необходимости разрыва, установленного M2M-терминалом (M2M-UE) соединения с сетью, базовая станция (eNodeB) направляет терминалу сообщение RRCConnectionRelease - см. Рис. 37.

Рис. 37:

Сообщение может содержать установленный флаг rrcSuspend, который индицирует, что данное соединение должно быть переведено M2M-UE в состояние "приостановлено" (suspend) с сохранением во внутренней памяти текущего AS-контекста, включая параметры безопасности (не применимо для M2M-UE, поддерживающих только Control Plane CIoT EPS optimisation). В последствии M2M-UE может продолжить соединение с сетью и перейти в состояние RRC_CONNECTED с сохраненным AS-контекстом (или частично обновленным, включая параметры безопасности).

RRC connection release requested by upper layers - разрыв RRC соединения по запросу верхних уровней

Целью данной процедуры является является разрыв RRC соединения по запросу верхнего уровня (например, при ошибке аутентификации).

Radio resource configuration - конфигурация радиоресурсов

Целью данной процедуры является конфигурация радиоресурсов, включая добавление / удаление / модификацию SRB1 или DRB; конфигурацию параметров MAC уровня; конфигурацию дополнительной поднесущей; конфигурацию таймеров и констант радиолинка (T301, T310, T311,...) и пр.

Radio link failure related actions - действия при обрыве радиолинии

Данная процедура включает в себя такие действия как детектирование и восстановление проблем на физическом уровне (physical layer), а также детектирование сбоя линии радиосвязи (radio link failure).

UE Capability Transfer - передача данных о возможностях терминала

При подключении M2M-терминала (M2M-UE) к сети базовая станция (eNodeB) не имеет информации о функциональных возможностях терминала, включая версию 3GPP релиза, UE категорию, список поддерживаемых полос радиочастот (bands), возможность установки нескольких виртуальных соединений (bearers), поддержку нескольких несущих (multi carrier), поддержку "multi tone" в восходящем канале (UL) и т.д. Базовая станция запрашивает недостающую информацию у M2M-UE посредством процедуры UE Capability Transfer. Передача сообщений в рамках данной процедуры не создает существенной нагрузки на сеть, т.к. потенциальный перечень функциональных возможностей M2M-UE незначительный по сравнению с классическим пользовательским оборудованием LTE.

Рис. 38:

Процедура пейджинга


Процедура пейджинга (paging) используется сетью для инициирования подключения M2M-терминала (M2M-UE) к сети (через установку RRC соединения) и индикации терминалам, находящимся в состоянии RRC_IDLE, об изменении системной информации.

Сообщение пейджинга посылается базовой станцией (eNodeB) через физический канал NPDSCH и может содержать список идентификаторов M2M-UE, которым предназначено сообщение, и его назначение (запрос на подключение или индикация изменения системной информации). Каждый M2M-UE, обнаруживший свой идентификатор в списке, в зависимости от логики верхнего уровня, может инициировать установку RRC соединения, либо (для сообщений, индицирующих изменение системной информации) выполнять чтение блока системной информации SIB1-NB, на основании которого определить системная информация каких именно блоков была изменена и прочитать измененные SIB-NB.

CRC сообщения пейджинга скремблируется идентификатором P-RNTI.

Энергосбережение

Для увеличения времени работы M2M-терминалов от автономных источников питания 3GPP определил следующие механизмы:
- режим прерывистого приема (DRX – Discontinuous Reception);
- расширенный режим прерывистого приема (eDRX – Extended DRX);
- режим энергосбережения (PSM – Power Saving Mode).

DRX – Discontinuous Reception
DRX – представляет собой прерывистый прием сообщений пейджинга. NB-IoT поддерживает длительности циклов DRX, содержащие 128, 256, 512 и 1024 радиофреймов, что эквивалентно 1.28, 2.56, 5.12 и 10.24 секундам.

Базовыми понятиями DRX являются Paging Occasion (PO) и Paging Frame (PF):
- Paging Occasion (PO) – пейджинговое событие, представляющее собой номер субфрейма, в котором может передаваться сообщение пейджинга.
- Paging Frame (PF) – системный номер радиофрейма (SFN), который может содержать один или несколько PO.
Значения PO и PF рассчитываются в соответствии с п 7.1 3GPP TS 36.304 на основании длительности DRX цикла (вещаемой сетью в блоке системной информации SIB2-NB) и идентификатора IMSI M2M-терминала.

Базовая станция (eNodeB) должна передавать (повторять) пейджинговое сообщение в каждом PO, при этом M2M-терминал должен мониторить только один PO в каждом DRX цикле. Поскольку значения PO и PF определяются в т.ч. идентификатором IMSI, различные M2M-UE будут иметь различные PO, равномерно распределенные во времени.

eDRX – Extended DRX
Режим eDRX расширяет концепцию прерывистого приема, уменьшая периоды времени в которые M2M-терминал осуществляет мониторинг сети на предмет поиска сообщений пейджинга. При использовании eDRX пейджинговое сообщение может быть транслировано M2M-терминалу только в пределах определенного окна приема пейджинга (paging time window – PTW). Границы PTW определяются на основании гипер-системного номера фрейма (Hyper System Frame Number – H-SFN) в соответствии с п 7.3 3GPP TS 36.304. При этом период неактивности (или сна) M2M-терминала, в котором не осуществляется мониторинг пейджинговых событий, может достигать 3-х часов.

Внутри PTW вычисление значений PO и PF осуществляется аналогично ранее описанной процедуре non-extended DRX.

PSM – Power Saving Mode
Режим PSM позволяет M2M-терминалу (M2M-UE) оставаться зарегистрированным в сети длительное время, не проявляя никакой активности. При выполнении каждой процедуры перерегистрации (TAU – Trackeng Area Update / Periodic Trackeng Area Update) M2M-терминал запрашивает режим PSM, а сеть подтверждает его использование, выделяя ненулевое значение таймера T3324. Таймер T3324 определяет период времени, на протяжении которого M2M-UE выполняет прослушивание пейджингового канала. При этом длительность таймера периодической перерегистрации в сети (T3324) увеличивается до 320ч.

Пример функционирования режима энергосбережения приведен на Рис. 39.

Рис. 39: