Подключение пользовательского терминала к сети 5G (режим EN-DC)

Двойное подключение EN-DC (E-UTRAN New Radio - Dual Connectivity) - это технология, специфицированная 3GPP, и позволяющая внедрять локальные 5G сервисы в глобальные 4G-LTE сети. Пользовательские терминалы, поддерживающие EN-DC, могут одновременно подключаться к LTE eNB и 5G-NR gNB. Такой подход позволяет сотовым операторам на первом этапе развертывать услуги 5G в высоконагруженных зонах без затрат на строительство полноценного ядра сети 5G Core.

Option 3a

Рис.1 (Option 3a)

В рамках опции "3a" (см. Рис. 1) сценария миграции от LTE к 5G используется ядро сети LTE (EPC) пользовательский терминал (UE) изначально регистрируется в 4G-LTE и начинает транслировать в сеть результаты измерений, выполняемых на сети радиодоступа 5G-NR. При удовлетворительном «качестве радиосигнала» 5G-NR базовая станция LTE-eNB инициирует запрос к NR-gNB на выделение пользовательскому терминалу (UE) сетевых ресурсов. По завершении процедуры UE подключается одновременно к сетям 4G и 5G.

Рассмотрим сценарий двойного подключения EN-DC пользовательского терминала к сетям 4G/5G в соответствии с опцией "3a" по шагам:

Этап 1: Подключение пользовательского терминала к сети 4G-LTE - attach procedure

Подключение пользовательского терминала к сети 4G-LTE - attach procedure

Рис. 2a (Подключение пользовательского терминала к сети 4G-LTE - attach procedure)

1. Пользовательский терминал (UE) инициирует новую сессию с сетью 4G-LTE, используя случайным образом выбранную преамбулу. Предполагается, что к этому времени UE уже выполнил процедуру синхронизации с сетью, а также "прочитал" блоки широковещательной системной информации 4G-LTE (MIB и SIB).
2. Базовая станция генерирует отклик на полученную преамбулу ("Random Access Response" - RAR), выделяя при этом пользовательскому терминалу ресурс физического канала PUSCH (UL Grant) и временный идентификатор пользователя (Temporary C-RNTI).
3. UE генерирует запрос установления RRC соединения ("RRC Connection Request") в рамках сообщения msg3 процедуры случайного доступа. CRC msg3 скремблируется временным идентификатором пользователя (Temporary C-RNTI), полученным на предыдущем шаге. Сообщение содержит в т.ч. идентификатор 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 UE используют один и тот же Temporary C-RNTI.
4. Базовая станция посылает команду установки RRC соединения "RRC Connection Setup" в рамках сообщения разрешения коллизии (Contention Resolution) процедуры случайного доступа. Сообщение содержит C-RNTI, который будет использоваться при последующей коммуникации, и адресуется на конкретный TMSI (реальный или представляющий собой случайное число), полученный от UE на предыдущем шаге, что позволяет разрешить коллизию при использовании несколькими терминалами одного и того же "temporary C-RNTI".
5. UE сигнализирует об успешном завершении процедуры установления RRC соединения ("RRC Connection Setup Complete"). Сообщение содержит запрос на регистрацию в сети ("NAS Attach Request"), включающий в себя информационный блок сетевых возможностей терминала ("UE Network Capability" IE), бит DCNR которого определяет поддержку UE функции двойного подключения (EN dual connectivity) к сетям 4G-LTE и 5G-NR.
6. Запрос на регистрацию в сети ("NAS Attach Request"), включающий блок "UE Network Capability" посредством начального сообщения S1AP транслируется базовой станцией к узлу управления мобильностью (MME).
7. Выполнение процедуры взаимной аутентификации, инициируемой узлом управления мобильностью (MME).
8. Активация механизмов безопасности на уровне NAS сигнализации (между UE и MME). С данного момента в отношении всех NAS сообщений будут выполняться функции шифрования и контроля целостности.
9. Узел управления мобильностью (MME) генерирует в сторону MN-eNB запрос S1AP на установление начального UE контекста ("S1AP Initial Context Setup Request"), также включающий в себя NAS подтверждение завершения процедуры регистрации пользовательского терминала в сети ("Attach Accept"), а также NAS запрос на активацию дефолтного виртуального канала ("Activate Default Bearer Request").

Подключение пользовательского терминала к сети 4G-LTE - attach procedure, продолжение

Рис. 2b (Подключение пользовательского терминала к сети 4G-LTE - attach procedure, продолжение)

10. Базовая станция (MN-eNB) запрашивает у пользовательского терминала его функциональные возможности - "UE Capability", которые в дальнейшем также транслируются в MME. Отклик терминала содержит в т.ч. признак поддержки сетей 5G-NR (в контейнере UE-MRDC-Capability).
11. Активация механизмов безопасности на уровне RRC сигнализации (между UE и MN-eNB). С данного момента в отношении всех RRC сообщений будут выполняться функции шифрования и контроля целостности.
12. Реконфигурация RRC соединения и создание виртуального сигнального канала SRB2, а также виртуального трафикового канала DRB. Команда реконфигурации также включает в себя, полученные на шаге 9 от узла управления мобильностью (MME) NAS подтверждение завершения процедуры регистрации пользовательского терминала в сети ("Attach Accept") и NAS запрос на активацию дефолтного виртуального канала ("Activate Default Bearer Request").
13. MN-eNB подтверждает узлу управления мобильностью (MME) выполнение полученного на шаге 9 запроса на установление начального UE контекста. Отклик "S1AP Initial Context Setup Response" содержит также идентификатор GTP туннеля для переноса downlink трафика к MN-eNB (GTP TEID).
14. Пользовательский терминал (UE) сигнализирует узлу управления мобильностью (MME) завершение регистрации в сети и активацию дефолтного виртуального канала ("Attach and default bearer activation").
15. Узел управления мобильностью (MME) создает на обслуживающем шлюзе (SGW) виртуальный канал (bearer) с идентификатором GTP туннеля TEID для передачи пользовательского трафика.

Этап 2: Реконфигурация RRC соединения и добавление вторичной 5G-NR БС (5G secondary node)

Реконфигурация RRC соединения - RRC Connection Reconfiguration

Рис. 3 (Реконфигурация RRC соединения - RRC Connection Reconfiguration)

16. Пользовательский терминал выполняет измерения на сетях 4G-LTE и 5G-NR, транслируя отчеты от результатах измерений подключенной базовой станции MN-eNB сети 4G-LTE.
17. Базовая станция MN-eNB сети 4G-LTE, к которой подключен пользовательский терминал (UE), выполняет проверку требований к пропускной способности со стороны UE, а также наличие радиопокрытия и качество радиосигнала сети 5G-NR в точке нахождения пользователя и принимает решение добавить базовую станцию SN-gNB в качестве вторичного узла.
18. Базовая станция MN-eNB направляет запрос на активацию вторичного узла "Secondary Node Addition Request" к базовой станции SN-gNB. Запрос содержит конфигурацию RRC соединения, конфигурацию виртуального радиоканала (Radio Bearer), функциональные возможности пользовательского терминала (UE Capability) и параметры безопасности.
19. Назначение радиоресурсов на сети 5G-NR.
20. Отклик базовой станции SN-gNB в ответ на запрос активации вторичного узла. Отклик содержит информацию о назначенных пользовательскому терминалу ресурсов в сети 5G.
21. Реконфигурация RRC соединения, включая создание виртуального сигнального радиоканала SRB3 и модификацию виртуального радиоканала передачи данных DRB. Запрос на реконфигурацию содержит параметры сети 5G-NR (включая конфигурацию канала случайного доступа 5G NR RACH), данные о назначенных пользовательскому терминалу (UE) ресурсах, а также идентификатор UE в сети 5G-NR (C-RNTI).
22. Базовая станция MN-eNB информирует базовую станцию SN-gNB о завершении реконфигурации.
23. Базовая станция MN-eNB информирует базовую станцию SN-gNB о значении счетчиков протокола PDCP всех виртуальных каналов, переключаемых из 4G-LTE в 5G-NR (PDCP SN, HFN).
24. С этого момента устанавливается следующий путь передачи нисходящего трафика в направлении пользовательского терминала (UE): обслуживающий шлюз SGW передает пакеты данных на первичную базовую станцию сети 4G-LTE (MN-eNB); MN-eNB транслирует их вторичной базовой станции сети 5G-NR (SN-gNB); SN-gNB осуществляет буферизацию полученных пакетов данных, т.к. пользовательским терминалом еще не установлено соединение с сетью 5G-NR.

Этап 3: Процедура переключения пути - "Path Update"

Процедура переключения пути - "Path Update"

Рис. 4 (Процедура переключения пути - Path "Update")

25. MN-gNB индицирует узлу управления мобильностью (MME) о переключении виртуальных каналов пользовательского трафика (DRB) с сети 4G-LTE на сеть 5G-NR.
26. MME модифицирует контексты виртуальных каналов пользовательского трафика на сервисном шлюзе (SGW) и переключает трафик с MN-eNB на SN-gNB.
27. SGW информирует MN-eNB о завершении передачи данных через сеть 4G-LTE. Последующие пакеты данных будут транслироваться через SN-gNB сети 5G-NR.
28. Узел управления мобильностью (MME) подтверждает MN-eNB сети 4G-LTE о получении (на шаге 25) и обработке индикации переключения виртуальных каналов пользовательского трафика (DRB) с сети 4G-LTE на сеть 5G-NR.
29. С этого момента устанавливается передача нисходящего трафика в направлении пользовательского терминала (UE) от сервисного шлюза (SGW) напрямую на вторичную базовую станцию сети 5G-NR (SN-gNB).

Этап 4: Присоединение пользовательского терминала к сети 5G-NR

Присоединение пользовательского терминала к сети 5G-NR

Рис. 5 (Присоединение пользовательского терминала к сети 5G-NR)

30. Пользовательский терминал (UE) обнаруживает сигналы первичной и вторичной синхронизации сети 5G-NR, осуществляет синхронизацию с сетью радиодоступа и детектирование широковещательного канала NR PBCH.
31. Пользовательский терминал (UE) инициирует non-contention (т.е. без возможности коллизии) процедуру случайного доступа в сеть 5G-NR. При этом используется индекс преамбулы, назначенный в рамках сообщения "RRC Connection Reconfiguration" на шаге 21a.
32. Вторичная базовая станция сети 5G-NR (SN-gNB) направляет UE отклик на полученный запрос случайного доступа ("Random Access Response" - MAC RAR или msg2), содержащий выделенный ресурс восходящего канала для передачи сообщения msg3 (UL-Grant).
33. Пользовательский терминал (UE) направляет сообщение msg3, содержащее запрос установления RRC соединения ("RRC Connection Request").
34. SN-gNB через физический канал PDCCH назначает ресурс в нисходящей линии связи (DCI 1_0) и передает в рамках назначенного ресурса сообщение конфигурации RRC соединения ("RRC Connection Setup") - msg4.
35. SN-gNB останавливает буферизацию пакетов данных, начатую на шаге 24, и начинает передавать данные пользовательскому терминалу (шаг 36) и принимать данные от пользовательского терминала (шаг 37) в рамках установленного соединения с сетью 5G-NR.

Литература:
[1] LTE eNB - 5G gNB dual connectivity (EN-DC) - http://www.eventhelix.com