摘要： 本文首先介绍了移动终端协议栈的架构，然后分析了LTE移动终端跟踪区更新过程，研究了其正常流程和异常流程，提出了一种LTE移动终端跟踪区更新过程的设计和实现方法，最后利用SDL和TTCN的协仿真对该实现方法进行了测试。

　　关键字：LTE;协议栈;跟踪区更新过程;SDL;TTCN

　　移动通信技术的发展日新月异，从1978年第一代模拟蜂窝网电话系统的诞生，1990年第二代全数字通信技术全球移动通信系统GSM(Global System for Mobile Communications)开始投入使用，到2000年第三代移动通信标准的制定，用户对移动通信业务的要求已经从单纯的语音业务扩展到多媒体业务，同时由于移动用户数量的快速增长，频谱资源显得日趋紧张。LTE(Long Term Evolution)是3GPP启动的最大的新技术研发项目，目标是在相当程度上推动3G技术的发展，从而满足人们在未来十年左右对于移动通信的技术要求。长期来看，LTE取代3G是必然的趋势。

　　LTE终端的移动性管理过程可以分为附着(Attach)过程，跟踪区更新(Tracking Area Update, TAU)过程和分离(Detach)过程。跟踪区更新是LTE终端协议栈中的一个重要过程，目的是终端UE(User Equipment)通知网络当前自己所在的位置，因此如何有效合理地进行跟踪区更新过程是确保终端通信性能稳定性的关键。

　　1 LTE终端的协议栈架构

　　移动终端的协议栈可以分为两个平面：用户平面协议栈和控制平面协议栈，

　　图1：终端协议栈架构

　　上图包含了用户平面和控制平面。用户平面协议栈包括PDCP、RLC、MAC子层，其功能是为数据进行头压缩、加密、调度，和混合自动重传请求。在传输数据之前，首先要在控制平面上建立好链路。控制平面协议栈包括RRC层和非接入层(ESM、EMM)，主要负责用户无线资源的管理，无线连接的建立，业务的QoS保证和最终的资源释放。RRC层位于接入层的最高层，对下面的PDCP、RLC、MAC起着控制作用，对无线资源进行管理和控制，接受非接入层的控制或透明传输非接入层信息。非接入层(Non-Access-Stratum, NAS)属于核心网功能，它包括会话管理层ESM( session managemen)和移动性管理层EMM(EPS Mobility Management)两个子层。NAS的主要功能有SAE承载管理、鉴权、AGW和UE间信令加密控制、用户面信令加密控制以及移动性管理。

　　2 跟踪区更新过程的研究和实现

　　2.1跟踪区更新过程的正常流程的分析与设计

　　跟踪区更新过程是LTE终端协议栈的一个重要过程，可以分为：正常跟踪区更新、周期性跟踪区更新、同一个MME内不同eNodeB之间切换引起的跟踪区更新及MME之间的跟踪区更新。正常跟踪区更新是当终端UE检测到所驻留小区的跟踪区标识发生变化且不在跟踪区列表(TaiList)内，UE将发起正常跟踪区更新，来通知网络端自己已进入到一个新的跟踪区范围内;周期性跟踪区更新是终端定期地通知网络更新自己所在的位置，由终端的定时器T3412超时触发的。如果终端长时间丢失覆盖或者异常关机，就不会再发起周期跟踪区更新过程，网络端就可以标识该终端隐含分离，若此时有用户寻呼该终端，网络就不会在跟踪区内寻呼该终端了，并告诉用户该终端无法接通。跟踪区更新过程是否能够及时发起直接影响着终端工作的稳定性。

　　图2：跟踪区更新过程成功的流程图

　　上图是设计的一次成功跟踪区更新过程的流程。首先UE驻留到一个小区后，RRC通过RRC_ACT_IND把小区的ID、TAI和PLMN等信息发送到EMM模块，EMM收到后，判断当前小区的TAI是否在跟踪区列表TaiList内，如果不在，则会发起TAU过程，在EMMAS_ESTABLISH_REQ中传送TRACKING AREA UPDATE REQUEST，同时开启定时器T3430，在这期间网络端MME可能会发起鉴权和身份认证请求。如果跟踪区更新成功的话，网络端会发送TRACKING AREA UPDATE ACCEPT。UE收到TAU ACCEPT后，关闭定时器T3430。至此，TAU过程结束，此时网络端就会更新该终端所在的跟踪区了，如有用户寻呼，网络就会在新的跟踪区内寻呼该终端。

　　2.2跟踪区更新过程的异常流程的分析与设计

　　终端发起跟踪区更新请求，如果网络端拒绝，会向终端发送TRACKING AREA UPDATE REJECT，并会包含一个拒绝原因值。UE会根据不同的原因值，做出不同的响应;例如，原因是非法UE时，终端就会设置该USIM已经无效，不再处理任何业务，直到重新开机或者USIM重新插入;原因是跟踪区不允许时，会进行小区搜索，驻留后要发起一次附着过程;原因是跟踪区内没有合适小区时，终端会在其他的跟踪区内进行小区搜索，成功驻留后就可以进行正常的业务，不需要再做一次附着过程;当TAU连续失败5次时，终端会发起搜网过程;还有，终端发起跟踪区更新请求后，在等待网络的TAU接受或者TAU拒绝这期间，发生了其他的异常情况，比如RRC连接释放了，或者与分离过程，GUTI重分配过程发生了冲突等等，这些异常情况该如何处理，都是要在设计阶段和开发中需要考虑的。只有考虑到尽可能的异常情况，才可以使终端尽可能的稳定。

　　网络拒绝原因值

　　终端UE的处理方法

　　#3非法UE

　　设置该USIM已经无效，不可以再处理任何业务，直到重新开机;

　　#7EPS服务不允许

　　设置该USIM卡不可以处理EPS服务，只可以处理非EPS服务;

　　#9UE标识不可得

　　删除本地参数，重新做一次附着过程;

　　#10隐含分离

　　删除本地参数，重新做一次附着过程;

　　#11PLMN不允许

　　存储该PLMN到禁止PLMN列表内，发起搜网过程，成功后做一次附着过程;

　　#12跟踪区不允许

　　存储该TAI到禁止TAI列表内，发起小区搜索，成功后做一次附着过程;

　　#15跟踪区内没有合适小区

　　存储该TAI到禁止TAI列表内，在其他的跟踪区内进行小区搜索;

　　表1：TAU拒绝的部分原因值和对应的处理方法

　　3 跟踪区更新过程的测试

　　在开发过程中，根据3GPP标准设计好流程后，根据设计的流程来编写代码，编写完后，需要测试代码是否符合当初设计的方案以及与3GPP标准的一致性。

　　SDL(Specification and Description Language，即规范描述语言)语言是CCITT推荐的说明与描述语言。在协议软件的开发流程中，SDL被应用在系统规范描述和设计阶段。SDL使用扩展有限状态机(EFSM)的概念来描述对象。其进程本质上是对象，它们具有各种不同的状态，在每种状态下发送、接收和处理进程消息，对封装的数据完成处理，并具有确定的状态行为。

　　TTCN(Tree and Tabular Combined Notation，即树表结合表示法)是一个规范测试语言，用于一致性测试集的测试表示法。TTCN是一种独立于协议、测试方法和测试设备的抽象语言，因此它被广泛地应用在通信协议测试中。鉴于此，本文选择SDL软件和TTCN软件作为测试工具，采用SDL和TTCN协仿真来搭建测试环境，编写测试例进行代码测试。TTCN通过与SDL的联合协仿真，可以生成消息序列图(MSC：Message Sequence Charts)，通过观察内部与环境(测试系统)之间的消息序列和数据流，以达到测试的目的。下图是正常跟踪区更新过程的测试图：

　　图3：跟踪区更新过程成功的测试图

　　从图中可以看出，应用层SPN通过发送原语CAPI_REQ_REGISTRATION_REQ和SMREG_EPS_ACTIVATE_REQ触发开机请求，EMM收到后在EMMAS_ESTABLISH_REQ原语中传送ATTACH REQUEST信号，等开机过程完成后，终端驻留到一个新的小区，原语EMMAS_ACT_IND上报小区的标识ID、跟踪区标识TAI、网络号PLMN。EMM检查该小区的TAI是否在跟踪区列表TaiList内，结果不在列表内，发起跟踪区更新过程，在原语EMMAS_ESTABLISH_REQ中传送TAU REQUEST信号，网络端接受了该次TAU过程，在EMMAS_DATA_IND原语中传送网络端的消息TAU ACCEPT信号，其中包含网络给终端分配了一给新的临时标识GUTI，此后终端在原语EMMAS_DATA_REQ中发送TAU COMPLETE信号。此时一个跟踪区更新过程就完成了。通过分析该MSC图和数据流，此测试验证了本文的设计方案及实现方法与3GPP标准完全是一致的。

　　4 结束语

　　文中主要介绍了LTE终端协议栈的架构，以及对跟踪区更新过程的深入研究，并提出了一种设计方法，最后通过了3GPP标准的一致性测试要求。 LTE终端的研发正在世界各国如火如荼的进行，我们必须进一步加快研发步伐，使中国的通信事业在国际大舞台上更快发展，更上一个新台阶。

　　参考文献:

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　　[4] LTE-B3G/4G移动通信系统无线技术.张克平.电子工业出版社.

　　[5] 3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计.沈嘉, 索士强, 全海洋等. 人民邮电出版社.

　　[6] LTE/SAE移动通信网络技术.黄韬, 刘韵洁, 张智江, 刘申建等. 人民邮电出版社