LTE架构和协议栈概述

1 LTE网络架构和接口

完整的LTE网络架构由三个部分组成&＃xff1a;终端(UE)&＃43;无线网络(E-UTRAN)&＃43;核心网(EPC)。

下面详细的介绍下各个部分。

1.1 终端

终端就是指用户的手机&＃xff0c;或者是其他可以利用LTE上网的设备。
FDD LTE和TDD LTE分别是LTE的两种不同的系统模式。两者大部分的基础技术都是一样的&＃xff0c;主要区别在于FDD为频分双工&＃xff0c;而TDD为时分双工。两者并不互相兼容。FDD“频分双工”指传输数据时需要两个独立的信道&＃xff0c;一个信道用来向下传送信息&＃xff0c;另一个信道用来向上传送信息。两个信道之间存在一个保护频段&＃xff0c; 以防止邻近的发射机和接收机之间产生相互干扰。就相当于一条双向公路&＃xff0c;两边的车辆各走各的路&＃xff0c;互补干扰。而保护频段就相当于公路中间的隔离带。TDD“时分双工”的发射和接收信号是在同一频率信道的不同时隙中进行的&＃xff0c;彼此之间采用一定的保证时间予以分离。可以比作一条独木桥&＃xff0c;在同一时段&＃xff0c;只能有一边的人通过&＃xff0c;也就是说&＃xff0c;数据的上传和下载是在同一信道交替进行的。
LTE的频段是区分FDD和TDD制式的。LTE规范定义了非常多的工作频段&＃xff0c;这从侧面说明了LTE技术受欢迎的程度&＃xff1a;拥有各个频段的运营商都想部署LTE&＃xff0c;因此需要LTE技术支持这些频段。

1.2 无线网络(E-UTRAN)

1.2.1 无线网络的结构

在移动通信系统中&＃xff0c;无线网络承上启下&＃xff0c;连接核心网和终端设备&＃xff0c;实现移动通信业务的覆盖&＃xff0c;是移动通信系统的关键组成部分。LTE无线网络中只有一种网元&＃xff1a;基站eNodeB&＃xff08;简写eNB&＃xff09;。基站eNB之间通过X2接口互连&＃xff0c;通过S1接口与核心网设备相连。

1.2.2 无线网络的功能

eNB 的主要功能就是连接、管理和控制终端&＃xff0c;并且为核心网连接、管理以及控制终端提供沟通的管道。为了实现这些功能&＃xff0c;eNB需要与终端和核心网进行交互&＃xff0c;也就是要大量传递大量的信息&＃xff0c;下面介绍LTE无线网络是如何传递信息的。
在介绍LTE无线网络如何传递信息之前&＃xff0c;我们需要知道与信息传递密不可分的接口——空中接口。空中接口是终端和eNB两种设备之间的无线接口&＃xff0c;终端只有通过空中接口连接到无线网络&＃xff0c;才能获得移动通信系统提供的服务。
LTE无线网络上的信息利用承载来传递。LTE无线网络的根据承载的内容不同分为SRB&＃xff08;signaling radio bearer&＃xff0c;信令承载&＃xff09;和DRB&＃xff08;data radio bearer&＃xff0c;业务承载&＃xff09;。
SRB承载控制面&＃xff08;信令&＃xff09;数据&＃xff0c;根据承载的信令不同分为以下三类SRB&＃xff1a;
1&＃xff09;SRB0&＃xff1a;承载RRC连接建立之前的RRC信令&＃xff0c;通过CCCH逻辑信道传输&＃xff0c;在RLC层采用TM模式&＃xff1b;
2&＃xff09;SRB1承载RRC信令&＃xff08;可能会携带一些NAS信令&＃xff09;和SRB2之间之前的NAS信令&＃xff0c;通过DCCH逻辑信道传输&＃xff0c;在RLC层采用AM模式&＃xff1b;
3&＃xff09;SRB2承载NAS信令&＃xff0c;通过DCCH逻辑信道传输&＃xff0c;在RLC层采用AM模式&＃xff0c;SRB2优先级低于SRB1&＃xff0c;安全模式完成后才能建立SRB2&＃xff1b;DRB承载用户面数据&＃xff0c;根据Qos不同&＃xff0c;UE与eNB之间可能最多建立8个DRB。
业务承载的具体情况&＃xff1a;
在LTE系统中&＃xff0c;一个UE到一个PGW之间&＃xff0c;具有相同Qos的业务流称为一个EPS承载。EPS承载中UE到eNB空口之间的一段称为无线承载RB&＃xff1b;eNB到SGW之间的一段称为S1承载。无线承载与S1承载统称为E-RAB。

1.3 核心网&＃xff08;EPC&＃xff09;

EPC主要是包括5大网元&＃xff1a;MME&＃43;SGW&＃43;PGW&＃43;HSS&＃43;PCRF

1.3.1 MME

MME是Mobility Management Entity的缩写&＃xff0c;是核心网中最重要的实体之一&＃xff0c;提供以下的功能&＃xff1a;NAS 信令传输、用户鉴权与漫游管理&＃xff08;S6a&＃xff09;、移动性管理、EPS承载管理。在这里所述的功能中&＃xff0c;NAS信令指的是三层信令&＃xff0c;包含EMM, ESM 和NAS 安全&＃xff1b;然后移动性管理的话主要有寻呼&＃xff0c;TAI管理和切换&＃xff1b;承载&＃xff08;承载是WCDMA引入的概念&＃xff09;的话主要是EPS 承载&＃xff08;bearer&＃xff09;的建立&＃xff0c;修改&＃xff0c;销毁等。

1.3.2 SGW

SGW是Serving Gateway 的缩写&＃xff0c;负责处理用户的业务&＃xff0c;用来完成移动数据业务的承载。SGW相当于数据业务的中转站。

1.3.3 PGW

PGW是PDN Gateway的缩写&＃xff0c;其中PDN是Packet Data Network 的缩写&＃xff0c;通俗地讲&＃xff0c;可以理解为互联网&＃xff0c;这是整个LTE架构与互联网的接口处&＃xff0c;所以UE如果想访问互联网就必须途径P-GW实体&＃xff0c;从另外一方面说&＃xff0c;如果想通过P-GW而访问互联网的话&＃xff0c;必须要有IP地址&＃xff0c;所以P-GW负责了UE的IP地址的分配工作&＃xff0c;同时提供IP路由和转发的功能。此外&＃xff0c;为了使互联网的各种业务能够分配给不同的承载&＃xff0c;P-GW提供针对每一个SDF和每一个用户的包过滤功能。&＃xff08;也就是说在P-GW处&＃xff0c;进出的每一个包属于哪个级别的SDF和哪一个用户都已经被匹配好了。这里的SDF是服务数据流Service Data Flow的缩写&＃xff0c;意思就是P-GW能区分每一个用户的不同服务的数据包&＃xff0c;从而映射到不同的承载上去。以后会有关于SDF的更详细的说明&＃xff09;。此外&＃xff0c;P-GW还有其他的一些功能&＃xff0c;比如根据用户和服务进行不同的计费和不同的策略&＃xff0c;这部分对于每个运营商都会有差异&＃xff0c;在此不做多的赘述。

1.3.4 HSS

HSS是Home Subscriber Server的缩写&＃xff0c;归属用户服务器&＃xff0c;这是存在于核心网中的一个数据库服务器&＃xff0c;里面存放着所有属于该核心网的用户的数据信息。当用户连接到MME的时候&＃xff0c;用户提交的资料会和HSS数据服务器中的资料进行比对来进行鉴权。

1.3.5 PCRF

PCRF是Policy and Charging Rules Function的缩写&＃xff0c;策略与计费规则&＃xff0c;它会根据不同的服务制定不同的PCC计费策略。

1.4 接口

1.4.1 LTE-Uu

LTE-Uu接口是位于终端与基站之间的空中接口。在这中间&＃xff0c;终端会跟基站建立信令连接与数据连接&＃xff0c;信令连接叫做RRC Connection&＃xff0c;相应的信令在SRB上进行传输&＃xff0c;&＃xff08;如前所述&＃xff0c;SRB有三类&＃xff0c;分别是SRB0, SRB1和SRB2&＃xff0c;SRB可以理解为是传输信令的管道&＃xff09;&＃xff0c;而数据的连接是逻辑信道&＃xff0c;相关的数据在DRB上传输。这两个连接是终端与网络进行通信所必不可少的。

1.4.2 X2-控制面

X2是两个基站之间的接口&＃xff0c;利用X2接口&＃xff0c;基站间可以实现SON功能&＃xff08;Self Organizing Network&＃xff09;&＃xff0c;比如PCI的冲突检测等。

1.4.3 X2-控制面

X2用户面的接口是建立在GTP-U协议的基础上&＃xff0c;连接两个基站&＃xff0c;传输基站间的数据。&＃xff08;X2 handover等&＃xff09;

1.4.4 S1-控制面

S1是基站与MME之间的接口&＃xff0c;相关NAS信令的传输都必须建立在S1连接建立的基础上。

1.4.5 S1-用户面

S1用户面的接口是建立在GTP-U协议的基础上&＃xff0c;连接基站与MME&＃xff0c;传输基站与MME之间的数据。S1 handover&＃xff0c;上网的数据流等。

1.4.6 S6a接口

MME与HSS通过S6a接口连接。

1.4.7 S11接口

MME与SGW通过S11接口连接。

2 LTE协议栈

首先对控制面和用户面进行解释&＃xff1a;
&＃xff08;1&＃xff09;控制面&＃xff1a;负责传送和处理系统协调信令的协议。
&＃xff08;2&＃xff09;用户面&＃xff1a;负责传送和处理用户数据流工作的协议。

2.1 用户面协议

2.1.1 LTE-Uu接口协议

2.1.1.1 PDCP

PDCP&＃xff08;Packet Data Convergence Protocol, 分组数据汇聚协议子层&＃xff09;协议针对传输的数据包执行以下的操作&＃xff1a;数据包头压缩&＃xff08;ROHC&＃xff09;、AS层的安全&＃xff08;包括加密与完整性检验&＃xff09;、包的重排序和重传。

2.1.1.2 RLC

RLC层(Radio Link Control&＃xff0c;无线链路控制子层)针对传输的数据包执行以下的操作&＃xff1a;在发送端&＃xff0c;提供数据包的分段与串联、在接收端&＃xff0c;提供透明&＃xff0c;确认模式与非确认模式三种模式、RLC层也执行对RLC PDU的重排序与重传。

2.1.1.3 MAC

MAC层(Medium Access Control, 媒介接入控制子层)对从高层传来的MAC PDU和从底层传来的包做以下的处理&＃xff1a;在物理层和RLC层之间提供逻辑信道的连接、逻辑信道的复用与解复用、对逻辑信道根据QoS来进行调度和分配优先级。

2.1.2 S1-U/S5/X2接口协议

2.1.2.1 GTP-U

GTP-U协议主要是用来转发用户的IP数据包&＃xff0c;GTP-U协议还有个特点&＃xff0c;只要GTP-U连接建立后传输数据&＃xff0c;那么在数据结束之后总会有END Marker来标志着数据流的结束。

2.2 控制面协议

2.2.1 LTE-Uu接口协议

2.1.1.1 NAS

提供移动性管理和承载管理&＃xff0c;比如说eNB的信息的更新&＃xff0c;或者MME的配置信息的更新会触发Configuration Update信令的下发或者上载&＃xff0c;然后E-RAB的建立&＃xff0c;修改&＃xff0c;销毁都是属于NAS管理的范围之内。

2.1.1.2 RRC协议

RRC协议(Radio Resource Control&＃xff0c;无线资源控制子层)支持传输NAS信令&＃xff0c; 同时也提供对于无线资源的管理。广播系统消息&＃xff0c;例如MIB&＃xff0c;SIB1&＃xff0c;SIB2 ……&＃xff1b;RRC连接的建立&＃xff0c;重建立&＃xff0c;重配置和释放&＃xff1b;无线承载(RB)的建立&＃xff0c;修改与释放。

2.1.1.3 X2接口协议

X2AP协议支持无线网&＃xff08;E-UTRAN&＃xff09;中的UE移动性管理和SON功能。比如通过X2AP的数据转发&＃xff08;在X2 Handover的时候的数据转发&＃xff09;&＃xff0c;SN status的转发&＃xff08;Handover时&＃xff09;&＃xff0c;或者时eNB之间的资源状态消息交换等。

2.1.1.4 SI-MME接口协议

S1AP协议如前所述&＃xff0c;是S1 连接建立的时候用来传输信令的协议&＃xff0c;该协议负责S1接口的管理&＃xff0c;E-RAB的管理&＃xff0c;还有NAS信令的传输&＃xff0c;以及UE上下文的管理。

参考书籍&＃xff1a;《LTE教程&＃xff1a;原理与实现&＃xff08;第2版&＃xff09;》
参考博客&＃xff1a;https://blog.csdn.net/starperfection/article/details/78719935