LTE知识点梳理(一)：网络架构及协议修改版.doc

目录LTE知识点梳理（一）：LTE网络架构及协议21.1 移动通信系统的发展21.2 LTE概述21.2.1 LTE的主要技术特点21.2.2 LTE设计目标31.3 LTE网络架构31.3.1 E-UTRAN（接入网）41.3.2 EPC核心网51.3.3 LTE网络特点61.4 LTE无线接口协议栈61.4.1 LTE协议栈的三层61.4.2 LTE协议栈的两个面：71.4.3 协议栈架构81.5网络接口8LTE知识点梳理（一）：LTE网络架构及协议1.1 移动通信系统的发展在学习LTE技术之前，我们需要简单了解一下移动通信系统的发展过程， 第一代移动通信技术（1G）是指采用蜂窝技术组网、仅支持模拟语音通信的移动电话标准，其制定于上世纪 80 年代，主要采用的是模拟技术和频分多址技术。第二代移动通信技术（2G）区别于第一代，使用了数字传输取代模拟传输，根据其特点主要分为两大类，分别是起源于欧洲基于TDMA的GSM系统和起源于美国基于CDMA技术的IS95系统。在技术的不断推进下，又出现了以GPRS、CDMA20001X为特征的2G升级版2.5G，它的业务包括了语音业务、低速数据业务。第三代移动通信技术（3G）的最大特点是在数据传输中使用分组交取代了电路交换，电路交换使手机与手机之间进行语音等数据传输，而分组交换则将语音等转换为数字格式并通过互联网进行包括语音、视频和其他多媒体内容在内的数据包传输。高度数据业务则是3G的主要特征，它能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。但是，随着社会的发展，2/3G 网络语音收入下降，网络成本高。营运商需要在吸引用户、增加收入的同时，大幅度降低网络建设和营运成本。 话费赚钱时代结束，流量经营正成为核心。LTE 通过提升带宽，发掘新业务来弥补语音业务的下降；降低每 bit 成本来控制网络成本。 而LTE 能带来更加流畅和便利的移动业务，大宽带确保了用户体验。下面将给大家介绍4G LTE技术。1.2 LTE概述LTE是Long Term Evolution的缩写，全称应为3GPP Long Term Evolution，中文一般译为3GPP长期演进技术，为第三代合作伙伴计划（3GPP）标准。3GPP 发布的第一个LTE版本为R8版本，实际为 3.9G ，并不是真正意义上的4G技术，而是3G向4G技术发展过程中的一个过渡技术，是被称为3.9G的全球化标准，它通过采用OFDM（正交频分复用）和MIMO（多输入多输出）作为无线网络演进的标准，改进并且增强了3G的空中接入技术。这些技术的运用，使其能获得更高的峰值速率。对于LTE技术的研究历来已久，我国的LTE项目是基于3G时代的TD-SCDMA技术和WCDMA技术发展起来的，那么，其对应的也将发展成为TD-LTE和FD-LTE技术。后续的 R9/R10 版本为 LTE Advanced 才是实际的 4G 网络。1.2.1 LTE的主要技术特点LTE有如下主要技术特点：（1）实现灵活的频谱带宽配置，支持1.25-20MHz的可变带宽；（2）采用OFDM，MIMO等先进技术支持更高的用户传输速率，20M带宽时，实现下行峰值速率100Mbps和上行峰值速率50Mbps；（3）频谱利用率是HSPA（高速分组接入，是WCDMA的其中一种规范）的2-4倍，用户平均吞吐量（吞吐量指上下行流量）是HSPA的2-4倍；（4）提高小区边缘传输速率，改善用户在小区边缘的业务体验，增强3GPP LTE系统的覆盖性能；（5）用户面延迟小于5ms，控制面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms,UE从待机状态到开始传输数据，时延不超过100ms；（6）降低建网成本，实现低成本演进；（7）取消电路交换（CS）域，CS域业务在PS域实现，语音部分由VOIP实现；（注：CS域是电路承载域，走语音的，PS域是数据域，走的是IP，用于手机上网）（8）强调兼容性，支持已有的3G系统，也支持与非3GPP规范系统的协同运作。LTE在技术发展方面，表现出了很大的先进性，LTE的关键技术主要包括OFDM技术、MIMO技术和高阶调制技术等，在后面的学习中会详细介绍。通过对这些技术的运用，LTE不仅能提升用户对于移动的体验，而且能够为运营商们带来更加巨大的技术方面的优势和成本上的优势。1.2.2 LTE设计目标无论是 FD-LTE 还是 TD-LTE，其基本需求和架构均大致相同，采用的关键技术也基本相同，所不同的是双工方式，一个是时分的，一个是频分的。目前几乎所有的厂家都采用同一个平台设计。LTE 要达到的目标已经大大高于目前 UMTS 所能实现的各项指标， TD-LTE 实现的主要目标如下 ：（1）采用OFDM，MIMO等先进技术支持更高的用户传输速率；下行最大速率可达100Mbps，上行最大速率可达50Mbps；（2）支持1.4MHz/3.0MHz/5MHz/10MHz/15MHz/20MHz共6种可变带宽；（3）只有PS域，没有CS域 ；（4）更小的TTI（子帧捆绑）满足用户面和控制面的时延；共享信道支持在多个用户间同时传输数据；用户面延迟小于5ms，控制面延迟小于100ms；（5）下行频谱效率可达HSDPA的34倍；上行频谱效率可达 HSUPA 的23倍；（6）提高小区边缘的用户吞吐量 ；1.3 LTE网络架构LTE是由以下三个主要组件：l 用户设备 (UE).l 地面无线接入网 (E-UTRAN)：由e-NodeB组成l 分组核心演进 (EPC简称核心网): 由MME，S-GW，P-GW组成LTE的网络接口包括：l X2接口：e-NodeB之间的接口，支持数据和信令的直接传输；l S1接口：连接e-NodeB与核心网EPC的接口；l S1-MME：e-NodeB连接MME的控制面接口；l S1-U：e-NodeB连接S-GW 的用户面接口。LTE总的体系结构如下所示。1.3.1 E-UTRAN（接入网）E-UTRAN（接入网）的体系结构如下所示：E-UTRAN主要由eNB构成。同UTRAN（3G的接入网名称，由eNodeB和RNC组成）网络相比，eNB不仅具有NodeB的功能，还能完成RNC的大部分功能。eNodeB和eNodeB之间采用X2接口方式直接互连，eNB通过S1接口连接到EPC。具体地讲，eNB通过S1-MME连接到MME，通过S1-U连接到S-GW。E-UTRAN主要功能包括：无线资源管理、无线承载控制、无线许可控制，上行和下行资源动态分配/调度（简而言之就是对用户使用资源的管理、调度和分配）； 根据用户QoS签约信息，进行上行和下行的承载级别的速率调整，对承载级别的准入控制（UE及接入网络，会与eNB及EPC建立相应的承载）；寻呼消息的调度与传输；系统广播消息的调度与传输。在3GPP LTE与LTE-A的标准中，用eNB来代表基站，与用户UE对应。eNB是LTE(4G)中UE和演进后的核心网EPC之间的桥梁，eNB之间通过X2接口进行连接，它是E-UTRAN侧的S1接入点。eNB的主要功能如下：（1）无线资源管理（RRM）（RRM指是在有限带宽的条件下，为网络内无线用户终端提供业务质量保障，其基本出发点是在网络话务量分布不均匀、信道特性因信道衰弱和干扰而起伏变化等情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分和网络的可用资源，最大程度地提高无线频谱利用率，防止网络拥塞和保持尽可能小的信令负荷）；（2）用户数据流IP头压缩和加密；（3）UE附着时MME选择功能（附着即UE在网络侧进行注册）；（4）用户面数据向Serving GW的路由功能；（数据是从UE首先发送到eNB，eNB再将数据路由给核心网的Serving GW）（5）寻呼消息的调度和发送功能；（6）广播消息的调度和发送功能；（广播消息即系统消息包括MIB和SIB，后面会详细介绍）（7）用于移动性和调度的测量和测量报告配置功能。（UE在移动过程中，会发生切换，那么切换之前UE需要完成一些测量工作，而测量什么内容即测量报告的配置则由eNB完成，并下发给UE）；1.3.2 EPC核心网随着移动宽带网络向LTE演进，在LTE的演进和运营中，如何才能实现2G和3G网络向LTE的平滑演进，如何实现现有网络和新建网络的互通，如何向用户提供一致的业务，成为运营商的焦点。正是在此需求下，3GPP在关注无线接入网演进的同时，也开展了分组核心网构架的演进工程，并将其定义为EPC。作为与LTE同步发展的技术，EPC的构架更加符合未来移动通信网络的发展需要，能够在提升网络性能的同时，满足用户日益增长的业务需求，从而进一步提升运营商的竞争力。EPC（核心网络）的体系结构如下所示核心网各网元的作用：MME（MobilityManagementEntity，移动管理设备）：l 寻呼消息分发l 安全控制l 空闲状态下的移动性管理（UE分为空闲态和连接态2种，连接态的移动性管理则由eNB完成）l SAE承载控制（UE在附着后会与网络建立相应承载，SAE承载是建立在UE和PGW之间的承载，由无线承载（UE与eNB之间的承载）、S1承载以及S5/S8承载组成）l 非接入层（NAS）信令的加密和完整性保护S-GW (Signaling Gateway，服务网关)：l 支持UE的移动性切换用户面数据的功能；l E-UTRAN空闲模式下行分组数据缓存和寻呼支持；l 数据包路由和转发；l 上下行传输层数据包标记。P-GW（Packet data networks gateway，分组数据网网关）：l 路由选择数据转发，P-GW应具有将从上一个节点接收到的数据转发给路由中下一个节点的功能l 合法监听；l 用户的包过滤；l IP地址分配，用户UE的IP地址是由PGW来分配的；1.3.3 LTE网络特点与传统3G网络比较，LTE的网络结构更加简单扁平，降低组网成本，增加组网灵活性，主要特点表现在：（1）网络扁平化使得系统延时减少，从而改善用户体验，可开展更多业务；（2）网元数目减少，E-UTRAN只有一种节点网元E-Node B，使得网络部署更为简单，网络的维护更加容易；（3）取消了RNC的集中控制，避免单点故障，有利于提高网络稳定性；（4）业务平面与控制平面完全分离化；（UEE-Node BSGWPGW这是用户面，UEE-Node BMME这是控制面）（5）全IP化。1.4 LTE无线接口协议栈无线接口是指终端和接入网之间的接口，简称Uu接口，通常我们也称为空中接口。无线接口协议主要是用来建立、重配置和释放各种无线承载业务的。LTE技术中，无线接口是终端和eNB之间的接口。无线接口是一个完全开放的接口，只要遵守接口的规范，不同制造商生产的设备就能够互相通信。 无线接口协议栈主要分三层两面，三层主要包括了物理层、数据链路层和网络层，两面是指控制平面和用户平面。 1.4.1 LTE协议栈的三层三层主要包括了物理层、数据链路层和网络层，层一为物理层，层二为数据链路层，层三为网络层，如下图所示：其中数据链路层主要被分为3个子层，包括媒体接入控制（MAC）、无线链路控制（RLC）、和分组数据汇聚协议（PDCP）3个子层。数据链路层同时位于控制平面和用户平面：在控制平面负责无线承载信令的传输、加密和完整性保护；在用户平面主要负责用户业务数据的传输和加密。网络层是指无线资源控制（RRC）层，位于接入网的控制平面，负责完成接入网和终端之间交互的所有信令处理。1.4.2 LTE协议栈的两个面：（1）用户面协议栈：负责用户数据传输用户面的主要功能：头压缩、加密、调度、ARQ/HARQ（快速重传），其协议层结构如下图所示： 用户平面用于执行无线接入承载业务，主要负责用户发送和接收的所有信息的处理。用户平面协议栈主要由MAC、RLC、PDCP三个子层组成。PDCP主要任务是头压缩，用户数据加密；MAC子层实现与数据处理相关的功能，包括信道管理与映射、数据包的封装与解封装、HARQ功能、数据调度、逻辑信道的优先级管理等；RLC实现的功能包括数据包的封装与解封装、ARQ过程、数据的重排序和重复检测、协议错误检测和恢复等。RLC有三种模式：AM(确认模式)、UM(非确认模式)、TM(透明模式)。（2）控制面协议栈：负责系统信令传输控制平面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。控制平面协议主要包括非接入层（NAS)、无线资源控制子层（RRC）、分组数据汇聚子层（PDCP）、无线链路控制子层（RLC）、媒体接入控制子层（MAC）。控制平面的主要功能由上层的RRC层和非接入子层实现（NAS）。l NAS控制协议实体位于终端UE和移动管理实体MME中，主要负责非接入层的管理和控制，实现的功能包括：EPC承载管理、鉴权、产生LTE-IDLE状态下的寻呼消息、移动性管理、安全控制等。l RRC协议实体位于UE和eNode B网络实体内，主要负责接入层的管理和控制，实现的功能包括：系统消息广播，寻呼建立、管理、释放，RRC链接管理，无线承载、管理，移动性管理，终端的测量和测量上报控制。l RLC和MAC层功能与用户面中的功能一致；l PDCP层完成加密和完整性保护；1.4.3 协议栈架构LTE协议栈架构如下图所示，图中红线代表数据流，绿线代表信令流。1.5网络接口 LTE网络架构图如下所示，我们不仅要了解架构中各个网元的作用，还要了解各个网元之间的接口。各个网元接口和功能如下表所示：接口名称连接网元接口功能描述主要协议S1-MMEeNodeB - MME用于传送会话管理(SM)和移动性管理(MM)信息，即信令面或控制面信息S1-APS1-UeNodeB - SGW在GW与eNodeB设备间建立隧道，传送用户数据业务，即用户面数据GTP-UX2-CeNodeB - eNodeB基站间控制面信息X2-APX2-UeNodeB - eNodeB基站间用户面信息GTP-US3SGSN - MME在MME和SGSN设备间建立隧道，传送控制面信息GTPV2-CS4SGSN SGW在S-GW和SGSN设备间建立隧道，传送用户面数据和控制面信息GTPV2-CGTP-US5SGW PGW在GW设备间建立隧道，传送用户面数据和控制面信息（设备内部接口）GTPV2-CGTP-US6aMME HSS完成用户位置信息的交换和用户签约信息的管理，传送控制面信息DiameterS8SGW PGW漫游时，归属网络PGW和拜访网络SGW之间的接口，传送控制面和用户面数据GTPV2-CGTP-US9PCRF-PCRF控制面接口，传送QoS规则和计费相关的信息DiameterS10MME - MME在MME设备间建立隧道，传送信令，组成MME Pool，传送控制面数据GTPV2-CS11MME SGW在MME和GW设备间建立隧道，传送控制面数据GTPV2-CS12RNC SGW传送用户面数据，类似Gn/Gp SGSN控制下的UTRAN与GGSN之间的Iu-u/Gn-u接口。GTP-US13MME EIR用于MME和EIR中的UE认证核对过程GTPV2-CGx(S7)PCRF PGW提供QoS策略和计费准则的传递，属于控制面信息DiameterRxPCRF IP承载网用于AF传递应用层会话信息给PCRF，传送控制面数据DiameterSGiPGW 外部互联网建立隧道，传送用户面数据DHCP/Radius/IPSEC/L2TP/GRESGsMME - MSC传递CSFB的相关信息SGs-APSvMME - MSC传递SRVCC的相关信息GTPv2-CGyP-GW - OCS传送在线计费的相关信息Diameter下面详细给大家介绍两个接口，X2和S1接口：(1) X2接口协议X2接口的用户面和控制面接口协议如下所示用户平面协议，E-UTRAN的传输网络层是基于IP传输的，UDP/IP之上是利用GTP-U来传送用户平面PDU。控制平面协议，传输网络层是利用IP和SCTP协议，而应用层信令协议为X2接口应用协议X2-AP。 （2）S1接口协议 S1接口的用户面和控制面接口协议如下所示：用户平面接口位于E-NodeB和S-GW之间，传输网络层建立在IP传输之上，UDP/IP之上的GTP-U用来携带用户平面的PDU。S1控制平面接口位于E-NodeB和MME之间，传输网络层是利用IP传输，这点类似于用户平面；为了可靠的传输信令消息，在IP曾之上添加了SCTP；应用层的信令协议为S1-AP。