LTE知識點梳理：網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及協(xié)議修改版

1、目錄LTE知識點梳理（一）：LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及協(xié)議 21.1移動通信系統(tǒng)的發(fā)展 21.2 LTE 概述 21.2.1 LTE的主要技術(shù)特點 21.2.2 LTE設(shè)計目標 31.3 LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 31.3.1 E-UTRAN （接入網(wǎng)） 41.3.2 EPC核心網(wǎng) 51.3.3 LTE網(wǎng)絡(luò)特點 61.4 LTE無線接口協(xié)議棧 61.4.1 LTE協(xié)議棧的三層 61.4.2 LTE協(xié)議棧的兩個面： 71.4.3 協(xié)議棧架構(gòu) 81.5網(wǎng)絡(luò)接口 8LTE知識點梳理（一）：LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及協(xié)議1.1移動通信系統(tǒng)的發(fā)展在學習LTE技術(shù)之前，我們需要簡單了解一下移動通信系統(tǒng)的發(fā)展過程，第一代移動通信技術(shù)（1

2、G是指采用蜂窩技術(shù)組網(wǎng)、僅支持模擬語音通信的移動標準， 其制定于上世紀80年代，主要采用的是模擬技術(shù)和頻分多址技術(shù)。第二代移動通信技術(shù) （2G）區(qū)別于第一代，使用了數(shù)字傳輸取代模擬傳輸，根據(jù)其特點主要分為兩大類，分別是起源于歐洲基于 TDMA的 GSM系統(tǒng)和起源于美國基于 CDMA技術(shù)的 IS95系統(tǒng)。在技術(shù)的不斷推進下， 又出現(xiàn)了以GPRS CDMA20001為特征的2G升級版2.5G， 它的業(yè)務(wù)包括了語音業(yè)務(wù)、低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。第三代移動通信技術(shù) （3G）的最大特點是在數(shù)據(jù)傳輸中使用分組交取代了電路交換，電路交換使手機與手機之間進行語音等數(shù)據(jù)傳輸，而分組交換則將語音等轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式并通過互聯(lián)網(wǎng)

3、進行包括語音、視頻和其他多媒體容在的數(shù)據(jù)包傳輸。高度數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則是3G的主要特征，它能夠在全球圍更好地實現(xiàn)無線漫游，并處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁瀏覽、會議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)。但是，隨著社會的發(fā)展，2/3G網(wǎng)絡(luò)語音收入下降，網(wǎng)絡(luò)成本高。營運商需要在吸引用戶、增加收入的同時，大幅度降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和營運成本。話費賺錢時代結(jié)束，流量經(jīng)營正成為核心。LTE通過提升帶寬，發(fā)掘新業(yè)務(wù)來彌補語音業(yè)務(wù)的下降；降低每bit 成本來控制網(wǎng)絡(luò)成本。而LTE能帶來更加流暢和便利的移動業(yè)務(wù)，大寬帶確保了用戶體驗。下面將給大家介紹 4G LTE技術(shù)。1.2 LTE概述LTE 是 Long Term

4、 Evolution的縮寫，全稱應(yīng)為 3GPP Long Term Evolution ，中文一般譯為3GPP長期演進技術(shù)，為第三代合作伙伴計劃（ 3GPP標準。3GPP發(fā)布的第一個LTE版本為R8版本，實際為3.9G ，并不是真正意義上的 4G技術(shù)， 而是3G向4G技術(shù)發(fā)展過程中的一個過渡技術(shù)，是被稱為3.9G的全球化標準，它通過采用OFDM（正交頻分復用）和MIMO（多輸入多輸出）作為無線網(wǎng)絡(luò)演進的標準，改進并且增強了 3G的空中接入技術(shù)。這些技術(shù)的運用，使其能獲得更高的峰值速率。對于LTE技術(shù)的研究歷來已久，我國的LTE項目是基于3G時代的TD-SCDMA技術(shù)和 WCDM技術(shù)發(fā)展起來的，

5、 那 么，其對應(yīng)的也將發(fā)展成為 TD-LTE和FD-LTE技術(shù)。后續(xù)的R9/R10版本為LTE Advaneed才 是實際的4G網(wǎng)絡(luò)。1.2.1 LTE 的主要技術(shù)特點LTE有如下主要技術(shù)特點：（1） 實現(xiàn)靈活的頻譜帶寬配置，支持1.25-20MHZ的可變帶寬；（2） 采用OFDM MIMO等先進技術(shù)支持更高的用戶傳輸速率，20M帶寬時，實現(xiàn)下行峰 值速率100Mbps和上行峰值速率 50Mbps；（3）頻譜利用率是 HSPA（高速分組接入，是 WCDM的其中一種規(guī)）的2-4倍，用戶平均吞吐量（吞吐量指上下行流量）是HSPA的2-4倍；（4） 提高小區(qū)邊緣傳輸速率，改善用戶在小區(qū)邊緣的業(yè)務(wù)體驗

6、，增強3GPPLTE系統(tǒng)的 覆蓋性能；（5） 用戶面延遲小于 5ms,控制面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時間低于50ms,UE從待機狀態(tài)到開始傳輸數(shù)據(jù)，時延不超過100ms；（6）降低建網(wǎng)成本，實現(xiàn)低成本演進；（7）取消電路交換（CS域，CS域業(yè)務(wù)在PS域?qū)崿F(xiàn)，語音部分由 VOIP實現(xiàn)；（注：CS域是電路承載域，走語音的，PS域是數(shù)據(jù)域，走的是IP，用于手機上網(wǎng)）（8） 強調(diào)兼容性，支持已有的3G系統(tǒng)，也支持與非 3GPP規(guī)系統(tǒng)的協(xié)同運作。LTE在技術(shù)發(fā)展方面，表現(xiàn)出了很大的先進性，LTE的關(guān)鍵技術(shù)主要包括 OFDM技術(shù)、MIMO 技術(shù)和高階調(diào)制技術(shù)等，在后面的學習中會詳細介紹。通過對這些技術(shù)的運

7、用，LTE不僅能提升用戶對于移動的體驗，而且能夠為運營商們帶來更加巨大的技術(shù)方面的優(yōu)勢和成本上的 優(yōu)勢。1.2.2 LTE設(shè)計目標無論是FD-LTE還是TD-LTE，其基本需求和架構(gòu)均大致相同，采用的關(guān)鍵技術(shù)也基本 相同，所不同的是雙工方式，一個是時分的，一個是頻分的。目前幾乎所有的廠家都采用同一個平臺設(shè)計。LTE要達到的目標已經(jīng)大大高于目前UMTS所能實現(xiàn)的各項指標，TD-LTE實現(xiàn)的主要目標如下：（1） 采用OFDMMIMC等先進技術(shù)支持更高的用戶傳輸速率；下行最大速率可達100Mbps, 上行最大速率可達 50Mbps；（2）支持 1.4MHz/3.0MHz/5MHz/10MHz/15M

8、Hz/20MHz共 6 種可變帶寬；（3）只有PS域，沒有CS域；（4） 更小的TTI （子幀捆綁）滿足用戶面和控制面的時延；共享信道支持在多個用戶 間同時傳輸數(shù)據(jù)；用戶面延遲小于5ms,控制面延遲小于100ms;（5） 下行頻譜效率可達 HSDPA勺34倍；上行頻譜效率可達 HSUPA的23倍；（6） 提高小區(qū)邊緣的用戶吞吐量；1.3 LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)LTE是由以下三個主要組件：用戶設(shè)備（UE）.地面無線接入網(wǎng) （E-UTRAN）:由e-NodeB組成 分組核心演進（EPC簡稱核心網(wǎng)）:由MME S-GVy P-GW組成LTE的網(wǎng)絡(luò)接口包括：X2接口： e-NodeB之間的接口，支持數(shù)據(jù)和信令

9、的直接傳輸；S1接口 ：連接 e-NodeB與核心網(wǎng)EPC的接口；S1-MME e-NodeB 連接 MME的控制面接口； S1-U：e-NodeB連接S-GW的用戶面接口。LTE總的體系結(jié)構(gòu)如下所示。E-UTRANEPCSignals Traffic1.3.1 E-UTRAN （接入網(wǎng)）E-UTRAN（接入網(wǎng)）的體系結(jié)構(gòu)如下所示：E-UTRAN主要由eNB構(gòu)成。同 UTRA（ 3G的接入網(wǎng)名稱，由 eNodeB和RNC組成）網(wǎng)絡(luò) 相比，eNB不僅具有NodeB的功能，還能完成 RNO的大部分功能。eNodeB和eNodeB之間采 用X2接口方式直接互連，eNB通過S1接口連接到EPC具體地講

10、，eNB通過S1-MME連接到 MME通過S1-U連接到S-GWMME.'S GWI11 tgjNBMME/S-GWF HEA 時E-UTRAN主要功能包括：無線資源管理、無線承載控制、無線許可控制，上行和下行資源動態(tài)分配/調(diào)度（簡而言之就是對用戶使用資源的管理、調(diào)度和分配）；根據(jù)用戶QoS簽約信息，進行上行和下行的承載級別的速率調(diào)整，對承載級別的準入控制（UE及接入網(wǎng)絡(luò)，會與eNB及EPC建立相應(yīng)的承載）；尋呼消息的調(diào)度與傳輸；系統(tǒng)廣播消息的調(diào)度與傳輸。在3GPP LTE與LTE-A的標準中，用 eNB來代表基站，與用戶 UE對應(yīng)。eNB是LTE（4G）中UE和演進后的核心網(wǎng) EPC

11、之間的橋梁，eNB之間通過X2接口進行連接，它是 E-UTRAN側(cè) 的S1接入點。eNB的主要功能如下：（1）無線資源管理（RRM （RRM指是在有限帶寬的條件下，為網(wǎng)絡(luò)無線用戶終端提供業(yè)務(wù)質(zhì)量保障，其基本出發(fā)點是在網(wǎng)絡(luò)話務(wù)量分布不均勻、信道特性因信道衰弱和干擾而起伏變化等情況下，靈活分配和動態(tài)調(diào)整無線傳輸部分和網(wǎng)絡(luò)的可用資源，最大程度地提高無線頻譜利用率，防止網(wǎng)絡(luò)擁塞和保持盡可能小的信令負荷）；（2）用戶數(shù)據(jù)流IP頭壓縮和加密；（3） UE附著時MME選擇功能（附著即 UE在網(wǎng)絡(luò)側(cè)進行注冊）；（4） 用戶面數(shù)據(jù)向 Serving GW的路由功能；（數(shù)據(jù)是從UE首先發(fā)送到eNB, eNB再將

12、數(shù)據(jù)路由給核心網(wǎng)的 Servi ng GW）（5）尋呼消息的調(diào)度和發(fā)送功能；（6） 廣播消息的調(diào)度和發(fā)送功能；（廣播消息即系統(tǒng)消息包括MIB和SIB，后面會詳細介紹）（7） 用于移動性和調(diào)度的測量和測量報告配置功能。（UE在移動過程中，會發(fā)生切換，那么切換之前UE需要完成一些測量工作，而測量什么容即測量報告的配置則由eNB完成，并下發(fā)給UE;1.3.2 EPC核心網(wǎng)隨著移動寬帶網(wǎng)絡(luò)向 LTE演進，在LTE的演進和運營中，如何才能實現(xiàn)2G和3G網(wǎng)絡(luò)向 LTE的平滑演進，如何實現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和新建網(wǎng)絡(luò)的互通，如何向用戶提供一致的業(yè)務(wù)，成為 運營商的焦點。正是在此需求下，3GPP在關(guān)注無線接入網(wǎng)演進的同

13、時，也開展了分組核心網(wǎng)構(gòu)架的演進工程，并將其定義為EPC作為與LTE同步發(fā)展的技術(shù)，EPC的構(gòu)架更加符合未來移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要，能夠在提升網(wǎng)絡(luò)性能的同時， 滿足用戶日益增長的業(yè)務(wù)需求，從而進一步提升運營商的競爭力。EPC（核心網(wǎng)絡(luò)）的體系結(jié)構(gòu)如下所示核心網(wǎng)各網(wǎng)元的作用：MME（ MobilityManagement Entity，移動管理設(shè)備）尋呼消息分發(fā)安全控制空閑狀態(tài)下的移動性管理（UE分為空閑態(tài)和連接態(tài) 2種，連接態(tài)的移動性管理則 由eNB完成）SAE承載控制（UE在附著后會與網(wǎng)絡(luò)建立相應(yīng)承載，SAE承載是建立在 UE和PGW之間的承載，由無線承載（UE與 eNB之間的承載）、S1承

14、載以及S5/S8承載組成） 非接入層（NAS信令的加密和完整性保護S-GW （Signaling Gateway ，服務(wù)網(wǎng)關(guān)）：支持UE的移動性切換用戶面數(shù)據(jù)的功能；E-UTRAN空閑模式下行分組數(shù)據(jù)緩存和尋呼支持； 數(shù)據(jù)包路由和轉(zhuǎn)發(fā)；上下行傳輸層數(shù)據(jù)包標記。P-GW（ Packet data networks gateway，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)）：路由選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，P-GW應(yīng)具有將從上一個節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給路由中下一 個節(jié)點的功能合法監(jiān)聽； 用戶的包過濾；IP地址分配，用戶 UE的IP地址是由PGW定分配的；1.3.3 LTE 網(wǎng)絡(luò)特點與傳統(tǒng)3G網(wǎng)絡(luò)比較，LTE的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加簡單扁平，降低組

15、網(wǎng)成本，增加組網(wǎng)靈活性， 主要特點表現(xiàn)在：（1）網(wǎng)絡(luò)扁平化使得系統(tǒng)延時減少，從而改善用戶體驗，可開展更多業(yè)務(wù)；（2） 網(wǎng)元數(shù)目減少，E-UTRAN只有一種節(jié)點網(wǎng)元 E-Node B，使得網(wǎng)絡(luò)部署更為簡單， 網(wǎng)絡(luò)的維護更加容易；（3）取消了 RNC勺集中控制，避免單點故障，有利于提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性；（4） 業(yè)務(wù)平面與控制平面完全分離化；（UE- E-Node B SGV PGW這是用戶面，UE- E-Node B MME這是控制面）（5）全IP化。1.4 LTE無線接口協(xié)議棧無線接口是指終端和接入網(wǎng)之間的接口，簡稱Uu接口，通常我們也稱為空中接口。無線接口協(xié)議主要是用來建立、重配置和釋放各種無線承載

16、業(yè)務(wù)的。LTE技術(shù)中，無線接口是終端和eNB之間的接口。無線接口是一個完全開放的接口，只要遵守接口的規(guī)， 不同制造商生產(chǎn)的設(shè)備就能夠互相通信。無線接口協(xié)議棧主要分三層兩面，三層主要包括了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，兩面是指控制平面和用戶平面。1.4.1 LTE協(xié)議棧的三層三層主要包括了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，層一為物理層，層二為數(shù)據(jù)鏈路層，層三為網(wǎng)絡(luò)層，如下圖所示：其中數(shù)據(jù)鏈路層主要被分為3個子層，包括媒體接入控制（MAC、無線鏈路控制（RLQ、和分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（PDCP 3個子層。數(shù)據(jù)鏈路層同時位于控制平面和用戶平面：在控制 平面負責無線承載信令的傳輸、加密和完整性保護；在用戶平面主要

17、負責用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳 輸和加密。網(wǎng)絡(luò)層是指無線資源控制（RRC層，位于接入網(wǎng)的控制平面，負責完成接入網(wǎng)和終端之間交互的所有信令處理。Uiyci 3EltKMttlM 1 RRC)（Ml杓理小用用的Ai紅按I協(xié)汶汁構(gòu)jiyerLn>cr I142 LTE協(xié)議棧的兩個面：（1）用戶面協(xié)議棧：負責用戶數(shù)據(jù)傳輸用戶面的主要功能：頭壓縮、加密、調(diào)度、ARQ/HARQ快速重傳），其協(xié)議層結(jié)構(gòu)如下圖所示：用戶面協(xié)議棧IUEI!eNB|>I用戶平面用于執(zhí)行無線接入承載業(yè)務(wù)，主要負責用戶發(fā)送和接收的所有信息的處理。用戶平面協(xié)議棧主要由 MAC RLC PDCPE個子層組成。PDCP主要任務(wù)是頭壓縮，

18、用戶數(shù)據(jù)加密；MAC子層實現(xiàn)與數(shù)據(jù)處理相關(guān)的功能，包括信道管理與映射、數(shù)據(jù)包的封裝與解封裝、HARC功能、數(shù)據(jù)調(diào)度、邏輯信道的優(yōu)先級管理等；RLC實現(xiàn)的功能包括數(shù)據(jù)包的封裝與解封裝、ARQ過程、數(shù)據(jù)的重排序和重復檢測、協(xié)議錯誤檢測和恢復等。 RLC有三種模式：AM確認模式）、UM（非確認模式）、TM（透明模式）。（2）控制面協(xié)議棧：負責系統(tǒng)信令傳輸控制平面負責用戶無線資源的管理、無線連接的建立、業(yè)務(wù)的QoS保證和最終的資源釋放。控制平面協(xié)議主要包括非接入層（NAS）無線資源控制子層（RRC、分組數(shù)據(jù)匯聚子層（PDCP、無線鏈路控制子層（RLC、媒體接入控制子層（MAC。控制平面的主要功能由上層

19、的RRC層和非接入子層實現(xiàn)（NAS。NAS控制協(xié)議實體位于終端 UE和移動管理實體 MME中，主要負責非接入層的管理 和控制，實現(xiàn)的功能包括：EPC承載管理、鑒權(quán)、產(chǎn)生 LTE-IDLE狀態(tài)下的尋呼消息、移動性管理、安全控制等。RRC協(xié)議實體位于 UE和eNode B網(wǎng)絡(luò)實體，主要負責接入層的管理和控制，實現(xiàn) 的功能包括：系統(tǒng)消息廣播，尋呼建立、管理、釋放，RRC管理，無線承載、管理，移動性管理，終端的測量和測量上報控制。RLC和 MAC!功能與用戶面中的功能一致；PDCPB完成加密和完整性保護；143協(xié)議棧架構(gòu)LTE協(xié)議棧架構(gòu)如下圖所示，圖中紅線代表數(shù)據(jù)流，綠線代表信令流。LTE網(wǎng)絡(luò)接口介紹

20、協(xié)議棧架1.5網(wǎng)絡(luò)接口LTE 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如下所示，我們不僅要了解架構(gòu)中各個網(wǎng)元的作用，還要了解各個網(wǎng)元 之間的接口。IP化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)各個網(wǎng)元接口和功能如下表所示:接口名稱連接網(wǎng)元接口功能描述主要協(xié)議S1-MMEeNodeB - MME用于傳送會話管理（SM）和移動性管理（MM）信息，即 信令面或控制面信息S1-APS1-UeNodeB - SGW在GW與 eNodeB設(shè)備間建立隧道，傳送用戶數(shù)據(jù)業(yè) 務(wù)，即用戶面數(shù)據(jù)GTP-UX2-CeNodeB - eNodeB基站間控制面信息X2-APX2-UeNodeB - eNodeB基站間用戶面信息GTP-US3SGSN-MME在MME和SGSN設(shè)備間

21、建立隧道，傳送控制面信息GTPV2-CS4SGSN- SGW在S-GW和SGSN設(shè)備間建立隧道，傳送用戶面數(shù)據(jù) 和控制面信息GTPV2-CGTP-US5SGW- PGW在GW殳備間建立隧道，傳送用戶面數(shù)據(jù)和控制面 信息（設(shè)備部接口）GTPV2-CGTP-US6aMME- HSS完成用戶位置信息的交換和用戶簽約信息的管理， 傳送控制面信息DiameterS8SGW PGW漫游時，歸屬網(wǎng)絡(luò)PGV和拜訪網(wǎng)絡(luò)SGV之間的接口， 傳送控制面和用戶面數(shù)據(jù)GTPV2-CGTP-US9PCRF-PCRF控制面接口，傳送QoS規(guī)則和計費相關(guān)的信息DiameterS10MME-MME在MME設(shè)備間建立隧道，傳送信令，組成MMPool， 傳送控制面數(shù)據(jù)GTPV2-CS11MME- SGW在MME和 GW殳備間建立隧道，傳送控制面數(shù)據(jù)GTPV2-CS12RNC - SGW傳送用戶面數(shù)據(jù)，類似Gn/Gp SGSN空制下的UTRA 與 GGSN之間的 lu-u/Gn-u 接