LTE知識點梳理(一)：網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及協(xié)議修改版

./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21.2LTE概述21.2.1LTE的主要技術(shù)特點21.2.2LTE設(shè)計目標(biāo)31.3LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)31.3.1E-UTRAN〔接入網(wǎng)41.3.2EPC核心網(wǎng)51.3.3LTE網(wǎng)絡(luò)特點61.4LTE無線接口協(xié)議棧61.4.1LTE協(xié)議棧的三層61.4.2LTE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(xué)習(xí)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)〔1G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(biāo)準(zhǔn),其制定于上世紀(jì)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(jìn)下,又出現(xiàn)了以GPRS、CDMA20001X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(jī)與手機(jī)之間進(jìn)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)進(jìn)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(bǔ)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4GLTE技術(shù)。1.2LTE概述LTE是LongTermEvolution的縮寫,全稱應(yīng)為3GPPLongTermEvolution,中文一般譯為3GPP長期演進(jìn)技術(shù),為第三代合作伙伴計劃〔3GPP標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn),它通過采用OFDM〔正交頻分復(fù)用和MIMO〔多輸入多輸出作為無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn),改進(jìn)并且增強(qiáng)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WCDMA技術(shù)發(fā)展起來的,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LTEAdvanced才是實際的4G網(wǎng)絡(luò)。1.2.1LTE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(jìn)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WCDMA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,增強(qiáng)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(jī)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(jìn)；〔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(jī)上網(wǎng)〔8強(qiáng)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(jìn)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(xué)習(xí)中會詳細(xì)介紹。通過對這些技術(shù)的運用,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。1.2.2LTE設(shè)計目標(biāo)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(dá)到的目標(biāo)已經(jīng)大大高于目前UMTS所能實現(xiàn)的各項指標(biāo),TD-LTE實現(xiàn)的主要目標(biāo)如下：〔1采用OFDM,MIMO等先進(jìn)技術(shù)支持更高的用戶傳輸速率；下行最大速率可達(dá)100Mbps,上行最大速率可達(dá)50Mbps；〔2支持1.4MHz/3.0MHz/5MHz/10MHz/15MHz/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(dá)HSDPA的3～4倍；上行頻譜效率可達(dá)HSUPA的2～3倍；〔6提高小區(qū)邊緣的用戶吞吐量；1.3LTE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(jìn)<EPC簡稱核心網(wǎng)>:由MME,S-GW,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?jǐn)?shù)據(jù)和信令的直接傳輸；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。1.3.1E-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UTRAN〔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RNC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,eNB通過S1-MME連接到MME,通過S1-U連接到S-GW。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(jìn)行上行和下行的承載級別的速率調(diào)整,對承載級別的準(zhǔn)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3GPPLTE與LTE-A的標(biāo)準(zhǔn)中,用eNB來代表基站,與用戶UE對應(yīng)。eNB是LTE<4G>中UE和演進(jìn)后的核心網(wǎng)EPC之間的橋梁,eNB之間通過X2接口進(jìn)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(fù)荷；〔2用戶數(shù)據(jù)流IP頭壓縮和加密；〔3UE附著時MME選擇功能〔附著即UE在網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行注冊；〔4用戶面數(shù)據(jù)向ServingGW的路由功能；〔數(shù)據(jù)是從UE首先發(fā)送到eNB,eNB再將數(shù)據(jù)路由給核心網(wǎng)的ServingGW〔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(xì)介紹〔7用于移動性和調(diào)度的測量和測量報告配置功能?！睻E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；1.3.2EPC核心網(wǎng)隨著移動寬帶網(wǎng)絡(luò)向LTE演進(jìn),在LTE的演進(jìn)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(jìn),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(jìn)的同時,也開展了分組核心網(wǎng)構(gòu)架的演進(jìn)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(jìn)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〔MobilityManagementEntity,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(hù)S-GW<SignalingGateway,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(biāo)記。P-GW〔Packetdatanetworksgateway,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來分配的；1.3.3LTE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-NodeB,使得網(wǎng)絡(luò)部署更為簡單,網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)更加容易；〔3取消了RNC的集中控制,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-NodeB—SGW—PGW這是用戶面,UE—E-NodeB—MME這是控制面〔5全I(xiàn)P化。1.4LTE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。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〔RLC、和分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議〔PDCP3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(fù)責(zé)無線承載信令的傳輸、加密和完整性保護(hù)；在用戶平面主要負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)完成接入網(wǎng)和終端之間交互的所有信令處理。1.4.2LTE協(xié)議棧的兩個面：〔1用戶面協(xié)議棧：負(fù)責(zé)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：用戶平面用于執(zhí)行無線接入承載業(yè)務(wù),主要負(fù)責(zé)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、PDCP三個子層組成。PDCP主要任務(wù)是頭壓縮,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、HARQ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(fù)檢測、協(xié)議錯誤檢測和恢復(fù)等。RLC有三種模式：AM<確認(rèn)模式>、UM<非確認(rèn)模式>、TM<透明模式>?！?控制面協(xié)議棧：負(fù)責(zé)系統(tǒng)信令傳輸控制平面負(fù)責(zé)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?？刂破矫鎱f(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?？刂破矫娴闹饕δ苡缮蠈拥腞RC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(fù)責(zé)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eNodeB網(wǎng)絡(luò)實體,主要負(fù)責(zé)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層功能與用戶面中的功能一致；PDCP層完成加密和完整性保護(hù)；1.4.3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。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。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設(shè)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)PGW和拜訪網(wǎng)絡(luò)SGW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MMEPool,傳送控制面數(shù)據(jù)GTPV2-CS11MME–SGW在MME和GW設(shè)備間建立隧道,傳送控制面數(shù)據(jù)