LTE架构和协议栈概述

Posted 2021-06-16 一只学习的猫

文章目录

• 1 LTE网络架构和接口
• • 1.1 终端
  • 1.2 无线网络(E-UTRAN)
  • • 1.2.1 无线网络的结构
    • 1.2.2 无线网络的功能
  • 1.3 核心网（EPC）
  • • 1.3.1 MME
    • 1.3.2 SGW
    • 1.3.3 PGW
    • 1.3.4 HSS
    • 1.3.5 PCRF
  • 1.4 接口
  • • 1.4.1 LTE-Uu
    • 1.4.2 X2-控制面
    • 1.4.3 X2-控制面
    • 1.4.4 S1-控制面
    • 1.4.5 S1-用户面
    • 1.4.6 S6a接口
    • 1.4.7 S11接口
• 2 LTE协议栈
• • 2.1 用户面协议
  • • 2.1.1 LTE-Uu接口协议
    • • 2.1.1.1 PDCP
      • 2.1.1.2 RLC
      • 2.1.1.3 MAC
    • 2.1.2 S1-U/S5/X2接口协议
    • • 2.1.2.1 GTP-U
  • 2.2 控制面协议
  • • 2.2.1 LTE-Uu接口协议
    • • 2.1.1.1 NAS
      • 2.1.1.2 RRC协议
      • 2.1.1.3 X2接口协议
      • 2.1.1.4 SI-MME接口协议

1 LTE网络架构和接口

完整的LTE网络架构由三个部分组成：终端(UE)+无线网络(E-UTRAN)+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，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，主要区别在于FDD为频分双工，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，一个信道用来向下传送信息，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， 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，两边的车辆各走各的路，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，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，在同一时段，只能有一边的人通过，也就是说，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，这从侧面说明了LTE技术受欢迎的程度：拥有各个频段的运营商都想部署LTE，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，无线网络承上启下，连接核心网和终端设备，实现移动通信业务的覆盖，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：基站eNodeB（简写eNB）。基站eNB之间通过X2接口互连，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，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，eNB需要与终端和核心网进行交互，也就是要大量传递大量的信息，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，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，终端只有通过空中接口连接到无线网络，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（signaling radio bearer，信令承载）和DRB（data radio bearer，业务承载）。
SRB承载控制面（信令）数据，根据承载的信令不同分为以下三类SRB：
1）SRB0：承载RRC连接建立之前的RRC信令，通过CCCH逻辑信道传输，在RLC层采用TM模式；
2）SRB1承载RRC信令（可能会携带一些NAS信令）和SRB2之间之前的NAS信令，通过DCCH逻辑信道传输，在RLC层采用AM模式；
3）SRB2承载NAS信令，通过DCCH逻辑信道传输，在RLC层采用AM模式，SRB2优先级低于SRB1，安全模式完成后才能建立SRB2；DRB承载用户面数据，根据Qos不同，UE与eNB之间可能最多建立8个DRB。
业务承载的具体情况：
在LTE系统中，一个UE到一个PGW之间，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；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（EPC）

EPC主要是包括5大网元：MME+SGW+PGW+HSS+PCRF

1.3.1 MME

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

1.3.2 SGW

SGW是Serving Gateway 的缩写，负责处理用户的业务，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，其中PDN是Packet Data Network 的缩写，通俗地讲，可以理解为互联网，这是整个LTE架构与互联网的接口处，所以UE如果想访问互联网就必须途径P-GW实体，从另外一方面说，如果想通过P-GW而访问互联网的话，必须要有IP地址，所以P-GW负责了UE的IP地址的分配工作，同时提供IP路由和转发的功能。此外，为了使互联网的各种业务能够分配给不同的承载，P-GW提供针对每一个SDF和每一个用户的包过滤功能。（也就是说在P-GW处，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，意思就是P-GW能区分每一个用户的不同服务的数据包，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）。此外，P-GW还有其他的一些功能，比如根据用户和服务进行不同的计费和不同的策略，这部分对于每个运营商都会有差异，在此不做多的赘述。

1.3.4 HSS

HSS是Home Subscriber Server的缩写，归属用户服务器，这是存在于核心网中的一个数据库服务器，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，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，策略与计费规则，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，终端会跟基站建立信令连接与数据连接，信令连接叫做RRC Connection，相应的信令在SRB上进行传输，（如前所述，SRB有三类，分别是SRB0, SRB1和SRB2，SRB可以理解为是传输信令的管道），而数据的连接是逻辑信道，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，利用X2接口，基站间可以实现SON功能（Self Organizing Network），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，连接两个基站，传输基站间的数据。（X2 handover等）

1.4.4 S1-控制面

S1是基站与MME之间的接口，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，连接基站与MME，传输基站与MME之间的数据。S1 handover，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：
（1）控制面：负责传送和处理系统协调信令的协议。
（2）用户面：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（Packet Data Convergence Protocol, 分组数据汇聚协议子层）协议针对传输的数据包执行以下的操作：数据包头压缩（ROHC）、AS层的安全（包括加密与完整性检验）、包的重排序和重传。

2.1.1.2 RLC

RLC层(Radio Link Control，无线链路控制子层)针对传输的数据包执行以下的操作：在发送端，提供数据包的分段与串联、在接收端，提供透明，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：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，GTP-U协议还有个特点，只要GTP-U连接建立后传输数据，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，比如说eNB的信息的更新，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，然后E-RAB的建立，修改，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，无线资源控制子层)支持传输NAS信令， 同时也提供对于无线资源的管理。广播系统消息，例如MIB，SIB1，SIB2 ……；RRC连接的建立，重建立，重配置和释放；无线承载(RB)的建立，修改与释放。

2.1.1.3 X2接口协议

X2AP协议支持无线网（E-UTRAN）中的UE移动性管理和SON功能。比如通过X2AP的数据转发（在X2 Handover的时候的数据转发），SN status的转发（Handover时），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，是S1 连接建立的时候用来传输信令的协议，该协议负责S1接口的管理，E-RAB的管理，还有NAS信令的传输，以及UE上下文的管理。

参考书籍：《LTE教程：原理与实现（第2版）》
参考博客：https://blog.csdn.net/starperfection/article/details/78719935