LTE协议栈和接口

一、LTE协议栈

从LTE的UE、eNB和EPC角度看，LTE协议栈如下图：

NAS

        非接入层（NAS）协议，UE和MME之间的控制面协议，eNB对NAS协议直接转发。NAS协议支持UE的移动性和会话管理程序，建立和保持UE和PDN GW之间的IP连接。

RRC

       无线资源控制子层的主要服务和功能包括广播​​的系统信息相关的非接入层（NAS）的广播系统信息，寻呼，RRC连接的建立，维护和释放之间的接入层（AS）的相关UE和E-UTRAN，安全功能，包括密钥管理，建立，配置，维护和释放无线承载点对点。

       广播NAS层和AS层的系统消息，寻呼功能，RRC连接建立、保持和释放，端到端无线承载的建立、修改和释放，移动性管理包括UE测量报告、小区切换、UE小区选择和重选等。RRC层协议终止于eNode B。

PDCP

 LTE系统PDCP协议层的主要目的是发送或接收对等PDCP实体的分组数据。该子层主要完成以下几方面的功能：IP包头压缩与解压缩、数据与信令的加密，以及信令的完整性保护。下图给出了PDCP层用户平面与控制平面的主要功能模型。

 

    在控制平面，加密和完整性保护是必选功能；而在用户平面，可靠头压缩（ROHC）为必选功能，数据加密为可选功能，这里的数据既可以是用户数据，也可以是应用层信令，如SIP、RTCP等。

RLC

       负责分段与连接、纠错、重传处理、及对高层数据的顺序传输。

       RLC提出了三种模式：透明模式（Transparent Mode，TM）、非确认模式（Unacknowledged Mode，UM）和确认模式（Acknowledged Mode，AM）。

• AM模式典型用于TCP的业务，如文件传输，这类业务主要关心数据的无措传输；
• UM模式用于高层提供数据的顺序传送，但是不重传丢失的PDU，典型用于如Voip业务，这类业务最主要关心传送时延；
• TM模式则仅仅用于特殊的目的，如随机接入。

MAC

       负责逻辑信道和传输信道之间的映射，对逻辑信道根据QoS来进行调度和分配优先级，处理HARQ重传与上下行调度。

PHY

       负责处理编译码、调制解调、多天线映射以及其它电信物理层功能。

 

二、三层两面     

      协议栈横向看分三层：物理层L1、数据链路层L2和网络层L3。纵向看分两面：用户面和控制面。用户面负责业务数据的传送和处理，控制面负责协调和控制信令的传送和处理。

• 在层一，不区分用户面和控制面；
• 在层二，数据功能处理开始区分用户面和控制面；
• 在层三，用户面和控制面则由不同的功能实体完成。

    

 1、三层

LTE接口协议的三层：物理层（层一，L1，PHY)、数据链路层（层二，L2，DLL）、网络层（层三，L3，NL）。如下图：

1.1、L1层功能

L1层负责信道编码、调制解调、天线映射等。不区分用户面和控制面。

1.2、L2层功能

用户面的主要功能是处理业务数据。在发送端，将承载高层业务应用的IP数据流，通过头压缩（PDCP）、加密（PDCP）、分段（RLC）、复用（MAC）、调度等过程变成物理层可处理的传输块。在接受端，将物理层接收到的比特数据流，按调度要求，解复用（MAC）、级联（RLC）、解密（PDCP）、解压缩（PDCP），成为高层应用可识别的数据流。整个过程如图所示：

控制面层二功能模块和用户面一样，也包括MAC、RLC、PDCP三个功能模块。MAC、RLC功能与用户面一致，PDCP与用户面略有区别，除了对控制信令进行加解密外，还要对控制信令数据进行完整性保护和完整性验证。

1.3、L3层功能

用户面层三没有定义自己的协议，直接使用IP协议栈。

控制面层三包括两部分：RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）和NAS（Non Access Stratum，非接入层）。

UE和eNodeB之间的控制信令主要是无线资源控制（RRC）消息。RRC就相当于eNodeB内部的一个司令部，RRC消息携带建立、修改和释层二和层一协议实体所需的全部参数；另外，RRC还要给UE透明传达来自核心网的指示。

在干活前先听一下领导意见，UE和eNodeB在承载业务前，先要建立RRC连接。RRC模块的主要功能有系统信息的广播、寻呼、RRC连接管理、无线资源控制、移动性管理。

LTE的RRC状态管理比较简单，只有两种状态：空闲状态（RRC_IDLE）和连续状态（RRC_CONNECTED）。系统信息块个数降低很多，传输信道个数也减少了。这样针对系统信息或传输信道的参数配置也减少很多。

UE处于空闲状态时，接收到的系统信息有小区选择或重选的配置参数、邻小区信息；在UE处于连接状态时，接收到的是公共信道配置信息。

寻呼（Paging）消息是eUTRAN用来寻找或通知一个或多个UE，主要携带的内容包括拟寻呼UE的标识、发起寻呼的核心网标识、系统消息是否有改变的指示。UE划分成多个寻呼组，在空闲状态时并不是始终检测是否有呼叫进入，而是采用DRX方式，只有在特定时刻接收寻呼信息。可避免寻呼消息过多，减少UE功耗。

 

2、两面

       用户面和控制面的划分实际上是基于逻辑的角度，用户面负责业务数据的传送和处理，控制面负责协调和控制信令的传送和处理。用户面LTE协议整体层次图：

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控制面LTE协议整体层次图：

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在这两个图上我们看到很多接口，下面我们就来讲述接口。

三、接口

1、空中接口Uu

所谓空中接口是指UE和eNB之间的接口，走的是无线传输。

LTE和UMTS空口协议栈是有所区别的，对比如下图：

       两者都是三层两面结构，主要区别在于以下两点：PDCP（分组数据汇聚协议）和BMC（Broadcast Multicast Control，广播组播功能）。

       UMTS架构中并没有完全实现分组化，控制面信令并不通过PDCP处理；用户面数据也分CS域和PS域，只有PS域数据才通过PDCP处理。而在LTE架构中，没有CS域，包括控制面信令在内的一切数据流都通过PDCP处理。

       UMTS中的BMC实体在LTE被MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service,多媒体广播多播业务）功能代替了。

 

2、地面接口

地面接口指eNB之间、eNB和EPC之间的接口，都是光纤的。

2.1、同级接口——X2

以往的制式中，基站间没有直接接口，UMTS只建立了RNC之间的Iur接口。LTE取消了RNC网元，基站之间的接口为X2，功能上继承并加强了Iur接口。

X2接口为用户面提供了业务数据的基于IP传输的不可靠连接，而为控制面提供了信令传送的基于IP的可靠连接。

X2接口的用户面是在切换时eNodeB之间转发业务数据的接口，是一个IP化的接口。它在不可靠的UDP/IP之上，利用了GTP-U（GPRS用户平面隧道协议）来传送用户分组数据单元，其协议栈结构如图：

X2接口的控制面也基于IP传输，但它利用了SCTP（流控传输协议）为IP分组网提供可靠的信令传输，如上图所示。SCTP的设计是为了解决TCP/IP网络在传输实时信令和数据时所面临的不可靠传输、时延等问题。X2接口的控制面协议为X2 AP。

X2接口控制面的主要功能是支持在LTE系统内，UE在连接状态下从一个eNodeB切换到另一个eNodeB的移动性管理。这个功能在UMTS中是位于RNC上的功能模块中。

X2接口控制面还可以对各eNodeB之间的资源状态、负责状态进行监测，用于eNodeB负载均衡、负荷控制或者准入控制的判断依据。此外还负责X2连接的建立、复位、eNodeB配置更新等借口管理工作。

2.2、上下级接口——S1

S1用户面接口位于eNodeB和SGW之间。此接口和X2用户面接口架构一致。如下图所示，也是建立在IP传输之上，用GTP-U协议来携带用户面的PDU，不是面向连接的可靠传输。

S1控制面接口位于eNodeB和MME之间，如上图所示，也是建立在IP传输基础之上的，这点和S1用户面一样。和S1用户面不同的是，为支持可靠信令传输，在IP层上添加了SCTP，这样，和X2控制面的基础架构是一致的。S1 AP是S1的应用层信令协议。

S1控制面的主要功能是建立与核心网的承载连接，即SAE承载管理功能，包括SAE承载建立、修改和释放。

S1移动性管理不管包括LTE系统内的切换，还包括系统间切换。例如处于连接状态的UE从LTE覆盖区域移动到WCDMA覆盖区域，S1控制面接口助力UE完成系统间切换。而X2接口的控制面没有系统间切换的功能，只是LTE系统内的移动性管理。此外S1接口还支持寻呼功能、NAS信令的传输功能、S1接口的管理功能等。

 

3、LTE和UMTS接口协议栈的比较

（1）功能简化，降低系统复杂度

LTE MAC层实体个数减少很多，减少了信道传输个数。通过这些功能实体的简化，降低了系统设计和参数配置的复杂度。LTE减少了UE的状态，如图所示，在eNodeB中仅存在2种RRC状态：RRC_IDLE（空闲状态）、RRC_CONNECTED（连接状态）。

LTE删除了其他状态，简化了状态迁移管理的复杂度，降低了状态迁移所用的时间。

在AGW网元中，LTE的UE状态将UTMS中的RRC状态和PMM（核心网PS域移动性管理）状态合并为一个状态集，包含RRC_IDLE（空闲）、RRC_ACTIVE（激活状态）和RRC_DETACHED（分离状态）三种。UE的的上下文必须区分这3种状态，如图所示：

在eNodeB中，RRC_CONNECTED对应着aGW中的RRC_ACTIVE状态，无需保留RRC_DETACHED状态。这样，处于RRC_DETACHED（分离状态）的UE在核心网属于“在线（online）”状态，而在无线接入网侧则并不占用任何无线资源。

LTE要与WCDMA、GSM等进行系统间互操作，所以LTE系统也设计了LTE-RRC状态和其他系统的RRC状态间的相互转移途径。

之所以可以减少UE连接状态的个数，是因为LTE使用共享信道来承载用户的控制信令和业务数据，取消了3G物理层中的专用信道。共享信道使多个用户共享空口资源，不需要区分LTE连接状态的细节，可根据需要动态调整连接状态的资源。

（2）功能位移，实现位置下降

取消RNC网元，将其功能下移到eNodeB。PDCP功能也完全下移到了eNodeB上，核心网不再提供PDCP实体。由于PDCP下移，SGW的功能基本成为简单的路由器，方便了LTE和其他分组网络在核心网侧的融合。

（3）功能增强，替换实现方案。

MBMS代替了UMTS的BMC层以及公共业务信道CTCH；

四、LTE运行过程

1、上行传输

　　

　　首先，UE发出一个包时，包上面会打上UE的地址作为源地址，要去的因特网上的服务器的地址作为目的地址，传送给基站eNB，然后基站给包封装到GTP 隧道里可以传输的GTP包，每个包的源地址会被换成基站的地址，

而目的地址则是被换成将要到达的Serving Gateway，然后，每个包也会包含他们所在传输隧道的隧道ID：UL S1-TEID。当包到达Serving Gateway时，源目地址被分别换成了Serving Gateway和P-GW的地址，同时，

传输的隧道也由S1 GTP 隧道变成了S5 GTP隧道，当然隧道ID也会随之变化。最后，当包到达P-GW后，这时P-GW讲GTP解开，查看其真正的目的地址，然后将包送到互联网上。这样子就完成了一个数据包从终端的互联网的上传。

2、下行传输

　　下行的情况与上行的情况正好相反，经过P-GW，S-GW，eNB时会对数据包打包，在eNB处会解封装，然后直接把数据包传输给UE。