LTE学习笔记二：扁平化的组网架构

上一笔记的最后说明了层级组网架构和扁平化组网架构的区别，目前，无论是公司管理还是4G组网，都向着更加灵活的扁平化趋势发展。LTE的组网架构发生了革命性的变化，但对外宣称是“演进”。LTE“演进”的工作可以概括为：“四化一分离”。

①扁平化。取消中间级，加强基层职能。

②分组化。取消专用特权通道（CS域），加强分组共享能力。

③IP高速化。取消传统信息传送方式，修建现代IP信息高速公路。

④多组织融合化。不仅考虑已存在的符合3GPP标准的现有制式，还有考虑非3GPP标准的制式。

⑤一分离：控制面与业务面分离。

1.从四层到三层

LTE/SAE（System Architecture Evolution，系统架构演进）包括无线接入网和核心网在内的组网架构变迁，是LTE各项演进的基础。LTE/SAE的组网架构变迁主要包括扁平化、分组域化、IP化、多制式融合、用户面和业务面分离等工作，目的是提高峰值速率、降低系统时延、简化运营维护、降低系统成本。

LTE/SAE的组网架构变迁不仅是层级关系的变化，还包括网元职能的转变，也就是各网元之间如何分工（功能划分）、如何配合（接口）、遵循的规矩（协议）问题。

1.1 少一层

3G UMTS协议中，组网架构为4层：终端（UE），基站（NodeB），无线网络控制器（RNC），核心网（CN）。RNC位置的网元在2G中称为基站控制器（BSC），RNC直接由Iur接口，不仅仅是基站控制器，还是无线接入网络的控制器。UMTS 4层网络架构如图所示

LTE/SAE的无线接入网叫eUTRAN（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network，演进的通用陆地无线接入网络，3G叫UTRAN），网络架构如下图

eUTRAN和UTRAN比，去掉了RNC，减少了一层，减少了基站与核心网之间信息交互的多节点开销，更加扁平化。带来的好处是：

（1）节点数量减小，用户面时延大大缩短

（2）简化了控制平面从睡眠状态到激活状态的过程，减少了状态迁移的时间

（3）降低系统复杂性，减少了接口类型，系统内部相应的交互操作也随之减少。

1.2 多一口

eUTRAN由若干eNodeB组成，eNodeB之间增加了一个X2接口。X2以光纤为载体实现无线侧IP化传输，使得基站网元之间可以协调工作，以往的基站之间是没有接口的。

eNodeB之间的接口方便LTE的无线网组成网状网（Mesh网）。LTE一个基站与多个基站相连，任何两点间故障还可通过其他通路相连，不会造成某个基站成为孤点，Mesh组网最小化了基站称为孤点的概率，增强了网络健壮性。而UTRAN只有RNC之间有接口，NodeB间无接口，一旦NodeB和RNC之间连接中断，该NodeB会成为孤点。

2.“胖”基站

3G的无线接入网UTRAN由NodeB和RNC两种网元组成，NodeB完成射频处理和基带处理，RNC主要负责控制和协调基站间配合工作，完成系统接入控制、承载控制、移动性管理、无线资源管理等控制功能。eUTRAN去掉RNC网元后，其底层功能分给了eNodeB，高层功能分给了核心网的AGW（接入网关，包括服务网关SGW和分组数据PDN网关PGW）。eNodeB的功能主要是由3G阶段的NodeB、RNC、SGSN、GGSN四个网元的部分功能演化而来。

eNodeB除了上述功能，还包括与LTE核心网（EPC）进行信息交互的功能，如为UE选择移动性管理实体，选择用户面数据的服务网关的路由等。

3.LTE核心网EPC（Evolved Packet Core）

3.1 EPC演进

EPC主要由MME（移动性管理实体），SGW（服务网关）和PGW组成。多个EPC的集合称为EPS

EPC的演进表现在：

取消了CS域，CS域业务承载在PS域，实现了核心网的IP化。语音业务（Voice）在以往无线制式中有CS承载，在LTE中则完全由PS域承载，即所谓的VoIP（Voice over IP）。

全网IP化，各网元节点之间的接口也都使用IP传输。LTE全网IP化的关键支撑就是端到端的QoS保障机制。

LTE/SAE在核心网演进中实现了用户面和控制面的分离，即用户面和控制面功能分别由不同的网元实体完成。可降低系统时延，提升核心网处理效率。

MME属于控制面设备，负责信令传输；

SGW和PGW属于用户面设备，负责用户数据包的过滤、路由、转发。

EPC和eUTRAN间的接口是S1，由于用户面和控制面的分离，S1接口也可分为用户面接口S1-U和控制面接口S1-MME。

LTE核心网还支持多网融合，支持包括LTE在内的多种无线接入技术，不仅要支持UMTS网络接入，还支持非3GPP制式的网络接入，如GSM、CDMA、WLAN、WiMAX等网络，实现了不同无线制式在EPC平台上的大融合。

EPC和各种无线制式中都设计有标准接口，方便业务使用时在不同制式的无线系统中无缝切换，如图所示。

说明：LTE制式对应的无线接入网称为eUTRAN，UMTS（WCDMA/TD-SCDMA）对应的无线接入网称为UTRAN，GSM和EDGE对应的无线接入网称为GERAN（GSM EDE Radio Access Network）；CDMA对应的无线接入网称为1xRTT（CDMA 1x Radio Transmission Technology）；CDMA2000对应的无线接入网称为HRPD（CDMA

2000 High Rate Packet Data)

3.2 EPC和eNodeB功能划分

MME主要功能有寻呼、切换、漫游、鉴权，对NAS（非接入层）信令的加密和完整性保护，对AS（接入层）安全性控制、空闲状态移动性控制等。其中NAS信令是指UE和核心网EPC直接联系使用的，他是接入网eUTRAN（即接入层）不作分析，也不直接使用的信令（所以叫非接入层信令）；AS信令是接入网eUTRAN分析并使用的信令。

SGW（服务网关）是EPC和eUTRAN的一个边界网关，不和其他系统网关如GGSN、PDG直接相连，主要功能是LTE系统内的分组数据路由及转发、合法监听、计费。

PGW（PDN网关）是和运营商外部或内部的分组网络连接的网关，功能类似UMTS或EDGE中的GGSN，是所有3GPP系统或者非3GPP系统非组网络的统一出口。主要功能包括分组包深度检查、分组数据过滤及筛选、转发、路由选择等。还负责UE的IP地址分配，速率限制、上下行业务级计费等功能。设计PDN网关的目的是为了方便引入LTE系统以外的分组网络，使得多系统引入LTE的接口数目最小化，EPS和外界的接口功能简单化、清晰化，从而使LTE/SAE的核心网真正成为一个多制式融合的平台。

打个比方：MME是负责流动人口管理的公安部门，SGW是一个负责人员和物资中转地快递公司，PGW则是对人员和物资进行出入境检查的口岸。

EPC的三个网元是逻辑上的概念，和物理形态不一定一一对应。MME和SGW可以是一个物理节点，也可以是分离的两个物理节点；SGW和PGW可以是一个物理节点或分离的两个物理节点。但一般MME和PGW不在一个物理实体中，更没有MME、SGW、PGW三位一体的。