UMTS到LTE的系统架构演进（学习整理：LTE完全指南-LTE、LTE-Advanced、SAE、VolTE和4G移动通信）

LTE的高层体系架构

                                      

                                                  图1 GSM和UMTS到LTE的系统架构演进

如图1所示，LTE的架构发展方式包括了系统架构演进（SAE）和长期演进（LTE）。系统架构演进涵盖核心网，长期演进涵盖无线接入网、空中接口及移动台。整个系统统称为演进分组系统（EPS）。

在新的架构中，演进分组核心网（EPC）直接替代UMTS和GSM的分组交换域。没有等效的电路交换域，这允许了LTE可优化数据流量的传送，同时意味着语音通话将被其他技术所处理。演进UMTS陆地无线接入网（E-UTRAN）操作EPC的移动无线通信，直接替代UTRAN。移动台依旧为用户设备，其内部操作与之前有很大不用。

• 长期演进（LTE）

针对长期演进的研究主要是对空中接口的要求说明：主要包括上下行峰值速率，时延，覆盖和移动性的要求。

• 系统架构演进（SAE）

对系统架构演进的研究主要是对固网的规范要求：

演进分组核心网（EPC）用互联网协议（IP）发送数据包，并支持使用IPv4、IPv6或双栈IPv4/6的设备。EPC通过设置一个基本的IP连接，打开并保持该连接直至关闭，为用户提供永久在线服务。

不同于互联网，EPC具有指定和控制数据速率、错误率及延迟数据流接收的机制，但是对于数据在EPC流通的最长时延没有明确要求。

EPC还被要求支持LTE和早期2G、3G、之间的系统间切换技术，包括UMTS、GSM，以及cdma2000和WiMAX。

• LTE语音呼叫

LTE的组成部分不包括语音应用，但是一个LTE移动台可以采用两种方法进行语音通话：一是电路域回落，网络把移动台传送到传统的2G或3G小区，使移动台可以联系2G/3G电路交换域。二是通过使用IP多媒体子系统（IMS），IMS是一个包括建立、管理和拆除IP电话语音的信令功能的外网。   

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UE的架构

                                   

                                                         图2   用户设备的内部架构

图2所示为用户设备的内部结构（其中R、Cu是接口名称）。用户设备中，移动设备（ME）是实际的通信设备。移动设备可以被分为两部分:：①移动终端（MT）：操纵所有的通信功能；②终端设备（TE）：终止数据流。

通用集成电路卡（UICC）是智能卡，俗称SIM卡。它运行通用用户识别模块（USIM）的应用程序，其存储用户特定的数据，比如电话号和家庭网络身份。USIM还能使用智能卡的安全密钥执行各种安全相关的计算。

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演进UMTS陆地无线接入网（E-UTRAN）

• E-UTRAN的架构

                                 

                                                      图3 演进UMTS陆地无线接入网的架构

图3所示为演进UMTS陆地无线接入网的架构。E-UTRAN处理移动台和演进分组核心网之间的无线通信。这个工作由演进节点B（eNB）完成。

每个eNB就是一个基站，控制一个或多个小区的移动台。eNB有两个主要功能：①利用LTE空中接口的模拟和数字信号处理功能发送无线传输到它下行链路的所有移动台，然后再从上行链路的移动台接收无线传输。②eNB通过发送信令消息控制其所有移动台的低级操作，例如关于无线传输的切换命令。eNB结合了NodeB和无线网络控制器（RNC）的早期功能。

基站与核心网通过S1接口连接，基站之间的连接通过X2接口。

• 传输网

                           

                                                   图4 E-UTRAN传输网的内部架构

通常S1和X2接口不是直接物理连接，信息是通过底层IP传输网传输的。每个基站和核心网每个组件都有一个IP地址，底层路由器使用这些IP地址从一个设备到另一个设备传输数据和信令消息。

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演进分组核心网

• EPC的架构

                    

                                                         图5 演进分组核心网的主要组件

图5所示为演进分组核心网的主要组件。

归属用户服务器（HSS）是一个包含有关所有网络运营商的用户信息的中央数据库，是LTE的少数组件之一。

分组数据网关（P-GW）是与外界接触的EPC的点。通过SGi接口，每个PDN网关与一个或多个外部装置或者分组数据网络交换数据，如网络运营商的服务器、互联网或IP多媒体子系统。每个分组数据网是由接入点名称（APN）确定。网络运营商通常使用极少数不同的APN。

服务网关（S-GW）充当一个高层次的路由器，转发基站和PDN网关之间的数据。每个服务网关负责一个特定地理区域内的移动台。

移动性管理实体（MME）通过发送有关诸如安全与无线通信无关的数据流的管理问题的信令信息来控制移动台的高级别操作。MME还可以通过EPC内部的信令消息控制网络中的其他元素。

• 网络区域

                     

                                          图6 跟踪区域、MME池区与S-GW服务区的关系

如图6所示，EPC分为三种不同类型的地理区域。

MME池区是一个移动台可通过它移动而不改变MME服务器的地区。每个池区是由一个或多个MME控制，每个基站通过S1-MME接口连接到一个池区内的所有MME。池区可以重叠。

S-GW服务区是有一个或多个服务网关的地区，移动台通过它可以移动而不改变服务网关。每个基站通过S1-U接口连接到一个服务区域的所有服务网关。S-GW服务区不一定对应MME池区。

MME池区与S-GW服务区都是由较小的、不重叠的单元跟踪区域（TA）形成的。

• 承载管理

• 演进分组系统（EPS）承载

LTE使用与互联网使用的一样的协议传输数据包，但是其传输机制更为复杂，因为LTE必须解决两个互联网所不支持的的两个问题：①关于移动性。LTE中希望设备在基站间切换时能与外部服务器保持连接。②关于服务质量（QoS）。互联网不提供任何QoS的保障。

为了解决这些问题，LTE使用EPS承载从系统的一边向另一边传输数据。EPS承载可以认为是一个双向的数据通道，以正确的服务质量通过正确的路由在网络中传输数据。如果S5/S8接口是基于GTP协议，承载在移动台和PDN网关之间运行，如果S5/S8接口是基于PMIP协议，承载在移动台和服务网关之间运行。

• 默认和专用承载

               

                                        图7 当时用基于GTP的S5/S8接口时的默认和专用EPS承载

每个移动台连接到一个数据分组网时，EPC设立一个EPS承载，称为默认承载，如图7所示。只要移动台在EPC注册，获得不间断连接默认分组数据网（如互联网），移动台就能收到一个默认承载。移动台与其他分组数据网建立连接（如IMS），那么它将收到一个额外的默认承载和额外的IP地址。

当连接到一个分组数据网和建立一个默认承载后，移动台就可以接收一个或多个专用承载，连接到同一个网络。每个专用承载与它的父默认承载共享一个IP地址。专用承载有不同于默认承载的服务质量，比如最小长期平均数据速率的保证。一个移动台最多可以有11个EPS承载给它连接多个网络使用几种不同的服务质量。

• 采用GTP协议的承载实现

                                         

                                            图8 当时用GTP的S5/S8接口时的LTE承载架构

如图8所示，在GTP基于S5/S8的情况下，EPS承载跨越三个不同接口，此时EPS承载被划分成三个较低级别承载：无线承载、S1承载、S5/S8承载。它们中的每一个都与一组QoS参数相关联，并接收EPS承载的最大错误率和最大延迟。无线承载的组合和S1承载有时被称为演进无线接入承载（E-RAB）。

无线承载由一个合适的空中接口协议的配置来实现，而S1和S5/S8承载使用GPRS隧道协议用户部分（GTP-U）隧道来实现。

• 采用GRE与PMIP协议的承载实现

如果S5/S8接口利用GRE和PMIP实现，那么移动台在接口处只处理一个GRE隧道，负责处理所有移动台传输或接收的没有任何服务质量保证的数据包。EPS承载只延伸到服务网关。

• 信令无线承载

LTE使用三个特殊无线承载（SRB），携带移动台和基站之间的信令消息。如表1所示。

表1 信令无线承载

信令无线承载	配置	使用
SRB0	系统消息	SRB1建立之前的RRC消息
SRB1	在SRB0上的RRC消息	后续RRC消息 SRB2建立之前的NAS消息
SRB2	在SRB1上的RRC消息	后续NAS消息