LTE学习笔记三：接口协议

上一笔记说明了LTE网络的网元组成，网元之间的联系是通过标准化的接口。接下来学习LTE终端和网络的空中接口Uu、基站之间的X2接口、基站与核心网之间的S1接口，以及LTE接口协议栈和以往无线制式相比的特点。

1.接口协议栈

接口是指不同网元之间的信息交互方式。既然是信息交互，就应该使用彼此都能看懂的语言，这就是接口协议。接口协议的架构称为协议栈。

根据接口所处位置分为空中接口和地面接口，响应的协议也分为空中接口协议和地面接口协议。

空中接口是无线制式最个性的地方，不同无线制式，其空口的最底层（物理层）的技术实现差别巨大。

LTE空中接口是UE和eNodeB的LTE-Uu接口，地面接口主要是eNodeB之间的X2接口，以及eNodeB和EPC之间的S1接口。

1.1 三层

协议栈的分层结构有助于实现简化设计。底层协议为上层提供服务；上层使用下层的提供的功能，上层不必清楚下层过程处理的细节。比较常见的分层协议有OSI七层参考模型和TCP/IP四层协议。

无线制式的接口协议也分层，粗略分为物理层（层一，L1，PHY)、数据链路层（层二，L2，DLL）、网络层（层三，L3，NL）。

物理层主要功能是提供两个物理实体间的可靠比特率传输，适配传输媒介。无线空口中，适配的是无线环境；地面接口中，适配的则是E1，网线，光纤等传输媒介。

数据链路层的主要功能是信道复用和解复用、数据格式的封装、数据包调度等。完成的主要功能是具有个性的业务数据向没有个性的通用数据帧的转换。

网络层的主要功能是寻址、路由选择、连接的建立和控制、资源的配置策略等。

eUTRAN和UTRAN的分层结构类似，但为了灵活承载业务、简化网络结构、缩短处理时延，rUTRAN接口协议栈以下功能从层三转移到层二：

（1）动态资源管理和Qos保证功能转移到MAC（媒介接入控制）层。

（2）DTX/DRX（不连续发射/接收）控制转移到MAC层。

（3）业务量测量和上报由MAC层负责。

（4）将控制平面的安全性（加密）和完整性保护转移到PDCP(Packet Data Convergence Protocol)分组数据汇聚协议。

1.2 两面

LTE接口协议栈除了分层还分面：用户面协议和控制面协议。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。用户面和控制面都是逻辑上的概念。

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。

在无线侧，用户面和控制面还在一个物理实体eNodeB上；而在核心网侧，用户面和控制面则完全实现了物理上的分离，分别安排在不同的物理实体上。

不同接口协议细节有所不同，但在架构上都可套用如图所示的三层两面协议栈通用模型。

2.空中接口Uu

LTE和UMTS空口协议栈对比如下图。

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实体被取消，LTE用MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service,多媒体广播多播业务）功能代替了。

2.1 层二功能模块

空中接口的用户面没有层三的功能模块，这一点不同于地面接口。

用户面的层二协议模块主要包括：MAC（Medium Access Control，媒介接入控制）、RLC（Radio Link Control，无线链路控制）、PDCP三个功能模块，如图所示。

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；在接收端，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。

LTE空口控制面包括层二、层三的功能模块，如图所示。

控制面层二功能模块和用户面一样，也包括MAC、ELC、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。

2.2 层三功能模块

LTE空口控制面层三有两个功能模块：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。

3.地面接口

地面接口是网络侧网元之间的信息沟通渠道。LTE无线接入网侧，主要包括两类：同级接口（基站间接口）和上下级接口（基站与核心网接口）。

3.1 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。

3.2 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。

4.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；