LTE学习笔记：LTE总体架构

1、系统结构

        LTE采用了与2G、3G均不同的空中接口技术、即基于OFDM技术的空中接口技术，并对传统3G的网络架构进行了优化，采用扁平化的网络架构，亦即接入网E-UTRAN不再包含RNC，仅包含节点eNB，提供E-UTRA用户面PDCP/RLC/MAC/物理层协议的功能和控制面RRC协议的功能。E-UTRAN的系统结构参见下图的LTE E-UTRAN系统结构图所示。

NB之间由X2接口互连，每个eNB又和演进型分组核心网EPC通过S1接口相连。S1接口的用户面终止在服务网关S-GW上，S1接口的控制面终止在移动性管理实体MME上。控制面和用户面的另一端终止在eNB上。上图中各网元节点的功能划分如下：

●eNB功能

LTE的eNB除了具有原来NodeB的功能之外，还承担了原来RNC的大部分功能，包括有物理层功能、MAC层功能（包括HARQ）、RLC层（包括ARQ功能）、PDCP功能、RRC功能（包括无线资源控制功能）、调度、无线接入许可控制、接入移动性管理以及小区间的无线资源管理功能等。具体包括有： 

 无线资源管理：无线承载控制、无线接纳控制、连接移动性控制、上下行链路的动态资源分配（即调度）等功能

IP头压缩和用户数据流的加密

当从提供给UE的信息无法获知到MME的路由信息时，选择UE附着的MME

路由用户面数据到S-GW

调度和传输从MME发起的寻呼消息

调度和传输从MME或O&M发起的广播信息

用于移动性和调度的测量和测量上报的配置

调度和传输从MME发起的ETWS（即地震和海啸预警系统）消息

●MME功能

MME是SAE的控制核心，主要负责用户接入控制、业务承载控制、寻呼、切换控制等控制信令的处理

MME功能与网关功能分离，这种控制平面/用户平面分离的架构，有助于网络部署、单个技术的演进以及全面灵活的扩容

NAS信令

NAS信令安全

AS 安全控制

AS 安全控制
3GPP无线网络的网间移动信令
idle状态UE的可达性（包括寻呼信号重传的控制和执行）
跟踪区列表管理
P-GW 和 S-GW 的选择
切换中需要改变MME时的MME选择
切换到2G或3GPP网络时的SGSN选择
漫游
鉴权
包括专用承载建立的承载管理功能
支持ETWS信号传输

●S-GW功能
S-GW作为本地基站切换时的锚定点，主要负责以下功能：在基站和公共数据网关之间传输数据信息；为下行数据包提供缓存；基于用户的计费等。
eNB间切换时，本地的移动性锚点
3GPP系统间的移动性锚点
E-UTRAN idle状态下，下行包缓冲功能、以及网络触发业务请求过程的初始化
合法侦听
包路由和前转
上、下行传输层包标记
运营商间的计费时，基于用户和QCI粒度统计
分别以UE、PDN、QCI为单位的上下行计费
●PDN网关（P-GW）功能
公共数据网关P-GW作为数据承载的锚定点，提供以下功能：包转发、包解析、合法监听、基于业务的计费、业务的QoS控制，以及负责和非3GPP网络间的互联等。
基于每用户的包过滤（例如借助深度包探测方法）
合法侦听
UE 的IP地址分配
下行传输层包标记
上下行业务级计费、门控和速率控制
基于聚合最大比特速率（AMBR）的下行速率控制
从上图中可见，新的LTE架构中，没有了原有的Iu和Iub以及Iur接口，取而代之的是新接口S1和X2。

2、无线协议栈结构

2.1 控制面协议栈结构

控制面协议结构如下图所示：

PDCP在网络侧终止于eNB，需要完成控制面的加密、完整性保护等功能。
RLC和MAC在网络侧终止于eNB，在用户面和控制面执行功能没有区别。
RRC在网络侧终止于eNB，主要实现广播、寻呼、RRC连接管理、RB控制、移动性功能、UE的测量上报和控制功能。
NAS控制协议在网络侧终止于MME，主要实现EPS承载管理、鉴权、ECM（EPS连接性管理）idle状态下的移动性处理、ECM idle状态下发起寻呼、安全控制功能。

2.2 用户面协议栈结构

用户面协议结构如下图所示：

用户面PDCP、RLC、MAC在网络侧均终止于eNB，主要实现头压缩、加密、调度、ARQ和HARQ功能。

2.3 数据和信令流程

3、S1接口和X2接口

与2G、3G都不同，S1和X2均是LTE新增的接口 。

3.1 S1接口

S1接口定义为E-UTRAN和EPC之间的接口。S1接口包括两部分：控制面S1-MME接口和用户面S1-U接口。S1-MME接口定义为eNB和MME之间的接口；S1-U定义为eNB和S-GW之间的接口。下图为S1-MME和S1-U接口的协议栈结构。

            

已经确定的S1接口支持功能包括有：
●E-RAB业务管理功能
  建立，修改，释放
●UE在ECM-CONNECTED状态下的移动性功能
  LTE系统内切换
  与3GPP系统间切换
●S1寻呼功能
●NAS信令传输功能
●S1接口管理功能：
  错误指示
  复位
●网络共享功能
●漫游和区域限制支持功能
●NAS节点选择功能
●初始上下文建立功能
●UE上下文修改功能
●MME负载均衡功能
●位置上报功能
●ETWS消息传输功能
●过载功能
●RAN信息管理功能

已经确定的S1接口的信令过程有：
●E-RAB信令过程：
  E-RAB建立过程
  E-RAB修改过程
  MME发起的E-RAB释放过程
  eNB发起的E-RAB释放过程
●切换信令过程：
  切换准备过程
  切换资源分配过程
  切换结束过程
  切换取消过程
●寻呼过程
●NAS传输过程：
  上行直传（初始UE消息）
  上行直传（上行NAS传输）
  下行直传（下行NAS传输）
●错误指示过程：
  eNB发起的错误指示过程
  MME 发起的错误指示过程
●复位过程
  eNB发起的复位过程
  MME发起的复位过程
●初始上下文建立过程
●UE上下文修改过程
●S1建立过程
●eNB配置更新过程
●MME配置更新过程
●位置上报过程：
  位置上报控制过程
  位置报告过程
  位置报告失败指示过程
●过载启动过程
●过载停止过程
●写置换预警过程
●直传信息转移过程

3.2 X2接口

 S1接口和X2接口类似的地方是：S1-U和X2-U使用同样的用户面协议，以便于eNB在数据反传（data forward）时，减少协议处理。

X2接口定义为各个eNB之间的接口。X2接口包含X2-CP和X2-U两部分，X2-CP是各个eNB之间的控制面接口，X2-U是各个eNB之间的用户面接口。下图为X2-CP和X2-U接口的协议栈结构。

            

X2-CP支持以下功能：
●UE在ECM-CONNECTED状态下LTE系统内的移动性支持
  上下文从源eNB到目标eNB的转移
  源eNB和目标eNB之间的用户面通道控制
  切换取消
●上行负荷管理
●通常的X2接口管理和错误处理功能：
  错误指示

已经确定的X2-CP接口的信令过程包括有：
●切换准备
●切换取消
●UE上下文释放
●错误指示
●负载管理

小区间负载管理通过X2接口来实现。
LOAD INDICATOR消息用做eNB间的负载状态通讯，如下图所示：