《4G EPS 第四代移动通信系统》
《4G EPS 的架构模型》
从上图可以看出,LTE/EPC 协议栈从架构的角度可以细分为两个方面:
E-UTRAN 空中接口协议栈主要分为三层两面。
三层指:
两面指:
用户平面协议栈主要包括如上图所示的 4 个子层次,这些子层在网络侧均终止于 eNB 实体。
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。是最为复杂的一层,也是最考验产品的一层协议。实际设计中,涉及诸多算法也最能体现实际芯片的性能。和硬件紧密相关,需要协同工作。
MAC:负责处理 HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest,混合自动重传请求)重传与上下行调度。应该说,L2 数据链路层的精华就在于此,重传和调度能做好,对于整个产品来说,速率就能体现出来。
RLC:负责分段与连接、重传处理,以及对高层数据的顺序控制。
PDCP:负责执行报头(Header)压缩,以减少无线接口必须传送的比特流量。报头压缩机制基于 ROHC(Robust Header Compression,健壮性包头压缩)、PDHP 层在控制平面对 RRC 和 NAS 层消息进行完整性校验,在用户面不进行完整性校验。以及对数据和信令的加密。
E-UTRAN 空中接口协议栈在用户面的数据流向如下图所示:用户平面的主要功能是处理业务数据。在发送端,将高层的业务 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(PHY)可处理的传输块。在接受端,将物理层接收到的无线数据流,按调度要求,复用(MAC)、级联(RLC)、解密(PDCP)、解压缩(PDCP),成为高层应用可识别的 IP 数据流。
PHY(Physical Layer):物理层。负责处理编译码、调制解调、多天线映射以及其他电信物理层功能。物理层以及传输信道的方式为 MAC 层提供服务。
包括以下功能:
MAC(Medio Access Control):媒体接入控制。
主要功能:
RLC(Radio Link Control):无线链路控制。
主要功能:
RLC 提出了三种模式:
PDCP(Packet Data Convergence Protocol):分组数据汇聚协议。
用户平面的功能:
控制平面的功能:
需要注意的是,控制平面协议除了包含上述的 4 个用户平面协议子层之外,还包含了 RRC 和 NAS 这两个处于 L3 网络层中的子层。NAS(非接入层协议)子层以下,我们称为 AS(接入层协议)层。
MAC:与用户面中的功能一致。
RLC:与用户面中的功能一致。
PDCH:完成加密与完整性保护。
RRC:终止于 eNB。主要负责广播 NAS 层和 AS 层的系统消息、寻呼功能、RRC 连接管理、端到端 Radio Bearer 连接的控制、移动性管理、UE 测量上报与控制、小区切换、UE 小区选择和重选等功能。
NAS:终止于 MME。主要实现 EPS Bearer 的管理、鉴权、空闲状态下的移动性处理、寻呼消息以及安全控制等功能。NAS 对于 eNB 是透明的,所有 NAS 消息,对于 eNB 而言都是透传。
E-UTRAN 空中接口协议栈在控制平面的数据流向如下图绿线所示:在控制平面 UE 和 MME 是通过 NAS 层来进行交互的,此前还需要 RRC 子层来完成 UE 接入资源的分配。
UE 和 eNB 之间的控制信令主要是 RRC 消息。RRC 就相当于 eNB 内的司令部,RRC 消息携带了建立、修改和解析 L1、L2 协议所需的全部参数。所以,UE 和 eNB 在承载业务前,先要建立 RRC 连接。另外,RRC 还要给 UE 透明传达来自核心网的指示,即 NAS 信令。
详见《4G EPS 中建立 UE 与 eNB 之间的 RRC 连接》。
详见《建立 NAS(非接入服务)信令连接》。
在 EPC 核心网协议栈中的用户面,提供了 基于 UDP/IP 的不可靠连接来传输业务数据。S1-U、X2、S5 接口的传输网络层都是基于 UDP/IP 的,而 UDP/IP 之上的 GTP-U 封装则作为用户平面传输的 PDU(分组数据单元)。
详见《EPS UP 中的 GTP-U》。
控制平面为信令传输提供了基于 SCTP(流控传输协议)/IP 的可靠连接。S1-AP 和 X2-AP 分别是 S1 接口和 X2 接口的应用层信令协议。
SCTP(Stream Control Transmission Protocol,流控制传输协议)是一种可靠的传输协议,它在两个端点之间提供稳定、有序的数据传递服务(类似于 TCP),并且可以保护数据消息边界(类似于 UDP)。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。
然而,与 TCP/UDP 不同,SCTP 是通过多宿主(Multi-homing)和多流(Multi-streaming)的功能来提供这些收益的,这两种功能均可提高可用性 。SCTP 提供如下服务:
详见《EPS CP 中的 GTP-C》。
S1AP 协议位于 eNB 和 MME 之间,建立两者之间的承载,包括建立,修改,释放。E-UTRAN 和 EPC 打交道,都要经过这套协议。S1AP 是 S1-C 连接建立的时候用来传输信令的协议,该协议负责 S1 接口的管理,E-RAB 的管理,还有 NAS 信令的传输,以及 UE Context 的管理。
详见《4G EPS 中建立 eNB 与 MME 之间的 S1 连接》。
X2AP 协议是连接 eNB 之间的一套接口标准。其主要信令内容和 S1AP 非常类似。两个 eNB 互相协同的工作主要是一些移动性管理,此类操作就不用再去打扰上级 EPC 了。X2AP 协议支持 E-UTRAN 中的 UE 移动性管理和 SON 功能。比如:通过 X2AP 的数据转发(在 X2 Handover 的时候的数据转发),SN status 的转发(Handover 时),或者是 eNB 之间的资源状态消息交换等。
EPS 中的 MME、HSS、PGW、PCRF 和 DRA 都应用了 Diameter 协议,称为 Diameter Node。Diameter Node 具有三种角色:
显然,MME 和 PGW 的角色是 Client,HSS 和 PCRF 的角色是 Server,而 DRA 的角色是 Agent(Diameter 消息需通过 DRA(Diameter Routing Agent)转发。DRA 路由方式十分灵活,输入条件可以是 IMSI、Host 或 Realm 等。DRA 通常部署在省会(或中心地市),与全省 EPC 节点连接)。
Diameter 采用 Peer to Peer 传输模式,如果两个 Diameter Node 之间有 TCP 连接或 SCTP 偶联,则称为 Diameter Peers。Peers 之间的传输层连接称为 Connection,因而 MME、HSS、PGW 和 PCRF 之间的连接均称为 Connection,这是一个传输层的概念。而在应用层,Client 和 Server 之间的逻辑连接称为 Session,通过 Session ID 进行标识,比如,VoLTE 用户在建立 IMS PDN Connection 时,PGW 会向 VoLTE PCRF 请求建立 Gx 会话,不同用户的 Gx Session ID 不能重复。Session 和 Connection 没有固定关联,多个 Session 的 Diameter 消息可以在同一个 Connection 上发送。可见,Diameter 协议在跨厂商网元之间建立 Session 的可行性。