LTE协议栈架构（简洁版）

1、LTE接口

• 接口是指不同网元之间的信息交互方式

• LTE接口分为空中接口和地面接口，接口协议的架构称为协议栈。

  • 空中接口：UE(终端)到eNB(基站)的LTE-Uu接口

  • 地面接口：eNB(基站与基站)之间的X2接口、EPC(核心网)和eNB(基站)之间的S1接口

1.1、空中接口

空中接口可以分为3个层，2个面

1.1.1 3个层

• L1：物理层(PHY)

• L2：数据链路层(DLL)

• L3：网络层(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。

1.1.2 2个面

• 用户面

  • 用户面主要是数据相关，负责业务数据的传送和处理

• 控制面

  • 控制面主要是业务相关，负责协调和控制信令的传送和处理

• 第一层物理层没有区分用户面和控制面，第二层就开始区分用户面和控制面，第三层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。

LTE空中接口的用户面没有层三的功能模块

• 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空口接口控制面包括层二、层三的功能模块

• 控制面层二功能模块和用户面一样，也包括MAC、RLC、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。

• L3层是对控制面而言的，具有两个模块：

  • 无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）

    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。

• 非接入层(Non Access Stratum，NAS)。

   NAS负责UE和MME之间的信令交换，eNodeB只起到传输作用。   

1.2、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）

1.2.1 同级之间接口X2

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。

1.2.2 上下级接口S1

• S1用户面接口连接eNB和核心网的SGW，也是建立在IP基础上，与X2架构基本一致。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。

  • GTP(GPRS Tunnel Protocol)

  • GTP协议本质是一种IP包的封装协议。IP数据包经过GTP协议的封装，可以在LTE核心网传输。

  • S1-U接口上存在多个数据流的复用，数据流用TEID(Tunnel EndPoint IDentifier，隧道端点IP) 来区分。

• 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。

1.3、用户平面协议栈

如下图所示：

• 物理层：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。和硬件紧密相关，需要协同工作。

• MAC层：负责处理HARQ重传与上下行调度。应该说L2的精华就在这边，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层：负责分段与连接、重传处理，以及对高层数据的顺序传送。

• PDCP层：负责执行头压缩以减少无线接口必须传送的比特流量。

• LTE系统的数据处理过程被分解成不同的协议层。上图阐述了LTE系统下行传输的总体协议架构，下行数据以IP包的形式进行传送，在空中接口传送之前，IP包将通过多个协议层实体进行处理。

1.4、控制平面协议栈

如下图所示：

    控制平面协议栈主要包括非接入层（NAS）、RRC、PDCP、RLC、MAC、PHY层。其中，PDCP层提供加密和完整性保护功能，RLC及MAC层中控制平面执行的功能与用户平面一致。RRC层协议终止于eNode B，主要提供广播、寻呼、RRC连接管理、无线承载（RB）控制、移动性管理、UE测量上报和控制等功能。NAS子层则终止于MME，主要实现EPS承载管理、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。

• RRC层：支持终端和eNode B间多种功能的最为关键的信令协议。广义上来说，还包括无线资源算法，实际应用中的无线行为，都是由它来决定的。

• NAS层：处理UE和MME之间信息的传输，传输的内容可以是用户信息或控制信息。包括会话管理，用户管理，安全管理等。NAS层以下，我们称为AS层，而NAS对于eNode B是透明的，从上图可以看到，eNode B是没有这层协议的，所有NAS消息，对于他来说，就是过路。

2、信令和数据流

• MME

  • Mobility Management Entity，MME用作移动管理

• SGW

  • Serving GW，S-GW作为用户接入网络做一些路由选择，资源分配等工作

• PGW

  • PDN Gateway（Packet Data Network） ， P-GW链接Internet

下图描述了用户数据和控制数据的流向：

下图简要描述了LTE协议不同层次的结构、主要功能以及各层之间的交互流程。该图给出的是eNode B侧协议架构，UE侧的协议架构与之类似。