LTE协议栈

学习《深入理解LTE-A》笔记，此篇用以构建对LTE协议实现过程的协议栈组成部分进行辅助理解.以便大家对UE如何与核心网进行通信有个大概的了解。

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名词解释

名词	含义	作用
RRC L3层	Radio Resource Control，RRC，无线资源控制	RRC层支持终端和eNodeB间多种功能的最为关键的信令协议。 包括： 广播NAS和AS层的系统消息 寻呼功能 RRC（连接建立、保持和释放，包括UE与E-UTRAN之间临时表示的分配、信令无线承载的配置） 安全功能，包括密钥管理 端到端无线承载建立、修改与释放 移动性管理，包括UE测量报告，以及为了小区间和RAT间移动性进行的报告控制、小区间切换、UE小区选择与重选、切换过程中的RRC上下文传输等。 MBMS业务通知，以及MBMS业务无线承载的建立、修改与释放 QoS管理功能 UE测量上报及测量控制。 NAS消息的传输 NAS消息的完整性保护
PDCP L2层	Packet Data Convergence Protocol，PDCP，包数据汇聚协议	负责执行头压缩以减少无线接口必须传送的比特流量。头压缩机制基于ROHC。在接收端，PDCP协议将负责执行解密及解压缩功能。对于一个终端每个无线承载有一个PDCP实体。一个PDCP层实体关联控制面还是用户面，取决于它为哪种无线承载提供数据。PDCP层在控制面对RRC层和NAS层消息进行完整性校验，在用户面不进行完整性校验。 解密及解压缩功能； 数据及信令加密； 信令完整性保护
RLC L2层	Radio Link Control，RLC，无线链路控制	负责分段与连接、重传处理，以及对高层数据的顺序传送。RLC层以无线承载的方式为PDCP层提供服务，其中，每个终端的每个无线承载配置一个RLC实体。主要目的是将数据交付给对端的RLC实体。所以RLC提出了三种模式：透明模式（TM），非确认模式（UM）和确认模式（AM）。
MAC L2层	Medium Access Control，MAC，媒质接入控制	负责处理HARQ重传与上下行调度。MAC层将以逻辑信道的方式为RLC层提供服务。其主要目的是为RLC层业务与物理层之间提供一个有效的连接。从 这个角度看，MAC层支持的功能包括： 逻辑信道与传输信道之间的映射； 传输格式的选择，例如选择传输块的大小、调制方案等作为输出参数提供给物理层； 一个UE或多个UE之间逻辑信道的优先级管理； 通过HARQ机制进行纠错； 填充； RLC PDU的复用与解复用； 业务量的测量与上报。 MAC提供给上层的业务主要包括：数据传送机无线资源分配，物理层提供给MAC层的业务包括：数据传送、HARQ反馈信令、调度请求信令以及测量。
物理层（PHY） L1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。 物理层将包括以下功能： 传输信道的错误检测并向高层提供指示； 传输信道的前向纠错与译码 混合自动重传请求软合并 传输信道与物理信道之间的速率匹配及映射； 物理信道功率加权 物理信道的调制与解调 时间及频率同步 射频特性测量并向高层提供指示。 MIMO天线处理 传输分级 波束赋形 射频处理。
逻辑信道
BCCH	Broadcast Control Channel，广播控制信道	用于广播系统控制信息的下行信道。它在用户的实际工作开始之前，传送一些必要的通知信息
PCCH	Paging Control Channel，寻呼控制信道	用于传输寻呼信息和系统信息变化通知的下行信道。寻人启事类消息的入口，一般用于被叫流程
CCCH	Common Control Channel，公共控制信道	在UE和网络之间还没有建立RRC连接时，用于发送控制信息。类似于主管和员工间协调工作用的渠道
DCCH	Dedicated Control Channel，专用控制信道	用于在RRC连接建立之后，UE和网络之间发送一对一的专用控制信息。类似于主管和亲信之间协调工作的渠道
MCCH	Multicast Control Channel，多播控制信道	点对多点的下行控制信息的传送信道。类似于领导给多个下属下达搬运货物的指示的渠道
DTCH	Dedicated Traffic Channel,专用业务信道	专用于一个UE的点对点用户信息传输的信道，上下行链路中都有。按照控制信道的命令或指示，把货物从这里搬到那里
MTCH	Multicast Traffic Channel,多播业务信道	点对多点的下行数据传送渠道
传输信道
BCH	Broadcast Channel，广播信道	通过广播的方式，给整个小区传输下行控制信息
DL-SCH	Downlink Shared Channel，下行共享信道	规定了待搬运货物的传送格式。用于传送业务数据。
PCH	Paging Channel，寻呼信道	用于传输寻呼信息
UL-SCH	Uplink Shared Channel，上行共享信道	规定了待搬运货物的传送格式。用于传送业务数据。方向为从终端到网络。
RACH	Random Access Channel，随机接入信道	规定了终端接入网络时的初始协调信息格式。
物理信道
PBCH	Physical broadcast channel，物理广播信道	并不是所有广而告之的消息都从这里广播。部分是通过PDSCH传的。PBCH承载的是小区ID等系统信息，用于小区搜索过程。
PDSCH	Physical downlink shared channel，物理下行共享信道	承载下行用户的业务数据。主要干活的就是这个信道。
PDCCH	Physical downlink control channel，物理下行控制信道	承载资源分配的控制信息。对PDSCH发号施令。寻呼指示以及随机接入响应需要用这个信道。
PRACH	Physical random-access channel，物理随机接入信道	承载UE想接入网络时的信号 -- 随机接入前导。
PUSCH	Physical uplink shared channel，物理上行共享信道	承载上行用户数据。上行过程的主要信道。
PUCCH	Physical uplink control channel，物理上行控制信道	是上行方向对PUSCH发号施令的。承载着HARQ的ACK/NACK，调度请求，信道质量指示等信息。

逻辑信道、传输信道、物理信道

• 物理信道是物理层实际传输信息的信道。
• 传输信道是物理层与MAC子层之间的信道。
• 逻辑信道是MAC子层和RLC子层之间的信道。

逻辑信道

逻辑信道只关注传输的信息是什么，根据传输的是控制信息还是业务信息，逻辑信道分为:

• 控制信道
• 业务信道

 图自网络，详情见名词表。

传输信道

传输信道不关心传输的是什么，而是怎么传。
UMTS的传输信道分为专用信道和公共信道；而LTE的传输信道都属于公共信道。

 图自网络，详情见名词表。

物理信道

物理信道就是信号实际传输的通道。
在LTE中，物理信道是由特定的子载波、时隙、天线口确定的。
物理信道一般要进行两大处理过程：比特级处理（在二进制比特数字流上添加CRC校验；进行信道编码、交织、速率匹配、加扰）和符号级处理（调制、层映射、预编码、资源块映射、天线发送等）。
在发送端，先进行比特级处理，再进行符号级处理。在接收端，顺序反过来。

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在以上基础概念基础上，下两图展示了上行和下行过程中的无线协议架构。

 下行过程无线协议架构

 上行过程无线协议架构

控制面的协议栈

UE与核心网的通信建立过程

UE与核心网建立连接的过程，涉及到多个中间过程，除了通过无线方式与eNB直接相连以外，上面还会经过多个上级控制过程。

  图自网络。

在LTE架构中，eNB与同级之间，采用X2接口进行互相连接，与上级之间采用S1接口进行互相连接。

名词简写	含义
MME	Mobility Management Entity，核心网控制面网元，负责用户和会话管理， MME主要功能有： 接入控制； 移动性管理； 会话管理； 公网 GW 和Serving GW 选择； 安全认证。
E-UTRAN	Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network，演进的通用陆地无线接入网络。LTE的接入网由多个eNB组成，eNB之间通过光纤相连，叫做X2接口。
EPC	Evolved Packet Core，EPC主要由MME（移动性管理实体），SGW（服务网关）和PGW（分组数据网关）组成。多个EPC的集合称为EPS。EPC和eUTRAN间的接口是S1，由于用户面和控制面的分离，S1接口也可分为用户面接口S1-U和控制面接口S1-MME。
S-GW	Serving Gateway ，用户面接入服务网关，相当于传统SGSN的用户面功能： 会话管理； 路由选择和数据转发； Qos控制； 计费； 即，服务能否进行，优先级如何，都是由S-GW来确定
P-GW	PDN Gateway，分组数据网关。是运营商网络和互联网的网关，功能类似传统中的GGSN，主要功能包括 分组包深度检查 IP地址分配； 会话管理； 路由选择和数据转发； PCRF的选择； Qos控制； 非3GPP接入； 基于业务的计费。 P-GW有两个目的，一是非3GPP网络接入LTE核心网，二是LTE核心网数据和互联网的网关。

几者之间的关系：简单地，SAE、E-UTRA、E-UTRAN、EPC和EPS的关系可表示为：

LTE = E-UTRAN

E-UTRAN = UE + eNB

E-UTRA = E-UTRAN - Network

EPC = HSS + MME + SGW + PGW + PCRF

EPS = E-UTRAN + EPC