LTE知識點梳理：網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及協(xié)議修改

1、目錄LTE知識點梳理一：LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及協(xié)議21.1 移動通信系統(tǒng)的開展21.2 LTE概述21.2.1 LTE的主要技術(shù)特點21.2.2 LTE設(shè)計目標(biāo)31.3 LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)31.3.1 E-UTRAN接入網(wǎng)41.3.2 EPC核心網(wǎng)51.3.3 LTE網(wǎng)絡(luò)特點61.4 LTE無線接口協(xié)議棧61.4.1 LTE協(xié)議棧的三層61.4.2 LTE協(xié)議棧的兩個面：71.4.3 協(xié)議棧架構(gòu)81.5網(wǎng)絡(luò)接口8LTE知識點梳理一：LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及協(xié)議1.1 移動通信系統(tǒng)的開展在學(xué)習(xí)LTE技術(shù)之前，我們需要簡單了解一下移動通信系統(tǒng)的開展過程， 第一代移動通信技術(shù)1G是指采用蜂窩技術(shù)組網(wǎng)、僅支持模擬語音通

2、信的移動 標(biāo)準(zhǔn)，其制定于上世紀(jì) 80 年代，主要采用的是模擬技術(shù)和頻分多址技術(shù)。第二代移動通信技術(shù)2G區(qū)別于第一代，使用了數(shù)字傳輸取代模擬傳輸，根據(jù)其特點主要分為兩大類，分別是起源于歐洲基于TDMA的GSM系統(tǒng)和起源于美國基于CDMA技術(shù)的IS95系統(tǒng)。在技術(shù)的不斷推進(jìn)下，又出現(xiàn)了以GPRS、CDMA20001X為特征的2G升級版2.5G，它的業(yè)務(wù)包括了語音業(yè)務(wù)、低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。第三代移動通信技術(shù)3G的最大特點是在數(shù)據(jù)傳輸中使用分組交取代了電路交換，電路交換使 與 之間進(jìn)行語音等數(shù)據(jù)傳輸，而分組交換那么將語音等轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式并通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行包括語音、視頻和其他多媒體內(nèi)容在內(nèi)的數(shù)據(jù)包傳輸。高度數(shù)據(jù)

3、業(yè)務(wù)那么是3G的主要特征，它能夠在全球范圍內(nèi)更好地實現(xiàn)無線漫游，并處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁瀏覽、 會議、電子商務(wù)等多種信息效勞。但是，隨著社會的開展，2/3G 網(wǎng)絡(luò)語音收入下降，網(wǎng)絡(luò)本錢高。營運商需要在吸引用戶、增加收入的同時，大幅度降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和營運本錢。 話費賺錢時代結(jié)束，流量經(jīng)營正成為核心。LTE 通過提升帶寬，開掘新業(yè)務(wù)來彌補語音業(yè)務(wù)的下降；降低每 bit 本錢來控制網(wǎng)絡(luò)本錢。 而LTE 能帶來更加流暢和便利的移動業(yè)務(wù)，大寬帶確保了用戶體驗。下面將給大家介紹4G LTE技術(shù)。1.2 LTE概述LTE是Long Term Evolution的縮寫，全稱應(yīng)為3GP

4、P Long Term Evolution，中文一般譯為3GPP長期演進(jìn)技術(shù)，為第三代合作伙伴方案3GPP標(biāo)準(zhǔn)。3GPP 發(fā)布的第一個LTE版本為R8版本，實際為 3.9G ，并不是真正意義上的4G技術(shù)，而是3G向4G技術(shù)開展過程中的一個過渡技術(shù)，是被稱為3.9G的全球化標(biāo)準(zhǔn)，它通過采用OFDM正交頻分復(fù)用和MIMO多輸入多輸出作為無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)，改良并且增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù)。這些技術(shù)的運用，使其能獲得更高的峰值速率。對于LTE技術(shù)的研究歷來已久，我國的LTE工程是基于3G時代的TD-SCDMA技術(shù)和WCDMA技術(shù)開展起來的，那么，其對應(yīng)的也將開展成為TD-LTE和FD-LTE技術(shù)。后

5、續(xù)的 R9/R10 版本為 LTE Advanced 才是實際的 4G 網(wǎng)絡(luò)。1.2.1 LTE的主要技術(shù)特點LTE有如下主要技術(shù)特點：1實現(xiàn)靈活的頻譜帶寬配置，支持1.25-20MHz的可變帶寬；2采用OFDM，MIMO等先進(jìn)技術(shù)支持更高的用戶傳輸速率，20M帶寬時，實現(xiàn)下行峰值速率100Mbps和上行峰值速率50Mbps；3頻譜利用率是HSPA高速分組接入，是WCDMA的其中一種標(biāo)準(zhǔn)的2-4倍，用戶平均吞吐量吞吐量指上下行流量是HSPA的2-4倍；4提高小區(qū)邊緣傳輸速率，改善用戶在小區(qū)邊緣的業(yè)務(wù)體驗，增強(qiáng)3GPP LTE系統(tǒng)的覆蓋性能；5用戶面延遲小于5ms，控制面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移

6、時間低于50ms,UE從待機(jī)狀態(tài)到開始傳輸數(shù)據(jù)，時延不超過100ms；6降低建網(wǎng)本錢，實現(xiàn)低本錢演進(jìn)；7取消電路交換CS域，CS域業(yè)務(wù)在PS域?qū)崿F(xiàn)，語音局部由VOIP實現(xiàn)；注：CS域是電路承載域，走語音的，PS域是數(shù)據(jù)域，走的是IP，用于 上網(wǎng)8強(qiáng)調(diào)兼容性，支持已有的3G系統(tǒng)，也支持與非3GPP標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的協(xié)同運作。LTE在技術(shù)開展方面，表現(xiàn)出了很大的先進(jìn)性，LTE的關(guān)鍵技術(shù)主要包括OFDM技術(shù)、MIMO技術(shù)和高階調(diào)制技術(shù)等，在后面的學(xué)習(xí)中會詳細(xì)介紹。通過對這些技術(shù)的運用，LTE不僅能提升用戶對于移動的體驗，而且能夠為運營商們帶來更加巨大的技術(shù)方面的優(yōu)勢和本錢上的優(yōu)勢。1.2.2 LTE設(shè)計目標(biāo)

7、無論是 FD-LTE 還是 TD-LTE，其根本需求和架構(gòu)均大致相同，采用的關(guān)鍵技術(shù)也根本相同，所不同的是雙工方式，一個是時分的，一個是頻分的。目前幾乎所有的廠家都采用同一個平臺設(shè)計。LTE 要到達(dá)的目標(biāo)已經(jīng)大大高于目前 UMTS 所能實現(xiàn)的各項指標(biāo)， TD-LTE 實現(xiàn)的主要目標(biāo)如下 ：1采用OFDM，MIMO等先進(jìn)技術(shù)支持更高的用戶傳輸速率；下行最大速率可達(dá)100Mbps，上行最大速率可達(dá)50Mbps；2支持1.4MHz/3.0MHz/5MHz/10MHz/15MHz/20MHz共6種可變帶寬；3只有PS域，沒有CS域 ；4更小的TTI子幀捆綁滿足用戶面和控制面的時延；共享信道支持在多個用

8、戶間同時傳輸數(shù)據(jù)；用戶面延遲小于5ms，控制面延遲小于100ms；5下行頻譜效率可達(dá)HSDPA的34倍；上行頻譜效率可達(dá) HSUPA 的23倍；6提高小區(qū)邊緣的用戶吞吐量 ；1.3 LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)LTE是由以下三個主要組件：l 用戶設(shè)備 (UE).l 地面無線接入網(wǎng) (E-UTRAN)：由e-NodeB組成l 分組核心演進(jìn) (EPC簡稱核心網(wǎng)): 由MME，S-GW，P-GW組成LTE的網(wǎng)絡(luò)接口包括：l X2接口：e-NodeB之間的接口，支持?jǐn)?shù)據(jù)和信令的直接傳輸；l S1接口：連接e-NodeB與核心網(wǎng)EPC的接口；l S1-MME：e-NodeB連接MME的控制面接口；l S1-U：

9、60; e-NodeB連接S-GW 的用戶面接口。LTE總的體系結(jié)構(gòu)如下所示。1.3.1 E-UTRAN接入網(wǎng)E-UTRAN接入網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)如下所示：E-UTRAN主要由eNB構(gòu)成。同UTRAN3G的接入網(wǎng)名稱，由eNodeB和RNC組成網(wǎng)絡(luò)相比，eNB不僅具有NodeB的功能，還能完成RNC的大局部功能。eNodeB和eNodeB之間采用X2接口方式直接互連，eNB通過S1接口連接到EPC。具體地講，eNB通過S1-MME連接到MME，通過S1-U連接到S-GW。E-UTRAN主要功能包括：無線資源管理、無線承載控制、無線許可控制，上行和下行資源動態(tài)分配/調(diào)度簡而言之就是對用戶使用

10、資源的管理、調(diào)度和分配； 根據(jù)用戶QoS簽約信息，進(jìn)行上行和下行的承載級別的速率調(diào)整，對承載級別的準(zhǔn)入控制UE及接入網(wǎng)絡(luò)，會與eNB及EPC建立相應(yīng)的承載；尋呼消息的調(diào)度與傳輸；系統(tǒng)播送消息的調(diào)度與傳輸。在3GPP LTE與LTE-A的標(biāo)準(zhǔn)中，用eNB來代表基站，與用戶UE對應(yīng)。eNB是LTE(4G)中UE和演進(jìn)后的核心網(wǎng)EPC之間的橋梁，eNB之間通過X2接口進(jìn)行連接，它是E-UTRAN側(cè)的S1接入點。eNB的主要功能如下：1無線資源管理RRMRRM指是在有限帶寬的條件下，為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無線用戶終端提供業(yè)務(wù)質(zhì)量保障，其根本出發(fā)點是在網(wǎng)絡(luò)話務(wù)量分布不均勻、信道特性因信道衰弱和干擾而起伏變化等情況下，

11、靈活分配和動態(tài)調(diào)整無線傳輸局部和網(wǎng)絡(luò)的可用資源，最大程度地提高無線頻譜利用率，防止網(wǎng)絡(luò)擁塞和保持盡可能小的信令負(fù)荷；2用戶數(shù)據(jù)流IP頭壓縮和加密；3UE附著時MME選擇功能附著即UE在網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行注冊；4用戶面數(shù)據(jù)向Serving GW的路由功能；數(shù)據(jù)是從UE首先發(fā)送到eNB，eNB再將數(shù)據(jù)路由給核心網(wǎng)的Serving GW5尋呼消息的調(diào)度和發(fā)送功能；6播送消息的調(diào)度和發(fā)送功能；播送消息即系統(tǒng)消息包括MIB和SIB，后面會詳細(xì)介紹7用于移動性和調(diào)度的測量和測量報告配置功能。UE在移動過程中，會發(fā)生切換，那么切換之前UE需要完成一些測量工作，而測量什么內(nèi)容即測量報告的配置那么由eNB完成，并下發(fā)給

12、UE；1.3.2 EPC核心網(wǎng)隨著移動寬帶網(wǎng)絡(luò)向LTE演進(jìn)，在LTE的演進(jìn)和運營中，如何才能實現(xiàn)2G和3G網(wǎng)絡(luò)向LTE的平滑演進(jìn)，如何實現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和新建網(wǎng)絡(luò)的互通，如何向用戶提供一致的業(yè)務(wù)，成為運營商的焦點。正是在此需求下，3GPP在關(guān)注無線接入網(wǎng)演進(jìn)的同時，也開展了分組核心網(wǎng)構(gòu)架的演進(jìn)工程，并將其定義為EPC。作為與LTE同步開展的技術(shù)，EPC的構(gòu)架更加符合未來移動通信網(wǎng)絡(luò)的開展需要，能夠在提升網(wǎng)絡(luò)性能的同時，滿足用戶日益增長的業(yè)務(wù)需求，從而進(jìn)一步提升運營商的競爭力。EPC核心網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如下所示核心網(wǎng)各網(wǎng)元的作用：MMEMobility Management Enti

13、ty，移動管理設(shè)備：l 尋呼消息分發(fā)l 平安控制l 空閑狀態(tài)下的移動性管理UE分為空閑態(tài)和連接態(tài)2種，連接態(tài)的移動性管理那么由eNB完成l SAE承載控制UE在附著后會與網(wǎng)絡(luò)建立相應(yīng)承載，SAE承載是建立在UE和PGW之間的承載，由無線承載UE與eNB之間的承載、S1承載以及S5/S8承載組成l 非接入層NAS信令的加密和完整性保護(hù)S-GW (Signaling Gateway，效勞網(wǎng)關(guān))：l 支持UE的移動性切換用戶面數(shù)據(jù)的功能；l E-UTRAN空閑模式下行分組數(shù)據(jù)緩存和尋呼支持；l 數(shù)據(jù)包路由和轉(zhuǎn)發(fā)；l 上下行傳輸層數(shù)據(jù)包標(biāo)記。 P-GWPacket data networks

14、 gateway，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)：l 路由選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，P-GW應(yīng)具有將從上一個節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給路由中下一個節(jié)點的功能l 合法監(jiān)聽；l 用戶的包過濾；l IP地址分配，用戶UE的IP地址是由PGW來分配的；1.3.3 LTE網(wǎng)絡(luò)特點與傳統(tǒng)3G網(wǎng)絡(luò)比擬，LTE的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加簡單扁平，降低組網(wǎng)本錢，增加組網(wǎng)靈活性，主要特點表現(xiàn)在：1網(wǎng)絡(luò)扁平化使得系統(tǒng)延時減少，從而改善用戶體驗，可開展更多業(yè)務(wù)；2網(wǎng)元數(shù)目減少，E-UTRAN只有一種節(jié)點網(wǎng)元E-Node B，使得網(wǎng)絡(luò)部署更為簡單，網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)更加容易；3取消了RNC的集中控制，防止單點故障，有利于提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性；4業(yè)務(wù)平面與控制平面完全別離化；U

15、EE-Node BSGWPGW這是用戶面，UEE-Node BMME這是控制面5全I(xiàn)P化。1.4 LTE無線接口協(xié)議棧無線接口是指終端和接入網(wǎng)之間的接口，簡稱Uu接口，通常我們也稱為空中接口。無線接口協(xié)議主要是用來建立、重配置和釋放各種無線承載業(yè)務(wù)的。LTE技術(shù)中，無線接口是終端和eNB之間的接口。無線接口是一個完全開放的接口，只要遵守接口的標(biāo)準(zhǔn)，不同制造商生產(chǎn)的設(shè)備就能夠互相通信。 無線接口協(xié)議棧主要分三層兩面，三層主要包括了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，兩面是指控制平面和用戶平面。 1.4.1 LTE協(xié)議棧的三層三層主要包括了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，層一為物理層，層二為數(shù)據(jù)鏈路層，層三為

16、網(wǎng)絡(luò)層，如下列圖所示：其中數(shù)據(jù)鏈路層主要被分為3個子層，包括媒體接入控制MAC、無線鏈路控制RLC、和分組數(shù)據(jù)會聚協(xié)議PDCP3個子層。數(shù)據(jù)鏈路層同時位于控制平面和用戶平面：在控制平面負(fù)責(zé)無線承載信令的傳輸、加密和完整性保護(hù)；在用戶平面主要負(fù)責(zé)用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸和加密。網(wǎng)絡(luò)層是指無線資源控制RRC層，位于接入網(wǎng)的控制平面，負(fù)責(zé)完成接入網(wǎng)和終端之間交互的所有信令處理。1.4.2 LTE協(xié)議棧的兩個面：1用戶面協(xié)議棧：負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)傳輸用戶面的主要功能：頭壓縮、加密、調(diào)度、ARQ/HARQ快速重傳，其協(xié)議層結(jié)構(gòu)如下列圖所示： 用戶平面用于執(zhí)行無線接入承載業(yè)務(wù)，主要負(fù)責(zé)用戶發(fā)送和接收的所有信息的處理。

17、用戶平面協(xié)議棧主要由MAC、RLC、PDCP三個子層組成。PDCP主要任務(wù)是頭壓縮，用戶數(shù)據(jù)加密；MAC子層實現(xiàn)與數(shù)據(jù)處理相關(guān)的功能，包括信道管理與映射、數(shù)據(jù)包的封裝與解封裝、HARQ功能、數(shù)據(jù)調(diào)度、邏輯信道的優(yōu)先級管理等；RLC實現(xiàn)的功能包括數(shù)據(jù)包的封裝與解封裝、ARQ過程、數(shù)據(jù)的重排序和重復(fù)檢測、協(xié)議錯誤檢測和恢復(fù)等。RLC有三種模式：AM(確認(rèn)模式)、UM(非確認(rèn)模式)、TM(透明模式)。2控制面協(xié)議棧：負(fù)責(zé)系統(tǒng)信令傳輸控制平面負(fù)責(zé)用戶無線資源的管理、無線連接的建立、業(yè)務(wù)的QoS保證和最終的資源釋放?？刂破矫鎱f(xié)議主要包括非接入層NAS)、無線資源控制子層RRC、分組數(shù)據(jù)會聚子層PDCP、

18、無線鏈路控制子層RLC、媒體接入控制子層MAC?？刂破矫娴闹饕δ苡缮蠈拥腞RC層和非接入子層實現(xiàn)NAS。l NAS控制協(xié)議實體位于終端UE和移動管理實體MME中，主要負(fù)責(zé)非接入層的管理和控制，實現(xiàn)的功能包括：EPC承載管理、鑒權(quán)、產(chǎn)生LTE-IDLE狀態(tài)下的尋呼消息、移動性管理、平安控制等。l RRC協(xié)議實體位于UE和eNode B網(wǎng)絡(luò)實體內(nèi)，主要負(fù)責(zé)接入層的管理和控制，實現(xiàn)的功能包括：系統(tǒng)消息播送，尋呼建立、管理、釋放，RRC鏈接管理，無線承載、管理，移動性管理，終端的測量和測量上報控制。l RLC和MAC層功能與用戶面中的功能一致；l PDCP層完成加密和完整性保護(hù)；1.4.3 協(xié)議棧架

19、構(gòu)LTE協(xié)議棧架構(gòu)如下列圖所示，圖中紅線代表數(shù)據(jù)流，綠線代表信令流。1.5網(wǎng)絡(luò)接口 LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如下所示，我們不僅要了解架構(gòu)中各個網(wǎng)元的作用，還要了解各個網(wǎng)元之間的接口。各個網(wǎng)元接口和功能如下表所示：接口名稱連接網(wǎng)元接口功能描述主要協(xié)議S1-MMEeNodeB - MME用于傳送會話管理(SM)和移動性管理(MM)信息，即信令面或控制面信息S1-APS1-UeNodeB - SGW在GW與eNodeB設(shè)備間建立隧道，傳送用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，即用戶面數(shù)據(jù)GTP-UX2-CeNodeB - eNodeB基站間控制面信息X2-APX2-UeNodeB - eNodeB基站間用戶面信息GTP-US3SG

20、SN - MME在MME和SGSN設(shè)備間建立隧道，傳送控制面信息GTPV2-CS4SGSN SGW在S-GW和SGSN設(shè)備間建立隧道，傳送用戶面數(shù)據(jù)和控制面信息GTPV2-CGTP-US5SGW PGW在GW設(shè)備間建立隧道，傳送用戶面數(shù)據(jù)和控制面信息設(shè)備內(nèi)部接口GTPV2-CGTP-US6aMME HSS完成用戶位置信息的交換和用戶簽約信息的管理，傳送控制面信息DiameterS8SGW PGW漫游時，歸屬網(wǎng)絡(luò)PGW和拜訪網(wǎng)絡(luò)SGW之間的接口，傳送控制面和用戶面數(shù)據(jù)GTPV2-CGTP-US9PCRF-PCRF控制面接口，傳送QoS規(guī)那么和計費相關(guān)的信息DiameterS10MME - MME在MME設(shè)備間建立隧道，傳送信令，組成MME Pool，傳送控制面數(shù)據(jù)GTPV2-CS11MME SGW在MME和GW設(shè)備間建立隧道，傳送控制面數(shù)據(jù)GTP