2.1　LTE系统架构

下面从系统结构及网元、无线协议栈和协议接口三个方面介绍LTE的系统结构。

2.1.1　系统结构及网元

无线通信网络从2G、3G发展到4G，整个移动网络的结构也发生了一系列演进。在4G阶段，主要采用了演进分组系统（Evolved Packet System，EPS）的网络架构。EPS是3GPP制定的3G UMTS演进标准，主要包括LTE（Long Term Evolution）和系统结构演进（System Architecture Evolution，SAE）。

整个EPS系统由演进分组核心网（Evolved Packet Core-network，EPC）、演进型NodeB（eNodeB）和用户终端设备（User Equipment，UE）三部分组成。其中，EPC负责核心网的数据交互，EPC的信令处理部分称为移动管理实体（Mobile Management Entity，MME）；数据处理部分称为业务网关（Service Gate Way，S-GW）和PDN网关（Packet Data Network Gate Way，P-GW）；eNodeB构成了无线接入网部分，也称E-UTRAN；UE指的是用户终端设备。EPS结构如图2-1所示。

LTE接入网部分（E-UTRAN）在3G网络架构基础上进行了优化，采用了更加扁平化的架构，不再包含RNC实体，仅包含eNodeB实体。LTE网络中摒弃了传统的电路域交换，完全采用分组交换，实现了全IP化。

在协议接口方面，新的LTE架构中没有原有的Iu、Iub以及Iur接口，取而代之的是新接口S1和X2。eNobeB之间由X2接口互连，每个eNodeB又通过S1接口和EPC相连。S1接口的用户面终止在业务网关S-GW，S1接口的控制面终止在移动管理实体（MME）。控制面和用户面的另一端终止在eNodeB。接下来介绍EPS结构中的各网元基本功能。

1. eNodeB

LTE中的eNodeB除了具有原来NodeB的功能之外，还承担了3G网络中RNC的大部分功能，包括物理层功能、媒体接入控制（Media Access Control，MAC）功能（包括HARQ）、无线链路控制（Radio Link Control，RLC）功能、分组数据控制协议（Packet Data Control Protocol，PDCP）功能、无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）功能、调度、无线接入许可控制、移动性管理以及小区间的无线资源管理功能等。具体功能如下：

（1）无线资源管理功能：无线承载控制、接纳控制、移动性控制、上下行链路的动态资源分配等。

（2）IP包头压缩和用户数据流的加密。

（3）当UE无法获取到MME的路由信息时，选择UE附着的MME。

（4）路由用户面数据到S-GW。

（5）调度和传输从MME发出的寻呼消息、广播信息以及地震和海啸预警系统（Earthquake and Tsunami Warning System，ETWS）消息。

（6）移动性和调度管理的测量报告和测量上报的配置。

2. MME

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、切换等控制信令的处理。MME的功能与S-GW网关功能是分离的，这种控制平面和用户平面分离的架构有助于灵活进行网络部署、单一技术的演进以及网络扩容。MME的具体功能如下：

（1）非接入层（Non Access Stratum，NAS）信令及其安全。

（2）接入层（Access Stratum，AS）安全控制。

（3）网间移动信令管理。

（4）Idle状态UE可达（包括寻呼信号重传的控制和执行）。

（5）跟踪区列表管理。

（6）P-GW和S-GW的选择。

（7）切换中的MME选择。

（8）切换到2G或其他网络时的SGSN选择。

（9）漫游、鉴权。

（10）建立专用承载时的承载管理功能。

（11）支持地震和海啸预警系统信号传输。

3. S-GW

S-GW主要负责在eNodeB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和基于用户的计费等。具体功能如下：

（1）eNodeB间切换时，作为本地的移动性锚点。

（2）3GPP系统间切换的移动性锚点。

（3）E-UTRAN在空闲状态下，下行包缓冲功能和网络触发业务请求过程的初始化。

（4）合法侦听。

（5）数据包路由和前转。

（6）上下行传输层包标记。

（7）运营商间的计费，基于用户和QCI（QoS Class Identifier）颗粒度的统计。

（8）分别以UE、PDN（Packet Data Network）、QCI为单位的上下行计费。

4. P-GW

分组数据网关P-GW作为数据承载的锚点，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。具体如下：

（1）基于用户的包过滤（例如借助深度包探测方法）。

（2）合法侦听。

（3）UE的IP地址分配。

（4）对下行传输层的包进行标记。

（5）上下行业务计费、门控和速率控制。

（6）基于聚合最大比特速率（Aggregated Maximum Bit Rate，AMBR）的下行速率控制。

2.1.2　无线协议栈

E-UTRAN的协议栈分层图如图2-2所示。在图2-2中，Layer1是物理层（PHY），负责从MAC传输信道通过空中接口的所有信息传递。Layer2由MAC层、RLC层和PDCP层共同组成，其中MAC层负责逻辑信道和传输信道间的映射，RLC层负责转移上层的PDU，PDCP层负责对IP数据报头压缩和解压等。Layer3由非接入层（NAS）和RRC两部分构成，NAS协议形成用户设备（UE）和MME之间的控制平面，支持UE的移动性和会话管理程序，建立和保持UE和P-GW之间的IP连接。RRC层主要负责广播系统信息、寻呼、RRC连接的建立、维护和释放。

LTE的无线协议栈架构可以分解为控制面和用户面两部分，用户面协议层主要负责用户数据传输，控制面协议层主要负责系统信令传输，如图2-3所示。

在用户面，应用程序创建各种数据包协议，如TCP、UDP和IP协议，而在控制面中，主要传递的是基站和用户之间的各种信令消息。用户面协议栈结构如图2-4所示。用户面协议栈的PDCP、RLC、MAC在网络侧均终止于eNodeB，主要实现包头压缩、加密、调度、ARQ和HARQ功能。

分组数据控制协议（PDCP）对IP包头进行压缩，可以减小空口上传输的比特数量。PDCP还负责控制平面的加密、传输数据的完整性保护以及针对切换的按序发送和副本删除。在接收端，PDCP协议执行相应的解密和解压缩操作。

无线链路控制（RLC）协议负责分割和级联、重传检测和将数据序列传送到更高层。RLC以无线承载的形式向PDCP提供服务。

媒体接入控制（MAC）协议控制逻辑信道的复用、混合ARQ重传、提供基于QoS（Quality of Service）的流量和用户信令的调度。

物理层协议（PHY）负责管理编解码、调制解调、多天线的映射等功能。物理层以传输信道形式为MAC层提供服务。MAC以控制信道的形式为RLC提供服务。

控制面协议栈结构如图2-5所示。控制面协议栈主要包括NAS、RRC、PDCP、RLC、MAC、PHY。其中，PDCP层提供加密和完整性保护功能，RLC及MAC层在网络侧终止于eNodeB，在用户面和控制面执行功能没有区别。RRC层协议终止于eNodeB，主要实现广播、寻呼、RRC连接管理、无线承载（Radio Bearer，RB）控制、移动性功能管理、UE的测量上报和控制功能。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。PDCP在网络侧终止于eNodeB，需要完成控制面的加密、完整性保护等功能。

2.1.3　协议接口

与2G/3G系统相比，S1接口和X2接口是两个全新的接口。S1接口是eNodeB和EPC之间的接口，包括控制面和用户面。X2接口是eNodeB之间相互通信的接口，也包括控制面和用户面两部分。

1. S1接口

S1接口包括两部分：控制面S1-MME（eNodeB和MME之间）接口和用户面S1-U（eNodeB和S-GW之间）接口。图2-6和图2-7分别为S1-MME和S1-U接口的协议栈结构。

S1控制面接口位于e-NodeB和MME之间，传输网络层利用IP传输，这一点类似于用户面；为了可靠地传输信令消息，在IP层之上添加了SCTP（Stream Control Transmission Protocol，流控制传输协议）；应用层的信令协议为S1-AP。S1用户面接口位于e-NodeB和S-GW之间，S1-U的传输网络层基于IP传输，UDP/IP之上的GTP-U用来传输S-GW与eNodeB之间的用户面PDU。

S1接口支持的功能包括：

（1）SAE承载服务管理功能（包括SAE承载建立、修改和释放）。

（2）S1接口UE上下文释放功能。

（3）RRC连接状态下UE的移动性管理功能（包括LTE系统内切换和系统间切换）。

（4）S1接口的寻呼。

（5）NAS信令传输。

（6）S1接口管理（包括复位、错误指示以及过载指示等）。

（7）网络共享。

（8）漫游区域限制支持。

（9）NAS节点选择。

（10）初始上下文建立过程等。

2. X2接口

X2接口定义为各个eNodeB之间的接口，用于eNodeB之间互相交换小区信息，它包含X2-CP（控制面）和X2-UP（用户面）两部分。X2-CP是各个eNodeB之间的控制面接口，X2-UP是各个eNodeB之间的用户面接口。X2接口的定义采用了与S1接口一致的原则，因此，其用户面协议栈结构与控制面协议栈结构均与S1接口类似。图2-8和图2-9为X2-CP和X2-UP接口的协议栈结构。X2接口的用户面提供eNodeB之间的用户数据传输功能，其传输网络层基于IP传输，UDP/IP协议之上采用GTP-U来传输。X2接口的控制面协议栈在IP层的上面采用了SCTP（流控制传输协议），为信令提供可靠的传输。

在X2间交互的信息主要有两大类：与负载和干扰相关的信息以及与切换相关的信息。X2接口的主要功能包括：

（1）移动性管理，包括切换资源的分配、SN（Sequence Number）状态的迁移、UE上下文的释放。

（2）负载管理，用于eNodeB之间互相传递负载信息和资源状态。

（3）错误指示，用于指示eNodeB之间在交互过程出现的一些未定义的错误。

（4）复位，用于对eNodeB之间的X2接口进行复位。

X2-CP接口的信令过程包括切换准备、切换取消、UE上下文释放、错误指示、负载管理等。如图2-10所示，小区间负载管理通过X2接口实现，体现负载管理的LOAD INDICATOR消息，用作eNodeB间的负载状态通信。