《LTE技术》课件第2章 LTE体系结构.pptx

1、主要内容LTE网络架构及特点1接入网接口与协议栈22.1 LTE网络架构及特点 LTE是长期演进的无线通信系统，为了满足3GPP对LTE性能指标的要求，LTE网络在很多方面需要演进。其中对组网能力和系统性能影响最大的演进就是系统架构的变化，简称系统架构演进（System Architecture Evolution，SAE）。在3GPP协议中，SAE侧重于核心网架构的演进，核心网的系统架构还有一个名称为演进型分组核心网（Evolved Packet Core，EPC）。而无线接入网架构的演进通常用LTE表示，LTE无线接入网部分的另外一个专业名称为演进型通用陆地无线接入网(Evolved Un

2、iversal Terrestrial Radio Access Network,E-UTRAN)。由于不同制式的无线网络最具特色的地方都表现在无线接入网侧，因此通常用LTE代称整个4G网络。2.1.1 LTELTE网络架构网络架构相对于以往的无线制式，LTE/SAE组网架构的变迁可以归纳为：l扁平化l分组化lIP化l多制式融合化l控制面与用户面的分离。扁平化 根据3GPP对4G网络低时延的要求，LTE无线接入网系统架构采用扁平化设计，无线接入网中只有一种网元，即演进型NodeB（Evovled NodeB，eNodeB），取消了3G无线接入网中的无线网络控制器（Radio Network C

3、ontroller，RNC）。这就使得基站的功能必须大大增强，很多传统RNC的工作都转移到了eNodeB。扁平化的网络结构使无线接入网节点数量减少，降低了用户平面的时延。同时简化了控制平面从睡眠状态到激活状态的过程，减少了状态迁移的时间。分组化 分组化的另一种说法就是取消电路域（CS域），只保留分组域（PS域）。从而减少相应的网元、简化网络架构，也为网络的IP化奠定基础。但是LTE网络并不是取消语音业务。目前LTE网络的语音业务有三种解决方案：电路交换回落(Circuit Switched Fallback，CSFB)，有语音业务接入时，终端联网回落至3G或2G,语音结束时重回LTE，这也是目

4、前4G网络中语音业务主流解决方案；VoLTE(Voice over LTE)，即语音IP化，语音业务完全由PS域承载，目前只有部分4G终端支持该功能；SGLTE(Simultaneous GSM and LTE)，即PS域驻留在LTE网络，CS域驻留在3G或2G。全网IP化 LTE网络中各网元之间全部使用IP传输，IP化使得网络中数据传输更加简单高效灵活，但是IP协议提供的是尽力而为的服务，缺乏QoS保证，这就使得网络需要通过其他办法满足通信网络对可靠性和稳定性的要求。LTE全网IP化的关键点就是端到端的QoS保障机制。多制式融合化 LTE的核心网支持多种无线制式接入，不仅需要支持UMTS网络

5、的接入，还要支持其他非3GPP网络的接入，如GSM、CDMA、WLAN等，真正实现网络的开放性与包容性，从而实现不同无线制式在LTE网络平台上的融合。控制面与用户面分离 LTE在核心网的演进过程中实现了控制面与用户面的完全分离，也就是控制面与用户面完全由不同的网络实体完成，从而进一步提高核心网的业务处理效率，降低系统时延。LTELTE网络架构网络架构LTELTE网络架构网络架构 系统架构包括演进后的核心网EPC和演进后的接入网E-UTRAN两部分。E-UTRAN无线接入网只有一种设备eNodeB，演进型分组核心网EPC从功能角度可以分为控制面网元、用户面网元、用户数据管理网元、策略和计费控制网

6、元等。LTE网络通过EPC连接到外部Internet网络。LTE无线侧E-UTRAN系统架构E-UTRAN取消RNC节点，目的是简化网络架构和降低延时。E-UTRAN结构中包含了若干个eNodeB，eNodeB之间底层采用IP传输，在逻辑上通过X2接口互相连接，通过S1接口连接到演进分组核心网EPC。这样的设计主要用于支持UE在整个网络内的移动性，保证用户的无缝切换。eNodeB功能无线资源管理相关的功能寻呼消息的调度与传输IP头压缩与用户数据流的加密系统广播消息的调度与传输UE附着时的MME选择测量与测量报告的配置提供到S-GW的用户面数据路由射频处理、信道编码、调制与解调核心网侧网元LTE

7、的核心网EPC从功能角度，主要有以下几类网元：l移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）l服务网关（Serving-Gateway，S-GW）lPDN网关（PDN-Gateway，P-GW）l归属签约用户服务器（Home Subscriber Server，HSS）l策略和计费控制功能网元（Policy and Charging Rules Function，PCRF）MME主要功能 MME属于控制面网元，主要负责信令处理及移动性管理、用户上下文和移动状态管理、分配用户临时身份标识等。非接入层信令的加密与完整性保护在向2G/3G接入系统切换过程中SGSN的

8、选择跟踪区域(Tracking Area)列表的管理鉴权、漫游控制P-GW和S-GW的选择承载管理跨MME切换时对于MME的选择核心网络节点之间的移动性管理S-GW主要功能 S-GW属于用户面网元，作为面向eNodeB终结S1-U接口的网关，负责数据处理。eNodeB间切换的本地锚点间切换的本地锚点合法侦听以及数据包的路由和转发合法侦听以及数据包的路由和转发在在3GPP不同接入系统间切换时的移动性锚点不同接入系统间切换时的移动性锚点 上行链路与下行链路的相关计费等P-GW主要功能 P-GW也属于用户面网元，其中PDN是Packet Data Network的缩写，泛指移动终端访问的外部网络。P

9、-GW是UE连接外部IP网络的网关，是EPS和外部分组数据网络间的边界路由器，一个终端可以同时通过多个P-GW访问多个PDN。S-GW和P-GW接受MME的控制，承载用户面数据。分组数据包路由和转发分组数据包路由和转发接入外部接入外部PDN的网关功能的网关功能UE IP地址分配地址分配基于用户的包过滤、合法侦听计费和计费和QoS策略执行功能，基于业务的计费功能策略执行功能，基于业务的计费功能 在上行链路中进行数据包传送级标记上下行服务等级计费以及服务水平门限的控制上下行服务等级计费以及服务水平门限的控制基于业务的上下行速率的控制等 HSS主要功能 HSS为服务数据管理网元，存储用户签约信息的数

10、据库。类似于传统无线网络中的归属位置寄存器（Home Location Register，HLR）。运营商作为营利组织，哪些人允许访问网络，这些签约信息都保存在HSS中。存储用户相关的信息存储用户相关的信息签约数据管理和鉴权，如用户接入网络类型限制、计费信息管理等签约数据管理和鉴权，如用户接入网络类型限制、计费信息管理等与不同域和子系统中的呼叫控制和会话管理实体互通等与不同域和子系统中的呼叫控制和会话管理实体互通等PCRF主要功能 PCRF为策略控制网元，主要用于服务质量的策略控制和计费控制。用户的签约数据管理功能、用户、计费策略用户的签约数据管理功能、用户、计费策略控制功能控制功能QOS、网

11、络安全性功能、网络安全性功能事件触发条件定制、业务优先级化与冲突处事件触发条件定制、业务优先级化与冲突处理功能理功能还可用于对无限量包月的滥用者限制带宽、保证高端用户的流量带宽、保证高质量业务的服务质量、动态配置计费策略，完成内容计费2.1.22.1.2接入网和核心网的功能划分接入网和核心网的功能划分 与3G系统相比，由于LTE网络重新定义了系统网络架构，核心网与接入网之间的功能划分也随之有所变化。针对LTE的系统架构，接入网与核心网之间的功能划分如图所示。2.1.3 LTE2.1.3 LTE网络标识网络标识 LTE初学者在刚接触LTE网络时会遇到许多的终端标识，包括应用协议标识、小区标识以及

12、核心网标识，由于无线网络中各种标识繁多且缩写较多，使得大家很容易产生迷惑和不解，本小节主要介绍LTE网络中最为常见的一些标识。国际移动用户识别码（International Mobile Subscriber Identity，IMSI）IMSI是国际上为唯一识别一个移动用户所分配的号码。储存在SIM卡中，由十进制数组成，总长度不能超过15位，其结构如下：IMSI=MCC+MNC+MSIN 可见IMSI编号由以下3部分组成。移动国家码（Mobile Country Code，MCC）MCC由3个十进制数组成，是移动用户所属国家代号，中国的MCC规定为460。移动网络码（Mobile Netwo

13、rk Code，MNC）MNC用于识别移动用户所归属的移动通信网，由2个或3个十进制数组成，中国移动的移动网络码为00。移动用户识别码（Mobile Subscriber Identification Number，MSIN）MSIN由10个十进制数组成，移动用户识别码用以识别某一移动通信网中的移动用户。国际移动设备识别码（International Mobile Equipment Identity，IMEI）IMEI俗称手机串号、手机序列号，用于在移动通信网络中识别每一部独立的手机设备，相当于手机设备的身份证号码，可在手机的拨号盘输入“*#06#”查询本手机的IMEI号。全球唯一临时UE标

14、识（Globally Unique Temporary UE Identity，GUTI）GUTI 由MME分配，储存在UE和MME中。可在EPC系统中给用户提供一个唯一的临时标识，用来保护用户的永久标识。这样可以减少IMSI、IMEI等用户私有参数暴露在网络传输中，从而避免在无线接口上频繁传递IMSI而泄漏用户的隐私。短格式临时移动用户标识（SAE Temporary Mobile Station Identifier，S-TMSI）S-TMSI是GUTI的一种缩短格式，以保证能够对无线信令进行更有效的处理（如寻呼及服务请求）。S-TMSI由MMEC和M-TMSI组成，用于对用户进行寻呼。S

15、-TMSI用来保证无线信令流程更加有效，如寻呼和业务请求流程。核心网中UE的标识 下面用表格简要列出核心网中UE的标识。用户标识用户标识名称名称来源来源作用作用IMSIInternational Mobile Subscriber IdentitySIM卡UE在首次Attach时需要携带IMSI信息，网络也可以通过身份识别流程要求UE上报IMSI参数。IMEIInternational Mobile Equipment Identity终端国际移动台设备标识，用来唯一标识UE设备。S-TMSISAE Temporary Mobile Station IdentifierMME产生并维护SAE临

16、时移动标识，由MME分配，用于NAS交互中保护用户的IMSIGUTIGlobally Unique Temporary UE IdentityMME产生并维护全球唯一临时标识，在网络中唯一标识UE，可以减少IMSI、IMEI等用户私有参数暴露在网络中传输。2.2 2.2 接入网接口与协议栈接入网接口与协议栈 我们在理解了LTE网络的主要网元之后，还需要思考一个问题，那就是这些网元之间如何通信。网元之间的通信要通过标准化的接口进行。接口是指不同网元之间的信息交互方式，接口协议（Interface protocol）指的是需要进行信息交换的接口间需要遵从的通信方式和要求，接口协议的架构即为协议栈。

17、根据网络中接口所处位置的不同分为空中接口和地面接口，相应的协议也分为空中接口协议与地面接口协议。空中接口是无线制式最具个性的地方，不同无线制式之间空中接口的最底层（物理层）的技术实现差别巨大。接下来主要介绍LTE终端和网络的空中接口Uu、基站之间的X2接口、基站与核心网之间的S1接口，以及这几种LTE接口的协议栈结构。LTE空中接口是UE和eNodeB的LTE-Uu接口，地面接口主要是eNodeB之间的X2接口，以及eNodeB和EPC之间的S1接口。2.2 2.2 接入网接口与协议栈接入网接口与协议栈2.2.1 S12.2.1 S1和和X2X2接口接口2.2.1 S12.2.1 S1和和X2

18、X2接口接口整个LTE网络的接口可以分为三种：控制面接口：S1-MME（eNodeB-MME）、S10（MME-MME）、S11（MME-SGW）、S6a（MME-HSS）、Gx（PGW-PCRF）、Gxc（SGW-PCRF）。用户面接口：S1-U（eNodeB-SGW）。既是控制面又是用户面的接口：Uu（UE-eNodeB）、X2（eNodeB-eNodeB）、S5（SGW-PGW）、SGi（PGW-PDN）。1.S11.S1接口接口 S1接口位于eNodeB与EPC之间，由于用户面与控制面的分离，S1接口分为控制面接口S1-C（eNodeB-MME）与用户面接口S1-U（eNodeB-SG

19、W）。（1）S1接口用户面协议栈 S1接口用户面提供eNodeB与S-GW之间用户数据传输功能。S1接口用户面协议栈结构如图所示，S1-UP的传输网络层基于IP传输，UDP/IP协议之上采用GPRS用户平面隧道协议来传输S-GW与eNodeB之间的用户平面PDU。GTP-U UDP IP 数据链路层 用户平面 PDU 物理层 （2）S1接口控制面协议栈 S1接口控制面用于传递eNodeB与MME之间的信令消息或者UE与MME之间的非接入层信令消息。S1接口控制面协议栈结构如图2-6所示。与用户面类似，控制面也是基于IP传输的，和用户面不同的是，为了支持信令消息的可靠传输，在IP层之上添加了流控

20、制传输协议，为无线网络层信令消息提供可靠的传输。2 2X2X2接口接口 X2接口是e-NodeB之间的接口，支持数据和信令的直接传输。e-NodeB之间通过X2接口互相连接，形成了网状网络。这是LTE相对传统移动通信网的重大变化，产生这种变化的原因在于网络结构中没有了RNC，原有的树型分支结构被扁平化，使得基站承担更多的无线资源管理任务，需要更多地和相邻基站直接对话，从而保证用户在整个网络中的无缝切换。X2接口的定义采用了与S1接口一致的原则，X2接口的用户平面协议结构与控制平面协议结构均与S1接口类似。X2接口为用户面的业务数据提供基于IP协议的不可靠连接，而为控制面的信令传送提供基于IP的

21、可靠连接。（1）X2接口用户面协议栈 X2-UP的协议栈结构如图所示，可见X2接口用户面协议栈与S1接口基本一致，以便降低架构的复杂性，并有利于S1接口与X2接口上业务流管理的一致性。X2-UP的传输网络层基于IP传输，UDP/IP协议之上采用GTP-U来传输eNodeB之间的用户面PDU。（2）X2接口控制面协议栈 X2接口控制面的主要功能：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。对各eNodeB之间的资源状态、负荷状态进行监测，用于eNodeB之间的负载均衡、负荷控制以及准入控制的判断依据。X2连接的建立、复位、eNodeB配置更新等接口

22、管理工作也由X2接口控制面负责。3典型业务流程上行业务流（1）上行业务流 首先，UE有数据包上行时，数据包上标记UE的地址作为源地址，目的地的互联网服务器地址作为目的地址，传送给基站eNB。然后基站将数据包封装到GTP 隧道作为可以传输的GTP包，每个包的源地址也会被替换为基站的地址，而目的地址则被换为将要到达的S-GW。同时，每个数据包也会标记所在传输隧道的隧道标识。当包到达S-GW时，源和目的地址被分别换成S-GW和P-GW的地址，同时传输的隧道也由S1 GTP 隧道变成了S5 GTP隧道，当然隧道ID也会随之变化。最后，当包到达P-GW时，P-GW将GTP数据包拆开，查看其真正的目的地址

23、，将包送到互联网上。一个数据包从终端到互联网的上传就完成了。（2）下行业务流 下行业务流与上行相反，经过P-GW、S-GW、eNB时会对数据包打包，在eNB处解封装，最后把数据包传输给UE。2.2.22.2.2无线协议结构无线协议结构 无线协议结构描述的是空中接口协议，空中接口是指终端与接入网之间的接口。在LTE网络中是UE与eNB之间的接口，称为Uu接口，其中大写字母U表示“用户网络接口”（User to Network Interface），小写字母u表示“通用的”（universal）。空中接口协议主要是用来建立、重配置和释放各种无线承载业务的。空中接口是完全开放的接口，只要遵守接口协议

24、，不同制造商生产的设备都能够互相通信，完全开放的接口有利于不同设备商之间设备的兼容。1.空口控制面协议栈 NAS：Non-access stratum，非接入层。NAS 信令指的是UE与核心网之间的直传信令消息。RRC:Radio Resource Control，即无线资源控制。RRC处理UE与E-UTRAN之间的所有信令，包括UE与核心网间的信令。PDCP：Packet Data Convergence Protocol,分组数据汇聚协议。PDCP负责完成控制面的加密与完整性保护等功能。RLC：Radio Link Control，无线链路层控制协议。为用户和控制数据提供分段和重传业务。M

25、AC：Medium Access Control,即媒体访问控制，主要功能是信道映射与复用、纠错与调度等。PHY:Physical，物理层。2.空口用户面协议栈用户面PDCP、RLC、MAC在网络侧均终止于eNodeB，主要实现头压缩、加密、调度、ARQ和HARQ功能。本章小结本章小结 LTE采用扁平化的网络架构，取消无线网络控制器RNC，只保留基站节点；核心网实行承载与业务分离的策略；承载网络全IP化，包括语音业务。LTE接入网部分只有一种网元eNodeB，核心网网元包括MME、S-GW、P-GW等。IMSI是国际上为唯一识别一个移动用户的号码，储存在SIM卡中，相当于一个移动用户的身份证号

26、。IMEI用于在移动通信网络中识别每一部独立的手机设备，相当于手机设备的身份证号。GUTI可在EPC系统中给用户提供一个唯一的临时标识，用来保护用户的永久标识。这样可以减少IMSI、IMEI等用户私有参数暴露在网络传输中。GUTI由MME分配，储存在UE和MME中。LTE空中接口是UE和eNodeB的LTE-Uu接口，地面接口主要是eNodeB之间的X2接口，以及eNodeB和EPC之间的S1接口。课后习题课后习题 1.目前LTE网络的语音业务有哪几种解决方案。2.LTE组网架构相对于以往无线制式，有哪些方面的变化。3.画出LTE网络系统架构图，并标明主要接口。4.LTE网络有哪些主要网元，简述其网元功能。5.LTE扁平化的网络结构有什么好处。6.画出LTE空中接口控制面协议栈结构。谢谢观看 安徽邮电职业技术学院安徽邮电职业技术学院