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从LTE的UE、eNB和EPC角度看LTE协议栈如下图 NAS 非接入层NAS协议UE和MME之间的控制面协议eNB对NAS协议直接转发。NAS协议支持UE的移动性和会话管理程序建立和保持UE和PDN GW之间的IP连接。
RRC 无线资源控制子层的主要服务和功能包括广播的系统信息相关的非接入层NAS的广播系统信息寻呼RRC连接的建立维护和释放之间的接入层AS的相关UE和E-UTRAN安全功能包括密钥管理建立配置维护和释放无线承载点对点。 广播NAS层和AS层的系统消息寻呼功能RRC连接建立、保持和释放端到端无线承载的建立、修改和释放移动性管理包括UE测量报告、小区切换、UE小区选择和重选等。RRC层协议终止于eNode B。
PDCP LTE系统PDCP协议层的主要目的是发送或接收对等PDCP实体的分组数据。该子层主要完成以下几方面的功能IP包头压缩与解压缩、数据与信令的加密以及信令的完整性保护。下图给出了PDCP层用户平面与控制平面的主要功能模型。 在控制平面加密和完整性保护是必选功能而在用户平面可靠头压缩ROHC为必选功能数据加密为可选功能这里的数据既可以是用户数据也可以是应用层信令如SIP、RTCP等。
RLC 负责分段与连接、纠错、重传处理、及对高层数据的顺序传输。 RLC提出了三种模式透明模式Transparent ModeTM、非确认模式Unacknowledged ModeUM和确认模式Acknowledged ModeAM。
AM模式典型用于TCP的业务如文件传输这类业务主要关心数据的无措传输UM模式用于高层提供数据的顺序传送但是不重传丢失的PDU典型用于如Voip业务这类业务最主要关心传送时延TM模式则仅仅用于特殊的目的如随机接入。
MAC 负责逻辑信道和传输信道之间的映射对逻辑信道根据QoS来进行调度和分配优先级处理HARQ重传与上下行调度。
PHY 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。 二、三层两面 协议栈横向看分三层物理层L1、数据链路层L2和网络层L3。纵向看分两面用户面和控制面。用户面负责业务数据的传送和处理控制面负责协调和控制信令的传送和处理。 在层一不区分用户面和控制面在层二数据功能处理开始区分用户面和控制面在层三用户面和控制面则由不同的功能实体完成。 1、三层
LTE接口协议的三层物理层层一L1PHY)、数据链路层层二L2DLL、网络层层三L3NL。如下图 1.1、L1层功能
L1层负责信道编码、调制解调、天线映射等。不区分用户面和控制面。
1.2、L2层功能
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。在接受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 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。
1.3、L3层功能
用户面层三没有定义自己的协议直接使用IP协议栈。
控制面层三包括两部分RRCRadio Resource Control无线资源控制和NASNon Access Stratum非接入层。
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。
寻呼Paging消息是eUTRAN用来寻找或通知一个或多个UE主要携带的内容包括拟寻呼UE的标识、发起寻呼的核心网标识、系统消息是否有改变的指示。UE划分成多个寻呼组在空闲状态时并不是始终检测是否有呼叫进入而是采用DRX方式只有在特定时刻接收寻呼信息。可避免寻呼消息过多减少UE功耗。 2、两面 用户面和控制面的划分实际上是基于逻辑的角度用户面负责业务数据的传送和处理控制面负责协调和控制信令的传送和处理。用户面LTE协议整体层次图
控制面LTE协议整体层次图
在这两个图上我们看到很多接口下面我们就来讲述接口。
三、接口
1、空中接口Uu
所谓空中接口是指UE和eNB之间的接口走的是无线传输。
LTE和UMTS空口协议栈是有所区别的对比如下图 两者都是三层两面结构主要区别在于以下两点PDCP分组数据汇聚协议和BMCBroadcast Multicast Control广播组播功能。 UMTS架构中并没有完全实现分组化控制面信令并不通过PDCP处理用户面数据也分CS域和PS域只有PS域数据才通过PDCP处理。而在LTE架构中没有CS域包括控制面信令在内的一切数据流都通过PDCP处理。 UMTS中的BMC实体在LTE被MBMSMultimedia Broadcast Multicast Service,多媒体广播多播业务功能代替了。 2、地面接口
地面接口指eNB之间、eNB和EPC之间的接口都是光纤的。
2.1、同级接口——X2
以往的制式中基站间没有直接接口UMTS只建立了RNC之间的Iur接口。LTE取消了RNC网元基站之间的接口为X2功能上继承并加强了Iur接口。
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接口的用户面是在切换时eNodeB之间转发业务数据的接口是一个IP化的接口。它在不可靠的UDP/IP之上利用了GTP-UGPRS用户平面隧道协议来传送用户分组数据单元其协议栈结构如图 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。 2.2、上下级接口——S1
S1用户面接口位于eNodeB和SGW之间。此接口和X2用户面接口架构一致。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。 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。 3、LTE和UMTS接口协议栈的比较
1功能简化降低系统复杂度
LTE MAC层实体个数减少很多减少了信道传输个数。通过这些功能实体的简化降低了系统设计和参数配置的复杂度。LTE减少了UE的状态如图所示在eNodeB中仅存在2种RRC状态RRC_IDLE空闲状态、RRC_CONNECTED连接状态。 LTE删除了其他状态简化了状态迁移管理的复杂度降低了状态迁移所用的时间。
在AGW网元中LTE的UE状态将UTMS中的RRC状态和PMM核心网PS域移动性管理状态合并为一个状态集包含RRC_IDLE空闲、RRC_ACTIVE激活状态和RRC_DETACHED分离状态三种。UE的的上下文必须区分这3种状态如图所示 在eNodeB中RRC_CONNECTED对应着aGW中的RRC_ACTIVE状态无需保留RRC_DETACHED状态。这样处于RRC_DETACHED分离状态的UE在核心网属于“在线online”状态而在无线接入网侧则并不占用任何无线资源。
LTE要与WCDMA、GSM等进行系统间互操作所以LTE系统也设计了LTE-RRC状态和其他系统的RRC状态间的相互转移途径。
之所以可以减少UE连接状态的个数是因为LTE使用共享信道来承载用户的控制信令和业务数据取消了3G物理层中的专用信道。共享信道使多个用户共享空口资源不需要区分LTE连接状态的细节可根据需要动态调整连接状态的资源。
2功能位移实现位置下降
取消RNC网元将其功能下移到eNodeB。PDCP功能也完全下移到了eNodeB上核心网不再提供PDCP实体。由于PDCP下移SGW的功能基本成为简单的路由器方便了LTE和其他分组网络在核心网侧的融合。
3功能增强替换实现方案。
MBMS代替了UMTS的BMC层以及公共业务信道CTCH
四、LTE运行过程
1、上行传输 首先UE发出一个包时包上面会打上UE的地址作为源地址要去的因特网上的服务器的地址作为目的地址传送给基站eNB然后基站给包封装到GTP 隧道里可以传输的GTP包每个包的源地址会被换成基站的地址
而目的地址则是被换成将要到达的Serving Gateway然后每个包也会包含他们所在传输隧道的隧道IDUL S1-TEID。当包到达Serving Gateway时源目地址被分别换成了Serving Gateway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后这时P-GW讲GTP解开查看其真正的目的地址然后将包送到互联网上。这样子就完成了一个数据包从终端的互联网的上传。
2、下行传输 下行的情况与上行的情况正好相反经过P-GWS-GWeNB时会对数据包打包在eNB处会解封装然后直接把数据包传输给UE。
