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  • [LTE] LTE基本架构

    万次阅读 多人点赞 2017-12-07 15:13:44
    这篇文章主要介绍LTE的最基础的架构包括LTE网络的构成,每一个网络实体的作用以及LTE网络协议栈,最后还包括对一个LTE数据流的模型的说明。LTE网络参考模型

    这篇文章主要介绍LTE的最基础的架构,包括LTE网络的构成,每一个网络实体的作用以及LTE网络协议栈,最后还包括对一个LTE数据流的模型的说明。

    LTE网络参考模型

    这是摘自Netmanias的图
    这是一张非常有名的LTE架构图,从图中可以看出,整个网络构架被分为了四个部分,包括由中间两个框框起来的E-UTRAN部分和EPC部分,还有位于两边的UE和PDN两部分。
    在日常生活中,UE就可以看作是我们的手机终端,而PDN可以看作是网络上的服务器,E-UTRAN可以看作是遍布城市的各个基站(可以是大的铁塔基站,也可以是室内悬挂的只有路由器大小的小基站),而EPC可以看作是运营商(中国移动/中国联通/中国电信)的核心网服务器,核心网包括很多服务器,有处理信令的,有处理数据的,还有处理计费策略的等等。
    下面详细地介绍每一个组件的名称与作用

    UE

    全称是User Equipment,用户设备,就是指用户的手机,或者是其他可以利用LTE上网的设备。

    eNB

    是eNodeB的简写,它为用户提供空中接口(air interface),用户设备可以通过无线连接到eNB,也就是我们常说的基站,然后基站再通过有线连接到运营商的核心网。在这里注意,我们所说的无线通信,仅仅只是手机和基站这一段是无线的,其他部分例如基站与核心网的连接,基站与基站之间互相的连接,核心网中各设备的连接全部都是有线连接的。一台基站(eNB)要接受很多台UE的接入,所以eNB要负责管理UE,包括资源分配,调度,管理接入策略等等。

    MME

    是Mobility Management Entity的缩写,是核心网中最重要的实体之一,提供以下的功能:

    • NAS 信令传输
    • 用户鉴权与漫游管理(S6a)
    • 移动性管理
    • EPS承载管理

    在这里所述的功能中,NAS信令指的是三层信令,包含EMM, ESM 和NAS 安全。然后移动性管理的话主要有寻呼,TAI管理和切换。承载的话主要是EPS 承载(bearer)的建立,修改,销毁等。

    S-GW

    是Serving Gateway 的缩写,主要负责切换中数据业务的传输。

    P-GW

    是PDN Gateway的缩写,其中PDN是Packet Data Network 的缩写,通俗地讲,可以理解为互联网,这是整个LTE架构与互联网的接口处,所以UE如果想访问互联网就必须途径P-GW实体,从另外一方面说,如果想通过P-GW而访问互联网的话,必须要有IP地址,所以P-GW负责了UE的IP地址的分配工作,同时提供IP路由和转发的功能。此外,为了使互联网的各种业务能够分配给不同的承载,P-GW提供针对每一个SDF和每一个用户的包过滤功能。(也就是说在P-GW处,进出的每一个包属于哪个级别的SDF和哪一个用户都已经被匹配好了。这里的SDF是服务数据流Service Data Flow的缩写,意思就是P-GW能区分每一个用户的不同服务的数据包,从而映射到不同的承载上去。以后会有关于SDF的更详细的说明)。此外,P-GW还有其他的一些功能,比如根据用户和服务进行不同的计费和不同的策略,这部分对于每个运营商都会有差异,在此不做多的赘述。

    HSS

    是Home Subscriber Server的缩写,归属用户服务器,这是存在与核心网中的一个数据库服务器,里面存放着所有属于该核心网的用户的数据信息。当用户连接到MME的时候,用户提交的资料会和HSS数据服务器中的资料进行比对来进行鉴权。

    PCRF

    是Policy and Charging Rules Function的缩写,策略与计费规则,它会根据不同的服务制定不同的PCC计费策略。

    SPR

    是Subscriber Profile Repository的缩写,用户档案库。这个实体为PCRF提供用户的信息,然后PCRF根据其提供的信息来指定相应的规则。(这个我也不是很明白其具体内容)

    OCS

    是Online Charging System 的缩写,在线计费系统,顾名思义,应该是个用户使用服务的计费的系统

    OFCS

    是Offline Charging System 的缩写,离线计费系统,对计费的记录进行保存。

    上面介绍完了图中所有的实体的名称以及作用,其实真实的核心网中远远不止这些实体,还有很多,鉴于我也不是很懂,在此就不多说了。

    然后下面针对图中主要的几个接口说说

    LTE-Uu

    LTE-Uu接口是位于终端与基站之间的空中接口。在这中间,终端会跟基站建立信令连接与数据连接,信令连接叫做RRC Connection,相应的信令在SRB上进行传输,(这里,SRB有三类,分别是SRB0, SRB1和SRB2,SRB可以理解为是传输信令的管道),而数据的连接是逻辑信道,相关的数据在DRB上传输。这两个连接是终端与网络进行通信所必不可少的。

    X2(控制面)

    X2是两个基站之间的接口,利用X2接口,基站间可以实现SON功能(Self Organizing Network),比如PCI的冲突检测等。

    S1(控制面)

    S1是基站与MME之间的接口,相关NAS信令的传输都必须建立在S1连接建立的基础上。

    X2(用户面)

    X2用户面的接口是建立在GTP-U协议的基础上,连接两个基站,传输基站间的数据。(X2 handover等)

    S1(用户面)

    S1用户面的接口是建立在GTP-U协议的基础上,连接基站与MME,传输基站与MME之间的数据。(S1 handover,上网的数据流等)

    剩下的接口在我个人的工作中没有接触,不是很了解,这里就不多说了。

    LTE协议栈

    说协议栈,就得分开从两方面来讲,分别是用户面与控制面。
    先从用户面开始说起

    LTE User Plane Protocol Stack

    上图是用户面的协议栈,下面详细地介绍每一个层(主要功能)

    LTE-Uu 接口

    PDCP

    PDCP协议针对传输地数据包执行以下的操作:

    • 数据包头压缩(ROHC)
    • AS层的安全(包括加密与完整性检验)
    • 包的重排序和重传

    RLC

    RLC层针对传输地数据包执行以下的操作:

    • 在发送端,提供数据包的分段与串联
    • 在接收端,提供透明,确认模式与非确认模式三种模式
    • RLC层也执行对RLC PDU的重排序与重传

    MAC

    MAC层对从高层传来的MAC PDU和从底层传来的包做以下的处理:

    • 在物理层和RLC层之间提供逻辑信道的连接
    • 逻辑信道的复用与解复用
    • 对逻辑信道根据QoS来进行调度和分配优先级

    S1-U/S5/X2 接口

    GTP-U

    GTP-U协议主要是用来转发用户的IP数据包,GTP-U协议还有个特点,只要GTP-U连接建立后传输数据,那么在数据结束之后总会有END Marker来标志着数据流的结束。

    下面是控制面的协议栈

    LTE协议控制面

    上面是关于控制面的总图,包含了LTE-Uu,S1-MME,S11等接口的,由于本人业务限制,对其他的不了解,就只简单地介绍下面几个

    LTE-Uu接口

    NAS

    提供移动性管理和承载管理,比如说eNB的信息的更新,或者MME的配置信息的更新会触发Configuration Update信令的下发或者上载,然后E-RAB的建立,修改,销毁都是属于NAS管理的范围之内。

    RRC

    RRC协议支持传输NAS信令, 同时也提供对于无线资源的管理

    • 广播系统消息,例如MIB,SIB1,SIB2 ……
    • RRC连接的建立,重建立,重配置和释放
    • 无线承载(RB)的建立,修改与释放。

    X2 接口

    X2AP

    X2AP协议支持无线网(E-UTRAN)中的UE移动性管理和SON功能。比如通过X2AP的数据转发(在X2 Handover的时候的数据转发),SN status的转发(Handover时),或者时eNB之间的资源状态消息交换等。

    S1-MME

    S1AP

    S1AP协议如前所述,是S1 连接建立的时候用来传输信令的协议,该协议负责S1接口的管理,E-RAB的管理,还有NAS信令的传输,以及UE上下文的管理。

    一个简单的例子

    这里通过一个简单的例子来全盘地看一下LTE系统是怎么样运转地。

    首先是从终端到Internet的方向传输,也就是我们通常所说的“上行传输”
    上行传输

    上面这个例子记述了包从UE是怎么一步一步地通过LTE系统传输到Internet的。
    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ID:UL 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。

    下面看一下下行的传输

    下行传输

    下行的情况与上行的情况正好相反,经过P-GW,S-GW,eNB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。

    <本文中部分内容与图片来自Netmanias 文档,特此声明!>

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  • LTE安全架构

    2018-04-24 10:42:55
    LTE安全架构,描述了LTE系统安全架构体系,主要包括密钥推演、加密完保以及认证算法等。
  • LTE基本架构

    2018-08-08 15:06:38
    这是一张非常有名的LTE架构图,从图中可以看出,整个网络构架被分为了四个部分,包括由中间两个框框起来的E-UTRAN部分和EPC部分,还有位于两边的UE和PDN两部分。 在日常生活中,UE就可以看作是我们的手机终端,而PDN...

    这篇文章主要介绍LTE的最基础的架构,包括LTE网络的构成,每一个网络实体的作用以及LTE网络协议栈,最后还包括对一个LTE数据流的模型的说明。

    LTE网络参考模型

    这是摘自Netmanias的图
    这是一张非常有名的LTE架构图,从图中可以看出,整个网络构架被分为了四个部分,包括由中间两个框框起来的E-UTRAN部分和EPC部分,还有位于两边的UE和PDN两部分。
    在日常生活中,UE就可以看作是我们的手机终端,而PDN可以看作是网络上的服务器,E-UTRAN可以看作是遍布城市的各个基站(可以是大的铁塔基站,也可以是室内悬挂的只有路由器大小的小基站),而EPC可以看作是运营商(中国移动/中国联通/中国电信)的核心网服务器,核心网包括很多服务器,有处理信令的,有处理数据的,还有处理计费策略的等等。
    下面详细地介绍每一个组件的名称与作用

    UE

    全称是User Equipment,用户设备,就是指用户的手机,或者是其他可以利用LTE上网的设备。

    eNB

    是eNodeB的简写,它为用户提供空中接口(air interface),用户设备可以通过无线连接到eNB,也就是我们常说的基站,然后基站再通过有线连接到运营商的核心网。在这里注意,我们所说的无线通信,仅仅只是手机和基站这一段是无线的,其他部分例如基站与核心网的连接,基站与基站之间互相的连接,核心网中各设备的连接全部都是有线连接的。一台基站(eNB)要接受很多台UE的接入,所以eNB要负责管理UE,包括资源分配,调度,管理接入策略等等。

    MME

    是Mobility Management Entity的缩写,是核心网中最重要的实体之一,提供以下的功能:

    • NAS 信令传输
    • 用户鉴权与漫游管理(S6a)
    • 移动性管理
    • EPS承载管理

    在这里所述的功能中,NAS信令指的是三层信令,包含EMM, ESM 和NAS 安全。然后移动性管理的话主要有寻呼,TAI管理和切换。承载的话主要是EPS 承载(bearer)的建立,修改,销毁等。

    S-GW

    是Serving Gateway 的缩写,主要负责切换中数据业务的传输。

    P-GW

    是PDN Gateway的缩写,其中PDN是Packet Data Network 的缩写,通俗地讲,可以理解为互联网,这是整个LTE架构与互联网的接口处,所以UE如果想访问互联网就必须途径P-GW实体,从另外一方面说,如果想通过P-GW而访问互联网的话,必须要有IP地址,所以P-GW负责了UE的IP地址的分配工作,同时提供IP路由和转发的功能。此外,为了使互联网的各种业务能够分配给不同的承载,P-GW提供针对每一个SDF和每一个用户的包过滤功能。(也就是说在P-GW处,进出的每一个包属于哪个级别的SDF和哪一个用户都已经被匹配好了。这里的SDF是服务数据流Service Data Flow的缩写,意思就是P-GW能区分每一个用户的不同服务的数据包,从而映射到不同的承载上去。以后会有关于SDF的更详细的说明)。此外,P-GW还有其他的一些功能,比如根据用户和服务进行不同的计费和不同的策略,这部分对于每个运营商都会有差异,在此不做多的赘述。

    HSS

    是Home Subscriber Server的缩写,归属用户服务器,这是存在与核心网中的一个数据库服务器,里面存放着所有属于该核心网的用户的数据信息。当用户连接到MME的时候,用户提交的资料会和HSS数据服务器中的资料进行比对来进行鉴权。

    PCRF

    是Policy and Charging Rules Function的缩写,策略与计费规则,它会根据不同的服务制定不同的PCC计费策略。

    SPR

    是Subscriber Profile Repository的缩写,用户档案库。这个实体为PCRF提供用户的信息,然后PCRF根据其提供的信息来指定相应的规则。(这个我也不是很明白其具体内容)

    OCS

    是Online Charging System 的缩写,在线计费系统,顾名思义,应该是个用户使用服务的计费的系统

    OFCS

    是Offline Charging System 的缩写,离线计费系统,对计费的记录进行保存。

    上面介绍完了图中所有的实体的名称以及作用,其实真实的核心网中远远不止这些实体,还有很多,鉴于我也不是很懂,在此就不多说了。

    然后下面针对图中主要的几个接口说说

    LTE-Uu

    LTE-Uu接口是位于终端与基站之间的空中接口。在这中间,终端会跟基站建立信令连接与数据连接,信令连接叫做RRC Connection,相应的信令在SRB上进行传输,(这里,SRB有三类,分别是SRB0, SRB1和SRB2,SRB可以理解为是传输信令的管道),而数据的连接是逻辑信道,相关的数据在DRB上传输。这两个连接是终端与网络进行通信所必不可少的。

    X2(控制面)

    X2是两个基站之间的接口,利用X2接口,基站间可以实现SON功能(Self Organizing Network),比如PCI的冲突检测等。

    S1(控制面)

    S1是基站与MME之间的接口,相关NAS信令的传输都必须建立在S1连接建立的基础上。

    X2(用户面)

    X2用户面的接口是建立在GTP-U协议的基础上,连接两个基站,传输基站间的数据。(X2 handover等)

    S1(用户面)

    S1用户面的接口是建立在GTP-U协议的基础上,连接基站与MME,传输基站与MME之间的数据。(S1 handover,上网的数据流等)

    剩下的接口在我个人的工作中没有接触,不是很了解,这里就不多说了。

    LTE协议栈

    说协议栈,就得分开从两方面来讲,分别是用户面与控制面。
    先从用户面开始说起

    LTE User Plane Protocol Stack

    上图是用户面的协议栈,下面详细地介绍每一个层(主要功能)

    LTE-Uu 接口

    PDCP

    PDCP协议针对传输地数据包执行以下的操作:

    • 数据包头压缩(ROHC)
    • AS层的安全(包括加密与完整性检验)
    • 包的重排序和重传

    RLC

    RLC层针对传输地数据包执行以下的操作:

    • 在发送端,提供数据包的分段与串联
    • 在接收端,提供透明,确认模式与非确认模式三种模式
    • RLC层也执行对RLC PDU的重排序与重传

    MAC

    MAC层对从高层传来的MAC PDU和从底层传来的包做以下的处理:

    • 在物理层和RLC层之间提供逻辑信道的连接
    • 逻辑信道的复用与解复用
    • 对逻辑信道根据QoS来进行调度和分配优先级

    S1-U/S5/X2 接口

    GTP-U

    GTP-U协议主要是用来转发用户的IP数据包,GTP-U协议还有个特点,只要GTP-U连接建立后传输数据,那么在数据结束之后总会有END Marker来标志着数据流的结束。

    下面是控制面的协议栈

    LTE协议控制面

    上面是关于控制面的总图,包含了LTE-Uu,S1-MME,S11等接口的,由于本人业务限制,对其他的不了解,就只简单地介绍下面几个

    LTE-Uu接口

    NAS

    提供移动性管理和承载管理,比如说eNB的信息的更新,或者MME的配置信息的更新会触发Configuration Update信令的下发或者上载,然后E-RAB的建立,修改,销毁都是属于NAS管理的范围之内。

    RRC

    RRC协议支持传输NAS信令, 同时也提供对于无线资源的管理

    • 广播系统消息,例如MIB,SIB1,SIB2 ……
    • RRC连接的建立,重建立,重配置和释放
    • 无线承载(RB)的建立,修改与释放。

    X2 接口

    X2AP

    X2AP协议支持无线网(E-UTRAN)中的UE移动性管理和SON功能。比如通过X2AP的数据转发(在X2 Handover的时候的数据转发),SN status的转发(Handover时),或者时eNB之间的资源状态消息交换等。

    S1-MME

    S1AP

    S1AP协议如前所述,是S1 连接建立的时候用来传输信令的协议,该协议负责S1接口的管理,E-RAB的管理,还有NAS信令的传输,以及UE上下文的管理。

    一个简单的例子

    这里通过一个简单的例子来全盘地看一下LTE系统是怎么样运转地。

    首先是从终端到Internet的方向传输,也就是我们通常所说的“上行传输”
    上行传输

    上面这个例子记述了包从UE是怎么一步一步地通过LTE系统传输到Internet的。
    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ID:UL 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。

    下面看一下下行的传输

    下行传输

    下行的情况与上行的情况正好相反,经过P-GW,S-GW,eNB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。

    展开全文
  • LTE网络架构

    千次阅读 2019-09-30 15:26:27
    本文介绍LTE的网络架构包括LTE网络的构成,每一个网络实体的作用。由于LTE是从3G演进而来,因此也会提到与3G的对比和变化。 1、3G网络架构 3G UMTS协议中,组网架构为4层:终端(UE),基站(NodeB),无线网络...

    一、前言

    本文介绍LTE的网络架构,包括LTE网络的构成,每一个网络实体的作用。由于LTE是从3G演进而来,因此也会提到与3G的对比和变化。

    1、3G网络架构

    3G UMTS协议中,组网架构为4层:终端(UE),基站(NodeB),无线网络控制器(RNC),核心网(CN)。RNC位置的网元在2G中称为基站控制器(BSC),RNC直接由Iur接口,不仅仅是基站控制器,还是无线接入网络的控制器。UMTS 4层网络架构如图所示:

     

    二、LTE网络架构

    LTG和3G相比,去掉了RNC,减少了一层,减少了基站与核心网之间信息交互的多节点开销,更加扁平化。如图所示:

    扁平化带来的好处是:

    • 节点数量减小,用户面时延大大缩短
    • 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
    • 降低系统复杂性,减少了接口类型,系统内部相应的交互操作也随之减少

    LTE的网络模型如图所示:

           LTE网络构架被分为四个部分,UE、E-UTRAN、EPC和PDN,即终端、接入网、核心网和公网。UE是我们的手机或CPE,E-UTRAN是遍布城市的各个基站(可以是大的铁塔基站,也可以是室内悬挂的只有路由器大小的小基站),EPC是运营商(中国移动/中国联通/中国电信)的核心网服务器,核心网包括很多服务器,有处理信令的、数据的、计费策略的等等,PDN即公网,如各个网站、游戏、视频的服务器。 
          UE到eNB这一段是无线的,我们称这一段网络叫空中接入网;eNB之间、eNB和EPC之间都是LTE的内部网络,使用光纤相连接;EPC和PDN这一段叫地面网,使用光纤相连接,是LTE与公网的出入口。啥叫地面网?光纤不都是埋地下吗?

    PS:

    • NAS,非接入层信令,是UE和核心网EPC之间使用的信令,虽然途径接入网eUTRAN,但基站不作分析;
    • AS   ,接入层信令,是UE和接入网eUTRAN使用的信令,由基站来处理,核心网看不到。

    下图标注了信令流和数据流的走向。

     

    1、UE

    全称是User Equipment,用户设备,就是指用户的手机,或者是其他可以利用LTE上网的设备如CPE。

    2、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。

    2.1、eNB

           eNodeB的简写,LTE的基站,3G的基站叫NodeB。基站为用户提供空中接口(air interface),用户设备通过无线连接到eNB,然后基站再通过光纤连接到运营商的核心网。

           3G的无线接入网UTRAN由NodeB和RNC两种网元组成,NodeB完成射频处理和基带处理,RNC主要负责控制和协调基站间配合工作,完成系统接入控制、承载控制、移动性管理、无线资源管理等控制功能。eUTRAN去掉RNC网元后,其底层功能分给了eNodeB,高层功能分给了核心网的AGW(接入网关,包括服务网关SGW和分组数据PDN网关PGW)。eNodeB的功能主要是由3G阶段的NodeB、RNC、SGSN、GGSN四个网元的部分功能演化而来。


    eNodeB除了上述功能,还包括与LTE核心网(EPC)进行信息交互的功能,如为UE选择移动性管理实体,选择用户面数据的服务网关的路由等。

    3、EPC

    Evolved Packet Core,演进分组核心网。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。

    3G到LTE,核心网的演进表现在:

    • 取消了CS域,CS域业务承载在PS域,实现了核心网的IP化。语音业务(Voice)在以往无线制式中由CS域承载,在LTE中则完全由PS域承载,即所谓的VoIP(Voice over IP)。
    • 全网IP化,各网元节点之间的接口也都使用IP传输。LTE全网IP化的关键支撑就是端到端的QoS保障机制。
    • LTE/SAE在核心网演进中实现了用户面和控制面的分离,即用户面和控制面功能分别由不同的网元实体完成。可降低系统时延,提升核心网处理效率。

     

    3.1、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;
    • PDN GW 和Serving GW 选择;
    • 安全认证。

     

    3.2、HSS

    Home Subscriber Server,归属用户服务器,它是核心网中的一个数据库服务器,里面存放着所有属于该核心网的用户的数据信息(即在这开户的卡信息)。当用户连接到MME的时候,用户提交的资料会和HSS数据服务器中的资料进行比对来进行鉴权。

    • 用户注册;
    • 终端位置更新;
    • 移动性管理;

    我们的sim卡都有一个开户所在地,你的sim卡的注册鉴权信息都是存在开户所在地的HSS服务器里面。漫游时注册、做业务的区别主要在访问HSS这一块。如下图对比漫游和非漫游,先是非漫游时:

    然后是漫游时:

    3.3、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;

    可以看到,服务能不能做,优先级怎样,都是SGW说了算。

    3.4、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。

    可见设计PGW有两大目的:非3GPP网络(如1X、GSM、CDMA、VoWIFI)接入LTE核心网;LTE核心网数据和互联网的网关。

    3.5、PCRF

    Policy and Charging Rules Function,策略与计费规则服务器,根据用户套餐和业务需求提供数据业务资源管控。

    • 配置PCC计费规则;
    • 执行服务数据流优先级排队冲突解决处理;
    • 支持控制信令的IP sec安全性保护;
    • 向PCEF提供初始默认计费方法;
    • 激活、去激活、修改PCC规则;
    • 策略控制功能;

    3.6、SPR

    Subscriber Profile Repository的缩写,用户档案库。这个实体为PCRF提供用户的信息,然后PCRF根据其提供的信息来指定相应的规则。

    3.7、OCS

    Online Charging System ,在线计费系统,应该是个用户使用服务的计费的系统。

    3.8、OFCS

    Offline Charging System ,离线计费系统,对计费的记录进行保存。

    4、PDN

    Public Data Network,公用数据网络,即互联网。

     

    三、EPC和eNodeB功能划分

    MME主要功能有寻呼、切换、漫游、鉴权,对NAS(非接入层)信令的加密和完整性保护,对AS(接入层)安全性控制、空闲状态移动性控制等。NAS信令是UE和核心网EPC直接联系使用的,接入网eUTRAN(即接入层)不作分析也不直接使用(所以叫非接入层信令);而AS信令是接入网eUTRAN分析并使用的信令。

    SGW(服务网关)是EPC和eUTRAN的一个边界网关,不和其他系统网关如GGSN、PDG直接相连,主要功能是LTE系统内的分组数据路由及转发、合法监听、计费。

    PGW(PDN网关)是和运营商外部或内部的分组网络连接的网关,功能类似UMTS或EDGE中的GGSN,是所有3GPP系统或者非3GPP系统非组网络的统一出口。主要功能包括分组包深度检查、分组数据过滤及筛选、转发、路由选择等。还负责UE的IP地址分配,速率限制、上下行业务级计费等功能。设计PDN网关的目的是为了方便引入LTE系统以外的分组网络,使得多系统引入LTE的接口数目最小化,EPS和外界的接口功能简单化、清晰化,从而使LTE/SAE的核心网真正成为一个多制式融合的平台。

    打个比方:MME是负责流动人口管理的公安部门,SGW是一个负责人员和物资中转地快递公司,PGW则是对人员和物资进行出入境检查的口岸。

     

    四、LTE和2G、3G网络的融合

           LTE核心网支持多网融合,支持包括LTE在内的多种无线接入技术,不仅要支持UMTS网络接入,还支持非3GPP制式的网络接入,如GSM、CDMA、WLAN、WiMAX等网络,实现了不同无线制式在EPC平台上的大融合。EPC和各种无线制式中都设计有标准接口,方便业务使用时在不同制式的无线系统中无缝切换,3G和2G网络分别通过Iu和Gb接口接入SGSN,然后分别使用S3和S4接口接入LTE核心网的SGW和PGW,如图所示:

    • LTE的接入网称为E-UTRAN(Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network)
    • WCDMA/TD-SCDMA的无线接入网称为UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network)
    • GSM和EDGE的无线接入网称为GERAN(GSM EDE Radio Access Network)
    • CDMA的无线接入网称为1xRTT(CDMA 1x Radio Transmission Technology)
    • CDMA2000的无线接入网称为HRPD(CDMA2000 High Rate Packet Data)
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    这篇文章主要介绍LTE的最基础的架构,包括LTE网络的构成,每一个网络实体的作用以及LTE网络协议栈,最后还包括对一个LTE数据流的模型的说明。

    1 LTE网络参考模型

    这是摘自Netmanias的图 
           这是一张非常有名的LTE架构图,从图中可以看出,整个网络构架被分为了四个部分,包括由中间两个框框起来的E-UTRAN部分和EPC部分,还有位于两边的UEPDN两部分。 
           在日常生活中,UE就可以看作是我们的手机终端,而PDN可以看作是网络上的服务器,E-UTRAN可以看作是遍布城市的各个基站(可以是大的铁塔基站,也可以是室内悬挂的只有路由器大小的小基站),而EPC可以看作是运营商(中国移动/中国联通/中国电信)的核心网服务器,核心网包括很多服务器,有处理信令的,有处理数据的,还有处理计费策略的等等。 


    下面详细地介绍每一个组件的名称与作用

    UE

    全称是User Equipment,用户设备,就是指用户的手机,或者是其他可以利用LTE上网的设备。

    eNB

    是eNodeB的简写,它为用户提供空中接口(air interface),用户设备可以通过无线连接到eNB,也就是我们常说的基站,然后基站再通过有线连接到运营商的核心网。在这里注意,我们所说的无线通信,仅仅只是手机和基站这一段是无线的,其他部分例如基站与核心网的连接,基站与基站之间互相的连接,核心网中各设备的连接全部都是有线连接的。一台基站(eNB)要接受很多台UE的接入,所以eNB要负责管理UE,包括资源分配,调度,管理接入策略等等。

    MME

    是Mobility Management Entity的缩写,是核心网中最重要的实体之一,提供以下的功能:

    • NAS 信令传输
    • 用户鉴权与漫游管理(S6a)
    • 移动性管理
    • EPS承载管理

    在这里所述的功能中,NAS信令指的是三层信令,包含EMM, ESM 和NAS 安全。然后移动性管理的话主要有寻呼,TAI管理和切换。承载的话主要是EPS 承载(bearer)的建立,修改,销毁等。

    S-GW

    是Serving Gateway 的缩写,主要负责切换中数据业务的传输。

    P-GW

    是PDN Gateway的缩写,其中PDN是Packet Data Network 的缩写,通俗地讲,可以理解为互联网,这是整个LTE架构与互联网的接口处,所以UE如果想访问互联网就必须途径P-GW实体,从另外一方面说,如果想通过P-GW而访问互联网的话,必须要有IP地址,所以P-GW负责了UE的IP地址的分配工作,同时提供IP路由和转发的功能。此外,为了使互联网的各种业务能够分配给不同的承载,P-GW提供针对每一个SDF和每一个用户的包过滤功能。(也就是说在P-GW处,进出的每一个包属于哪个级别的SDF和哪一个用户都已经被匹配好了。这里的SDF是服务数据流Service Data Flow的缩写,意思就是P-GW能区分每一个用户的不同服务的数据包,从而映射到不同的承载上去。以后会有关于SDF的更详细的说明)。此外,P-GW还有其他的一些功能,比如根据用户和服务进行不同的计费和不同的策略,这部分对于每个运营商都会有差异,在此不做多的赘述。

    HSS

    是Home Subscriber Server的缩写,归属用户服务器,这是存在与核心网中的一个数据库服务器,里面存放着所有属于该核心网的用户的数据信息。当用户连接到MME的时候,用户提交的资料会和HSS数据服务器中的资料进行比对来进行鉴权。

    PCRF

    是Policy and Charging Rules Function的缩写,策略与计费规则,它会根据不同的服务制定不同的PCC计费策略。

    SPR

    是Subscriber Profile Repository的缩写,用户档案库。这个实体为PCRF提供用户的信息,然后PCRF根据其提供的信息来指定相应的规则。(这个我也不是很明白其具体内容)

    OCS

    是Online Charging System 的缩写,在线计费系统,顾名思义,应该是个用户使用服务的计费的系统

    OFCS

    是Offline Charging System 的缩写,离线计费系统,对计费的记录进行保存。

    上面介绍完了图中所有的实体的名称以及作用,其实真实的核心网中远远不止这些实体,还有很多,鉴于我也不是很懂,在此就不多说了。

    然后下面针对图中主要的几个接口说说

    LTE-Uu

    LTE-Uu接口是位于终端与基站之间的空中接口。在这中间,终端会跟基站建立信令连接数据连接信令连接叫做RRC Connection,相应的信令在SRB上进行传输,(这里,SRB有三类,分别是SRB0, SRB1和SRB2,SRB可以理解为是传输信令的管道),而数据的连接是逻辑信道,相关的数据在DRB上传输。这两个连接是终端与网络进行通信所必不可少的。

    X2(控制面)

    X2是两个基站之间的接口,利用X2接口,基站间可以实现SON功能(Self Organizing Network),比如PCI的冲突检测等。

    S1(控制面)

    S1是基站与MME之间的接口,相关NAS信令的传输都必须建立在S1连接建立的基础上。

    X2(用户面)

    X2用户面的接口是建立在GTP-U协议的基础上,连接两个基站,传输基站间的数据。(X2 handover等)

    S1(用户面)

    S1用户面的接口是建立在GTP-U协议的基础上,连接基站与MME,传输基站与MME之间的数据。(S1 handover,上网的数据流等)

    剩下的接口在我个人的工作中没有接触,不是很了解,这里就不多说了。

     

    2 LTE协议栈

    说协议栈,就得分开从两方面来讲,分别是用户面控制面。 


    先从用户面开始说起

    LTE User Plane Protocol Stack

    上图是用户面的协议栈,下面详细地介绍每一个层(主要功能)

    LTE-Uu 接口

    PDCP

    PDCP协议针对传输地数据包执行以下的操作:

    • 数据包头压缩(ROHC)
    • AS层的安全(包括加密与完整性检验)
    • 包的重排序和重传

    RLC

    RLC层针对传输地数据包执行以下的操作:

    • 在发送端,提供数据包的分段与串联
    • 在接收端,提供透明,确认模式与非确认模式三种模式
    • RLC层也执行对RLC PDU的重排序与重传

    MAC

    MAC层对从高层传来的MAC PDU和从底层传来的包做以下的处理:

    • 在物理层和RLC层之间提供逻辑信道的连接
    • 逻辑信道的复用与解复用
    • 对逻辑信道根据QoS来进行调度和分配优先级

    S1-U/S5/X2 接口

    GTP-U

    GTP-U协议主要是用来转发用户的IP数据包,GTP-U协议还有个特点,只要GTP-U连接建立后传输数据,那么在数据结束之后总会有END Marker来标志着数据流的结束。

    下面是控制面的协议栈

    LTE协议控制面

    上面是关于控制面的总图,包含了LTE-Uu,S1-MME,S11等接口的,由于本人业务限制,对其他的不了解,就只简单地介绍下面几个

    LTE-Uu接口

    NAS

    提供移动性管理和承载管理,比如说eNB的信息的更新,或者MME的配置信息的更新会触发Configuration Update信令的下发或者上载,然后E-RAB的建立,修改,销毁都是属于NAS管理的范围之内。

    RRC

    RRC协议支持传输NAS信令, 同时也提供对于无线资源的管理

    • 广播系统消息,例如MIB,SIB1,SIB2 ……
    • RRC连接的建立,重建立,重配置和释放
    • 无线承载(RB)的建立,修改与释放。

    X2 接口

    X2AP

    X2AP协议支持无线网(E-UTRAN)中的UE移动性管理和SON功能。比如通过X2AP的数据转发(在X2 Handover的时候的数据转发),SN status的转发(Handover时),或者时eNB之间的资源状态消息交换等。

    S1-MME

    S1AP

    S1AP协议如前所述,是S1 连接建立的时候用来传输信令的协议,该协议负责S1接口的管理,E-RAB的管理,还有NAS信令的传输,以及UE上下文的管理。

    一个简单的例子

    这里通过一个简单的例子来全盘地看一下LTE系统是怎么样运转地。

    首先是从终端到Internet的方向传输,也就是我们通常所说的“上行传输” 
    上行传输

    上面这个例子记述了包从UE是怎么一步一步地通过LTE系统传输到Internet的。 
    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ID:UL 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。

    下面看一下下行的传输

    下行传输

    下行的情况与上行的情况正好相反,经过P-GW,S-GW,eNB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。

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