LTE培训材料-7LTE接口协议分析.docx

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LTE接口概述

——LTE系统总体架构

EPS通过IP连接是用户通过公共数据网（PDN）接入互联网，以及提供诸如VoIP等业务。

一个EPS承载通常具有一定的QoS。

一个用户可建立多个EPS承载，从而具有不同的QoS等级或连接到不同的PDN。

通过几个承担不同角色的EPS网元可以实现用户的安全性和私密性保护。

整体网络架构如图所示，其包括网元和标准化的接口。

在高层，该网络是由核心网（EPC）和接入网（E-UTRAN）组成的。

核心网由许多逻辑节点组成，而接入网基本上只有一个节点，即与用户终端（UE）相连的eNodeB。

所有网元都通过接口相互连接。

通过对接口的标准化可满足众多供应商产品间的互操作性，从而使运营商可以从不同的供应商获取不同的网元产品。

事实上，运营商可以根据商业考虑在他们的物理实现上选择对逻辑网元进行分裂或合并。

——EPC和E-UTRAN间的功能分布如图所示。

下面对EPC和E-UTRAN的网元进行详细描述

——eNodeB实现的功能

——MME实现的功能

——S-GW实现的功能

——P-GW实现的功能

——E-UTRAN地面接口通用协议模型

E-UTRAN接口的通用协议模型如图所示，适用于E-UTRAN相关的所有接口，即S1和X2接口。

E-UTRAN接口的通用协议模型继承了UMTS系统中UTRAN接口的定义原则，即控制平面与用户平面相分离，无线网络层与传输层相分离。

除了能够保持控制平面和用户平面、无线网络层与传输层技术的独立演进之外，由于具有良好的继承性，这种定义方法带来的另一个好处是能够减少LTE系统接口标准化工作的代价。

——控制面协议栈结构

——用户面协议栈结构

空中接口协议栈分析

无线接口是指终端和接入网之间的接口，简称Uu接口，通常我们也称之为空中接口。

无线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。

LTE技术中，无线接口是终端和eNodeB之间的接口。

无线接口是一个完全开放的接口，只要遵守接口的规范，不同制造商生产的设备就能够互相通信。

无线接口协议栈主要分三层两面，三层包括物理层、数据链路层和网络层，两面是指控制平面和用户平面。

数据链路层被分成3个子层，包括媒体接入控制（MAC，MediumAccessControl）、无线链路控制（RLC，RadioLinkControl）和分组数据汇聚协议（PDCP，PacketDataConveragenceProtocol）3个子层。

数据链路层同时位于控制平面和用户平面：

在控制平面负责无线承载信令的传输、加密和完整性保护；在用户平面负责用户业务数据的传输和加密。

网络层是指无线资源控制（RRC，RadioResourceControl）层，位于接入网的控制平面、负责完成接入网和终端之间交互的所有信令处理。

——无线空中接口协议架构

E-UMTS无线接口协议栈结构水平方向可分为：

NAS控制协议

L3层：

无线资源控制（RRC）层

L2层

媒体接入控制（MAC）子层

无线链路控制（RLC）子层

分组数据集中协议（PDCP）子层

L1层：

物理层、传输信道、传输信道与物理信道的映射

——无线空中接口协议架构

无线接口协议栈垂直方向根据用途分为：

用户平面协议栈

控制平面协议栈

——无线空中接口协议架构-物理层

——物理层主要功能

物理层位于无线接口协议栈最底层，提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能

传输信道的错误检测，并向高层提供指示

传输信道的纠错编码/译码、物理信道调制与解调

HARQ软合并

编码的传输信道向物理信道的映射

物理信道功率加权

频率与时间同步

无线特征测量，并向高层提供指示

MIMO天线处理、传输分集、波束赋形

射频处理

——LTE物理层资源定义

——物理层处理-bit处理

——物理层处理-符号处理

——下行物理信道

——下行物理信号

——下行物理资源分配实例

——上行物理信道

——上行物理信号

——传输层到物理层的映射

——无线空中接口协议架构-MAC

——MAC功能

主要实现与调度和HARQ相关的功能.

与WCDMA相比，LTE的MAC实体的特点：

每个小区只存在一个MAC实体，负责实现MAC相关的全部功能。

逻辑信道与传输信道的映射：

与WCDMA相比，LTE中的逻辑信道与传输信道类型都大大减少，映射关系变得比较简单

——逻辑信道功能

MAC层根据传输的信息类型划分了多种逻辑信道类型，并针对不同的数据类型，提供不同传输服务。

一般逻辑信道分为两大类，即控制信道（负责传输控制平面信息）和业务信道（负责传输用户平面信息）

广播控制信道BCCH:

广播系统控制信息

寻呼控制信道PCCH:

寻呼信息，网络不知道UE位置时使用

公共控制信道CCCH:

UE与网络间传输控制信息，当UE没有和网络的RRC连接时使用该信道

多播控制信道MCCH:

从网络到UE的MBMS调度和控制信息传输使用的点到多点下行信道

专用控制信道DCCH:

专用控制信息的点到点双向信道，UE有RRC连接时使用

专用业务信道DTCH:

双向p2p信道，专用于一个UE传输用户信息

多播业务信道MTCH:

点到多点下行信道

——逻辑信道及映射-下行

LTE的映射交UMTS系统有了很大的简化，上行的逻辑信道传输全部映射在上行共享传输信道上传输；下行的逻辑信道传输中，除PCCH和MBMS逻辑信道有专用的PCH和MCH传输信道外，其他逻辑信道全部都映射到下行共享信道上（BCCH一部分在BCH上传输），具体映射如下

——逻辑信道及映射-上行

——无线空中接口协议架构RLC

——RLC层

——RLC层功能

——RLC层模式

确认模式（AM，AcknowledgementMode）

非确认模式（UM，Un-acknowledgementMode）

透明模式（TM，TransparentMode）

——TM模式

——UM模式

——AM模式

——LTERLC特点

UM模式与TM模式承载的信道较少，功能实现简单

AM模式支持RLCSDU动态分段，现有2G/3G系统只支持固定分段

AM模式支持二次分段，现有2G/3G系统不支持

LTE的RLC不再支持加密功能

LTERLC支持流量控制功能

——RLCPDU结构

——无线空中接口协议架构-PDCP

——PDCP实体

一个UE可以定义多个PDCP实体

每个PDCP实体承载一个RB（Radiobearer）的数据

每个PDCP实体与一个或两个RLC实体关联，取决于RB特征（单向或双向）

一个PDCP实体与控制面还是用户面关联，取决于承载数据的RB特性

SRB（SignalingRadioBearer信令无线承载）->PDCPcontrolPDU

DRB（DataRadioBearer数据无线承载）->PDCPdataPDU

——PDCP子层

PDCP子层用于用户平面的功能包括：

支持压缩解压缩功能，包括ROHC算法；

在PDCP重建立过程中，支持确认RLC模式下逻辑信道向高层进行按需递交，及对底层SDU数据的重复检测；

切换过程中，支持对确认RLC模式的逻辑信道的PDCPSDU的重传；

加密和解密

业务面数据的传输

上行基于定时器的SDU丢弃基址

PDCP子层用于控制平面的功能包括：

加密和完整性保护；

控制平面数据的传输

——LTEPDCP特点

不支持无损重定位

支持加密，WCDMA加密在RLC和MAC（TM模式时）实现

不再需要无损下行RLCPDU大小的改变?

?

?

?

?

?

——PDCP结构

PDCPPDU和PDCP头为整数个字节

PDCP头长度为一个字节或两个字节

——无线空中接口协议架构-RRC

——RRC业务及功能

RRC协议模块功能包括：

系统信息广播（NAS层相关和AS层相关）、寻呼、RRC连接建立/维护/释放、安全功能秘钥管理、无线承载管理、

——移动性管理（包括UE测量上报和控制、切换、UE小区选择和重选、切换时候上下文传输）、MBMS服务通知、MBMS服务承载管理、QoS管理、UE测量报告和控制、NAS直传消息传输。

——RRC协议状态和状态变换

在LTE中，RRC的协议状态从原来UTRAN的5个减少为LTE的2个，即RRC_IDLE和RRC_CONNECTED状态，每个状态的特征如下：

RRC_IDLE:

PLMN选择

NAS对DRX的配置

系统消息广播

寻呼

ENodeB中没有RRC上下文存储

——

RRC_CONNECTED

UE有E-UTRAN-RRC连接

UE在E-UTRAN中有上下文信息

E-UTRAN知道UE属于哪一个小区

网络可以传送或接收到达或来自UE的消息

移动性网络控制（切换，inter-RAT小区变更GERAN和NACC）

——E-UTRAN状态及interRAT移动性过程

——无线空中接口协议架构-NAS层

——NAS控制协议

NAS消息的传输

如果传输块大小允许，初始消息和RRC连接请求链接在一起

当NAS和RRC过程同步时，其他NAS消息可以与RRC消息链接

NAS消息的完整性保护由RRC完成

NAS消息的加密由PDCP完成

NAS的协议状态

LTE_DETACHED

LTE_IDLE

LTE_ACTIVE

——NAS的协议状态-LTE_DETACHED状态

在该状态下，没有RRC实体，通常是刚开机时的状态。

网络侧还没有该用户的RRC通信上下文。

分配给用户的标识只有IMSI。

网络不知道用户的位置信息。

没有上行或者下行的活动。

可以执行PLMN/CELL选择。

——NAS的协议状态-LTE_IDLE状态

UE处于RRC_IDLE状态。

网络侧保存用户的信息，如IP地址、安全相关的信息（密钥等）、用户的能力信息、无线承载等。

状态的跃迁由eNodeB或EPC来决定。

网络侧有该用户的通信上下文，这样可以使得用户能够快速的跃迁到LTE_ACTIVE状态。

分配给该用户的标识信息有IMSI、在跟踪区（TA）中唯一标识一个用户的ID、一个或多个IP地址。

网络知道终端在哪个跟踪区中。

终端被分配了非连续接收的周期，可以根据此周期进行下行的接收。

在这种状态下，终端可以执行小区重选的过程。

——NAS的协议状态-LTE_ACIIVE状态

UE处于RRC_CONNECTED状态。

状态的跃迁由eNodeB或EPC来决定。

网络侧保留UE的RRC通信上下文，包含所有满足通信的必要信息

分配给该用户的标识信息由IMSI、在跟踪区中唯一标识一个用户的ID、在一个小区内唯一标识C-RNTI以及一个或多个IP地址。

网络可以知道UE处于哪个小区。

在上行和下行方向上用户都可以进行非连续发送和接收。

移动性可以通过执行切换过程来达到。

——E-UTRAN协议状态转换

终端开机的时候进入LTE_DETACHED状态。

终端执行注册过程，进入LTE_ACTIVE状态，获得C-RNTI、TA-ID、IP地址等，并通过鉴权过程建立安全方面的联系。

如果没有其他业务，终端释放C-RNTI，获得分配给该用户的用于接收寻呼信道的非连续接收周期后进入LTE_IDLE状态。

当用户有了新的业务需求时，可以通过RRC连接请求（随机接入过程）获得C-RNTI，终端从LTE_IDLE状态跃迁到LTE_ACTIVE状态。

在LTE_ACTIVE状态下，终端移动到无法识别的PLMN区域或者执行了注销过程，用户的C-RNTI、TA-ID、IP地址被回收，终端就进入LTE_DETECHED状态。

对于处于LTE_IDLE状态的用户，如果用户执行周期性的TA更新过程超时，TA-ID和IP地址就会被回收，用户跃迁到LTE_DETECHED状态。

——完整的数据封装过程

S1接口协议栈分析

——S1接口结构

S1功能：

S1UEcontext管理功能

建立释放SAEbearercontext,securitycontext,UES1signallingconnectionID（s）等

SAE承载管理

GTP-U隧道管理

S1信令链路管理

不同LTE之间的切换

Inter-3GPPRAT切换

寻呼功能

网络共享功能

NAS节点选择功能

安全功能

——S1协议栈

S1接口用户平面

S1接口用户平面提供eNodeB与S-GW之间用户数据传输功能。

S1接口用户平面（S1-UP）的协议栈如右图所示，与3GIu接口用户平面协议结构非常类似。

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（GPRSTunnellingProtocolforUserPlane，GTP-U）来传输S-GW与eNodeB之间的用户平面PDU

GTP-U协议利用隧道基址来提供承载用户数据报的业务，GTP包头中的隧道端标识符（TEID）指示该T-PDU所在的隧道。

由于GTP-U协议头的可扩展性，协议头在LTE系统中的改动将很小。

GTP协议消息类型如下：

EchoRequest、EchoResponse：

用于路径管理，检测对端节点是否存活

ErrorIndication：

向对端指示接收数据出错

SupportedExtensionHeadersNotification：

指明由IP地址标识的GTP实体所支持的扩展包头

G-PDU：

使用GTP-U头封装T-PDU，隧道传送用户数据业务

S1用户平面的GTP-U协议具备以下一些主要特点：

GTP-U协议既可以基于IPv4/UDP传输，也可以基于IPv6/UDP进行传输

隧道端点之间的数据通过IP地址和UDP端口号进行路由

UDP头与使用的IP版本无关，两者是独立的

S1用户平面无线网络层协议至少应具备下列功能

在S1接口的目标节点中指示数据分组所属的SAE接入承载

移动性过程中尽量减少数据的丢失

错误处理机制

MBMS支持功能

分组丢失检测机制

S1接口控制平面

S1接口控制平面的协议栈如左图所示，与用户平面类似，控制平面也是基于IP传输的，不同的是控制平面的IP层上面采用的是SCTP，为无线网络层信令消息提供可靠的传输。

如果每个UE对应一个SCTP连接，则SCTP还可以提供寻址UE上下文的功能。

S1接口无线网络层信令协议表示为S1-AP（S1ApplicationProtocol），类似于3GUMTS系统Iu接口的RANAP协议

对于S1控制平面传输网络层来说，为S1控制平面的信令消息提供高可靠性的传输时非常必要的，主要有以下几个方面的因素。

首先，SAE/LTE系统所提供的IP传输网络是一种不可靠的传输网络，必须通过其他协议为控制面信令的传输提供可靠的传输机制

其次，在很多情况下，网元之间（如MME/S-GW与eNodeB之间）连接所使用的IP传输网络可以不属于移动运营商，而是属于其他的网络服务提供商。

这时，IP传输网络的可靠性是很难得到保证的。

最后，由于LTE系统对降低控制平面时延的严格需求，传输网络层相应地应具备足够的可靠性以避免用用层信令出现频繁重传而产生额外控制时延。

因此，基于以上考虑，S1控制平面传输网络层协议的选择应保证控制面信令的高可靠性传输。

这种控制面信令的高可靠性传输的需求同样适用于X2接口的控制平面

SCTP能够提供消息级的非复制传输，同样支持按序传输、网络级的容错性能、拥塞避免、抵抗攻击、路径监测和路径冗余。

基于SCTP所具备的这些特征，认为SCTP最适宜提供点-点之间信令的高可靠性传输。

S1-AP应遵循的一些原则如下：

S1-AP实现S1接口控制平面的主要功能

S1-AP应继承UMTSIu接口RANAP协议的应用原则和特性

S1-AP对RANAP协议不做后向兼容性要求

RANAP中的一些协议单元过程同样适用于LTE-S1时，应在做必要修改后尽量重用这些过程。

对LTE特有的应用层功能应在S1-AP中定义新的协议过程

LTE特有的信元需要重新定义

LTE特有消息的命名应明确易懂，并保持前后一致

信息单元在必要的修改后能够重用额地方应尽量重用

S1-AP协议层消息应采用ASN.1编码

用用层协议与传输网络层服务保持独立，以便于各自演进

S1-AP协议应适应面向连接的和无连接的服务。

面向连接的信令用于定义用户特有的协议过程，无连接的信令用于一些特定过程，如寻呼、S1接口建立等过程。

在传输网络层，信令协议数据单元的传输在IP层采用点到点方式传输。

对于S1接口控制平面的公共过程，每个S1接口控制平面实例使用一个独立的SCTP偶联。

对于S1接口控制平面的专用过程，只能使用少量的流标识对进行标识。

S1接口控制平面专用过程需要使用MME通信上下文标识和eNodeB通信上下文标识来区分不同UE的S1控制平面信令传输承载，其中MME通信上下文标识由MME分配，eNode通信上下文标识由eNodeB分配。

通信上下文标识在各自的S1-AP消息中传输。

X2接口协议栈分析

——X2接口功能

支持UE在LTE_ACTIVE状态下的IntraLTE-Access-System移动性

从源eNB到目标eNB的context传送

源eNB和目标eNB之间的用户面隧道控制

切换取消

负载管理

小区间干扰协调

上行链路干扰负载管理

——X2协议栈结构

X2接口是eNodeB与eNodeB之间的接口。

X2接口的定义采用了与S1接口一致的原则，体现在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接口用户平面

X2接口用户平面提供eNode之间的用户数据传输功能。

X2-UP的协议栈结构如右图所示，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。

X2-UP接口支持eNodeB之间的隧道传输终端用户分组功能。

而隧道协议至少应具备下列功能：

在X2接口的目标节点中指示数据分组所属的SAE接入承载

在移动性过程中，尽量减少数据的丢失

对于X2接口上业务流的传输，将于S1接口保持一致，以便降低架构的复杂性，并有利于S1接口和X2接口上业务流管理的一致性。

X2接口控制平面

X2接口控制平面协议栈如左图所示，为了简化网络设计，在尽量满足系统相关需求的前提下，LTE系统X2接口的定义采用了与S1接口一致的原则下，其传输网络层控制平面IP层的上面也采用SCTP，为信令消息提供可靠的传输。

应用层信令协议表示为X2-AP（X2ApplicationProtocol）。

与S1接口控制平面的设计类似，每个X2接口控制平面实例通过一对流标识关联一个独立的SCTP。

对于X2接口控制平面的专用过程，只能使用少量的流标识对进行标识

X2接口控制平面专用过程需要使用源eNodeB通信上下文标识和目标eNodeB通信上下文标识来区分不同的UE的X2控制平面信令传输承载，其中源eNodeB通信上下文标识由eNodeB分配，目标eNodeB通信上下文标识由目标eNodeB分配。

通信上下文标识在各自的X2接口应用层消息中传输。

X2接口应用协议（X2-AP）的一些主要原则如下：

X2-AP实现X2接口控制平面的主要功能，主要包括UE在eNodeB之间的移动性管理功能、多小区之间无线资源管理功能、常规的X2接口管理功能和错误处理功能。

X2-AP应尽量继承和重用3GIur接口的RNSAP协议的一些应用原则和协议过程，并根据LTE新增加的特定应用层功能来定义新的协议过程。

X2-AP层消息应使用ASN.1编码

X2-AP层与传输网络层所提供的服务应保持独立

X2接口应用层协议具有如下一些主要功能。

支持LTE_ACTIVE状态下UE的LTE接入系统内的移动性管理功能。

主要体现在切换过程中由源eNodeB到目标eNodeB的上下文传输以及源eNodeB与目标eNodeB之间用户平面隧道的控制。

X2接口自身的管理功能，如错误指示等。