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为了满足ITU提出的性能要求,LTE的系统设计包括网络架构和无线接口两个方面。本文主要介绍网络架构方面的基本内容。

一、概述

简单来说,LTE的网络架构包括两个方面,接入网(E-UTRAN)和核心网(EPC),如下图所示。

可以看出,为了降低延迟,LTE将从2G到3G都一直很重要的基站控制器(RNC)去掉了,无线网络由“核心网-基站控制器-基站-用户”4层结构变成了“核心网-基站-用户”3层结构。

这样一来,整个网络结构更加简单扁平,带来了很多好处:

  • 网络扁平化使得系统延时减少,改善用户体验;
  • 网元数目减少,使得网络部署更为简单,网络的维护更加容易;
  • 取消了RNC的集中控制,避免单点故障,有利于提高网络稳定性。

整个EPS(E-UTRAN + EPC)通过通过IP连接使用户通过运营商的公共数据网络(PDN)接入互联网,以提供诸如VoIP等业务。

二、网络结构

核心网由很多逻辑节点组成,而接入网只有一种节点,即与用户终端(UE)相连的eNode B,也就是LTE的基站。而RNC的功能大部分都转移到了eNode B上。所有网元都通过标准化的接口相连。整体网络架构如下图所示。

从上图可以看出,核心网主要包括下面几个网元,即:

  • PDN网关(P-GW)
  • 业务网关(S-GW)
  • 移动性管理实体(MME)
  • 归属位置寄存器(HLR)
  • 策略控制和计费规则功能(PCRF)

相应的功能可概括为:

  • P-GW:负责用户IP地址分配和QoS保证,并根据PCRF规则进行基于流量的计费。
  • S-GW:负责用户IP数据包的发送。
  • MME:处理UE和核心网络间信令交互。
  • HLR:包含用户的开户信息,比如归属地,漫游接入限制等。
  • PCRF:负责策略控制的决策和位于P-GW中基于流量的计费规则。

三、接口

包括两种接口,S1和X2。eNode B与EPC之间通过接口S1相连,相邻eNode B之间通过接口X2相连。

S1又分为两个接口,分别为S1-MME和S1-U。eNode B通过接口S1-MME连接到核心网的MME,通过接口S1-U连接到核心网的S-GW。

S1-U中的U指的是User,通过它来传输用户数据。而S1-MME则用来传输信令。这个MME就是前面介绍的移动性管理实体。所谓移动性管理,就是位置更新、鉴权加密之类的工作。

X2接口可在一个eNode B与其相邻的若干个eNode B之间建立联系,在需要时交换信令信息。

在3G时代,基站与基站之间没有通信,一切信息由RNC控制。但是在LTE时代,RNC消失了,所以RNC的有些功能eNode B就不得不承接下来,比如说基站的负载和干扰消息,以及切换信息。现在没有RNC了,就需要通过eNode B的X2接口来进行交互。

四、协议架构

接入网E-UTRAN的无线接口协议架构包括控制平面协议和用户平面协议两个方面,分别用于信令传输和用户数据传输。

用户平面协议栈如下图所示,包括分组数据汇聚协议(PDCP),无线链路控制(RLC),媒体介入控制层(MAC)和物理层(PHY)四个层次,这些子层在网络侧均终止于eNodeB实体。

控制平面协议栈主要包括非接入层(NAS)、RRC、PDCP、RLC、MAC、PHY层。其中,NAS子层终止于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。其他子层在网络侧均终止于eNodeB实体。

LTE系统的数据处理过程被分解成不同的协议层,下行数据以IP包的形式进行传送,在空中接口传送之前,IP包将通过多个协议层实体进行处理,各层的功能分别概述为:

  • PDCP层:处理控制平面上的无线资源管理(RRC)消息和用户平面上的IP包。

  • RLC层:分割与重组上层数据包,使得他们的大小适应于无线接口进行的实际传输。

  • MAC层:对不同无线承载的数据进行复用,通过决定每个无线承载传输的数据总量以及指示RLC层所提供包的大小,MAC层使每个无线承载都能获得事先商定的服务质量(QoS)。

上面三个子层构成了LTE第2层协议栈,是分组数据业务无线接入技术和物理层之间的接口,该协议栈使得分组数据业务更加高效的利用物理层。

  • PHY层: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。物理层以传输信道的方式为MAC层提供服务。

(完)