LTE--网络架构和协议栈
一、LTE网络参考模型
整个TD-LTE系统由3部分组成：核心网（EPC，Evolved Packet Core），接入网（eNodeB），用户设备（UE）
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：Mobility Management Entity的缩写，提供：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。移动性管理主要是有寻呼，TAI管理和切换。
S-GW：Serving Gateway，负责本地网络用户数据处理部分。
P-GW：PDN Gateway，负责用户数据包与其他网络的处理。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。
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。
二、LTE协议栈
1.接口协议定义
接口是指不同网元之间的信息交互方式。既然是信息交互，就应该使用彼此都能看懂的语言，这就是接口协议。接口协议的框架称为协议栈。根据接口所处的位置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和地面接口协议。
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.协议栈分层
协议栈的分层结构有助于实现简化设计。底层协议为上层提供服务；上层使用下层提供的功能，上层不必清楚下层过程处理的细节。
无线制式的接口协议分为三层：物理层（PHY），L2数据链路层（PDCP：分组数据汇聚协议层，RLC：无线链路控制层，MAC：媒体接入层），L3网络层（NAS：非接入层协议，RRC：无线资源控制层）。
NAS：处理UE和MME之间信息的传输，传输的内容可以是用户信息或控制信息。如业务的建立、释放或者移动性管理信息。NAS层以下，我们称为AS层，而NAS对于eNode B是透明的，从上图可以看到，eNode B是没有这层协议的，所有NAS消息，对于他来说，就是过路。、
NAS建立在AS层之上，它与接入信息无关，只是通过接入层的信令交互，在UE和MME之间建立起了信令通路，从而便能进行非接入层信令流程了。NAS子层则终止于MME。
RRC：支持终端和eNodeB间多种功能的最为关键的信令协议。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：负责执行头压缩以减少无线接口必须传送的比特流量。头压缩机制基于ROHC，PDHP层在控制面对RRC和NAS层消息进行完整性校验，在用户面不进行完整性校验。以及对数据和信令的加密。
RLC：负责分段与连接、重传处理，以及对高层数据的顺序控制。RLC提出了三种模式：透明模式（Transparent Mode，TM）、非确认模式（Unacknowledged Mode，UM）和确认模式（Acknowledged Mode，AM）。
一般来讲，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：负责处理HARQ重传与上下行调度。应该说，L2的精华就在这边，重传和调度能做好，对于整个产品来说，速率就能体现出来。
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。最为复杂的一层，也是最考验产品的一层协议。实际设计中，涉及诸多算法也最能体现实际芯片的性能。和硬件紧密相关，需要协同工作。
数据链路层的功能：
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，街复用（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、ELC、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。
网络层L3功能：
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。
3.两面
LTE接口协议栈除了分层还分面：用户面协议和控制面协议。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。用户面和控制面都是逻辑上的概念。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。在无线侧，用户面和控制面还在一个物理实体eNodeB上；而在核心网侧，用户面和控制面则完全实现了物理上的分离，分别安排在不同的物理实体上。
1）用户面
用户面提供了业务数据的基于IP传输的不可靠连接。S1-UP/X2/S5的传输网络层是基于IP传输，UDP/IP之上的GTP-U用来传输用户平面PDU。PDU：分组数据单元。
GTP：GPRS Tunnel Protocol，GPRS隧道传输协议。GTP是一组基于IP的高层协议，位于TCP/IP，UDP/IP协议之上。GTP-U是其中一种GTP。
GTP-U：GTP-U用来传输S1和X2用户面数据。隧道端点之间的数据通过IP地址和UDP端口号进行路由。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。
TEID：Tunnel endpoint ID，隧道端点标识符。由接收端生成，供发送端使用，通过s1/x2信令交换。s1接口：数据上传TEID由S-GW分配，数据下传TEID由eNodeB分配。X2接口：由目标eNodeB分配。
2）控制面
数据面提供了信令传送的基于IP的可靠连接。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。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。
S1-AP和X2-AP分别是S1接口和X2接口的应用层信令协议。
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。
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），或者是eNB之间的资源状态消息交换等。
重点：
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。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。
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。
三、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。
2）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。
四、补充
在eNodeB中仅存在2种RRC状态：RRC_IDLE（空闲状态）、RRC_CONNECTED（连接状态）。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。
