lte培训材料-7lte接口协议分析

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 eNode B。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 eNode B 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 eNode B 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， Medium Access Control） 、无线链 路控制（RLC， Radio Link Control）和分组数据汇聚协议（ PDCP，Packet Data Converagence Protocol）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，Radio Resource Control）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，Acknowledgement Mode） 非确认模式（UM，Un-acknowledgement Mode） 透明模式（TM，Transparent Mode） TM 模式 UM 模式 AM 模式 LTE RLC 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 RLC SDU 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 LTE RLC 支持流量控制功能 RLC PDU 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（Radio bearer）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 (Signaling Radio Bearer 信令无线承载) - PDCP control PDU DRB (Data Radio Bearer 数据无线承载) - PDCP data PDU 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 PDCP SDU 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 LTE PDCP 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 RLC PDU 大小的改变? PDCP 结构 PDCP PDU 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 inter RAT 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： S1 UE context 管理功能 建立释放 SAE bearer context, security context, UE S1 signalling connection ID(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-3GPP RAT 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 eNode B 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 3G Iu 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（GPRS Tunnelling Protocol for User Plane，GTP-U）来传输 S-GW 与 eNode B 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： Echo Request、Echo Response：用于路径管理，检测对端节点是否存活 Error Indication：向对端指示接收数据出错 Supported Extension Headers Notification：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（S1 Application Protocol） ，类似于 3G UMTS 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 eNode B 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 UMTS Iu 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 eNode B 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 eNode B 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 Intra LTE-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 eNode B 与 eNode B 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 eNode B 之间的用户 面 PDU。 X2-UP 接口支持 eNode B 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