LTE网络架构学习整理

从高层次的网络架构来看，LTE是由以下三个主要组件：

用户设备 (UE).
进化UMTS地面无线接入网 (E-UTRAN).
分组核心演进 (EPC).

演进分组核心网与分组数据网络诸如因特网，专用企业网络或IP多媒体子系统在外界连通。系统不同部分之间的接口，Uu，S1和SGI表示，如下所示：

一、用户设备 (UE)

用于LTE的用户设备的内部结构是相同的使用UMTS和GSM中的一项，它实际上是一个移动设备（ME）。以下重要模块的移动设备包括：

移动终端 (MT): 处理所有的通信功能
终端设备 (TE): 这将终止数据流.
通用集成电路卡 (UICC): 这也被称为LTE设备的SIM卡设置。它运行的通用用户识别模块（USIM）的应用程序

一张USIM存储用户特定的数据非常相似的3G SIM卡。这使用户的电话号码，家庭网络身份和安全密钥等信息

二、E-UTRAN（接入网）

演进UMTS地面无线接入网（E-UTRAN）的体系结构如下

E-UTRAN是处理移动和演进分组核心，有一个组件中演进式基站，称为eNodeB或eNB之间的无线通信。每个基站，控制移动台在一个或多个单元格，称为它的服务eNB与移动通信的基站。

LTE的移动通信只用一个基站和一个单元格的时间，并有以下两个基站所支持的主要功能：

EBN发送和接收无线电传输到所有移动台，使用LTE空中接口的模拟和数字信号处理功能
基站控制低层次的操作，所有的手机，通过发送信令消息，如切换命令

每个EBN通过S1接口与EPC连接，它也可以连接到附近的基站通过X2接口，它主要用于在越区切换过程中的信令和数据包转发。

三、演进分组核心（EPC）（核心网络）

（1）EPC体系结构：

演进分组核心（EPC）的体系结构如下。

下面是在上述架构中的每一个所示的组件的简要说明：

归属用户服务器（HSS）组件已结转UMTS和GSM是一个中央数据库包含所有网络运营商的用户信息
分组数据网络（PDN）网关（P-GW）与外界，即连通。分组数据网络PDN，使用SGI接口。每个分组数据网络的接入点名称（APN）确定。该PDN网关GPRS支持节点（GGSN）和服务GPRS支持节点（SGSN），UMTS和GSM相同的作用
作为一台路由器，基站和PDN网关间的数据转发的服务网关（S-GW）
移动性管理实体（MME）控制的高级别操作的移动通过信令消息和家庭用户服务器（HSS）
策略控制和计费规则功能（PCRF）是一个组件，它在上面的图中未示出，但它是负责策略控制决策，以及用于控制基于流的计费功能，在策略控制执行功能（PCEF）系指位于在P-GW
S5/S8的服务和PDN网关之间的接口。如果这两个装置是在同一网络中，和S5，如果它们是在不同的网络中，是两个略有不同的实施方式，即S8。

（2）EPC主要网元功能

a. EPC网元从功能角度可以分为控制面网元、用户面网元、用户数据管理网元、策略和计费控制网元等。

控制面网元为MME（Mobility Management Entity，移动性管理设备），主要用于用户接入控制和移动性管理。
用户面网元为SAE—GW，包括S—GW（Serving—Gateway，服务网关），P—GW（PDN—Gateway，PDN—Packet Data Network—网关），主要用于承载数据业务。
服务数据管理网元为HSS（Home Subscriber Server，归属签约用户服务器），EPC的HSS是融合的HLR/HSS，用于存储2G/3G、LTE用户数据、鉴权数据等。
策略控制网元为PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略和计费控制功能），主要用于服务质量（QoS）的策略控制和计费控制。

b. EPC各网元功能详解

MME:主要负责信令处理及移动性管理，功能包括：NAS信令及其安全；跟踪区域(Tracking Area)列表的管理；P-GW和S-GW的选择；跨MME切换时对于MME的选择；在向2G/3G接入系统切换过程中SGSN的选择；鉴权、漫游控制以及承载管理；3GPP不同接入网络的核心网络节点之间的移动性管理(终结于S3节点)；信令面的合法监听等。
SAE-GW：包括S-GW和P-GW，S-GW作为面向eNodeB终结S1-U接口的网关，负责数据处理；P-GW与分组数据网(PDN)连接；S-GW和P-GW接受MME的控制，承载用户面数据。
S-GW的主要功能包括：当eNodeB间切换时作为本地锚定点并协助完成eNodeB的重排序功能；在3GPP不同接入系统间切换时的移动性锚点(终结在S4接口，在2G/3G系统和P-GW间实现业务路由)；合法侦听以及数据包的路由和前转； PDN和QCI的上行链路和下行链路的相关计费等。
P-GW的主要功能有：分组数据包路由和转发；3GPP和非3GPP网络间的Anchor功能；UE IP地址分配，接入外部PDN的网关功能；基于用户的包过滤；合法侦听；计费和QoS策略执行功能；DIP功能；基于业务的计费功能；在上行链路中进行数据包传送级标记；上下行服务等级计费以及服务水平门限的控制；基于业务的上下行速率的控制等。
HSS：用于存储用户签约信息的数据库。主要功能包括：存储用户相关的信息；签约数据管理和鉴权，如用户接入网络类型限制、用户APN信息、计费信息管理；支持多种卡类和多种方式的鉴权；与不同域和子系统中的呼叫控制和会话管理实体互通等。
PCRF：策略和计费控制单元，主要功能包括：用户的签约数据管理功能；用户、计费策略控制功能；事件触发条件定制功能；业务优先级化与冲突处理功能；QOS功能，网络安全性功能；IP-CAN承载与IP-CAN会话相关联策略信息的管理功能等。PCRF还可用于：对无限量包月的滥用者限制带宽；保证高端用户的流量带宽；保证高质量业务的服务质量；动态配置计费策略，完成内容计费。
CG：3GPP R8版本EPC架构中计费节点为S-GW和P-GW，S-GW产生的计费信息类似于SGSN；P-GW产生的计费信息类似于GGSN。计费点将计费话单送至计费网关CG，由CG完成计费话单的检错、纠错和话单的合并，并完成话单格式的转换，然后将计费话单以标准格式送至运营公司的计费系统。
DNS：为EPC核心网网元和终端提供域名解析功能。

c. 接口与协议

EPC核心网基于2G/3G分组域架构演进而来，采用了控制与承载相分离的架构，新增了一些接口，且这些接口均基于IP协议，具体如下：

S1-MME接口：eNodeB和MME之间的接口，用于传送用户数据和相应的用户平面控制帧。该接口底层采用SCTP协议，应用层采用S1-AP协议。
S1-U接口：eNodeB和S-GW之间的接口，用于承载用户面隧道和切换时eNodeB之间的路径交换。采用GTP-U协议，下层为UDP，其中GTP-U协议用来在eNodeB和S-GW之间进行用户数据的隧道传输，UDP协议封装用户数据。
S5/S8接口：S-GW和P-GW之间的接口，可以分为控制平面和用户平面。S5接口是网络内部S-GW和P-GW间接口。该接口应能在S-GW和P-GW分设情况下，提供用户移动过程中的S-GW重定位的功能。S8是跨PLMN的S-GW和P-GW之间的接口，应具备漫游情况下的S5接口功能。该接口采用GTP协议，下层为UDP。
S10接口：MME之间的控制面接口，为MME再分布和MME之间信息的传输。采用GTPv2协议，下层为UDP。
S11接口：MME和S-GW之间的接口，用于传输承载控制与会话控制等信息。采用GTPv2 的控制面协议GTPv2-C，下层为UDP，其中GTP‑C用于对MME和S-GW间的信令消息进行隧道化封装。UDP用于传送MME和S-GW间的信令消息。
SGi接口：P-GW和分组数据网络之间的接口，包括IMS核心网、外部公共或私人数据网，类似于Gi接口。

四、 E-UTRAN和EPC之间的功能分割

下图显示了E-UTRAN和EPC的LTE网络之间的功能分割：

五、2G/3G Vs LTE

下表比较了各种重要的网络元素和使用的信令协议在2G/3G和LTE。