1-LTE Network Architecture: Basic

原文地址:

http://www.cnblogs.com/LearnFromNow/p/6173526.html

http://www.netmanias.com/en/?m=view&id=techdocs&no=5904

I. Introduction

这篇文章主要介绍LTE网络结构,是LTE的第一篇技术文章。LTE网络也叫EPS,是一个端到端的全IP网络;EPS分为两个部分,LTE部分负责处理和接入网络E-UTRAN相关的技术,EPC部分负责处理和核心网相关的技术。一个端到端的全IP网络一位置所有的数据流,从UE到连接服务实体的PDN之间的所有通路,在EPS内部,所有的传输都是基于IP协议的。

为了通过LTE网络提供给用户LTE服务,引入了一个端到端LTE网络的参考模型(NRM),这个模型除了基本的EPS域之外,还包含三个额外的域(用户的BSS/OSS域,提供服务的应用域,发送IP包的IP传输网络域)。这篇文章的范围集中在基本的EPS域。其他的EPS域特性,例如,LTE和其他3gpp/3gpp2的互操作性和漫游,这些特性是在本文档范围之外,后续会在其他文档中涉及。

这个文档剩余部分的组织如下,在第二章,定义LTE网络参考模型,解释EPS实体和接口。第三章描述协议栈架构。第四章描述整个LTE网络的数据流。


II. LTE Network Reference Model

图1是LT网络的参考模型,包含LTE实体(UE和eNB)和EPC实体(SGW/PGW/MME/HSS/PCRF/SPR/PCSOFCS)。PDN是和UE进行通信的运营商内部或者外面IP域,它提供给UE服务,比如,因特网,IMS。表1和表2是LTE和EPC实体的功能。表3列出了LTE网络参考模型的参考点,并对EPS实体之间的接口进行了描述。

这里写图片描述 
表格1:LTE实体

实体 描述
UE UE通过LTE-Uu接口连接eNB
eNB eNB提供用户无线接口,并负责无线资源管理功能,例如,动态资源分配(调度器),eNB测量配置和规定,无线准入控制,连接移动性控制,无线承载控制,小区间干扰协调。

表格2:EPC实体

实体 描述
MME MME是E-UTRAN的主控制实体。它和HSS通信来用户鉴权和用户配置文件下载,并使用NAS信令提供给UE EPS移动性管理(EMM)和EPS会话管理(ESM)功能。MME支持的主要功能包括:NAS信令(EMM/ESM/NAS安全);通过S6a接口和HSS通信负责用户鉴权和漫游;移动性管理(寻呼/TAI管理/切换管理);EPS承载管理。
SGW SGW终止E-UTRAN方向的接口。它为eNB间和3gpp间切换的数据传输提供了本地移动锚点。
PGW PGW通过从PDN的地址空间分配IP地址提供给UE接入PDN的能力。PGW作为在3gpp和non-3gpp之间切换的移动锚点。PGW也执行策略实施,数据包过滤和由PCRF提供的基于PCC规则的计费。PGW主要的功能包括:IP路由和转发,数据包过滤,UE IP地址分配,在3gpp和non-3gpp之间切换的移动锚点,PCEF功能,计费。
HSS HSS是存储用户配置的中心数据库。它提供给MME用户鉴权信息和用户配置文件。
PCRF PCRF是策略和计费控制实体。它为服务数据流(SDF)提供策略决策,并且提供给PCEF(PCEF在PGW内)策略和计费控制(PCC)规则(包括QoS和计费规则)
SPR SPR提供给PCRF用户信息(每个用户的接入配置文件)。PCRF接收到这个信息后,将执行基于用户的策略并创建策略和计费控制(PCC)规则。
OCS OCS提供实时的信用控制和基于体积/时间/事件的计费功能。
OFCS OFCS提供基于计费数据记录(CDR)的计费信息。

CDR:charging data record 
OCS:online charging system 
OFCS:offline charging system 
OSS:operations support system 
PCC:policy and charging control 
PCEF:policy and charging enforcement function 
PCRF:policy and charging rules function 
SDF:service data flow 
SPR:subscriber profile repository

表3:LTE接口

参考点 协议 描述
LTE-Uu E-UTRA(控制面和用户面) UE和E-UTRAN(eNB)之间控制和用户面的接口。在LTE-Uu接口上,信令连接是用SRB表示的RRC连接,用户面连接是用DRB表示的逻辑信道。
X2 X2-AP(控制面)GTP-U(用户面) 两个eNB之间的控制和用户面的接口。它用于在X2切换或自组网(SON)相关的功能。控制面是使用的X2-AP协议,用户面为数据转发的每一个承载提供GTP-U隧道。
S1-U GTP-U 在eNB和SGW之间用户面的接口。它为每一个承载提供GTP隧道。
S1-MME S1-AP eNB和MME之间控制面的接口。
S11 GTP-C MME和SGW之间控制面的接口。它为每一个承载提供GTP隧道。
S5 GTP-C(控制面)GTP-U(用户面) SGW和PGW之间的控制和用户面接口。S5接口为用户面每一个承载提供GTP隧道,为控制面的每一个用户提供GTP隧道管理(创建/修改/删除)。对PLMN间,使用S8接口替代。S8接口在本文档范围之外,将在其他文档中描述。
S6a Diameter HSS和MME之间控制面的接口。它用于交换用户订阅和鉴权信息
Sp Diameter SPR和PCRF之间控制面的接口。
Gx Diameter PCRF和PGW之间控制面的接口。它从PCRF到PGW传输策略控制和计费规则来支持QoS策略和计费控制。
Gy Diameter OCS和PGW之间控制面的接口。
Gz GTP’ OFCS和PGW之间控制面的接口。
SGi IP PGW和PDN之间控制和用户面的接口。在用户面使用基于IETF的IP数据包转发协议,在控制面使用DHCP和RADIUS/Diameter协议。

III. LTE Protocol Stacks

这一章主要介绍LTE用户面和控制面的协议栈。

3.1 用户面协议栈

图2是LTE网络参考模型的用户面协议栈。接着介绍协议栈主要层的功能描述。 
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1)LTE-Uu接口

  • PDCP:PDCP支持在无线链路上IP数据包的有效性传输。它可以执行协议头压缩,接入层安全(加密和完整性保护),数据包重排序和重传。
  • RLC:在发送端,RLC构建RLC PDU,并提供给MAC层。RLC协议负责PDCP PDU的分片和串接。在接收端,RLC协议通过对RLC PDU的重组来重新构建PDCP PDU。RLC协议有三种操作模式(透明模式,确认模式,非确认模式),每一种模式提供不同的可靠性级别。RLC也数据包(RLC PDU)的重排序和重传。
  • MAC:MAC层在RLC和PHY层之间。它通过逻辑信道和RLC层连接,通过传输信道和PHY层连接。因此,MAC层协议在逻辑信道和传输信道之间支持复用和解复用。高层使用不同的逻辑信道来满足不同的QoS要求。MAC层通过对逻辑信道数据的调度和优先级来支持不同的QoS。eNB调度器可以使无线资源动态分配给UE,并通过执行QoS控制来确保每一个承载都分配了协商的QoS。

2) S1-U/S5/X2 接口

  • GTP-U:GTP-U协议通过在S1-U/S5/X2接口上来转发IP数据包。当在LTE切换过程中已经建立了用于数据转发的GTP隧道,则结束标记数据包应该在GTP隧道上作为最后一个数据包传输。

3.2 控制面协议栈

图3是LTE网络参考模型的控制面协议栈。接着介绍协议栈主要层的功能描述。 
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1) LTE-Uu接口

  • NAS:NAS协议负责移动性管理和承载管理功能。
  • RRC:RRC协议对NAS信令的传输提供支持。它也负责无线资源的有效性管理功能。主要的功能包括:系统消息的广播,RRC连接的建立/重配/重建/释放,无线承载的建立/修改/释放。

2) X2接口

  • X2AP:X2AP协议支持在E-UTRAN内UE的移动性和自组网功能。为了支持UE移动性,X2AP协议提供了例如用户数据转发,序列号状态的传输,UE上下文的释放的功能。对自组网功能,eNB之间交换资源状态信息,负载信息,eNB配置更新信息,使用X2AP协议来相互协调来满足移动性参数。

3) S1-MME接口

  • S1AP:S1AP协议支持例如S1接口管理,E-RAB管理,NAS信令传输和UE上下文管理。它传输初始UE上下文给eNB来建立E-RAB,并且管理后续UE上下文的修改和释放。

4) S11/S5/S10接口

  • GTP-C:GTP-C协议支持GTP隧道的建立/修改/终止控制信息的交换。它在LTE切换时创建数据转发的隧道。

5) S6a接口

  • Diameter:Diameter协议支持在HSS和MME之间用户订阅和鉴权信息的交换。

6) Gx接口

  • Diameter:Diameter协议支持把PCC规则从PCRF发送到PCEF(PGW)。

7) Gy接口

  • Diameter:Diameter协议支持在PGW和OCS之间实时信用控制信息的交换。

8) Gz接口

  • GTP’:GTP’协议支持CDR从PGW发送到OFCS。

IV. Traffic Flow on the LTE Network

图4是在LTE网络参考架构中,用户面数据流接入因特网的过程。图4a是数据流从UE到因特网,图4b是数据流从因特网到UE。IP数据包是在S1-U和S5接口上通过GTP隧道来转发的。这些隧道是在用户附着在LTE网络时对每一个EPS承载建立的。

在S1-U和S5的每一个接口上有多个EPS承载建立。因此,为了识别这些承载,每一个GTP隧道的端点都分配了一个TEID(隧道端点标识),(通常识别一个GTP隧道,采用TEID,IP地址,UDP端口号。但是,在这里,为了描述的方便,仅仅使用了TEID)。GTP隧道的接收端本地分配的TEID,发送端必须使用。TEID的交换是在隧道端点使用控制面协议交换的。

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当在S1-U接口上建立了GTP隧道时,SGW分配一个TEID用于上行传输,eNB分配一个TEID用于下行传输。S1 GTP隧道TEID是在eNB和SGW之间使用S1AP和GTP-C消息来交换的。同样的,当在S5接口上建立了GTP隧道时,PGW分配一个TEID用于上行传输,SGW分配一个TEID用于下行传输。S5 GTP隧道TEID是在SGW和PGW之间使用GTP-C消息来交换的。

当用户的数据包在S1-U和S5接口上通过GTP隧道传输时,eNB/SGW/PGW通过封装接收对端GTP实体分配的TEID来转发用户IP数据包。在上行方向,SGW在S1 GTP(UL S1-TEID)隧道和S5 GTP(UL S5-TEID)隧道间建立一对一的映射,来终止S1 GTP隧道,并转发用户数据包到S5 GTP隧道。同样的,在下行方向,SGW在S5 GTP(DL S5-TEID)隧道和S1 GTP(DL S1-TEID)隧道间建立一对一的映射,来终止S5 GTP隧道,并转发用户数据包到S1 GTP隧道。在图4中,通过哪一个EPS实体转发因特网数据流的过程如下所示:

a)上行方向数据流,从UE到因特网

  1. UE通过LTE-Uu接口传输用户IP数据包到eNB。
  2. eNB使用S1 GTP隧道协议头封装用户IP数据包,并转发封装好的IP数据包给SGW。在这里,eNB使用TEID/目的IP地址/源IP地址作为S1 GTP隧道协议头。
  3. 在接收到封装好的IP数据包后,SGW剥离掉S1 GTP隧道协议头,并且使用S5 GTP隧道协议头封装用户IP数据包,并转发封装后的IP数据包。在这里,SGW使用TEID/目的IP地址/源IP地址作为S5 GTP隧道协议头。
  4. 在接收到封装好的IP数据包之后,PGW剥离掉S5 GTP隧道协议头得到用户IP数据包,并通过IP路由转发到因特网。

b)下行方向数据流,从因特网到UE

  1. PGW从因特网接收到一个目的为UE的IP数据包。
  2. PGW使用S5 GTP隧道协议头封装用户IP数据包,并转发封装好的IP数据包给SGW。在这里,PGW使用TEID/目的IP地址/源IP地址作为S5 GTP隧道协议头。
  3. 在接收到封装好的IP数据包后,SGW剥离掉S5 GTP隧道协议头,并且使用S1 GTP隧道协议头封装用户IP数据包,并转发封装后的IP数据包。在这里,SGW使用TEID/目的IP地址/源IP地址作为S1 GTP隧道协议头。
  4. 在接收到封装好的IP数据包之后,eNB剥离掉S1 GTP隧道协议头得到用户IP数据包,并在无线链路上通过DRB传输给UE。

V. Closing

LTE网络架构作为第一个LTE系列技术文档。这个文档描述的LTE网路架构只适用于单一运营商的LTE only网络,并描述EPS系统最基本的部分。为了更理解以后的LTE文档,对实体/接口的基本理解是必须的。下一个文档,是另一个基本的文档,讨论应用于LTE网络参考模型的LTE标识。这些基本文档对很好的理解后续的文档有很大帮助,会接着讨论LTE网络更高级的功能,包括LTE互操作和漫游。

References

[1] 3GPP TS 36.300, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal 
Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2”. 
[2] 3GPP TS 23.401, “General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal 
Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access”. 
[3] Magnus Olsson, et. al., SAE and the Evolved Packet Core – Driving the Mobile Broadband Revolution, 
AP, 2009. 
[4] NMC Consulting Group Confidential Internal Report, “E2E LTE Network Design”, August 2010.