LTE培训材料-7-LTE接口协议分析

一、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eNodeB。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——eNodeB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——用户面协议栈结构二、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eNodeB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，MediumAccessControl）、无线链路控制（RLC，RadioLinkControl）和分组数据汇聚协议（PDCP，PacketDataConveragenceProtocol）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，RadioResourceControl）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，AcknowledgementMode）非确认模式（UM，Un-acknowledgementMode）透明模式（TM，TransparentMode）——TM模式——UM模式——AM模式——LTERLC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RLCSDU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LTERLC支持流量控制功能——RLCPDU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（Radiobearer）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(SignalingRadioBearer信令无线承载)-PDCPcontrolPDUDRB(DataRadioBearer数据无线承载)-PDCPdataPDU——PDCP子层PDCP子层用于用户平面的功能包括：1）支持压缩解压缩功能，包括ROHC算法；2）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；3）切换过程中，支持对确认RLC模式的逻辑信道的PDCPSDU的重传；4）加密和解密5）业务面数据的传输6）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：1）加密和完整性保护；2）控制平面数据的传输——LTEPDCP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RLCPDU大小的改变??????——PDCP结构PDCPPDU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_CONNECTEDUE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interRAT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_DETACHEDLTE_IDLELTE_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三、S1接口协议栈分析——S1接口结构S1功能：S1UEcontext管理功能建立释放SAEbearercontext,securitycontext,UES1signallingconnectionID(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-3GPPRAT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eNodeB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3GIu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（GPRSTunnellingProtocolforUserPlane，GTP-U）来传输