LTE通信系统如同一个独立王国，事无巨细，有条不紊地统治着数以亿计的子民。王国能够健康稳定的运行，主要依赖于两个基本要素——可见的高楼大厦和不可见的法律条文。

在通信系统中，可见的高楼大厦指的就是承载通信系统的组网架构，具体的包括各个网元硬件，正是无数的手机，基站，交换机……搭建了一座座大厦。不可见的法律条文指的就是各个网元之间接口协议，不同协议之间的协调合作使得网元之间能够高效沟通，和谐相处。

本文主要参考《LTE轻松进阶》和《 4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G》对LTE的网络架构与接口协议作系统的介绍。

1. 组网架构

组网架构，就是指LTE网络具体组成网元，以及它们之间通过什么样的方式连接在一起的，各个部分分别发挥了什么样的作用。

1.1 网元架构

组成LTE网络的网元内容包括：UE，eNodeB和EPC。LTE的网络架构具有扁平化、分组域化、IP化、多制式融合化、用户面和控制面分离化等特点[1]。LTE的网络架构可以表示成图1所示的层级结构。

图1. LTE网络架构

LTE的网络架构是在缩减UTRAN的网络架构的基础上发展而来的，这种三层的扁平化的网络架构，缩短了用户终端到核心网元之间的距离。除此之外它代来的好处还包括：

节点数量减少，用户平面的时延大大缩短；

简化了控制平面从睡眠状态到激活状态的过程，减少了状态迁移的时间；

降低系统的复杂性，减少接口类型，系统内部相应的互操作随之减少。

1.2 职能划分

为了协调工作，更加高效的管理用户终端，需要明确各个网元的职责，通信网络中eNodeB和EPC的职能进行划分如图2所示：

图2. eNodeB和EPC功能划分

图2中，eNodeB和EPC分别承担这不同的作用。

eNodeB的功能

eNodeB主要承担的是基层用户的服务和资源管理功能，除了提供和管理区域内用户的空中接口功能之外，还要提供一些资源管理功能，资源调度功能，接入控制，承载控制，移动性管理等功能；

MME的功能

MME主要功能右寻呼，切换，漫游，鉴权，对NAS信令加密和完整性保护，对AS安全控制，空闲状态移动性控制。

SGW的功能

SGW是EPC和eUTRAN的一个边界网关，不和其他系统网关，如GGSN，PDG直接相连，主要功能包括LTE系统内的分组数据路由及转发，合法监听，计费。

PGW的功能

PGW主要功能包括分组包深度检查，分组数据过滤及筛选，转发，路由选择等。此外，PGW还负责UE的IP地址分配，速率限制，上/下行业务级计费等功能。

2. 接口协议

接口协议是指不同网元之间的信息交互方式。图1中LTE网络架构的三个网元分别是，UE，eNodeB和EPC。根据它们之间信息流的传递方向，可以得到三类接口：

UE和eNodeB之间的 LTE-Uu接口；

eNodeB和eNodeB之间的 X2接口；

eNodeB和EPC之间的S1接口。

2.1 接口协议通用模型

为了简化设计，协议栈一定是分层结构的。底层为上层提供服务，上层使用下层提供的功能而不必清楚下层的具体处理的细节。这个和OSI七层协议模型，TCP/IP四层协议原理是一样的。

协议栈除了分层结构以外，还添加了分面。接口协议从信息处理的类型不同，可以分为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心里的传送和处理。

基于上述的设计理念，书中给出一个无线通信通用的“三层两面”模型，如图3：

3.接口协议的通用模型

三层指的是，

网络层, L3

主要功能是寻址、路由选择、连接的建立和控制、资源的配置策略等等；

数据链路层, L2

信道的复用和解复用、数据格式的封装、数据包的调度等。完成的主要功能是具有个性的业务数据向没有个性的通用数据帧的转换；

物理层, L1

提供两个物理实体之间的比特流传送。在无线空口中适配的是无线环境；在地面接口中，适配的是网线、光纤等传输媒介。

两面指的是，

用户面：

用户面负责业务数据的传送和处理；；

控制面：

控制面负责协调和控制信令的传送和处理；

需要注意的是，在物理层，不区分用户面和控制面；在数据链路层，数据的处理功能开始区分用户面和控制面；在网络层上，用户面和控制面则由不同的功能实体来完成。

2.2 空中接口协议

将图3的通用模型套用在空中接口上，我们可以得到LTE空口协议模型，如图4所示。

图4. LTE空口协议栈模型

书[2]中总结了各个协议层的功能：

非接入层，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。包括会话管理，用户管理，安全管理等。NAS层以下，我们称为AS层。

无线资源控制层，RRC

支持终端和eNodeB间多种功能的最为关键的信令协议。广义上来说，还包括无线资源算法，实际应用中的无线行为，都是由它来决定的。

分组数据融合协议，PDCP

执行IP报头压缩，加密和完整性保护。系统为每一个设备的无线承载配置一个PDCP实体；

无线链路控制，RLC

负责分割/级联、重传控制、重复检测和序列传送到更上层。RLC以无线承载的形式向PDCP提供服务。系统为每一个终端的每个无线承载配置一个RLC实体；

媒体接入控制，MAC：

控制逻辑系统的复用、混合ARQ重传、上行链路和下行链路的调度。对于上行链路和下行链路，调度功能位于基站。MAC以控制信道的形式为RLC提供服务；

物理层，PHY：

管理编码/解码、调制/解调、多天线映射以及其他典型的物理功能。物理层以传输信道的形式为MAC提供服务。

根据图4.空口协议栈模型，可以得到LTE空口的用户面协议(如图5.所示)和控制面协议(如图6.所示)。

图5. LTE 空中接口用户面协议

用户面主要处理业务数据流。在发送端，将承载高层业务应用的IP数据流经过头压缩，加密，分段，复用，调度等过程变成物理层可以处理的传输块。在接收端，物理层收到的比特数据流，按照调度要求，解复用，级联，解密，解压缩，成为高层应用可以是别的数据流。

图6.空中接口控制面协议

控制面协议各层的功能和用户面基本一致，在PDCP层中除了对控制信令进行加密和解密的操作，还要增加了对控制信令进行完整性保护和完整性验证的功能。

下面我们将整个信息流与各个网元串起来，可以得到图7.

图7. LTE协议架构数据流及网元功能

在图7中，我们可以更加清晰的看清不同的数据流所经过的网元流程，以及每一个网元对于信息的加工流程。为了便于说明，以一个带有3个IP数据包的实例来说明，如图8所示。

图8. 信息加工流程

图8展示了，一个无线承载有两个数据包，一个无线承载有一个数据包。PDCP执行IP报头压缩，然后进行加密，增加一个PDCP头，用来携带终端解密所需要的信息；RLC层执行级联或分割，并添加一个RLC头，该头用于终端的按序发送并重传情况下的鉴定。物理层为添加CRC以检测错误，并执行编码译码，并输出所产生的信号。

完

2019/3/27

[1]. 元泉，赵文超. LTE 轻松进阶. 电子工业出版社.

[2]. Erik Dahlman, Stefan Parkvall. 4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G, Third Edition