LTE基本架构

1、LTE结构

这是一张非常有名的LTE架构图，从图中可以看出，整个网络构架被分为了四个部分：
 　　（1）UE就可以看作是我们的手机终端

　　 （2）PDN可以看作是网络上的服务器

（3）E-UTRAN可以看作是遍布城市的各个基站（可以是大的铁塔基站，也可以是室内悬挂的只有路由器大小的小基站）

　　（4）EPC可以看作是运营商（中国移动/中国联通/中国电信）的核心网服务器，核心网包括很多服务器，有处理信令的，有处理数据的，还有处理计费策略的等等。

2、专用词汇

UE
全称是User Equipment，用户设备，就是指用户的手机，或者是其他可以利用LTE上网的设备。

eNB
是eNodeB的简写，它为用户提供空中接口（air interface），用户设备可以通过无线连接到eNB，也就是我们常说的基站，然后基站再通过有线连接到运营商的核心网。在这里注意，我们所说的无线通信，仅仅只是手机和基站这一段是无线的，其他部分例如基站与核心网的连接，基站与基站之间互相的连接，核心网中各设备的连接全部都是有线连接的。一台基站(eNB)要接受很多台UE的接入，所以eNB要负责管理UE，包括资源分配，调度，管理接入策略等等。

MME
是Mobility Management Entity的缩写，是核心网中最重要的实体之一，提供以下的功能：
    NAS 信令传输，NAS信令指的是三层信令，包含EMM, ESM 和NAS 安全。
    用户鉴权与漫游管理（S6a）
    移动性管理，主要有寻呼，TAI管理和切换
    EPS承载管理，EPS 承载（bearer）的建立，修改，销毁等。

S-GW
是Serving Gateway 的缩写，主要负责切换中数据业务的传输。

P-GW
是PDN Gateway的缩写，其中PDN是Packet Data Network 的缩写，通俗地讲，可以理解为互联网，这是整个LTE架构与互联网的接口处，所以UE如果想访问互联网就必须途径P-GW实体，从另外一方面说，如果想通过P-GW而访问互联网的话，必须要有IP地址，所以P-GW负责了UE的IP地址的分配工作，同时提供IP路由和转发的功能。此外，为了使互联网的各种业务能够分配给不同的承载，P-GW提供针对每一个SDF和每一个用户的包过滤功能。（也就是说在P-GW处，进出的每一个包属于哪个级别的SDF和哪一个用户都已经被匹配好了。这里的SDF是服务数据流Service Data Flow的缩写，意思就是P-GW能区分每一个用户的不同服务的数据包，从而映射到不同的承载上去。以后会有关于SDF的更详细的说明）。此外，P-GW还有其他的一些功能，比如根据用户和服务进行不同的计费和不同的策略，这部分对于每个运营商都会有差异，在此不做多的赘述。

HSS
是Home Subscriber Server的缩写，归属用户服务器，这是存在与核心网中的一个数据库服务器，里面存放着所有属于该核心网的用户的数据信息。当用户连接到MME的时候，用户提交的资料会和HSS数据服务器中的资料进行比对来进行鉴权。

PCRF
是Policy and Charging Rules Function的缩写，策略与计费规则，它会根据不同的服务制定不同的PCC计费策略。

SPR
是Subscriber Profile Repository的缩写，用户档案库。这个实体为PCRF提供用户的信息，然后PCRF根据其提供的信息来指定相应的规则。

OCS
是Online Charging System 的缩写，在线计费系统，顾名思义，应该是个用户使用服务的计费的系统

OFCS
是Offline Charging System 的缩写，离线计费系统，对计费的记录进行保存。

上面介绍完了图中所有的实体的名称以及作用，其实真实的核心网中远远不止这些实体，还有很多，鉴于我也不是很懂，在此就不多说了。

3、针对图中主要的几个接口说明
LTE-Uu
LTE-Uu接口是位于终端与基站之间的空中接口。在这中间，终端会跟基站建立信令连接与数据连接，信令连接叫做RRC Connection，相应的信令在SRB上进行传输，（这里，SRB有三类，分别是SRB0, SRB1和SRB2，SRB可以理解为是传输信令的管道），而数据的连接是逻辑信道，相关的数据在DRB上传输。这两个连接是终端与网络进行通信所必不可少的。

X2（控制面）
X2是两个基站之间的接口，利用X2接口，基站间可以实现SON功能（Self Organizing Network），比如PCI的冲突检测等。

S1（控制面）
S1是基站与MME之间的接口，相关NAS信令的传输都必须建立在S1连接建立的基础上。

X2（用户面）
X2用户面的接口是建立在GTP-U协议的基础上，连接两个基站，传输基站间的数据。（X2 handover等）

S1（用户面）
S1用户面的接口是建立在GTP-U协议的基础上，连接基站与MME，传输基站与MME之间的数据。（S1 handover，上网的数据流等）

4、LTE协议栈

             
LTE User Plane Protocol Stack
上图是用户面的协议栈，下面详细地介绍每一个层（主要功能）
（1）LTE-Uu 接口

PDCP
PDCP协议针对传输地数据包执行以下的操作：
    数据包头压缩（ROHC）
    AS层的安全（包括加密与完整性检验）
    包的重排序和重传

RLC
RLC层针对传输地数据包执行以下的操作：
    在发送端，提供数据包的分段与串联
    在接收端，提供透明，确认模式与非确认模式三种模式
    RLC层也执行对RLC PDU的重排序与重传

MAC
MAC层对从高层传来的MAC PDU和从底层传来的包做以下的处理：
    在物理层和RLC层之间提供逻辑信道的连接
    逻辑信道的复用与解复用
    对逻辑信道根据QoS来进行调度和分配优先级

（2）S1-U/S5/X2 接口
GTP-U
GTP-U协议主要是用来转发用户的IP数据包，GTP-U协议还有个特点，只要GTP-U连接建立后传输数据，那么在数据结束之后总会有END Marker来标志着数据流的结束。

LTE Control Plane Protocol Stack

上面是关于控制面的总图，包含了LTE-Uu，S1-MME，S11等接口的，现只介绍
（1）LTE-Uu接口
NAS
提供移动性管理和承载管理，比如说eNB的信息的更新，或者MME的配置信息的更新会触发Configuration Update信令的下发或者上载，然后E-RAB的建立，修改，销毁都是属于NAS管理的范围之内。

RRC
RRC协议支持传输NAS信令， 同时也提供对于无线资源的管理
    广播系统消息，例如MIB，SIB1，SIB2 ……
    RRC连接的建立，重建立，重配置和释放
    无线承载(RB)的建立，修改与释放。

（2）X2 接口
X2AP
X2AP协议支持无线网（E-UTRAN）中的UE移动性管理和SON功能。比如通过X2AP的数据转发（在X2 Handover的时候的数据转发），SN status的转发（Handover时），或者时eNB之间的资源状态消息交换等。

（3）S1-MME
S1AP
S1AP协议如前所述，是S1 连接建立的时候用来传输信令的协议，该协议负责S1接口的管理，E-RAB的管理，还有NAS信令的传输，以及UE上下文的管理。

5、一个简单的例子

“上行传输”

首先是从终端到Internet的方向传输，也就是我们通常所说的“上行传输”，上面这个例子记述了包从UE是怎么一步一步地通过LTE系统传输到Internet的。
 　　1、首先，UE发出一个包时，包上面会打上UE的地址作为源地址，要去的因特网上的服务器的地址作为目的地址，传送给基站eNB

　　 2、然后基站给包封装到GTP 隧道里可以传输的GTP包，每个包的源地址会被换成基站的地址，而目的地址则是被换成将要到达的Serving Gateway

　　 3、然后，每个包也会包含他们所在传输隧道的隧道ID：UL S1-TEID。当包到达Serving Gateway时，源目地址被分别换成了Serving Gateway和P-GW的地址，同时，传输的隧道也由S1 GTP 隧道变成了S5 GTP隧道，当然隧道ID也会随之变化。

　　4、最后，当包到达P-GW后，这时P-GW讲GTP解开，查看其真正的目的地址，然后将包送到互联网上。这样子就完成了一个数据包从终端的互联网的上传。

“下行传输”
                                                                                                                                                                                                                                        
下行的情况与上行的情况正好相反，经过P-GW，S-GW，eNB时会对数据包打包，在eNB处会解封装，然后直接把数据包传输给UE。

6、APN的作用

APN(Access Point Name)是UE请求的用于连接到外部的PDN网络（其实就是选择PGW的）。
(1)UE可以在PDN Connect Req（一般是Attach过程中） 中带上APN给核心网，如果没有携带，则CN侧MME会通过ESM information request来跟UE查询APN，UE会通过ESM information response来告诉网络侧手机的APN配置消息。
(2)MME还有一种获取APN的方式。当MME完成鉴权加密流程后，可以向HSS发起位置更新请求，而HSS的位置更新应答中可以携带UE签约的APN列表，以及默认APN、QoS等信息。 ？？？---- 一般不走这个流程，不知道是否由于现在的终端默认都在Attach Req中携带APN的原因，需要用手机测试一下。

• MME根据当前用户的TAI，构建TAIFQDN（Fully Qualified Domain Name 全称域名），查询DNS得到SGW的IP地址；通过APN构建 APN FQDN，查询DNS得到PGW的IP地址。MME根据本地策略，选择最优的SGW与PGW组合，完成SAE gateway（System Architecture Evolution，就是SGW + PGW）的选择过程。

　  　TAI = MCC + MNC + TAC
   　　　　 APN = APN-NI + APN-OI
 　　　　 APN-NI 由运营算定义，比如移动的cmnet， cmwap；电信的 ctnet， ctwap；
　　　　　APN-OI ： MNC.MCC.3gppnetwork.org
       　　 一个完整的APN例子： cmnet.MNC000.MCC460.3gppnetwork.org

• 接着，MME就可以向选择的SGW gateway 发送create session request消息，请求建立缺省承载，消息包含APN ，MME侧S11接口控制平面地址及TEID，缺省承载QOS，PGW等信息。
• SGW根据MME所提供的PGW的地址，向PGW发送create session request消息请求建立缺省承载，消息包含APN，SGW侧的控制和用户平面地址，及TEID，请求的缺省承载QOS等信息。
• PGW向PCRF发送CCR initial消息申请建立EPS缺省承载的管控规则，以及进过确认的EPS承载QOS等参数。
• PCRF可以根据本地的策略数据库以及外部的辅助数据库，制定相应的建立EPS缺省承载的策略规则，向PGW返回CCA initial消息，消息中包含建立EPS缺省承载的管控规则，经过确认的EPS 承载QOS等参数。
• PGW为UE创建EPS缺省承载，向SGW返回create session response消息，包含分配的PGW侧的控制级用户平面地址，分配给UE的IP地址，以及经过PCI所确认的缺省承载的QOS等参数。
• SGW向MME返回create session response消息，包含SGW侧的控制及用户平面地址（TEID），分配给UE的IP地址，以及建立缺省承载QOS，至此，EPS核心网部分建立完毕。
• 接下来建立S1以及空口侧的承载。MME向UE发送attach accept消息，包含T3412周期性TA更新计时器，TA列表，分配给用户的身份标识GUTI(Globally Unique Temporary UE Identity，全球唯一临时UE标识)，以及PGW分配的UEIP等信息，新分配的GUTI可作为该用户的零时身份标识，用于在后续的NAS信令流程中UE与网络侧的通信。Attach accept消息，被封装到initial contacts set up request消息中，发送给EnodB，并请求EnodB分配无线资源，建立Erab承载，在消息中包含了需要建立的承载列表，建立erab所需要的QOS等参数，以及SGW侧s1-U接口的TEID和ip地址等关键信息。可以看出，CN需要在给eNodeB下发“上下文建立请求（ATTACH ACCEPT）”之前获取到APN，然后进过APN解析（本质就是DNS解析）得到PGW地址，用于发起PADN连接。需要解析的原因，是CN有多种类型的PGW，需要根据UE的请求（或签约信息）得到归属SAEGW。这里其实还涉及本地、拜访、漫游等情景，不再展开。

PDN多连接

也可以看出，UE在每个APN下都发起PDN 连接的话，就会每个APN都有一个IP地址（建立一个默认承载）.

7、APN类型

常见的APN类型有：
    default
    默认网络连接，当激活时所有数据传输都使用该连接，不能与其他default网络连接同时使用。
    适用场合：绝大部分正常上网时可以使用。

mms
    彩信专用连接，此连接与default类似，用于与载体的多媒体信息服务器对话的应用程序，此连接能与default连接同时使用。
    适用场合：使用彩信服务时，必须有mms类型的接入点，不必选中，应用程序会自动使用此接入点。

supl
    是Secure User Plane Location“安全用户面定位”的简写，此连接与default类似，用于帮助定位设备与载体的安全用户面定位服务器对话的应用程序，此连接能与default连接同时  　　使用。
    适用场合:需要自动切换wap与net接入点的、需要把手机当临时AP的 ---- 对这个描述存疑？
    对SUPL技术感兴趣的朋友，不妨看下以下文章
    SUPL技术(一)http://blog.sina.com.cn/s/blog_537f4a11010008tw.html
    SUPL技术(二)http://blog.sina.com.cn/s/blog_537f4a11010008uf.html
    SUPL技术(三)http://blog.sina.com.cn/s/blog_537f4a11010008ws.html
    SUPL技术(四)http://blog.sina.com.cn/s/blog_537f4a11010008yf.html

dun
    Dial Up Networking拨号网络的简称，此连接与default连接类似，用于执行一个拨号网络网桥，使载体能知道拨号网络流量的应用程序，此连接能与default连接同时使用。
    适用场合：需要使用运营商无线热点的，CMCC、ChinaNet等

hipri
    高优先级网络，与default类似，但路由设置不同。
    只有当进程访问移动DNS服务器，并明确要求使用requestRouteToHost(int, int)才会使用此连接。

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