一、LTE協(xié)議棧

從LTE的UE、eNB和EPC角度看，LTE協(xié)議棧如下圖：

NAS

??????? 非接入層（NAS）協(xié)議，UE和MME之間的控制面協(xié)議，eNB對NAS協(xié)議直接轉(zhuǎn)發(fā)。NAS協(xié)議支持UE的移動性和會話管理程序，建立和保持UE和PDN GW之間的IP連接。

RRC

?????? 無線資源控制子層的主要服務(wù)和功能包括廣播??的系統(tǒng)信息相關(guān)的非接入層（NAS）的廣播系統(tǒng)信息，尋呼，RRC連接的建立，維護(hù)和釋放之間的接入層（AS）的相關(guān)UE和E-UTRAN，安全功能，包括密鑰管理，建立，配置，維護(hù)和釋放無線承載點(diǎn)對點(diǎn)。

?????? 廣播NAS層和AS層的系統(tǒng)消息，尋呼功能，RRC連接建立、保持和釋放，端到端無線承載的建立、修改和釋放，移動性管理包括UE測量報告、小區(qū)切換、UE小區(qū)選擇和重選等。RRC層協(xié)議終止于eNode?B。

PDCP

?LTE系統(tǒng)PDCP協(xié)議層的主要目的是發(fā)送或接收對等PDCP實(shí)體的分組數(shù)據(jù)。該子層主要完成以下幾方面的功能：IP包頭壓縮與解壓縮、數(shù)據(jù)與信令的加密，以及信令的完整性保護(hù)。下圖給出了PDCP層用戶平面與控制平面的主要功能模型。

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? ? 在控制平面，加密和完整性保護(hù)是必選功能；而在用戶平面，可靠頭壓縮（ROHC）為必選功能，數(shù)據(jù)加密為可選功能，這里的數(shù)據(jù)既可以是用戶數(shù)據(jù)，也可以是應(yīng)用層信令，如SIP、RTCP等。

RLC

?????? 負(fù)責(zé)分段與連接、糾錯、重傳處理、及對高層數(shù)據(jù)的順序傳輸。

?????? RLC提出了三種模式：透明模式（Transparent Mode，TM）、非確認(rèn)模式（Unacknowledged Mode，UM）和確認(rèn)模式（Acknowledged Mode，AM）。

• AM模式典型用于TCP的業(yè)務(wù)，如文件傳輸，這類業(yè)務(wù)主要關(guān)心數(shù)據(jù)的無措傳輸；
• UM模式用于高層提供數(shù)據(jù)的順序傳送，但是不重傳丟失的PDU，典型用于如Voip業(yè)務(wù)，這類業(yè)務(wù)最主要關(guān)心傳送時延；
• TM模式則僅僅用于特殊的目的，如隨機(jī)接入。

MAC

?????? 負(fù)責(zé)邏輯信道和傳輸信道之間的映射，對邏輯信道根據(jù)QoS來進(jìn)行調(diào)度和分配優(yōu)先級，處理HARQ重傳與上下行調(diào)度。

PHY

?????? 負(fù)責(zé)處理編譯碼、調(diào)制解調(diào)、多天線映射以及其它電信物理層功能。

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二、三層兩面 ????

????? 協(xié)議棧橫向看分三層：物理層L1、數(shù)據(jù)鏈路層L2和網(wǎng)絡(luò)層L3?？v向看分兩面：用戶面和控制面。用戶面負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳送和處理，控制面負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制信令的傳送和處理。

• 在層一，不區(qū)分用戶面和控制面；
• 在層二，數(shù)據(jù)功能處理開始區(qū)分用戶面和控制面；
• 在層三，用戶面和控制面則由不同的功能實(shí)體完成。

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?1、三層

LTE接口協(xié)議的三層：物理層（層一，L1，PHY)、數(shù)據(jù)鏈路層（層二，L2，DLL）、網(wǎng)絡(luò)層（層三，L3，NL）。如下圖：

1.1、L1層功能

L1層負(fù)責(zé)信道編碼、調(diào)制解調(diào)、天線映射等。不區(qū)分用戶面和控制面。

1.2、L2層功能

用戶面的主要功能是處理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。在發(fā)送端，將承載高層業(yè)務(wù)應(yīng)用的IP數(shù)據(jù)流，通過頭壓縮（PDCP）、加密（PDCP）、分段（RLC）、復(fù)用（MAC）、調(diào)度等過程變成物理層可處理的傳輸塊。在接受端，將物理層接收到的比特數(shù)據(jù)流，按調(diào)度要求，解復(fù)用（MAC）、級聯(lián)（RLC）、解密（PDCP）、解壓縮（PDCP），成為高層應(yīng)用可識別的數(shù)據(jù)流。整個過程如圖所示：

控制面層二功能模塊和用戶面一樣，也包括MAC、RLC、PDCP三個功能模塊。MAC、RLC功能與用戶面一致，PDCP與用戶面略有區(qū)別，除了對控制信令進(jìn)行加解密外，還要對控制信令數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性保護(hù)和完整性驗(yàn)證。

1.3、L3層功能

用戶面層三沒有定義自己的協(xié)議，直接使用IP協(xié)議棧。

控制面層三包括兩部分：RRC（Radio Resource Control，無線資源控制）和NAS（Non Access Stratum，非接入層）。

UE和eNodeB之間的控制信令主要是無線資源控制（RRC）消息。RRC就相當(dāng)于eNodeB內(nèi)部的一個司令部，RRC消息攜帶建立、修改和釋層二和層一協(xié)議實(shí)體所需的全部參數(shù)；另外，RRC還要給UE透明傳達(dá)來自核心網(wǎng)的指示。

在干活前先聽一下領(lǐng)導(dǎo)意見，UE和eNodeB在承載業(yè)務(wù)前，先要建立RRC連接。RRC模塊的主要功能有系統(tǒng)信息的廣播、尋呼、RRC連接管理、無線資源控制、移動性管理。

LTE的RRC狀態(tài)管理比較簡單，只有兩種狀態(tài)：空閑狀態(tài)（RRC_IDLE）和連續(xù)狀態(tài)（RRC_CONNECTED）。系統(tǒng)信息塊個數(shù)降低很多，傳輸信道個數(shù)也減少了。這樣針對系統(tǒng)信息或傳輸信道的參數(shù)配置也減少很多。

UE處于空閑狀態(tài)時，接收到的系統(tǒng)信息有小區(qū)選擇或重選的配置參數(shù)、鄰小區(qū)信息；在UE處于連接狀態(tài)時，接收到的是公共信道配置信息。

尋呼（Paging）消息是eUTRAN用來尋找或通知一個或多個UE，主要攜帶的內(nèi)容包括擬尋呼UE的標(biāo)識、發(fā)起尋呼的核心網(wǎng)標(biāo)識、系統(tǒng)消息是否有改變的指示。UE劃分成多個尋呼組，在空閑狀態(tài)時并不是始終檢測是否有呼叫進(jìn)入，而是采用DRX方式，只有在特定時刻接收尋呼信息?？杀苊鈱ず粝⑦^多，減少UE功耗。

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2、兩面

?????? 用戶面和控制面的劃分實(shí)際上是基于邏輯的角度，用戶面負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳送和處理，控制面負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制信令的傳送和處理。用戶面LTE協(xié)議整體層次圖：

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控制面LTE協(xié)議整體層次圖：

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在這兩個圖上我們看到很多接口，下面我們就來講述接口。

三、接口

1、空中接口Uu

所謂空中接口是指UE和eNB之間的接口，走的是無線傳輸。

LTE和UMTS空口協(xié)議棧是有所區(qū)別的，對比如下圖：

?????? 兩者都是三層兩面結(jié)構(gòu)，主要區(qū)別在于以下兩點(diǎn)：PDCP（分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）和BMC（Broadcast Multicast Control，廣播組播功能）。

?????? UMTS架構(gòu)中并沒有完全實(shí)現(xiàn)分組化，控制面信令并不通過PDCP處理；用戶面數(shù)據(jù)也分CS域和PS域，只有PS域數(shù)據(jù)才通過PDCP處理。而在LTE架構(gòu)中，沒有CS域，包括控制面信令在內(nèi)的一切數(shù)據(jù)流都通過PDCP處理。

?????? UMTS中的BMC實(shí)體在LTE被MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service,多媒體廣播多播業(yè)務(wù)）功能代替了。

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2、地面接口

地面接口指eNB之間、eNB和EPC之間的接口，都是光纖的。

2.1、同級接口——X2

以往的制式中，基站間沒有直接接口，UMTS只建立了RNC之間的Iur接口。LTE取消了RNC網(wǎng)元，基站之間的接口為X2，功能上繼承并加強(qiáng)了Iur接口。

X2接口為用戶面提供了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的基于IP傳輸?shù)牟豢煽窟B接，而為控制面提供了信令傳送的基于IP的可靠連接。

X2接口的用戶面是在切換時eNodeB之間轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的接口，是一個IP化的接口。它在不可靠的UDP/IP之上，利用了GTP-U（GPRS用戶平面隧道協(xié)議）來傳送用戶分組數(shù)據(jù)單元，其協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖：

X2接口的控制面也基于IP傳輸，但它利用了SCTP（流控傳輸協(xié)議）為IP分組網(wǎng)提供可靠的信令傳輸，如上圖所示。SCTP的設(shè)計是為了解決TCP/IP網(wǎng)絡(luò)在傳輸實(shí)時信令和數(shù)據(jù)時所面臨的不可靠傳輸、時延等問題。X2接口的控制面協(xié)議為X2 AP。

X2接口控制面的主要功能是支持在LTE系統(tǒng)內(nèi)，UE在連接狀態(tài)下從一個eNodeB切換到另一個eNodeB的移動性管理。這個功能在UMTS中是位于RNC上的功能模塊中。

X2接口控制面還可以對各eNodeB之間的資源狀態(tài)、負(fù)責(zé)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，用于eNodeB負(fù)載均衡、負(fù)荷控制或者準(zhǔn)入控制的判斷依據(jù)。此外還負(fù)責(zé)X2連接的建立、復(fù)位、eNodeB配置更新等借口管理工作。

2.2、上下級接口——S1

S1用戶面接口位于eNodeB和SGW之間。此接口和X2用戶面接口架構(gòu)一致。如下圖所示，也是建立在IP傳輸之上，用GTP-U協(xié)議來攜帶用戶面的PDU，不是面向連接的可靠傳輸。

S1控制面接口位于eNodeB和MME之間，如上圖所示，也是建立在IP傳輸基礎(chǔ)之上的，這點(diǎn)和S1用戶面一樣。和S1用戶面不同的是，為支持可靠信令傳輸，在IP層上添加了SCTP，這樣，和X2控制面的基礎(chǔ)架構(gòu)是一致的。S1 AP是S1的應(yīng)用層信令協(xié)議。

S1控制面的主要功能是建立與核心網(wǎng)的承載連接，即SAE承載管理功能，包括SAE承載建立、修改和釋放。

S1移動性管理不管包括LTE系統(tǒng)內(nèi)的切換，還包括系統(tǒng)間切換。例如處于連接狀態(tài)的UE從LTE覆蓋區(qū)域移動到WCDMA覆蓋區(qū)域，S1控制面接口助力UE完成系統(tǒng)間切換。而X2接口的控制面沒有系統(tǒng)間切換的功能，只是LTE系統(tǒng)內(nèi)的移動性管理。此外S1接口還支持尋呼功能、NAS信令的傳輸功能、S1接口的管理功能等。

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3、LTE和UMTS接口協(xié)議棧的比較

（1）功能簡化，降低系統(tǒng)復(fù)雜度

LTE MAC層實(shí)體個數(shù)減少很多，減少了信道傳輸個數(shù)。通過這些功能實(shí)體的簡化，降低了系統(tǒng)設(shè)計和參數(shù)配置的復(fù)雜度。LTE減少了UE的狀態(tài)，如圖所示，在eNodeB中僅存在2種RRC狀態(tài)：RRC_IDLE（空閑狀態(tài)）、RRC_CONNECTED（連接狀態(tài)）。

LTE刪除了其他狀態(tài)，簡化了狀態(tài)遷移管理的復(fù)雜度，降低了狀態(tài)遷移所用的時間。

在AGW網(wǎng)元中，LTE的UE狀態(tài)將UTMS中的RRC狀態(tài)和PMM（核心網(wǎng)PS域移動性管理）狀態(tài)合并為一個狀態(tài)集，包含RRC_IDLE（空閑）、RRC_ACTIVE（激活狀態(tài)）和RRC_DETACHED（分離狀態(tài)）三種。UE的的上下文必須區(qū)分這3種狀態(tài)，如圖所示：

在eNodeB中，RRC_CONNECTED對應(yīng)著aGW中的RRC_ACTIVE狀態(tài)，無需保留RRC_DETACHED狀態(tài)。這樣，處于RRC_DETACHED（分離狀態(tài)）的UE在核心網(wǎng)屬于“在線（online）”狀態(tài)，而在無線接入網(wǎng)側(cè)則并不占用任何無線資源。

LTE要與WCDMA、GSM等進(jìn)行系統(tǒng)間互操作，所以LTE系統(tǒng)也設(shè)計了LTE-RRC狀態(tài)和其他系統(tǒng)的RRC狀態(tài)間的相互轉(zhuǎn)移途徑。

之所以可以減少UE連接狀態(tài)的個數(shù)，是因?yàn)長TE使用共享信道來承載用戶的控制信令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，取消了3G物理層中的專用信道。共享信道使多個用戶共享空口資源，不需要區(qū)分LTE連接狀態(tài)的細(xì)節(jié)，可根據(jù)需要動態(tài)調(diào)整連接狀態(tài)的資源。

（2）功能位移，實(shí)現(xiàn)位置下降

取消RNC網(wǎng)元，將其功能下移到eNodeB。PDCP功能也完全下移到了eNodeB上，核心網(wǎng)不再提供PDCP實(shí)體。由于PDCP下移，SGW的功能基本成為簡單的路由器，方便了LTE和其他分組網(wǎng)絡(luò)在核心網(wǎng)側(cè)的融合。

（3）功能增強(qiáng)，替換實(shí)現(xiàn)方案。

MBMS代替了UMTS的BMC層以及公共業(yè)務(wù)信道CTCH；

四、LTE運(yùn)行過程

1、上行傳輸

　　

　　首先，UE發(fā)出一個包時，包上面會打上UE的地址作為源地址，要去的因特網(wǎng)上的服務(wù)器的地址作為目的地址，傳送給基站eNB，然后基站給包封裝到GTP 隧道里可以傳輸?shù)腉TP包，每個包的源地址會被換成基站的地址，

而目的地址則是被換成將要到達(dá)的Serving Gateway，然后，每個包也會包含他們所在傳輸隧道的隧道ID：UL S1-TEID。當(dāng)包到達(dá)Serving Gateway時，源目地址被分別換成了Serving Gateway和P-GW的地址，同時，

傳輸?shù)乃淼酪灿蒘1 GTP 隧道變成了S5 GTP隧道，當(dāng)然隧道ID也會隨之變化。最后，當(dāng)包到達(dá)P-GW后，這時P-GW講GTP解開，查看其真正的目的地址，然后將包送到互聯(lián)網(wǎng)上。這樣子就完成了一個數(shù)據(jù)包從終端的互聯(lián)網(wǎng)的上傳。

2、下行傳輸

　　下行的情況與上行的情況正好相反，經(jīng)過P-GW，S-GW，eNB時會對數(shù)據(jù)包打包，在eNB處會解封裝，然后直接把數(shù)據(jù)包傳輸給UE。