LTE及EPC技术原理（笔记）

无线网络发展历史

20世纪80年代：模拟技术和FDMA

20世纪90年代：数字技术和TDMA

21世纪初：数字技术和CDMA

LTE进步

下行100Mbps，上行50Mbps

用户面时延10-20ms，控制面时延小于100ms

带宽从1.4MHz~20MHz（1.4、3、5、10、15、20）

OFDMA技术增强了频谱效率

EPC（Packet Core Network 数据核心网，也称为SAE）

EPC关键技术

• 仅有分组域，没有电路域

• 控制面和承载面分离，扁平化架构

• 核心网控制面协议基于GTPCv2和Diameter，用户面基于GTPUv1，传输层协议基于UDP和SCTP

• S5/S8均支持3GPP的GTP协议和IETF的PMIP协议

• 实现了核心网的融合，支持 3GPP与非3GPP（如Wi-Fi、 WiMAX等）的多种接入方式。

• LTE提出了新的Qos特性，引入了默认承载概念

eNodeB

取代了3G系统中的Node B与RNC，相比于Node B，集成了部分RNC的功能

• 无线资源管理
• 无线承载控制：建立、修改、释放无线资源
• 连接管理控制：UE状态管理，MME与UE连接管理
• IP头压缩解压缩
• 接入层安全保护：空口加密和完整性保护
• UE附着时选择MME，传输上行数据到SAE GW（SGE + PGW）
• 传输MME寻呼给UUE、传输广播

MME

EPC中纯信令实体

SAE使用跟踪区（TA）来跟踪空闲的UE

MME处理用户在SAE下的附着、去附着、跟踪区、更新等，同时也处理和HSS之间的接口

MME负责为UE和EPC建立承载

MME通过S10接口互联

MME给UE分配临时标识（UE）

• NAS信令
• 移动性管理：用户附着、去附着、跟踪区更新、切换、空闲态UE移动性管理
• 会话管理：SAE承载建立、释放
• 安全
• 用户数据管理（S6a与HSS连接）
• 网元选择（SGW选择）
• 触发寻呼和广播

SGW

一定时间内，一个UE只能通过一台SGW连接EPC，与2/3G的SGSN类似

• 本地移动管理锚点：eNodeB切换时，切换到新的用户面
• 3GPP锚点：3GPP定义的不同的接入方式
• 当UE空闲，对下行数据进行缓存
• eNodeB/MME/SGSN与PGW数据包的转发
• 合法监听、计费

PGW

提供EPC与外部数据网络（比如PDN）的连接、Qos协调，与2/3G核心网的GGSN类似，当UE连接多个PDN时，可能连接多个PGW

• 3GPP和non-3GPP的用户面数据锚点
• 内含PCEF（执行PCRF的策略）
• 数据包过滤、计费、合法监听
• 给UE分配IP
• SGW与外部数据网的包数据转发

PCRF

维护EPC与外部数据网间的Qos关联，与PDN协商Qos策略

通过Rx连接外部数据网

• 计费策略：定义数据包计费规则

• 新承载建立时，提供响应策略和计费控制规则

HSS

Home Subscriber Server，HSS存储的是用户的EPS位置信息及业务相关的签约策略，数据库存储内容与HLR和IMS-HSS不同，HSS使用Diameter（集认证、授权和计费（AAA）为目的设计的协议）协议

• 永久的用户数据库
• 存储用户的EPS位置即业务相关签约数据
• 包含鉴权中心功能

空中接口及X2接口

空口是LTE-Uu，UE和eNodeB的接口，EUTRAN的无线接口

下行OFDMA技术，上行SC-FDMA技术

支持FDD和TDD两种模式

MIMO（多输入多输出）是一个可选的主要技术

X2，eNodeB之间的接口

分为X2用户平面和X2控制平面，X2之间的切换不需要EPC参与，切换过程可以通过X2接口转发缓存或者直接由SGW下行数据包转发

使用专用的信令协议X2AP

S1-MME与S1-U接口

S1-MME

eNode与MME之间的纯信令控制平面接口

S1接口专用应用层协议：S1 AP（S1 Application Protocol）

S1flex：MME pool技术，一个eNodeB可以连接多个MME（已实现负载均衡和数据冗余备份）

S1-U

eNodeB与SGW之间的用户面接口

纯用户数据接口

一个eNodeB可以连接多个SGW（因为一个eNodeB可以连接多个UE）

UE和eNodeB、SGW、MME都是一对一的关系，和PGW是一对多的关系

eNodeB、MME、SGW、PGW之间都是多对多的关系

S10和S11接口

S10

MME之间的接口，是一个纯信令面接口，没有用户面数据在上面运行

MME之间通过S10接口传递承载上下文信息

基于GTPv2

S11

MME与SGW之间的接口，一个MME可以处理多个SGW

S6a接口

MME与HSS之间

用户附着或者位置更新，MME通过S6a从HSS获取用户的鉴权信息、签约信息、位置信息

同时会在数据库中存储当前MME的地址，以及用户登记的时间

S5/S8接口

SGW和PGW之间

S5是本地SGW和PGW之间

S8是漫游时本地SGW和归属地PGW之间，等于S5 + 运营商间安全功能

主要是传递用户数据，信令面数据主要作用固定建立承载

GTP协议，也可以PMIPv6

S3和S4接口

EPC和2G/3G数据交换的网络互操作的接口

S3接口是一个纯的信令接口，用于SGSN与MME之间

S4包含控制面和用户面，是SGW和SGSN之间

当LTE用户漫游或者切换到2G/3G网络时，通过无线接入网经由SGSN传送到SGW PGW

当SGSN的DT功能开启时,RNC可以通过S12接口连接到SGW，S12接口是一个用户面接口

SGs接口

MME与MSC server之间

LTE与CS电路域通过SGs接口实现移动性管理

通过SGs实现用户短消息业务的传递和语言信令传递

SGi接口

PGW与PDN外部网络之间

可以基于IPv4或者IPv6

与2G/3G的Gi接口功能一样

Gx接口

PGW与PCRF

LTE漫游结构

漫游由MME决定，当UE尝试连接到网络时，UE会向最近的eNodeB发送附着请求（Attach Request），其中包含用户的IMSI，MME接收到请求之后，会解析IMSI，从中其去除MCC和MNC，然后判断用户是否是本地网络，如果不是，MME则会从HLR或HSS获取用户归属地信息，从而让SGW使用S5/S8去访问PGW

从这里可以看出，MME是控制漫游的核心网元

访问归属地的业务

拜访地SGW访问归属地PGW

S8接口（GTP协议或者PMIPv6），归属地PCRF为用户数据流提供Qos的控制策略

访问拜访地的业务

归属地PGW（PCEF）通过S9接口与归属地的PCRF之间进行连接，漫游控制策略取决于归属地的PCRF

LTE计费

SGW对于每个UE的计费与无线网络的使用相关，SGW生成SGW-CDR

PGW对于每个UE的计费与外部数据网络的使用相关,PGW生成PGW-CDR

支持在线计费和离线计费

PCC引入后时事计费流程

漫游计费结构

LTE用户接入外部数据使用漫游地的SGW及归属地的PGW，因此话单由漫游地是SGW、归属地PGW各自胜场话单后送往各自的归属的计费系统，然后进行漫游记费

LTE承载语言演进

1.LTE只适用于高速数据接入，语言业务需要电路域

运营商通过2/3G电路域网络提供语言业务

用户可以在LTE网络使用基于互联网是VoIP业务（局限性就是VoIP的局限性，有限的Qos，不能切换至2/3G）

2.电路域逐步隐退，LTE只用于数据业务，终端同时注册于LTE和2/3G电路域网络，语言业务仍然通过电路域网络发起和接收

当用户通过运营商发起语言呼叫时，终端自动使用2G/3G电路域网络

当用户有语音业务要接入时，在呼叫接续前终端将从LTE 网络转到2G/3G 电路域网络

3.VOLTE+SRVCC，运营商通过LTE提供VoIP业务员，IMS扮演控制中心的角色，语言业务可以切换到电路域网络

IMS是3GPP定义的呼叫中心，可以处理语言和多媒体进程，MME负责PS中语言进程的切换，MME和MSS定义了交互功能，PS的语言进程可以切换到2G/3G电路域，同时支持语言和数据进程

总结：在第三代的时候（VoLTE），语言业务从以前的在CSFB切换，增加了在MME切换语言进程，PS域语言进程即可切换到2G/3G电路域

CSFB方案

SGs接口短信息

终端无需退回2G/3G网络就可以收发消息，即单模终端在LTE接入网络下接受或发送短信息，不会影响同时的数据连接

• LTE终端（单模）、eNodeB、MSS、MME需要支持基于SGs接口的短信业务

语言CSFB

当用户接收或发起呼叫时，多模终端需要从LTE网络转移到2G/3G电路域接口以完成呼叫转移

运营商可以在eNodeB上通过调整优先级来决定CSFB的目标频段

• LTE终端（多模）、eNodeB、MME、MSS需要支持CSFB功能

TAI及TAI List

小区：Cell，是移动性管理的最小单位

小区标识（CI）：Cell identification，网络小区最小单位

跟踪区（TA）：Tacking Area，LTE覆盖区分成多个跟踪区，一个TA可以包含多个Cell

TA码（TAC）：Tacking Area Code，标识TA，用于标识一个特定的跟踪区，TAC用于在网络中管理和跟踪UE，当UE在不同TA之间移动时，网络可以通过TAC来管理UE的移动性

跟踪区标识（TAI）：Tacking Area Identity，用于唯一标识跟踪区，TAI = MCC + MNC + TAC，用于在网络中唯一标识一个跟踪区

跟踪区列表（TA List）：一个TA List包含1~16ge TA，起缓存作用，避免频繁更新；UE附着时，MME为UE分配TA List，UE保存在本地，当UE切换TA，只要TAI包含在TA List，即不需要发起TAU流程；当MME发起寻呼时，网络会向TA List所包含的所有小区向UE发起寻呼；

LTE UE标识——GUTI

全球唯一临时标识减少IMSI，IMEI等在网络中的暴露传输

第一次Attach时UE携带IMSI，随后MME给UE分配GUTI，通过Attach Accpet或者TAU返回

EPS承载（bearer）

可以看作是UE与P-GW之间的逻辑电路，根据接口和协议类型，可以将其分成三段

EPS Bearer =无线承载 + S1承载+ S5/S8承载

S-GW通过创建S1承载与S5/S8承载之间的绑定，实现S1承载与S5/S8承载之间的一一 映射

EPS移动性管理状态

EMM（EPS Mobility Management）主要用于实现用户当前位置的跟踪，以及UE的切换、位置更新等移动性管理，共 有两个状态：

• EMM-Deregistered
• EMM-Registered

EPS连接管理状态转换

ECM（EPS Connection Management）主要用于UE和EPC之间的信令连接管理，共有两个状态：

• ECM-IDLE
• ECM-CONNECTED

LTE的专用承载由网络侧发起或触发

密钥机制

LTE密钥产生层次复杂，产生用于不同层的加密和完整性保护密钥，可以防止下级密钥泄露导致上级密钥泄露的问题

LTE密钥长度为128比特，长远发展还应准备支持256比特。

LTE/SAE的密钥层次架构包含：

• UE和HSS间共享的密钥
• ME和ASME共享的中间密钥
• UE和eNodeB和MME的共享密钥

LTE Qos机制特点

LTE的QoS机制在UMTS系统基础上进行了诸多增强与改进。

• 引入了默认承载
• 取消了Qos协商机制：LTE在无线接入网中取消了专用信道概念，采用了共享信道机制，取消了Qos协商机制
• Qos控制的基本粒度是承载：相同承载是所有数据获得相同的Qos保障，不同则不同
• Qos控制基于Qos等级标识QCI参数（总共由九种类型）
• 只是跨不同接入技术的端到端Qos保证

LTE QoS主要参数——TFT（传输流量模板）

用户的IP数据报需要映射到不同的EPS承载中，以获得相应的Qos保障，这样的映射关系是通过TFT和其中的数据包过滤器来实现的（TFT中包含包过滤器，是包过滤器集合）

每一个业务数据流（SDF）对应传输流量模板（TFT）中的一个数据包过滤器

一个业务数据流对应一个包过滤器

上行的TFT在UE侧，下行的在PDN侧

默认承载可以不关联一个TFT

每一个专用承载关联一个上行和一个下行TFT

LTE接入流程

MME通过TA在DNS解析出所归属的SGW

MME通过APN在DNS解析出所承载的PGW

MME通过S11接口发送创建默认承载的消息给SGW，同时告知SGW承载该UE业务的PGW

TAU流程

触发条件：

• TA不在TA List里
• 周期性TAU用于表明UE Alive，由网络配置下发，强制执行

MME负载均衡时，可由UE发起流程

HSS类比于HLR