LTE网络架构
一、前言
本文介紹LTE的網絡架構,包括LTE網絡的構成,每一個網絡實體的作用。由于LTE是從3G演進而來,因此也會提到與3G的對比和變化。
1、3G網絡架構
3G UMTS協(xié)議中,組網架構為4層:終端(UE),基站(NodeB),無線網絡控制器(RNC),核心網(CN)。RNC位置的網元在2G中稱為基站控制器(BSC),RNC直接由Iur接口,不僅僅是基站控制器,還是無線接入網絡的控制器。UMTS 4層網絡架構如圖所示:
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二、LTE網絡架構
LTG和3G相比,去掉了RNC,減少了一層,減少了基站與核心網之間信息交互的多節(jié)點開銷,更加扁平化。如圖所示:
扁平化帶來的好處是:
- 節(jié)點數量減小,用戶面時延大大縮短
- 簡化了控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)的過程,減少了狀態(tài)遷移的時間
- 降低系統(tǒng)復雜性,減少了接口類型,系統(tǒng)內部相應的交互操作也隨之減少
LTE的網絡模型如圖所示:
? ? ?? LTE網絡構架被分為四個部分,UE、E-UTRAN、EPC和PDN,即終端、接入網、核心網和公網。UE是我們的手機或CPE,E-UTRAN是遍布城市的各個基站(可以是大的鐵塔基站,也可以是室內懸掛的只有路由器大小的小基站),EPC是運營商(中國移動/中國聯通/中國電信)的核心網服務器,核心網包括很多服務器,有處理信令的、數據的、計費策略的等等,PDN即公網,如各個網站、游戲、視頻的服務器。?
????? UE到eNB這一段是無線的,我們稱這一段網絡叫空中接入網;eNB之間、eNB和EPC之間都是LTE的內部網絡,使用光纖相連接;EPC和PDN這一段叫地面網,使用光纖相連接,是LTE與公網的出入口。啥叫地面網?光纖不都是埋地下嗎?
PS:
- NAS,非接入層信令,是UE和核心網EPC之間使用的信令,雖然途徑接入網eUTRAN,但基站不作分析;
- AS?? ,接入層信令,是UE和接入網eUTRAN使用的信令,由基站來處理,核心網看不到。
下圖標注了信令流和數據流的走向。
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1、UE
全稱是User Equipment,用戶設備,就是指用戶的手機,或者是其他可以利用LTE上網的設備如CPE。
2、E-UTRAN
?? Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network,演進的通用陸地無線接入網絡。LTE的接入網由多個eNB組成,eNB之間通過光纖相連,叫做X2接口。
2.1、eNB
? ? ?? eNodeB的簡寫,LTE的基站,3G的基站叫NodeB。基站為用戶提供空中接口(air interface),用戶設備通過無線連接到eNB,然后基站再通過光纖連接到運營商的核心網。
?????? 3G的無線接入網UTRAN由NodeB和RNC兩種網元組成,NodeB完成射頻處理和基帶處理,RNC主要負責控制和協(xié)調基站間配合工作,完成系統(tǒng)接入控制、承載控制、移動性管理、無線資源管理等控制功能。eUTRAN去掉RNC網元后,其底層功能分給了eNodeB,高層功能分給了核心網的AGW(接入網關,包括服務網關SGW和分組數據PDN網關PGW)。eNodeB的功能主要是由3G階段的NodeB、RNC、SGSN、GGSN四個網元的部分功能演化而來。
eNodeB除了上述功能,還包括與LTE核心網(EPC)進行信息交互的功能,如為UE選擇移動性管理實體,選擇用戶面數據的服務網關的路由等。
3、EPC
Evolved Packet Core,演進分組核心網。EPC主要由MME(移動性管理實體),SGW(服務網關)和PGW(分組數據網關)組成。多個EPC的集合稱為EPS。EPC和eUTRAN間的接口是S1,由于用戶面和控制面的分離,S1接口也可分為用戶面接口S1-U和控制面接口S1-MME。
3G到LTE,核心網的演進表現在:
- 取消了CS域,CS域業(yè)務承載在PS域,實現了核心網的IP化。語音業(yè)務(Voice)在以往無線制式中由CS域承載,在LTE中則完全由PS域承載,即所謂的VoIP(Voice over IP)。
- 全網IP化,各網元節(jié)點之間的接口也都使用IP傳輸。LTE全網IP化的關鍵支撐就是端到端的QoS保障機制。
- LTE/SAE在核心網演進中實現了用戶面和控制面的分離,即用戶面和控制面功能分別由不同的網元實體完成。可降低系統(tǒng)時延,提升核心網處理效率。
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3.1、MME
Mobility Management Entity,核心網控制面網元,負責用戶和會話管理,MME主要功能有:
- 接入控制;
- 移動性管理;
- 會話管理;
- PDN GW 和Serving GW 選擇;
- 安全認證。
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3.2、HSS
Home Subscriber Server,歸屬用戶服務器,它是核心網中的一個數據庫服務器,里面存放著所有屬于該核心網的用戶的數據信息(即在這開戶的卡信息)。當用戶連接到MME的時候,用戶提交的資料會和HSS數據服務器中的資料進行比對來進行鑒權。
- 用戶注冊;
- 終端位置更新;
- 移動性管理;
我們的sim卡都有一個開戶所在地,你的sim卡的注冊鑒權信息都是存在開戶所在地的HSS服務器里面。漫游時注冊、做業(yè)務的區(qū)別主要在訪問HSS這一塊。如下圖對比漫游和非漫游,先是非漫游時:
然后是漫游時:
3.3、S-GW
Serving Gateway ,用戶面接入服務網關,相當于傳統(tǒng)SGSN的用戶面功能:
- 會話管理;
- 路由選擇和數據轉發(fā);
- Qos控制;
- 計費;
可以看到,服務能不能做,優(yōu)先級怎樣,都是SGW說了算。
3.4、P-GW
?PDN Gateway,分組數據網關。是運營商網絡和互聯網的網關,功能類似傳統(tǒng)中的GGSN,主要功能包括分組包深度檢查、
- IP地址分配;
- 會話管理;
- 路由選擇和數據轉發(fā);
- PCRF的選擇;
- Qos控制;
- 非3GPP接入;
- 基于業(yè)務的計費。
可見設計PGW有兩大目的:非3GPP網絡(如1X、GSM、CDMA、VoWIFI)接入LTE核心網;LTE核心網數據和互聯網的網關。
3.5、PCRF
Policy and Charging Rules Function,策略與計費規(guī)則服務器,根據用戶套餐和業(yè)務需求提供數據業(yè)務資源管控。
- 配置PCC計費規(guī)則;
- 執(zhí)行服務數據流優(yōu)先級排隊沖突解決處理;
- 支持控制信令的IP sec安全性保護;
- 向PCEF提供初始默認計費方法;
- 激活、去激活、修改PCC規(guī)則;
- 策略控制功能;
3.6、SPR
Subscriber Profile Repository的縮寫,用戶檔案庫。這個實體為PCRF提供用戶的信息,然后PCRF根據其提供的信息來指定相應的規(guī)則。
3.7、OCS
Online Charging System ,在線計費系統(tǒng),應該是個用戶使用服務的計費的系統(tǒng)。
3.8、OFCS
Offline Charging System ,離線計費系統(tǒng),對計費的記錄進行保存。
4、PDN
Public Data Network,公用數據網絡,即互聯網。
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三、EPC和eNodeB功能劃分
MME主要功能有尋呼、切換、漫游、鑒權,對NAS(非接入層)信令的加密和完整性保護,對AS(接入層)安全性控制、空閑狀態(tài)移動性控制等。NAS信令是UE和核心網EPC直接聯系使用的,接入網eUTRAN(即接入層)不作分析也不直接使用(所以叫非接入層信令);而AS信令是接入網eUTRAN分析并使用的信令。
SGW(服務網關)是EPC和eUTRAN的一個邊界網關,不和其他系統(tǒng)網關如GGSN、PDG直接相連,主要功能是LTE系統(tǒng)內的分組數據路由及轉發(fā)、合法監(jiān)聽、計費。
PGW(PDN網關)是和運營商外部或內部的分組網絡連接的網關,功能類似UMTS或EDGE中的GGSN,是所有3GPP系統(tǒng)或者非3GPP系統(tǒng)非組網絡的統(tǒng)一出口。主要功能包括分組包深度檢查、分組數據過濾及篩選、轉發(fā)、路由選擇等。還負責UE的IP地址分配,速率限制、上下行業(yè)務級計費等功能。設計PDN網關的目的是為了方便引入LTE系統(tǒng)以外的分組網絡,使得多系統(tǒng)引入LTE的接口數目最小化,EPS和外界的接口功能簡單化、清晰化,從而使LTE/SAE的核心網真正成為一個多制式融合的平臺。
打個比方:MME是負責流動人口管理的公安部門,SGW是一個負責人員和物資中轉地快遞公司,PGW則是對人員和物資進行出入境檢查的口岸。
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四、LTE和2G、3G網絡的融合
?????? LTE核心網支持多網融合,支持包括LTE在內的多種無線接入技術,不僅要支持UMTS網絡接入,還支持非3GPP制式的網絡接入,如GSM、CDMA、WLAN、WiMAX等網絡,實現了不同無線制式在EPC平臺上的大融合。EPC和各種無線制式中都設計有標準接口,方便業(yè)務使用時在不同制式的無線系統(tǒng)中無縫切換,3G和2G網絡分別通過Iu和Gb接口接入SGSN,然后分別使用S3和S4接口接入LTE核心網的SGW和PGW,如圖所示:
- LTE的接入網稱為E-UTRAN(Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network)
- WCDMA/TD-SCDMA的無線接入網稱為UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network)
- GSM和EDGE的無線接入網稱為GERAN(GSM EDE Radio Access Network)
- CDMA的無線接入網稱為1xRTT(CDMA 1x Radio Transmission Technology)
- CDMA2000的無線接入網稱為HRPD(CDMA2000 High Rate Packet Data)
總結
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