1.2 4G技术概述

1.2.1 4G网络架构概述

1.网络结构

E-UTRA包含唯一的节点eNode B（evolved Node B），提供E-UTRA用户面RLC/MAC/物理层协议的功能和控制面RRC协议的功能，E-UTRAN的系统结构如图1-1所示。

在E-UTRAN中，eNode B之间底层采用IP传输，在逻辑上通过X2接口互相连接，也就是通常所说的Mesh型网络。这样的网络结构设计，主要用于支持UE在整个网络内的移动，保证用户的无缝切换。而每个eNode B通过S1接口和接入网关（aGW，Access GateWay）连接。而S1接口也是采用了Mesh或部分Mesh型的连接形式，一个eNode B可以与多个aGW互连，反之亦然。

E-UTRAN包括若干eNode B节点，提供E-UTRA的用户面（分组数据控制协议/无线链路控制/MAC/PHY）和控制面（无线资源控制RRC）的协议，终止于UE。eNode B之间通过X2接口相互连接。eNode B通过S1接口与演进的分组核心网（EPC，Evolved Packet Core）连接，其中包括通过S1-MME与移动管理实体（MME，Mobile Management Entity）连接，通过S1-U与服务网关（S-GW，Serving GateWay）连接。S1接口支持MME/S-GW与eNode B之间多点对多点的连接。

2.空中接口高层协议

E-UTRAN与EPC之间的功能模块如图1-2所示。

eNode B具有如下功能。

①无线资源管理相关的功能，如无线承载控制、接纳控制、连接移动性管理、上/下行动态资源分配/调度等。

②IP头压缩与用户数据流的加密。

③UE附着时的MME选择。由于eNode B可以与多个MME/S-GW之间存在S1接口，因此在UE初始化接入网络时，需要选择一个MME进行附着。

④提供到S-GW的用户面数据的路由。

⑤寻呼消息的调度与传输。eNode B在接收到来自MME的寻呼消息后，根据一定的调度原则向空中接口发动寻呼消息。

⑥系统广播信息的调度与传输。系统广播信息的内容可以来自MME或者操作维护，这与UMTS是类似的，eNode B负责按照一定的调度原则向空中接口发送系统广播信息。

⑦测量与测量报告的配置。

MME具有如下功能。

①寻呼消息分发。MME负责将寻呼消息按照一定的原则分发到相关的eNode B。

②安全控制。

③空闲状态的移动性管理。

④SAE承载控制。

⑤非接入层（NAS）信令的加密与完整性保护。

服务网关具有如下功能。

①终止由于寻呼原因产生的用户平面数据分组。

②支持由于UE移动性产生的用户平面切换。

3.E-UTRAN用户面和控制面的无线协议架构

（1）E-UTRAN接口的通用协议模型

E-UTRAN接口的通用协议模型如图1-3所示，适用于E-UTRAN相关的所有接口，即S1和X2接口。E-UTRAN接口的通用协议模型继承了UMTS接口的定义原则，即控制平面与用户平面相分离，无线网络层与传输网络层相分离。除了能够保持控制平面与用户平面、无线网络层与传输网络层技术的独立演进之外，由于具有良好的继承性，这种定义方法带来的另一个好处是能够减少LTE系统接口标准化工作的代价。

（2）用户面

图1-4给出用户面的协议栈，其中分组数据控制协议、无线链路控制和MAC子层（终止于eNode B的网络侧）完成用户面的相关功能，如头压缩、计算、调度、ARQ和混合自动重传请求（HARQ）。

在用户面，协议栈主要分为MAC、RLC、PDCP和安全子层。MAC、RLC、PDCP子层的功能与3GPP R6类似，只是负责相应协议的网元发生了变化；而安全子层主要完成用户数据和NAS信令的加密。这是由于用户数据加密移到了aGW而新增的一层协议。

（3）控制面

图1-5给出了控制面的协议栈。控制面的底层协议和用户面相似，而上层的RRC层和NAS是控制面最重要的部分。在真实网络中，UE既可能处于空闲状态，也有可能正在进行业务。针对UE的不同状态，在RRC层和NAS都有不同的协议状态与之对应，从而对不同活动状态的UE进行管理。

分组数据控制协议子层（终止于eNode B的网络侧）完成控制面的功能，例如，计算和完整性保护。

无线链路控制和MAC子层（终止于eNode B的网络侧）完成和用户面一样的功能。

无线资源控制（终止于eNode B的网络侧）实现的功能如下：

•广播；

•寻呼；

•无线资源控制的连接性管理；

•无线承载控制；

•移动性功能；

•UE测量报告和控制。

非接入子层的控制协议（终止于MME的网络侧）完成以下功能：

•SAE承载管理；

•认证；

•ECM_IDLE状态下的移动性操作；

•ECM_IDLE状态下的调度发起；

•安全控制。

RRC子层主要承担广播、无线接口寻呼、RRC连接管理、无线承载控制（RBC）、移动性管理、UE测量上报和控制等功能。将RRC在网络侧终结于eNode B，是网络的一个重大改变。

和UTRAN相比，E-UTRAN的RRC状态减少为只有以下两个。

①RRC_IDLE：当UE不发起业务时，通常处于该状态。此时，eNode B侧也没有UE的RRC上下文，只进行一些诸如监听寻呼、小区广播消息等操作，在eNode B之内不存储RRC上下文。

②RRC_CONNECTED：UE建立业务后，进入RRC连接状态，E-UTRAN具有该UE的上下文，并知道UE所在的小区。网络和UE之间进行数据传送，进行切换和邻区测量，以及控制UE进行非连续发送/接收（DTX/DRX）。

非接入层，顾名思义，更多的是完成核心网对用户的移动性、呼叫控制和QoS管理功能，不属于接入网的范畴，这部分终结于aGW。UE的NAS状态和其所处的RRC状态有相应的关系。

NAS主要包括3个协议状态。

①LTE_DETACHED：网络和UE侧都没有RRC实体，此时UE通常处于关机、去附着等状态。

②LTE_IDLE：对应RRC的IDLE状态。UE和网络侧存储的信息包括：给UE分配的IP地址、安全相关的参数（密钥等）、UE的能力信息、无线承载。此时UE的状态转移由基站或aGW决定。

③LTE_ACTIVE：对应RRC连接状态；状态转移由基站或aGW决定。