1 EPS系統架構EPS由LTE和SAE組成LTE：致力于無線接入網的演進（E-UTRAN）。SAE：致力于分組網絡的演進（演進型分組核心網EPC）。LTE網絡結構圖如下所示：EPS網絡結構圖如下：2 EPS實體與功能劃分EPS網絡結構包括： E-UTRAN、CN（EPC）、UE。2.1 接入網（E-UTRAN）eNodeB通過X2接口連接，構成E-UTRAN（接入網）eNodeB通過S1接口與EPC連接UE通過LTE-Uu接口與eNodeB接口連接EPS網絡節點示意圖如下：eNodeB的主要功能： 頭壓縮和用戶平面加密； 在無法根據UE提供的信息路由到一個MME的情況下，選擇一個合適的MME； 上行和下行的準入控制 上行和下行承載級別的速率調整 在上行鏈路中，進行數據包傳送級標記；2.2 核心網（EPC）負責UE的控制和承載的建立EPC組成結構如下：2.2.1 MME的主要功能： 處理UE與CN之間的控制信令（通過NAS協議實現）。 尋呼和控制信息分發 承載控制 保證NAS信令安全和移動性管理【主要負責用戶及會話管理的所有控制平面功能，包括NAS信令及其安全，跟蹤區（Tracking Area）列表的管理，PDN-GW和S-GW節點的選擇；跨MME切換時對新MME的選擇；在向2G/3G系統切換時，SGSN的選擇、鑒權、漫游控制以及承載管理；移動性管理等】2.2.2 P-GW主要功能： UE的IP地址分配 QoS保證 計費 IP數據包過濾【主要負責非3GPP接入部分，包括用戶數據報的過濾、對數據報進行Qos級別分類、對數據報進行門限控制和速率控制等，根據計費策略進行計費，同時作為非3GPP接入用戶的錨點處理切換流程】2.2.3 S-GW主要功能： 所有IP數據包均通過S-GW UE在小區間切換時，作為移動性控制錨點 下行數據緩存LTE與其它3GPP技術互連時作為移動性錨點（通過該節點進行數據包路由）【主要負責用戶面數據的傳輸、轉發和路由切換等，終結來自無線接入網的用戶數據包。它是2G3GLTE用戶在3G系統之間切換時的錨點，也是用戶在本地eNodeB之間切換的錨點。Serving GW執行PCEF功能，負責對數據報進行QoS級別分類，根據用戶或者業務的QoS級別進行計費】3 無線接口與協議無線接口協議按用途分為： 用戶面協議棧 控制面協議棧用戶面主要執行頭壓縮、調度和加密等功能【數據的正常傳輸】控制面主要執行系統信息廣播、RRC連接管理、RB控制、尋呼、移動性管理、測量配置及報告【主要負責用戶無線資源的管理、無線連接的建立、業務QoS保證以及最終資源的釋放】。3.1 用戶面協議棧如下：用戶平面協議的主要功能：實現相關接口的數據流傳輸。3.1.1 UE與PDN-GW之間的用戶平面如下圖所示：S1-U接口用戶平面的GTP-U協議主要負責eNodeB與S-GW之間用戶數據的隧道傳輸，實現兩個節點之間數據封裝和傳輸；下層的UDP協議用于用戶數據的傳送。3.1.2 X2接口的用戶平面協議棧：與S1接口的用戶平面協議棧相同，如下圖所示：3.1.3 其它接口的用戶平面S12接口、S4接口等都與S1-U接口的用戶平面相似。但S5/S8接口不一樣3.2 控制面協議棧如下：3.2.1 UE與MME之間的控制平面LTE-Uu接口的控制平面的協議棧 NAS層：非接入層，支持移動性管理功能以及用戶平面激活、修改和釋放功能。主要執行EPS承載管理、鑒權、IDLE狀態下的移動性處理、尋呼及安全控制功能。 RRC層：主要執行廣播、尋呼、RRC連接管理、無線承載（RB）管理、移動性管理、密鑰管理、UE測量報告與控制、MBMS控制、NAS消息直傳、QoS管理等功能 PDCP層：執行頭壓縮、數據傳輸、加密以及完整性保護 RLC層：負責分段與連接、重傳處理，及對高層數據的順序傳送。 MAC層：負責處理HARQ重傳與上下行調度 PHY層：負責處理編譯碼、調制解調、多天線映射以及其它典型物理層功能S1-MME接口的控制平面在IP層之上采用了比TCP協議功能更強大的SCTP協議。SCTP：用于保護MME與eNodeB之間信令消息的發送，是一種在網絡連接兩端之間同時傳輸多個數據流的協議。可用于無線網絡的連接管理以及多媒體數據管理。S1-AP協議：是eNodeB與MME之間的應用層協議，主要用于處理S1-MME接口控制平面的各種信令控制。3.2.2 X2接口的控制平面X2接口也分為用戶平面和控制平面X2接口的控制平面協議底層結構也采用了SCTP over IP的機制，以保證信令的可靠傳輸，SCTP上層采用X2接口的專用應用層協議X2-AP。X2-AP支持的主要功能：EMM-CONNECTED狀態下UE的移動性管理上行負載管理X2接口的錯誤處理，如錯誤指示、重置等。X2接口的控制平面協議棧如下圖所示：3.2.3 其它接口的控制平面如：S-GW與PDN-GW之間S5/S8接口的控制平面4 LTE無線傳輸關鍵技術4.1 多載波技術4.1.1 下行多址接入-OFDMAOFDM主要思想在可用頻段內將信道分成許多正交的子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，從而將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到每個子信道上進行并行傳輸。接收端采用相關技術來分開正交信號。OFDMA由于OFDM調制中子載波之間的正交性和相互獨立性，每個子載波都可以以一個特定的調制方式和發射功率為特定用戶傳輸數據，通過為每個用戶分配這些子載波組中一組或幾組，就得到了一種新的多址方式-OFDMA。4.1.2 上行多址接入-SC-FDMA目的：降低發射終端的峰均功率比，進而減小終端的體積和成本。SC-FDMA在每個傳輸時間間隔（TTI）內，基站會給每個UE分配一個獨立的頻段，以便發送數據。將不同用戶的數據在時間和頻率上完全分開，保證了小區內同一時刻不同用戶所使用上行載波的正交性，避免了小區內同頻干擾。上行SC-FDMA兩種實現方法時域實現方法-交織FDMA（Interleaved FDMA）頻域實現方法-DTF擴展OFDM（Discrete Fourier Transform-Spread OFDM）4.2 多天線技術分集增益：利用多個天線提供的空間分集，可以改進多徑衰落信道中傳輸的可靠性。陣列增益：通過預編碼或波束成形技術，集中一個或多個指定方向上的能量，允許不同方向上的多個用戶同時獲得服務。空間復用增益：利用空間信道的強弱相關性，在多個相互獨立的空間信道上，傳遞不同的數據流，從而提高數據傳輸的峰值速率。4.2.1 下行MIMO技術LTE系統基本天線配置為：2*2 下行MIMO技術主要包括： 空間分集利用空間信道的弱相關性，結合時間/頻率上的選擇性,為信號的傳遞提供更多的副本，提高信號傳輸的可靠性，從而改善接收信號的信噪比。 空間復用也是利用空間信道的弱相關性，通過在多個相互獨立的空間信道上傳遞不同的數據流，從而提高數據傳輸的峰值速率 波束成形利用空間信道的強相關性，利用博的干涉原理產生強方向性的方向圖，從而提高信噪比，增加系統容量或覆蓋范圍。4.2.2 上行MIMO技術基本天線配置為：1*2（一根發送天線和兩跟接收天線）與下行相同，也包括空間分集和空間復用4.3 鏈路自適應技術為了支持高速傳輸和多種業務的要求，系統需要根據信道條件自適應地對無線資源和無線鏈路進行調整。鏈路自適應技術主要包括： 動態功率控制基本原理：在信道條件好的鏈路使用較小的發射功率，在信道條件較差的鏈路使用較大的發射功率，使接收機接收到的信號功率維持在接受該業務所需的最小功率上。 自適應調制解碼（AMC）原理：根據信道條件的瞬時變化，自適應地調整系統的調制與編碼方式（傳輸格式）。 自動請求重傳4.4 分組調度技術調度：根據網絡狀態動態地將最合適的時/頻資源分配給某個用戶。調度器主要功能： 在用戶間分配可用空中接口資源，確保用戶申請業務的服務質量 監視網絡負載，通過對數據速率的調節來實現對網絡負載的匹配4.5 其它技術 小區間干擾機制技術 網絡自組織技術5 空中接口協議5.1 協議框架見第三章無線接口與協議部分5.2 物理層5.2.1 物理層的主要功能5.2.2 物理層關鍵技術 OFDMA與SC-FDMA 雙工方式：支持兩種基本工作模式 FDD和TDD 調制方式：上下行均支持：QPSK、16QAM和64QAM 信道編碼：Turbo編碼 多天線技術：發射端和接收到同時配置多個天線，大幅度提高了系統的整體容量。 物理層過程：包括小區搜蘇、功率控制、上行同步、下行定時控制、隨機接入、HARQ等方面的技術 物理層測量：支持UE與eNodeB之間的物理層測量，并將相應的測量結果向高層匯報。5.3 數據鏈路層數據鏈路層主要由MAC、RLC、PDCP等子層功能；層與層之間使用服務接入點（SAP）作為端到端通信的接口。PDCP層：向上提供無線承載服務，并提供頭壓縮和安全保護功能；RLC與MAC層之間為邏輯信道MAC與物理層之間是傳輸信道5.3.1 MAC子層MAC層主要提供邏輯信道到傳輸信道之間的映射，同時將幾個邏輯信道映射到一個物理信道。MAC層向上提供的業務：數據產生和無線資源分配業務；物理層提供給MAC層業務：數據傳送、HARQ反饋信令、調度請求信令及測量。5.3.2 RLC子層主要功能：接收從對等實體發來的數據包，或將數據包發送給對等實體。RLC層主要實現與ARQ相關的服務于功能，包括： 上層PDU的傳輸 通過ARQ機制進行錯誤修正 對PDU進行分段 重復檢測 協議錯誤檢測與恢復RLC實體執行數據傳送的3種模式： TM RLC對上層數據不進行任何修改，傳遞至下面的MAC層 UM RLC支持數據包丟失的檢測、數據包的重排序和重組裝 AM RLC除了支持UM模式的所有功能外，還能夠在檢測到丟包是要求它的對等實體重傳數據包，即ARQ機制AM模式典型地用于TCP業務傳輸，這類業務關系數據的無錯傳輸；UM模式用于高層提供數據的順序傳送，但不重傳丟失的PDU，如VOIP業務，這類業務主要關系時延TM模式僅僅用于特殊目的，如：隨機接入5.3.3 PDCP子層主要目的：發送和接受對等PDCP實體的分組數據。主要功能： IP包頭壓縮與解壓縮 數據與信令的加密 信令的完整性保護5.4 無線資源控制層5.4.1 RRC層的功能： 廣播NAS層與AS層的系統消息 尋呼功能 RRC連接的建立、保持和釋放，包括UE與E-UTRAN之間臨時標識符的分配、信令無線承載的配置 安全功能 移動性管理功能 Qos管理等5.4.2 RRC的兩種狀態 空閑狀態（RRC-IDLE） 連接狀態（RRC-CONNECTED）5.5 NAS層5.5.1 AS層與NAS層AS層主要負責無線接口相連接的相關功能，但不僅限于無線接入網和終端的無線部分，也支持一些與核心網相關的特殊功能。主要包括： 無線承載管理 無線信道處理 加密 移動性管理NAS層主要負責與接入技術無關、獨立于無線接入技術的相關功能和流程；主要包括： 會話管理 用戶管理 安全性管理 計費5.5.2 NAS層協議狀態與轉換3種狀態LTE-DETACHEDLTE-IDLELTE-ACTIVE狀態轉換終端開機的時候進入LTE-DETACHED狀態，隨后終端執行注冊過程，獲得C-RNTI、TA-ID、IP地址等，并通過鑒權過程建立安全方面的聯系，進入LTE-ACTIVE狀態；若果沒有其它業務，終端釋放C-RNTI，獲得分配給該用戶用于接收尋呼信道的非連續接收周期后進入LTE-IDLE狀態；當用戶有了新的業務需求時，可通過RRC連接請求獲得C-RNTI，此時終端從LTE-IDLE遷移到LTE-ACTIVE；在LTE-ACTIVE狀態下，終端如果移動到不識別的PLMN區域或者執行了注銷過程，用戶的C-RNTI、TA-ID、IP地址等被回收，終端則進入LTE-DETACHED狀態。對于處于LTE-IDLE狀態的用戶，如果用戶執行周期性的TA更新過程超時，TA-ID和IP地址被回收，用戶也會轉換到LTE-Detached狀態5.6 完整的數據封裝流程（P83）下行數據包的封裝流程：a) PDCP層對有效載荷進行頭壓縮和加密，發送到RLC層；b) RLC層執行PDCP SUD的連接和分段功能，同時增加RLC頭（RLC頭用于終端的順序發送及重傳過程中RLC PDU的標識），轉至MAC層；c) MAC層將多個RLC PDU合并成一個MAC SDU，同時附上MAC頭，構成一個傳輸塊；d) 物理層在傳輸塊后面附加上執行錯誤檢查的CRC字段，并進行編碼和調制后，將該信息通過空中接口發送過去。6 信令流程6.1 接入與鑒權6.1.1 IP地址分配為了正常訪問PDN網絡，必須為UE分配一個IP地址。UE的IP分配方案：1. 在默認承載建立的同時進行分配，兩種方式 PLMN分配；PDN-GW直接分配一個IP地址給UE，一般，只有歸屬網絡的PDN-GW才會為用戶分配靜態的PLMN地址。 PDN分配一個IP地址給UE2. 在默認承載建立之后進行分配；三種方式 IPv4地址分配 IPv6地址分配 HDCPv4