无线接入网架构的分析介绍

无线接入网侧实现了扁平化的网络架构，由原来的“Node B+RNC”的分层结构变成了单层结构，在无线接入网络部分只包含一个关键网元，即eNode B，其主要功能是将用户终端通过无线信道连接到网络，提供用户通信中空中接口通道的建立、资源分配、通道拆除及资源释放等过程的控制与管理。

与3G系统中的Node B相比，LTE系统对eNode B的功能进行了增强。在LTE中，eNode B提供的功能主要包括：

1）无线资源管理：无线承载控制，无线接入控制，连接移动性控制，为用户终端UE在上、下行链路动态分配资源（调度）。

2）IP头压缩和用户数据流加密。

3）当UE提供的消息无法决定该UE的数据与哪个MME（移动性管理实体）连接时，在UE附着阶段为其选择一个MME。

4）将用户面数据导向服务网关（Serving Gateway）。

5）调度和传送寻呼消息（由MME发起）。

6）调度和传送广播消息（由MME或O&M发起）。

7）用于移动性和调度的测量和测量报告配置。

8）调度和传送公共预警信息，例如地震和海啸预警系统信息（由MME发起）。

此外，由图4-3中可以看出，eNode B之间通过X2接口进行连接，能够传递基站间负载信息和干扰信息，用于支持eNode B之间的信息共享和多小区联合资源决策，并支持eNode B间基于X2接口的无损切换。对于X2接口将在后续的系统接口部分进行介绍。

从通信网络端到端的过程分析，eNode B的功能是作为空中接口数据的桥梁，将发自用户终端的数据接收并处理后发送给核心网进行管理控制和传输，因此，eNode B与核心网网关和控制实体间存在交互的接口，即S1-c和S1-u接口。其中，S1-c接口是eNode B与MME之间的接口，主要用于传输控制面的信令；S1-u接口是eNode B与S-GW之间的接口，主要用于传输用户面的数据。一个eNode B可以与多个MME/S-GW相连。对于S1接口的介绍，也将在后续部分的系统接口中展开。

在移动通信系统中，数据传输是建立在各种通信协议基础之上的。在无线接入网中，为了将用户数据发送到网络侧，需要控制面协议和用户面协议的支持。

图4-4 LTE系统用户面的无线协议架构

图4-4所示为LTE系统用户面的无线协议架构。从图中可以看出，在无线接入网中，用户面数据的终节点在eNode B，其协议栈包括：物理（Physical，PHY）层、媒体接入控制（Media Access Control，MAC）层、无线链路控制（Radio Link Control，RLC）层及分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）层。

对于用户面协议栈中每一层的功能，介绍如下：

1.物理（PHY）层

物理层主要负责的功能包括：编码/解码、调制/解调、多天线处理等典型的物理层功能；物理层通过传输信道向MAC层提供数据服务。

2.媒体接入控制（MAC）层(www.xing528.com)

MAC层位于物理层之上，其主要功能包括：对逻辑信道的映射和复用，HARQ重传，上下行数据调度、随机接入、上下行时间对齐等。每个UE只能有一个MAC实体，而通过MAC层的数据调度，将保证每个无线承载获得事先协商好的QoS。MAC层通过逻辑信道与RLC层进行连接，而通过传输信道与物理层进行连接。

3.无线链路控制（RLC）层

RLC层位于MAC层之上，其主要功能包括分割与重组上层数据包，从而使数据包的大小得以构建无线帧格式，目的是适应无线接口的实际传输。同时，RLC层还通过重排序来恢复由于底层HARQ导致的乱序接收。每个无线承载有一个RLC实体。RLC层通过逻辑信道与MAC层进行连接，并以无线承载（Radio Bearer）的形式为PDCP层提供服务。

4.分组数据汇聚协议（PDCP）层

PDCP层主要处理用户平面上的分组数据包（IP包）和控制平面上的无线资源管理（RRC）消息，其主要功能包括报头压缩、安全性功能（完整性保护和加密）以及切换时重排序的重传的支持。其中，报头压缩是为了减少空中接口传输的数据量，提供有效数据的传输效率。每个无线承载有一PDCP实体。

如图4-5所示，控制面数据的终节点在MME，主要涉及对非接入层（Non Access Stratum，NAS）信息的解析和处理，用户面的协议除了PHY层、MAC层、RLC层及PDCP层以外，增加了无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）层，用于控制建立UE与eNode B之间的无线承载、移动性及安全。

MME处理的NAS功能包括：EPS承载的管理、鉴权、安全及终端处于空闲状态下的处理步骤，如寻呼等。RRC层部署于eNode B中，用于处理与无线接入网相关的过程，RRC层的主要功能包括：

1）广播用于UE与网络侧进行通信的必要系统消息：广播NAS相关和AS相关的系统消息。

2）寻呼：当有连接请求到来时，用于发送来自MME的寻呼消息。

3）连接管理：建立、维护和释放UE与E-UTRAN之间的RRC层连接，包括分配UE与E-UTRAN之间的临时标识、为不同的RRC层连接配置信令无线承载（Signaling Radio Bearer，SRB）；建立、配置、维护和释放点到点的无线承载（Radio Bearer，RB）。

4）安全性功能：包括密钥管理的安全性功能。

5）移动性管理功能：UE的测量报告配置及小区间（inter-cell）、无线接入技术间（inter-RAT）的移动性报告；切换；UE的小区选择和重选；切换时的上下文传输。

6）QoS管理功能。

图4-5 LTE系统控制面的无线协议架构

当用户与无线接入网络间建立RRC层连接后，终端并非一直处于业务发送的状态，若此时终端仍然占用资源，将会导致较低的无线资源利用率。另一方面，终端是功率受限的收发设备，若其一直保持与网络的连接，将会消耗更多的功率，不利于延长手机电池的使用时长。因此，LTE中对终端状态进行了划分，终端可以处于两种状态：RRC-CONNECTED和RRC-IDLE。

当终端刚开机的时候，要执行网络附着过程，一方面是对用户进行鉴权认证，另一方面是将用户和终端的信息注册到网络，使得网络侧获知一些终端的基本信息。此后，若用户终端没有数据发送，就会保持在RRC-IDLE的状态，在此状态下，无线接入网侧没有终端的RRC上下文，而终端由于没有数据传输，将进入休眠期，以减少电池能量的消耗，只会按照非连续接收（DRX）的配置而监听寻呼消息。当终端有数据业务发送或接收到来自网络的寻呼消息后，将会激活其状态转移，由“RRC-IDLE”状态转移到“RRC-CON-NECTED”状态，此过程需要用户终端通过随机接入信道发送链路建立请求，在终端和无线接入网侧建立RRC层连接。当终端进入“RRC-CONNECTED”状态后，其可以与网络间进行数据交互。当数据传输结束，用户终端释放了RRC层连接时，其状态又会从“RRC-IDLE”状态跃迁到“RRC-CONNECTED”状态。RRC层状态间的转移如图4-6所示。

图4-6 RRC层状态转移示意图