LTE核心网简介
LTE介绍与网络架构
LTE介绍与网络架构LTE（Long-Term Evolution），即长期演进技术，是第四代移动通信标准。
它是3GPP（Third Generation Partnership Project）组织制定的全球统一标准，旨在提供更高的数据传输速率、更低的延迟和更高的系统容量，以满足不断增长的移动通信需求。
LTE网络架构主要由以下几个部分组成：用户终端（UE）、基站子系统（eNB）、核心网络（Core Network）和运营商网络。
首先是用户终端，即智能手机、平板电脑或其他支持LTE技术的设备。
用户终端与LTE网络进行通信，发送和接收数据。
其次是基站子系统（eNB），它由一台或多台基站控制器和一组基站天线组成。
基站子系统用于与用户终端进行通信，传输数据和控制信号。
核心网络是网络的核心部分，它提供网络管理和控制功能。
核心网络包括多个网络元素，如移动交换中心（MSC）和数据网关（SGW）。
移动交换中心负责处理语音通信，数据网关则负责处理数据传输。
运营商网络是LTE网络的运营者，它由多个基站子系统和核心网络组成。
运营商网络提供网络覆盖和服务，并负责管理用户终端的接入和连接。
LTE网络架构中的一个重要概念是分组交换。
与之前的电路交换网络不同，LTE网络采用了分组交换技术，将数据分成小的数据包进行传输。
这种架构有助于提高数据传输速率和系统容量，并降低网络延迟。
在LTE网络中，数据传输的基本单位是无线帧（Radio Frame）。
每个无线帧由多个子帧（Subframe）组成，每个子帧由多个时隙（TimeSlot）组成。
时隙是最小的单位，用于传输数据和控制信号。
在每个时隙中，数据和控制信号可以同时传输，从而实现高效的通信。
此外，LTE网络采用了多天线技术，即MIMO（Multiple-Input-Multiple-Output）。
MIMO技术使用多个天线进行数据传输和接收，可以提高系统容量和数据传输速率，并改善网络覆盖范围。
LTE网络结构
网络结构:
LTE网络实体:
整个TD-LTE系统由3部分组成：
•核心网（EPC, Evolved Packet Core ）
•接入网（eNodeB）
•用户设备（UE）EPC分为三部分：
•MME (Mobility Management Entity, 负责信令处理部分）
•S-GW (Serving Gateway , 负责本地网络用户数据处理部分）
•P-GW (PDN Gateway，负责用户数据包与其他网络的处理) 接入网（也称E-UTRAN）由eNodeB 构成网络接口
•S1接口：eNodeB与EPC
•X2接口：eNodeB之间
•Uu接口：eNodeB与UE
EPC与E-UTRAN功能划分
EPC与E-UTRAN功能简述
eNB功能：
•无线资源管理相关的功能，包括无线承载控制、接纳控制、连接移动性管理、上/下行动态资源分配/调度等；
•IP头压缩与用户数据流加密；
•UE附着时的MME选择；
•提供到S-GW的用户面数据的路由；
•寻呼消息的调度与传输；
•系统广播信息的调度与传输；
•测量与测量报告的配置。
MME功能：
•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eNB；
•安全控制；
•空闲状态的移动性管理；
•EPC承载控制；
•非接入层信令的加密与完整性保护。
服务网关功能：
•终止由于寻呼原因产生的用户平面数据包；
•支持由于UE移动性产生的用户平面切换。
PDN网关功能：
•逐用户数据包的过滤和检查。
LTE的技术原理
LTE的技术原理LTE（Long Term Evolution）作为第四代移动通信技术，其技术原理主要包括无线接入技术、核心网技术和网络优化技术等方面。
本文将详细介绍LTE的技术原理。
一、无线接入技术1.OFDM技术LTE使用了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术作为其物理层技术，采用了SC-FDMA（Single Carrier Frequency Division Multiple Access）技术作为上行链路的多址技术。
OFDM技术具有频谱利用率高、抗多径干扰能力强、符号时间间隔长、对调制方式的选择灵活等特点，能够有效提高数据传输速率和系统整体性能。
2.MIMO技术LTE还采用了MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术，该技术通过在发送端和接收端分别增加多个天线，利用空间复用技术实现多个数据流同时传输，从而提高系统的频谱效率和系统容量。
MIMO技术在LTE 系统中广泛应用于数据传输和信号处理过程中。
3.自动重传请求技术LTE系统还引入了自动重传请求技术，通过在物理层上实现自动重传请求ARQ（Automatic Repeat reQuest）功能，可以有效保障数据传输的可靠性和稳定性。
当接收端检测到数据包丢失或错误时，会向发送端发送自动重传请求，发送端重新发送丢失的数据包，从而保证数据的完整性和准确性。
二、核心网技术1. Evolved Packet Core（EPC）LTE核心网采用了Evolved Packet Core（EPC）结构，EPC由三个主要部分组成：核心网节点（PGW、SGW、MME）、用户面协议GTP（GPRS Tunneling Protocol）和控制面协议S1AP（S1 Application Protocol）。
EPC实现了LTE系统的核心网络功能，包括连接管理、移动性管理、安全性保障、QoS（Quality of Service）管理等。
LTE网络架构和协议栈
LTE网络架构和协议栈随着移动通信技术的不断发展，LTE（Long Term Evolution）成为4G移动通信的主流技术。
LTE网络架构和协议栈是构建LTE系统的核心组成部分，下面将对LTE网络架构和协议栈进行详细介绍。
一、LTE网络架构LTE网络架构由两部分组成：E-UTRAN（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network）和EPC（Evolved Packet Core）。
1. E-UTRAN（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network）E-UTRAN是LTE系统的无线接入网络，包括基站和与之相连的核心网。
基站被称为eNodeB，负责无线信号的传输和接收。
eNodeB通过X2接口相连，用于基站之间的信号传输和协同。
与核心网的连接通过S1接口实现，包括控制面和用户面的传输。
2. EPC（Evolved Packet Core）EPC是LTE系统的核心网络，负责用户数据的传输和控制信息的处理。
EPC由三个主要组成部分构成：MME（Mobility Management Entity）、SGW（Serving Gateway）和PGW（Packet Data Network Gateway）。
MME负责移动性管理和控制平面的处理；SGW负责用户数据的传输；PGW连接到外部数据网络，负责数据分组的处理和路由。
二、LTE协议栈LTE协议栈由各种协议组成，实现系统中不同层次之间的通信和控制。
LTE协议栈按照OSI（Open Systems Interconnection）参考模型分为七层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
1. 物理层物理层负责数据的传输和调制解调。
LTE使用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术进行信号的调制和解调，以提高传输效率和抗干扰性能。
LTE核心网网络架构
LTE系统核心网网络架构阅读报告摘要：随着LTE技术标准的完善和成熟，各运营商在LTE技术上投入的不断加大，对LTE系统核心网网络架构各部分网元功能的分析变得至关重要，最终通过分析各网元的功能，实现核心网的功能。
关键词：LTE；EPC；核心网；网络架构；1LTE技术概述LTE(Long Term Evolution,长期演进)就是3GPP的长期演进，是3G与4G 技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准,它增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准，为降低用户面延迟，取消了无线网络控制器（RNC），采用扁平网络结构。
在20MHz频谱带宽下能提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率。
改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。
2LTE网络的分析2.1 LTE网络架构的背景当前，全球无线通信正呈现出移动化、宽带化和IP化的趋势，移动通信行业的竞争极为激烈。
在现有技术还没有大规模商用之前，一些无线宽带接入技术也开始提供部分的移动功能，通过宽带移动化，试图进入移动通信市场。
为了维持在移动通信行业中的竞争力和主导地位，3GPP组织在2004年11月启动了长期演进过程LTE(Long Term Evolution)以实现3G技术向4G的平滑过渡。
3GPP计划的目标是：更高的数据速率、更低的延时、改进的系统容量和覆盖范围以及较低的成本。
LTE对空口和接入网的技术指标包括：（1）峰值数据速率，下行达到100Mbit/s，上行50Mbit/s。
（2）提高频谱效率（达到Release6的2～4倍）。
（3）接入网时延（用户平面UE-RNC-UE）时延不超过10ms。
（4）减小控制平面时延，UE从待机状态到开始传输数据时延不超过100ms （不包括下行寻呼时延）。
为了实现这一目标，除了要考虑空中接口技术的严禁之外，还需要考虑网络体系结构的改进。
对无线接入网网络架构的研究就是要找出最优的网络结构并考虑介入网内以及接入网与核心网之间的功能划分，以期望实现更高的数据速率、更低的时延。
LTE核心网
S-GW S-GW位于用户面，一次只有一个S-GW为UE服务。 1-会话管理，SGW能对承载建立、修改、释放，能存储EPS上下文。 2-路由选择和数据转发，在EUTRAN内切换时，在路径转换后，向源eNodeB 发送一个或多个“结束标记”完成eNodeB的重排序功能。 在不同接入网切换时，通过SGW和SGSN间的S4接口，实现2G/3G系统和 PGW间实现业务路由。 在E-UTRAN空闲模式下，SGW能缓存下行数据并出发网络测服务请求流程。 3-Qos控制，SGW支持EPS承载主要Qos参数。在上行链路中，SGW能基于QCI 进行数据包传送级别标记（设置DSCP） 4-计费，SGW支持用户和QCI分类的运营商间的计费。 P-GW
漫游架构
LTE 网络架构-非漫游架构
UTRAN
S12
SGSN
S3 GERAN MME S6a
S4
HSS PCRF
S1-MME
S11
Sx Serving S5 gateway PDN SGi gateway
Rx Open’s IP servings(IMS、 PSS)
UE LTE-Uu
E-UTRAN
S6a接口消息 HSS和MME之间的接口，类似于MAP的消息功能。 鉴权消息，鉴权响应里包含EPS（RAND，XRES，AUTN和KASME） 位置更新消息，消息里包含签约信息
HSS发起清除MME中的用户记录
HSS发起的插入用户签约数据 HSS发起删除MME中保存的所有或者部分用户数据 Purge UE Request MME 通知HSS删除去附着用户的签约数据和MM上下文。 Notify Request 当用户状态变化、终端改变或者用户当前APN的PDN GW信 息改变时，MME向HSS发送此消息。 HSS设备重启，向MME发送此消息。
数据网-LTE 核心网(EPC)
数据网—LTE 核心网（EPC）目录第1章EPS网络概述 (3)1.1 EPS网络概述 (3)1.1.1 EPS网络关键概念 (3)1.1.2 EPS网络关键技术 (3)1.2 当前主流技术向LTE的演进 (3)第2章EPC网络架构 (5)2.1 LTE-EPC目标网络架构 (5)2.2 EPC重要网元 (5)2.2.1 GW (5)2.2.2 MME (6)2.2.3 HSS (6)2.2.4 PCRF (7)2.3 EPC重要接口 (7)第3章EPC基本流程 (9)3.1 Attach (9)3.2 TAU (9)3.3 Service Request (10)3.4 S1- Release (11)3.5 Detach (12)3.6 承载创建/修改/删除 (13)3.7 切换 (14)3.8 PDN连接或者去连接 (17)第1章EPS网络概述1.1EPS网络概述1.1.1EPS网络关键概念LTE：Long Term Evolution长期演进，是3GPP制定的高数据率、低延时、面向分组域优化的新一代宽带移动通信标准项目。
3GPP：The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划3GPP的目标是实现由2G网络到3G网络的平滑过渡，保证未来技术的后向兼容性，支持轻松建网及系统间的漫游和兼容性。
其职能：3GPP主要是制订以GSM核心网为基础，UTRA(FDD为W-CDMA技术，TDD为TD-CDMA技术)为无线接口的第三代技术规范。
E-UTRA：LTE空中接口E-UTRAN：LTE接入网=UE+eNBEPC：Evolved Packet Core 4G核心网，3GPP的演进分组核心网，由MME+SGW+PGW组成EPS：Evolved Packet System ，3GPP的演进分组系统，由E-UTRAN+EPC组成SAE：系统架构演进项目1.1.2EPS网络关键技术EPS网络关键技术：➢EPS提供永远在线的用户体验，降低了用户接入业务的延时➢EPS的核心网允许多种无线技术的接入，目前支持的接入技术包括3GPP已经定义的UTRAN/GERAN，LTE，3GPP2定义的，以及IWLAN接入➢EPS在核心网将用户面和控制面进行分离，实现了网络的进一步扁平化➢EPS引入了TAI list和ISR等概念，降低了空口信令负荷，节约了网络资源➢EPS引入了PCC，对QoS控制、策略和计费控制集中处理1.2当前主流技术向LTE的演进关于2G/3G/4G 的争论已经结束, 所有移动技术都朝着满足未来业务需求的方向发展，并且逐渐趋于一致。
LTE知识学习之网络架构——无线及核心网组网
1.EPC架构图2.主要接口及协议3.EPC与无线网络的两种组网方案方式1采用CE进行层三组网，原有PTN设备只需支持层二功能；方式2采用PTN进行侧层三组网，PTN设备需要支持层三路由功能。
4.EPC内部网元互联方案➢同一局址网元间经局域网互联➢不同城市之间经IP专用承载网互联➢MME与HSS之间通过静态数据配置，经IP专网互通5.EPC与外部数据网间互联P-GW与外部数据网通过SGi接口连接，承载在CMNet上。
知识扩展：S-PW与P-GW功能S-GW主要功能：➢支持UE的移动性切换用户面数据的功能➢E-UTRAN空闲模式下行分组数据缓存和寻呼支持➢数据包路由和转发➢上下行传输层数据包标记P-GW主要功能：➢基于用户的包过滤➢合法监听➢IP地址分配➢上下行传输层数据包标记➢DHCPv4和DHCPv6（client、relay、server）➢业务锚定点6.EPC站点组织➢EPC连接无线接入网的CE由传输专业负责，或者直接接入PTN核心设备➢EPC设备接入IP专用承载网，以实现EPC内部互通➢EPC设备接入CMNet，以实现与分组域SGSN以及外部数据网的互通7.与现有GSM/TD SGSN互联方案SGSN与MME间SGSN与P-GW间、SGSN与EPC DNS间采用Gn接口互通，通过设置的BG互通。
8.与现有七号信令网间互通方案为实现与现网GSM/TD 分组域间互操作，HSS/HLR须臾STP之间设置准直连信令9.LTE网络整体架构10.路由原则➢LTE网内归属地使用数据业务：MS→归属地S-GW→归属地P-GW→外部数据网➢LTE网内拜访地使用数据业务（通用APN）：MS→拜访地S-GW→拜访地P-GW→外部数据网➢LTE网内拜访地使用数据业务（区域APN）MS→拜访地S-GW→归属地P-GW→外部数据网➢归属地GSM/TD使用数据业务MS→归属地SGSN→BG→归属地P-GW→外部数据网➢拜访地GSM/TD使用数据业务（通用APN）MS→拜访地SGSN→BG→拜访地P-GW→外部数据网➢拜访地GSM/TD使用数据业务（区域APN）MS→拜访地SGSN→BG→归属地P-GW→外部数据网图示（1）（图示2）（图示3）（图示4）（图示5）11.编号计划➢全球唯一MME标识（GUMMEI）：MCC + MNC + MMEI➢全球唯一临时标识符（GUTI）：GUMMEI + M-TMSI➢MME标识符（MMEI）:MME群组ID （MMEGI）+ MME代码（MMEC）➢接入点APN：APN-NI + APN-OI，其中APN-NI是必选部分，APN-OI是可选部分。
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SGW: serving gateway
P-GW: packet data network gateway
HSS: home subscriber server
PCRF: policy and charging rule function
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TD-LTE网络结构
整个TD-LTE系统由3部分组成
S3
PCRF
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EPC网络架构
• S-GW和P-GW分设
UTRAN NodeB GERAN BTS RNC S3 S6a HSS BSC/PCU MME LTE eNodeB S1-MME S1-U S-GW S11 S4 Gx Rx Operator's IP Services SGSN S12
现网短信中心
MSC Server
3 2
0：MME与MSC-S之间通过SGs接 口执行联合位置更新，HLR记录用 户位于此MSC-S 1、2、3：正常的短信业务流程， 短信中心将“短信”发送至MSC-S 4：MSC-S通过SGs接口将“短信” 发送至MME 5：MME将“短信”通过LTE网络 发送至用户
BSC BTS NodeB RNC SGSN GGSN
无BSC/RNC
MME
扁平化、全IP化
由于LTE的高速率，将来LTE对传输网络需求巨大（以G为单位）， 1个 宏站带宽需求在200M以上，需要提前做好传输网络规划和建设。
SAE GW eNodeB
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TD-LTE与TD/2G协同组网网络结构
TD-LTE仅存在核心网分组域（EPC）
核心网-网络融合
保护投资
降低负荷
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11
一、LTE核心网网络架构及网元功能 二、LTE业务实现方案及基本流程 三、EPC网络组织
四、EPC带宽计算
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LTE数据业务方案
简要流程
EPC (Evolved Packet Core)
HSS
DNS MME (3) 选择S-GW、P-GW
现网改造 或新建
MME与SRVCC MSC-S 之间新增Sv接口 - 传送“切换”信息 MGW
SRVCC实现方案：
2G/TD RAN
电路域
MSC Server IP网络 MGW
MSC Server Enhanecd SRVCC
LTE终端切换到 2G/TD网络
MME控制 话音切换 话音业务 E-UTRAN
电路域
双待单卡终端 卡 2G/TD LTE MME
SGs接口
EPC
C
E-UTRAN 卡 2G/TD LTE 单待单卡终端
B
S-GW P-GW SAE-GW
“单待”终端：执行SGs接口联合位 置更新
“双待”终端：不执行SGs接口联合 位置更新
A：话音业务 B：数据业务 C：单待终端的短信业务
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PCRF
S5 P-GW
SGi
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EPS网络功能
• EPS网络实现以下逻辑功能：
– 网络接入控制功能 – 数据路由和转发功能 – 移动性管理功能 – 安全功能 – 无线资源管理功能 – 网络管理功能
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EPC主要逻辑网元功能
MME: mobility management entity
SAE-Gateway
后续，当用户需要与外部数据网通信时，使 用已经建立的“默认承载”
LTE短信业务方案
LTE“单待”终端驻留在LTE网络时，不能使用2G/TD 电路域短信业务
适用于： - 计费信息通知 - 接收“彩信”
• 基于3GPP标准规定的SGs接口方式
仅用于“短信”， 全网/全省可固定选择 1个MSC-S
MME POOL是3GPP R8版本的必选基本功能 增加了MME向eNodeB的反馈机制（ MME可 以向eNodeB下发weight，标识自己的负 荷状态，供eNodeB选择POOL内的MME ） 建议：采用方案二
- MME POOL作为基本的必选功能要求 - 当MME数量达到2个以上，且覆盖区域连续的情况下，部署MME POOL
网络结构 对IP承载网“ 话音”业务的 影响 安全性
建议：采用方案一
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EPC内部及与TD/2G分组域间IP承载方案
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eNodeB与核心网之间IP承载方案
√
方案一：PTN直接互连
EPC MME 省会 城市 SAE-GW
方案二：PTN通过IP承载网互连
EPC MME 省会 城市 SAE-GW
PTN
PTN BR/AR
V
V
IP承载网
AR CE PTN
城市1 eNodeB 城市2 eNodeB eNodeB
V
P-GW
IP 网
S-GW S-GW
络
S-GW S-GW eNodeB
IP 网
S-GW
络
S-GW
eNodeB eNodeB
eNodeB
eNodeB
eNodeB
用户跨eNodeB漫游时，需要跨SGW重新建立Default Bearer
用户跨eNodeB漫游时，重新建立 Default Bearer，S-GW不改变
SGs：MME-普通MSC-S MSC SERVER - LTE短信 - CS FallBack话音 Sv：MME-SRVCC MSC-S 电路域 - LTE VoIMS+SRVCC
MGW HLR GMSC SERVER MGCF HSS 其它IMS 网元
GMGW IM-MGW GGSN
2G/TD RAN
LTE核心网简介
一、LTE核心网网络架构及网元功能 二、LTE业务实现方案及基本流程 三、EPC网络组织
四、EPC带宽计算
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EPS网络架构
EPS (Evolved Packet System) UE（User Equipment） LTE（Long Term Evolution）
SAE（System Architecture Evolution） EPC (Evolved Packet Core) SAE=EPC
LTE话音业务方案-CSFB
终端位于TD/2G网，由电路域 提供业务 终端位于LTE网： -主叫：切换至电路域提供业务 -被叫：通过LTE得到来话通知 后切换至TD/2G无线网，通过 电路域接收呼叫 通过SGs接口通知 终端此时有一个 CS域来话呼叫 电路域
LTE终端的来 话呼叫
2 1
主叫局将呼叫 接续至MSC-S 主叫局查询HLR，HLR 将MSC-S提供的MSRN 返回给主叫局 通过SGs接口执行 “联合位置更新”
EPC
MME
IP网络
IMS 核心网 其它数据 业务网
- 切换流程复杂； - 时延较长，可能会影响成功率
eNodeB
S-GW P-GW SAE-Gateway
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一、LTE核心网网络架构及网元功能 二、LTE业务实现方案及基本流程 三、EPC网络组织
四、EPC带宽计算
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eNodeB与MME之间的网络组织
跨本地网的业务在业务网与具备IP功能的传输网之间增加了一层IP路 由。（业务流多经过了CE、AR、BR的转接，增加了时延） 话音业务是“固定带宽”；LTE主要承载的是“可变速率”的数据业务 ；为避免突发的数据业务流量对话音业务资源的挤占，需要IP承载网 提供对“话音业务”资源保障功能 IP承载网，安全性较高
用户接入LTE网络， 鉴权、位置更新
Evolved Packet Core
1、与LTE共覆盖区的所有MSC Server均需改造支持CSFB 2、LTE终端需支持CSFB © 中国移动通信集团设计院有限公司
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LTE话音业务方案-VoIMS（VoLTE）
- 利用TD-LTE/EPC作为透明传送的IP通道， 将TD-LTE终端接入IMS网络，由IMS网络为用 户提供话音业务 —— LTE VoIMS。 终端位于TD/2G网，由电路域提供业务 终端位于LTE，CM-IMS负责业务处理， LTE/EPC提供IP通道
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EPC网络架构
• S-GW和P-GW合设
UTRAN NodeB GERAN BTS RNC S6a HSS BSC/PCU MME S11 LTE eNodeB S1-MME S1-U S-GW/P-GW SGi Operator's IP Services S4 Gx Rx SGSN S12
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S-GW与eNodeB之间的网络组织
方案一：归属连接
设置eNodeB与S-GW的归属关系；即：各eNodeB 的业务仅由固定的一个(或两个)S-GW负责疏通
√
方案二：全连接
不设置eNodeB与S-GW的归属关系；即：各 eNodeB的业务由一组S-GW负荷分担的疏通
MME
P-GW
MME
IP网络 (4) P-GW地址 E-UTRAN (5) 请求为用户建立默认承载 eNodeB S-GW P-GW
外部 数据网 用户接入网络后， 系统立即为用户建 立一个“默认承载” （类似于PDP） - Always On Line - 用户需要IP地址
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(6)为用户建立默认承载(分配用户IP地址)
MSC Server
3
HLR
2G/TD RAN
IP网络
终端切换至 TD/2G网络 响应寻呼
LTE终端 （多模单待）
MGW
4 5
建立话路 连接
E-UTRAN eNodeB
0-1
0-2
MME
HSS
DN S
IMS 核心网 其它数据 业务网