引入

同前面介绍的2G、3G时代一样，4G时代也有诸多标准。任何用户高速移动下达到或超过100Mbps，静态数据传输达到1Gbps的无线数据网络系统都可以称作4G，而LTE（Long-Term Evolution 长期演进）技术只是其中之一。但因为LTE实在部署太广泛，所以才会看到4G就是LTE。下图是截止2018年8月LTE的全球部署情况。红色代表使用中。深蓝和浅蓝分别是正在部署和正在规划。

LTE由3GPP

LET-A网络结构

在LTE中，网络架构被称为 EPS（Evolved Packet System）。

其接入网部分被称为E-UTRAN（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network）。

核心网部分被称为EPC（Evolved Packet Core）。这个核心网架构也被叫做网络架构被称作Service Architecture Evolution SAE （系统架构演进），因其是由PS域核心网网络架构演进而来。

接入网E-UTRAN

E-UTRAN协议支撑了UE与无线网络的通信，其协议包含了多设备下无线信道的Medium Access Control (MAC)的机制，并保障了连接可靠性。其还支持对高层PDU的分段和重组以及IP报头压缩（这句话看不懂的话去复习现代通信网络）。

接入网中由3GPP制定网元为eNodeB。

eNodeB：Evolved NodeB，中文叫演进型NodeB，简写为eNB。eNodeB相比3G/UMTS中的Node B，集成了部分RNC的功能。在“现代通信网络”一课中Baoninghai老师曾说过：“通信网络有扁平化发展的趋势”。这就是其体现，在5G网络中eNB直连核心网，不再有控制器。

在LTE中eNB是具有相互通信的功能的，且没有集中控制器，这对eNB的分布式部署带来了极大的便利。甚至可以一条线部署（核心网-eNB-eNB-eNB-……-eNB）这样，这非常有利于轨道交通内基站的部署。

核心网EPC

LTE的核心网被称为EPC（Evolved Packet Core）。它提供一个基于分组交换的面向连接的网络通信。

在核心网上，因网元功能所行使的职责不同而被分为了两个面：控制面和用户面。控制面负责协调网络资源，对网络进行管理；而用户面传输和路由用户数据，让不同用户间数据可达。在下面将会更详细地介绍。

这体现出了一个点：LTE的网络是纯基于IP的（Purely IP based）全PS域网络，没有CS域，无论是用户面还是控制面，他们都基于IP连接，相互间只是使用IP构建出了一个逻辑链路。相应的，承载这种连接（即，提供物理连接、路由等）的“承载网”被称为EPS Bearer。在这个EPS Bearer上，可以定义给予用户的QoS，~~这取决于用户给的米够不够~~。

Purely IP based这个特点五星级！

在下图中，连接UE-ENodeB-MME之间还有一条线写了个“NAS（Non-Access-stratum）”，这是何物呢？其实，在UE-eNodeB之间还有一个AS（Access-stratum）没写出来。他们分别是UE和MME之间的功能层和UE和eNB间的功能层。

任何连个物体之间通信需要同一种协议，就像两个人之间交流需要通过同一种语言，所以UE和MME之间的交互的协议就是NAS即非接入层。为什么叫非接入层？因为UE和MME都不属于接入层设备（eNodeB是接入设备），所以UE和MME之间的通信协议叫非接入层。而UE和eNB间就被称为接入层（AS）。在下图中能更体现这种关系，NAS是AS的上层协议，AS被eNB解析后，NAS帧作为AS层的Payload被完整转发给了MME。

EPC核心网元

回到LTE网络结构图，在EPC中含有众多网元，其主要网元和作用如下：

MME：Mobile Managenment Entity 移动管理实体。它是LTE网络中的控制大脑，负责对用户进行身份验证，切换等操作。如前面介绍，其采用NAS信令集。当S-GW注册的空闲用户收到新数据时，MME 会寻呼用户。当用户连接到 eNodeB 时，eNodeB 会选择 MME。MME 依次选择S-GW和P-GW。它对于用户的鉴权是通过访问HSS（Home Subscriber Server）实现的。
HSS/AAA：Home Subscriber Server 归属签约用户服务器。用于存储用户签约信息的服务器，是2G/3G网元HLR的演进和升级，主要负责管理用户的签约数据及移动用户的位置信息。其功能与HLR相同，但HLR适用于2G/3G，而HSS是4G，其接口也不同，采用S6a接口与MME相连，内含Diameter协议，基于IP承载。（对应的，HLR采用MAP协议，基于TDM承载）。而和HSS并列的还有一个AAA（Authentication、Authorization、Accounting）
S-GW：Serving Gateway，服务网关。其主要功能为1. 路由和转发用户数据包 2.用户数据缓存和寻呼支持 3.移动性切换管理 4.进行传输层数据包标记 5.做为本地锚点。其是属于用户面的网关，是由UMTS中的SGSN演变而来。
P-GW：PDN Gateway，PDN网关。其中PDN全称为Packet Data Network (分组数据网络)。这里这个PDN指的是外部PDN，而非前面提到的EPS Bearer中用到的PDN。可以把它理解为连接当前区域网络和其他网络的网关。P-GW的主要功能有 1. 做为 Inter-eNB切换中的本地移动性锚点（MAP）2. Inter-3GPP移动性锚点 3.合法侦听 4.跨运营商计费的用户账单和QCI粒度 5.UE IP地址分配。这也是属于用户面网关。
ePDG：当UE和EPC通过非3GPP标准接入时，ePDG负责保证数据传输安全
ANDSF：Access Network Discovery and Selection Function 接入网络发现和选择功能。可为3GPP和非3GPP（如Wi-Fi）的用户设备（UE）提供有关连接的接入信息。ANDSF的目的是协助UE发现在其附近的接入网络，并提供接入的优先次序和管理这些网络的连接规则。

这里面S-GW和P-GW的描述都抽象得很，更简单的对其最重要功能的描述是：PGW是UE到外部网络的默认路由；SGW是分组路由和转发，以及eNB间切换的负责人。

下图是从3G核心网到5G核心网间网元的进化历程。

EPC网元间接口：

TE网络内不同网元和其他网元连接有不同的“接口”，例如MME和S-GW连接就是通过S11接口。所谓接口就是一组逻辑上的连接+所使用的协议栈。例如eNB和S-GW间双方有网络有路由，处于可达状态，双方互相给对方一个IP，通过这个IP就可以以自己的身份访问对方；互相也采用同一套通信协议，这样大家就可以互联互通了。在IUV实验手册内有更具象化的配置，如下图，eNB和SGW间的接口是S1-U，这里S1-U的IP地址是3.3.3.1，因此当eNB访问这个IP时，SGW就知道这是eNB来信了。

S5/S8：连接S-GW与P-GW
S6b：连接HSS/AAA与P-GW
S2b：连接ePDG与P-GW
sWm：连接HSS/AAA 与 ePDG
S6a：连接MME与HSS/AAA
S11：连接MME与S-GW
S1接口：LTE eNodeB（基站）与 EPC（分组核心网）之间的通讯接口；分为S1-MME（或S1-C）的控制面接口和S1-U的用户面接口。S1-C连接eNB和MME，S1-U连接eNB和S-GW
X2接口：eNB间的通信接口（控制面通信），X2接口的功能很强大，可以尽可能减少对核心网的依赖，但是现网中并未完全使用X2的功能。

LTE的控制流程

在EPC中有三种区域类型：MME pool areas, Tracking areas, S-GW service areas

MME pool areas：移动设备可以在不改变服务MME的情况下移动的区域（网络运营商可能会将一大个区域配置为一个MME池，如一个主要城市）
Tracking areas：跟踪区，由多个eNB组成的，非重叠的小区域。这相当于2G/3G中的Location Area，用于跟踪UE的位置。在一个TA内移动UE不需要向EPC更新自己的位置。当处于空闲状态的UE需要被寻呼时，必须在UE所注册的跟踪区的所有小区进行寻呼。
S-GW service areas：由一个或多个SGW连接的区域，移动设备可以在该区域内移动而无需更改SGW。

身份识别

要进行切换，首先得认识谁是谁。

为此，在网络侧对MME使用GUMMEI（Global Unique MME Identity）； Tracking Area使用TAC码（Tracking Area Code）和TAI码（Tracking Area Identity）；Cell使用ECI（E-UTRAN Cell Identity）、ECGI (E-UTRAN Cell Global Identifier) 、PCI (Physical Cell Identity) 。

在用户侧使用IMEI (International Mobile Equipment Identity)和IMSI (International Mobile Subscriber Identity)，以及根据此生成的GUTI（Global Unique Temporary ID）

下面将详细介绍。

GUMMEI

GUMMEI由48bit组成，其中：

MCC（Mobile Country Code）：移动国家码，3位数字，常见的有 234 – UK; 310 – USA; 440 – Japan; 450 – Korea; 460 – China; 466 – CN_Taiwan
MNC（Mobile Network Code）：移动网络码，2位数字，中国移动根据业务不同使用00,02,07；中国联通使用01,06,09；中国电信使用03,05,11；中国铁通使用20
PLMN-ID（Public Land Mobile Network IDentity）：公共陆地移动网络ID，其等于MCC+MNC
MMEGI（MME Group Identity)：MME组标识，在一个PLMN内它是唯一的。由运营商自行分配。
MMEC（MME Code)：MME编号，在一个MME组内它是唯一的，由运营商自行分配。

在此处，某个国家（MCC区分）的一个运营商的某种业务（MNC区分）划分了一个基本的PLMN区域。

TAC&TAI

跟踪区域代码（TAC）是固定长度16bit（4位HEX码）码组，用于标识PLMN内的跟踪区域标识，在单个PLMN内唯一
TAI由跟踪区域所属的PLMN标识和跟踪区域的TAC（跟踪区域代码）构成。

ECI&ECGI&PCI

ECI：演进通用陆地无线接入网络小区标识，28位bit的固定长度，并使用十六进制表示进行编码。它有eNB ID和小区标识两部分组成，在一个PLMN中唯一
ECGI：PLMN-ID+ECI
PCI：物理小区标识，取值范围0-503（共504个），单一小区覆盖范围内及其毗邻小区内不能有重复PCI。LTE的小区搜索流程确定了采用小区ID分组的形式，首先通过SSCH（辅助同步码）确定小区组ID，再通过PSCH（基本同步码）确定具体的小区ID。PCI在LTE中的作用有点类似扰码在W中的作用，因此规划的目的也类似，就是必须保证复用距离；（这里面的同步码是具有不同扰码和时隙的物理层编码）

IMEI&IMSI&GUTI

IMEI：国际移动设备识别码，15位数字，一个手机一个标识（双卡双待的手机有俩）
IMSI：国际移动用户识别号，15位数字，全球唯一ID，用来区别每一位移动用户。与SIM卡是绑定关系。其由三部分构成：MCC+MNC+MSIN。最后一个MSIN是移动订阅用户识别代码（Mobile subscription identification number），用来这个国家（MCC）内的特定业务内（MNC）的用户用的。

但是长期使用IMSI并不安全，因此需要一个东西来代替他们执行临时鉴权，避免长期通过无线传输IMSI。

M-TMSI (M Temporary Mobile Subscriber Identity)：32bit，用于MME对用户进行临时鉴权，其是由网络随机分配的，区域内每个用户唯一。当用户离开时，其持有的M-TMSI被释放，可以分配给其他用户。

结合M-TMSI和前面介绍的，即可生成GUTI（Global Unique Temporary ID），如下图

三类移动性管理

EPS Mobility Management (EMM)指的是与 E-UTRAN 接入、身份验证和安全上的移动性相关的程序。3GPP将其分为三类：通用流程（common procedures）、特殊流程（specific procedures）、连接管理流程（connection management procedures）

EMM 通用流程：指在 UE 和 MME 之间存在 NAS 信令连接时始终可以发起的流程。此流程可进一步分为五个流程：
1. 全局唯一临时标识符 (GUTI) 分配（GUTI (Global Unique Temporary ID) reallocation）
2. 身份验证（Authentication）
3. 安全模式控制 (Security mode control)
4. 身份识别（Identification）
5. EMM 信息（EMM information）
EMM 特定流程：指与用户移动性（注册和位置更新）相关的流程。
1. 它规定了在TA Update的机制：当UE发现自己进入了一个新的TA时，其发起TA Update流程
2. 其还引入了TA List这个概念：当UE进入一个TAL中包含的了TA时，其无需发布TA Update流程，还可以通过向UE提供不同的TAL来避免信号峰值，例如当列车上的所有UE都跨越TA边界时。
EMM 连接管理流程：指与建立 NAS 信令连接相关的流程。它可进一步分为三个流程：
1. 服务请求（Service request:）：由UE发起，开始建立NAS信令连接
2. 寻呼（Paging）：在下行 NAS 信令的情况下由网络发起，以指示 UE 开始服务请求
3. NAS 消息传输（Transport of NAS messages）：其他NAS信令的传输。

专业实训-4G LTE

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