LTE网络基础架构

TD-LTE（TD-SCDMA Long Term Evolution）是长期演进的缩写。3GPP标准化组织最初制定LTE标准时，定位为3G技术的演进升级。后来，LTE技术的发展远远超出了预期，LTE的后续演进版本Release10/11(即LTE-A)被确定为4G标准。LTE根据双工方式不同，分为LTE-TDD和LTE-FDD两种制式，其中LTE-TDD又称为TD- LTE。2012年，3GPP TD-LTE和LTE-FDD标准制定进度一致。
LTE 将使用一种称为 LTE-A（或 LTE+）的技术达到接近 4G 的速度。LTE-A 中的“A”表示“高级”，代表 LTE 技术的下一步发展。

整个LTE系统由核心网（EPC）、接入网（eNodeB）、用户设备（UE）组成；
其中，EPC分为三部分：MME（信令处理）、SGW（本地数据）、PGW（其他网络）。
接口指不同网元之间的信息交互时的节点，每个接口有不同的协议。同一接口的网元之间使用互通的语言进行信息交互，称为接口协议，接口协议的架构称为协议栈。

LTE中所用到的网络接口：S1接口、X2接口、Uu接口
S1接口：eNodeB和EPC
X2接口：eNodeB和eNodeB
Uu接口：eNodeB和UE

LTE网络架构是E-UTRAN去除RNC网络节点，目的是简化网络架构和降低延时，RNC功能被分散到了演进型Node B（Evovled Node B，eNode B）和服务网关（Serving GateWay，S-GW）中。

E-UTRAN结构中包含了若干个eNode B，eNode B之间底层采用IP传输，在逻辑上通过X2接口互相连接，即网格（Mesh）型网络结构，这样的设计主要用于支持UE在整个网络内的移动性，保证用户的无缝切换。每个eNode B通过S1接口连接到演进分组核心（Evolved Packet Core，EPC）网络的移动管理实体（Mobility Management Entity，MME），即通过S1-MME接口和MME相连，通过S1-U和S-GW连接，S1-MME和S1-U可以被分别看作S1接口的控制平面和用户平面。
在EPC侧，S-GW是3GPP移动网络内的锚点。MME功能与网关功能分离，主要负责处理移动性等控制信令，这样的设计有助于网络部署、单个技术的演进以及全面灵活的扩容。同时，LTE/SAE体系结构还能将SGSN和MME功能整合到同一个节点之中，从而实现一个同时支持GSM、WCDMA/HSPA和LTE技术的通用分组核心网。

在3G网络中，接入网部分叫做UTRAN（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UMTS陆地无线接入网）。
在LTE网络（即俗称的4G网络）中，因为演进关系，我们将接入网部分称为E-UTRAN（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network，演进的UMTS陆地无线接入网），即LTE中的移动通信无线网络。

UMTS（通用移动通信系统，Universal Mobile Telecommunications System）

UMTS作为一个完整的3G移动通信技术标准，UMTS并不仅限于定义空中接口。除WCDMA作为首选空中接口技术获得不断完善外，UMTS还相继引入了TD-SCDMA和HSDPA技术。

UTRAN（UMTS陆地无线接入网，UMTS Terrestrial Radio Access Network）

UTRAN由基站（Node B）和RNC构成，NODE B相当于GSM BTS，RNC相当于GSM BSC。基站发信站点(BTS)指受控于基站控制器(BSC)，属于基站子系统(BSS)的无线部分，服务于某小区的无线收发信设备，实现BTS与移动站点(MS)空中接口的功能。

1G网络中被称为基站(BS-Base Station)；
2G更名为基站收发站(BTS-Base Transceiver Station)；
3G网络将基站命名为NodeB；
4G网络基站名称更命为eNodeB，“进化”的NodeB；
5G为下一代NodeB(next generation NodeB)，因此命名为gNB。

3g由核心网(CN)、UTRAN、用户设备(UE，User Equipment)三大部分组成。
CN主要完成用户认证、位置管理、呼叫连接控制、用户信息传送等功能。
UTRAN分为无线不相关和无线相关两部分，前者完成与CN的接口，实现向用户提供QOS保证的信息处理和传送以及用户和网络控制信息的处理和传送；无线相关部分处理与UE的无线接入(用户信息传送、无线信道控制、资源管理等)。
UE主要完成无线接入、信息处理等。

RNC（无线网络控制器，Radio Network Controller）

RNC是3G无线网络中的主要网元，是接入网络的组成部分，负责移动性管理、呼叫处理、链路管理和移交机制。
RNC也称为基站控制器，它主要用于管理和控制它下面的多个基站。RNC的整个功能分为两部分：无线资源管理功能和控制功能。无线资源管理主要用于保持无线传播的稳定性和无线连接的服务质量；控制功能包含了所有和无线承载建立、保持和释放相关的功能。

E-UTRAN和UTRAN的区别

在右侧的LTE网络中，eNodeB除了具有原来3G网络中NodeB的功能外，还承担了原有RNC的大部分的功能，使得网络更加扁平了。eNodeB和eNodeB之间采用网格方式直接相连，和原有UTRAN结构大不相同。核心网采用全IP分布式的结构。所以LTE的E-UTRAN是以全新的系统，它提供了更高的传输速率，进一步满足了用户对速度的更高要求。

数据链路层

数据链路层为L2，包括NAS层（非接入层）和AS层（接入层），其中，AS层又包括RRC层（无线资源控制层）、PDCP层（分组数据汇聚协议层）、RLC层（无线链路控制层）、MAC层（媒体接入层）。

NAS层：处理UE与MME之间的信息传输，与接入信息无关（但其信令消息通过RRC层与MME建立连接），负责会话管理、用户管理、安全管理、计费等功能；
RRC层：支持UE和eNodeB之间多种功能的最关键的信令协议；
PDCP层：负责执行头压缩以减少无线接口必须传送的比特流量，功能有：IP包头压缩与解压缩、数据与信令的加密、信令的完整性保护；
RLC层：负责分段与连接、重传处理，以及对高层数据的顺序传送，有三种传输模式：TM（透明模式）、UM（非确认模式）、AM（确认模式，即ARQ机制）；
MAC层：负责处理HARQ重传与上下行调度，主要功能为：逻辑信道与传输信道之间的映射、逻辑信道的优先级管理、复用。

LTE网络接入和附着流程

随机接入：实现终端和基站之间的上行同步，涉及物理层（主要），AS层、NAS层
附着：手机连入核心网并在网络注册，涉及NAS层；附着过程前必须先随机接入

LTE信令流程——随机接入

LTE信令流程——随机接入

LTE信令流程——附着

当UE完成小区驻留后，发起初始附着流程。
整个附着流程包括控制面连接建立、公共流程、用户面连接建立3个过程。
LTE信令流程——附着

4G关键网元名称

eNodeB 演进的节点B

evolved Node B
eNodeB是LTE网络中的基站，是LTE网络E-UTRAN的主要网元；
主要功能：
无线资源管理
上下行数据分类和QoS执行
空口的数据压缩和加密
eNodeB协同MME完成信令处理
与S-GW一起完成用户面数据转发。
eNodeB相当于面向终端的一个汇聚节点。

MME 移动性管理实体

Mobility Management Entity
主要功能：
控制面的移动性管理
用户上下文和移动状态管理
分配用户临时身份标识等
MME相当于LTE网络总的管家，所有的内部事务和外部事务均由MME总体协调完成。

HSS 归属用户服务器

Home Subscriber Server
主要功能：
存储了LTE网络中用户所有与业务相关的签约数据
提供用户签约信息管理和用户位置管理
类似于2G、3G网络中的HLR网元
运营商是一个营利性组织，不是任何人都使用运营商的网络，谁可以使用？这些签约、鉴权信息都保存在HSS中。
通常情况下，4G网络的HSS与2G、3G网络的HLR融合在一起。

S-GW 服务网关

Serving Gateway
S-GW是3GPP内不同接入网络间的用户锚点（用户锚点：用户数据必须经过的节点，经过处理后再转发出去）
负责用户在不同接入技术之间移动时用户面的数据交换，以屏蔽 3GPP 内不同接入网络的接口。
S-GW承担EPC的网关功能，终结E-UTRAN方向的接口。

P-GW PDN网关

PDN Gateway
PDN是Packet Data Network，指采用分组协议（基本是IP协议）的数据网络，泛指移动终端访问的外部网络。
P-GW被称为PDN网关，是3GPP接入网络和非3GPP接入网络之间的用户锚点。（cdma2000不需要经过SGW）
P-GW与外部PDN连接的网元，终结与PDN相连的SGi接口。
P-GW承担EPC的网关功能。
一个终端可以同时通过多个P-GW访问多个PDN。
S-GW和P-GW通常是物理网元合一部署，被称为SAE-GW。

PCRF 策略和计费规则功能

Policy and Charging Rules Function
主要功能：
PCRF完成动态QoS策略控制
动态的基于流的计费控制功能
提供基于用户签约信息的授权控制功能
P-GW识别业务流，通知PCRF。PCRF再下发规则，决定业务是否可用，以及提供给该业务的QoS。

4G网元功能图

4g端到端组网与接口、协议

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attach流程协议介绍

4G网络中终端Attach流程分步解读
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端到端上网业务信令流程

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网络优化主要工作内容

网络优化工作是在基站开通以后，基站各部分工作完好情况时进行，网络优化的目的在于检查网络是否符合设计要求，最大限度地提高网络性能。 主要分为设备及服务两个方面，其中规划、测评、优化属于服务行业;测评系统和覆盖设备属于通讯设备制造业。

网络优化第一阶段的工作是数据收集与分析，通过数据分析可以发现系统存在的问题和潜在的问题。数据的收集是一项重要的工作，要求数据完整和准确。获取数据的方式有两种，一种途径是利用路测工具（如ANT、TS9951等）进行测试，获得数据反映网络的覆盖、通话质量、切换、小区相邻关系等。另一种途径是通过GSM系统中的OMC话务统计工具，它反映网络质量指标，如掉话率、切换成功率等，通过话统数据分析，可以发现网络问题。结合路测数据分析，可以准确定位网络故障。发现网络问题以后就进入网络优化的第二阶段，调整系统参数和基站工程参数。可以调整天线方向角和倾角，调整功率控制参数和切换参数，达到改善网络性能的目的。基站参数调整以后，为了确认调整后的效果，再进行路测及话务统计分析。若发现调整后，网络性能改善，则固定下来：若性能没有改善，则需重新调整，直至满足要求。网络优化目标是网络性能指标不低于全国平均水平。