浅谈TD-LTE相关协议

李 颖

(山西经济管理干部学院 电子信息工程系，山西 太原 030024)



浅谈TD-LTE相关协议

李 颖

(山西经济管理干部学院 电子信息工程系，山西 太原 030024)

中国移动提出的4G通信技术“TD-LTE”已进入规模化发展阶段，其中通信协议的开发对于保证4G通信技术的应用和推广具有重要作用。通过对“TD-LTE”主要网络分层之间及各层内部接口之间的协议的分析，有助于在实际应用过程中排查和解决相关技术问题，快速处理网络故障及客户疑难投诉，对全面地理解和把握4G技术的本质和内涵十分重要。

TD-LTE；接口；协议

TD-LTE作为4G主要技术已经开始大规模应用，如何全面地理解和把握4G的本质和内涵，有效地应对技术演进过程中出现各类问题是TD-LTE能否尽快走向成熟、赢得市场的关键。而通信领域中协议的成熟与应用是技术成功的关键因素之一。鉴于此，对TD-LTE相关协议加以介绍和解析具有重要意义。

1 如何理解LTE协议结构

LTE协议架构分为用户面和控制面。其协议栈结构与OSI七层结构(物理层、数据层、链路层、传输层、会话层、表示层、应用层)、TCP/IP五层协议(物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层)既存在相似之处，也有不同。

相似之处：均采用“分层”结构化设计思路，以“层或子层”作为基本的协议设计单元且彼此独立完成特定的协议数据处理功能；均采用标准化的协议数据封装格式或层间交互过程。

不同之处：LTE协议栈相对于OSI或TCP/IP协议有很大简化，略去了会话层、表示层等；OSI或TCP/IP协议是一种抽象的协议参考设计，具备普遍的通用性，并不关注底层所采用的技术，而LTE协议栈是一种特定的范例，具备独特的适用性，其各个子层只针对特定的技术，如特定的物理层技术与数据链路层技术；LTE系统的协议栈既包括空口协议栈，也包括固定网络接口协议(如S1接口)，不同的接口采用的协议栈并不相同，如eNodeB(LTE中基站的名称)和UE(用户设备)之间的空口用户面协议栈又进一步细分为PDCP(分组数据汇聚协议)子层、RLC(无线链路层控制协议)子层和MAC(介质访问控制)子层，其空口控制面协议栈主要由RRC(无线资源控制)层来承担，负责较低协议层的配置。

2 网络架构中的主要接口与协议

LTE系统通过节点间功能的重新划分，实现了网络的扁平化，降低了网络控制面与用户面的传输时延。网络扁平化主要体现在LTE接入网节点eNodeB，去掉了3G网络中的RNC(无线网络控制器)。RNC的无线资源管理等功能放到了eNodeB节点，另外一部分控制功能(如经过核心网的连接态移动性控制功能等)放到了核心网的MME(移动性管理实体)节点。

图1 TD-LTE系统架构图

2.1 S1接口

S1接口是LTE eNodeB(基站)与EPC(分组核心网)之间的通信接口，分为控制平面(S1-MME)和用户平面(S1-U)。控制平面接口S1-MME将eNodeB和移动性管理实体(MME)相连，主要完成S1接口的无线接入承载控制、NAS消息传输、移动性管理、接口专用的操作维护等功能。用户平面用于传送用户数据和相应的用户平面控制帧[1]。

2.1.1 S1接口控制面的主要功能

-EPS承载业务管理功能：建立、修改、释放；

-ECM-Connected状态下针对UE的移动性功能：LTE的内部切换、系统间切换；

-S1寻呼功能；

-NAS信令传输功能；

-S1接口管理功能：错误指示、复位；

-漫游和区域限制支持功能；

-NAS节点选择功能；

-初始内容建立功能。

2.1.2 S1接口控制面协议

S1接口控制面主要指S1-C，包含了S1AP/SCTP等子层的处理。

SCTP(流控制传输协议)是IETF在2000年定义的一个传输层协议，在不可靠传输业务的协议之上提供可靠的数据传输协议。SCTP是一个面向连接的流传输协议，它可以在两个端点之间提供稳定、有序的数据传递服务。SCTP的设计用于通过IP网传输SCN(信令通信网)窄带信令消息[4]。

SCTP协议在LTE系统中应用于S1和X2接口控制面信令的传输。如在S1接口，MME与eNodeB之间建立SCTP关联之后，MME和eNodeB就可以通过SCTP Connection发送/接收S1AP层的信令消息。

2.1.3 S1接口用户面的主要功能

-在S1接口搭建相应用户面承载；

-移动过程中尽量减少数据的丢失；

-错误处理机制；

-分组丢失检测机制。

2.1.4 S1接口用户面协议

S1接口用户面主要指S1-U，包含了GTP-U与IP数据的处理。

GTP(隧道协议)是一组基于IP的，用于在GSM与UMTS网络中支持通用分组无线服务(GPRS)的通信协议。具体协议参考3GPP TS29.060。其可以进一步细分为三种独立的协议：GTP-C、GTP-U及GTP’。

图2 S1接口协议栈示意图

其中，GTP-U用于S1接口用户面数据处理，GTP-U用于在GPRS核心网内、无线接入网与核心网之间传送用户数据，用户数据包可以以IPv4、IPv6或PPP中的任何格式传输。

2.2 X2接口

X2接口是eNodeB与eNodeB之间的逻辑接口，主要用于支持连接状态终端的移动性管理、转发分组数据，也可以用于多小区的无线资源管理功能等[2]。

eNodeB之间通过X2接口互相连接，形成了网状网络，这是LTE相对3G网络的重大变化，产生这种变化的原因在于，网络结构中没有类似于3G网络中的RNC一样的控制节点，原有的树型分支结构被扁平化，使得基站承担了更多的无线资源管理责任，因此，基站也需要更多地与其相邻的基站直接交互信息，从而保证用户在整个网络中的无缝切换。

X2接口分为用户平面和控制平面[3]。

2.2.1 X2接口的具体作用

-LTE系统内基于X2接口的连接态移动性管理；

-负载均衡；

-干扰删除；

-自优化网络(SON)。

2.2.2 X2接口协议

X2接口控制面主要指X2-C，包含了X2AP/SCTP等子层的处理；而用户面主要指X2-U，包含了GTP-U与IP数据的处理。

图3 X2接口协议栈示意图

2.3 核心网协议

除了上述S1接口、X2接口以及其对应的SCTP、GTP-U等协议外，LTE系统核心网还有接口以及在此接口上运行着的协议，这些协议保证系统各网元、各接口之间的正常通信。其中，Diameter协议、SIP协议、RIM协议是主要的几种协议。

2.3.1 Diameter协议

Diameter协议是IETF的AAA(身份验证、授权、统计)工作组制订的下一代的AAA标准协议簇。Diameter是目前应用最广泛的RADIUS的升级版本。Diameter协议包括基本协议、NAS协议、EAP(可扩展鉴别)协议、MIP(移动IP)协议、CMS(密码消息语法)协议[9]。

Diameter协议支持移动IP、NAS请求和移动代理的认证、授权和计费工作，协议的实现和RADIUS类似，也是采用AVP属性值对来实现，但是其中详细规定了错误处理failover机制，采用TCP协议，支持分布式计费，克服了RADIUS的许多缺点[10]。

Diameter协议用于S6a接口(连接MME-HSS)、S6d接口(连接SGSN-HSS)。

2.3.2 SIP协议

SIP协议(会话初始协议)是由IETF制定的多媒体通信协议，是一个应用层的信令控制协议。用于创建、修改和释放一个或多个参与者的会话。这些会话可以是Internet多媒体、IP电话或多媒体分发。会话的参与者可以通过组播、网状单播或两者的混合体进行通信[5-8]。

SIP与负责语音质量的资源预留协议(RSVP)互操作。它还与若干个其他协议进行协作，包括负责定位的轻型目录访问协议(LDAP)、负责身份验证的远程身份验证拨入用户服务(RADIUS)以及负责实时传输的RTP等多个协议。

2.3.3 RIM协议

RIM协议是一种不同接入网网元间信息交互的协议流程。主要用于GERAN、UTRAN、E-UTRAN接入网间通过核心网进行信息交换，涉及的网元包括eNodeB、MME、SGSN和RNC/BSC。其主要优点在于核心网节点无须对相应信息进行处理，可以降低核心网处理开销。

3 结束语

本文介绍了TD-LTE通信技术的架构、接口以及相关的协议，分析了接口与协议使用的功能和应用，为更好的理解4G通信技术并在实际工作中加以应用提供了必要的基础知识，为进一步研究TD-LTE及其他4G通信技术奠定了基础。

[1] 臧永蔓，阮军洲，王鹏.TD-LTE网络S1接口的研究与实现[J].计算机与网络,2012(15):67-69.

[2] 郭宝，张阳，李冶文.TD-LTE无线网络优化与应用[M].北京：机械工业出版社，2014:4-6.

[3] 苑海峰，黄业明，王兰.分组传送网互通实现LTE无线X2接口功能[J].现代电子技术,2015(8):48.

[4] 朱京玲，张一辰，王文鼐，等.基于SCTP的跨终端切换与移动性管理[J].南京邮电大学学报(自然科学版)，2014(1):53-58.

[5] 王卓鹏.现代交换技术[M].北京：清华大学出版社，2014:138-139.

[6] 郭鹏飞.基于SIP协议的VoIP系统的设计与实现[D].武汉：华中科技大学,2015.

[7] 高嵬.基于SIP协议的RTCWeb终端设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2015.

[8] 杜金房，张令考.FreaSWITCH权威指南[M].北京：机械工业出版社,2014:126-127.

[9] 蒲伟.LTE网络测试仪S6a接口Diameter协议信令的分析与研究[D].重庆：重庆邮电大学，2013.

[10] 郝乾成.基于Diameter协议的计费模块设计与实现[D].北京：北京邮电大学,2015.

Discussion on TD-LTE Related Protocol

Li Ying

(ElectronicandInformationEngineeringDept.,ShanxiCadreInstituteofEconomicManagement,TaiyuanShanxi030024,China)

“TD-LTE”,the 4G communication technology of China Mobile,has entered the stage of scale development.Among it,the development of communication protocols plays an important role to ensure the application and popularization of 4G communication technology.Through the analysis on the agreement of the internal interface between layers and among the layers in the “TD-LTE” main network,it helps to solve the related technical problems and network failures as well as the difficulty from customer complaints in the process of practical application.It is very important to fully understand and grasp the essence and connotation of 4G technology.

TD-LTE; interfaces; protocol

2016-09-06

李 颖(1980-)，女，山西运城人，通信工程师，助教，硕士研究生，研究方向：无线通信，物联网系统。

1674-4578(2016)05-0061-03

TN929.5

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