一、前言

本文介绍LTE的网络架构，包括LTE网络的构成，每一个网络实体的作用。由于LTE是从3G演进而来，因此也会提到与3G的对比和变化。

1、3G网络架构

3G UMTS协议中，组网架构为4层：终端（UE），基站（NodeB），无线网络控制器（RNC），核心网（CN）。RNC位置的网元在2G中称为基站控制器（BSC），RNC直接由Iur接口，不仅仅是基站控制器，还是无线接入网络的控制器。UMTS 4层网络架构如图所示：

二、LTE网络架构

LTG和3G相比，去掉了RNC，减少了一层，减少了基站与核心网之间信息交互的多节点开销，更加扁平化。如图所示：

扁平化带来的好处是：

节点数量减小，用户面时延大大缩短
简化了控制平面从睡眠状态到激活状态的过程，减少了状态迁移的时间
降低系统复杂性，减少了接口类型，系统内部相应的交互操作也随之减少

LTE的网络模型如图所示：

LTE网络构架被分为四个部分，UE、E-UTRAN、EPC和PDN，即终端、接入网、核心网和公网。UE是我们的手机或CPE，E-UTRAN是遍布城市的各个基站（可以是大的铁塔基站，也可以是室内悬挂的只有路由器大小的小基站），EPC是运营商（中国移动/中国联通/中国电信）的核心网服务器，核心网包括很多服务器，有处理信令的、数据的、计费策略的等等，PDN即公网，如各个网站、游戏、视频的服务器。
UE到eNB这一段是无线的，我们称这一段网络叫空中接入网；eNB之间、eNB和EPC之间都是LTE的内部网络，使用光纤相连接；EPC和PDN这一段叫地面网，使用光纤相连接，是LTE与公网的出入口。啥叫地面网？光纤不都是埋地下吗？

PS：

NAS，非接入层信令，是UE和核心网EPC之间使用的信令，虽然途径接入网eUTRAN，但基站不作分析；
AS ，接入层信令，是UE和接入网eUTRAN使用的信令，由基站来处理，核心网看不到。

下图标注了信令流和数据流的走向。

1、UE

全称是User Equipment，用户设备，就是指用户的手机，或者是其他可以利用LTE上网的设备如CPE。

2、E-UTRAN

Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network，演进的通用陆地无线接入网络。LTE的接入网由多个eNB组成，eNB之间通过光纤相连，叫做X2接口。

2.1、eNB

eNodeB的简写，LTE的基站，3G的基站叫NodeB。基站为用户提供空中接口（air interface），用户设备通过无线连接到eNB，然后基站再通过光纤连接到运营商的核心网。

3G的无线接入网UTRAN由NodeB和RNC两种网元组成，NodeB完成射频处理和基带处理，RNC主要负责控制和协调基站间配合工作，完成系统接入控制、承载控制、移动性管理、无线资源管理等控制功能。eUTRAN去掉RNC网元后，其底层功能分给了eNodeB，高层功能分给了核心网的AGW（接入网关，包括服务网关SGW和分组数据PDN网关PGW）。eNodeB的功能主要是由3G阶段的NodeB、RNC、SGSN、GGSN四个网元的部分功能演化而来。

eNodeB除了上述功能，还包括与LTE核心网（EPC）进行信息交互的功能，如为UE选择移动性管理实体，选择用户面数据的服务网关的路由等。

3、EPC

Evolved Packet Core，演进分组核心网。EPC主要由MME（移动性管理实体），SGW（服务网关）和PGW（分组数据网关）组成。多个EPC的集合称为EPS。EPC和eUTRAN间的接口是S1，由于用户面和控制面的分离，S1接口也可分为用户面接口S1-U和控制面接口S1-MME。

3G到LTE，核心网的演进表现在：

取消了CS域，CS域业务承载在PS域，实现了核心网的IP化。语音业务（Voice）在以往无线制式中由CS域承载，在LTE中则完全由PS域承载，即所谓的VoIP（Voice over IP）。
全网IP化，各网元节点之间的接口也都使用IP传输。LTE全网IP化的关键支撑就是端到端的QoS保障机制。
LTE/SAE在核心网演进中实现了用户面和控制面的分离，即用户面和控制面功能分别由不同的网元实体完成。可降低系统时延，提升核心网处理效率。

3.1、MME

Mobility Management Entity，核心网控制面网元，负责用户和会话管理，MME主要功能有：

接入控制；
移动性管理；
会话管理；
PDN GW 和Serving GW 选择；
安全认证。

3.2、HSS

Home Subscriber Server，归属用户服务器，它是核心网中的一个数据库服务器，里面存放着所有属于该核心网的用户的数据信息（即在这开户的卡信息）。当用户连接到MME的时候，用户提交的资料会和HSS数据服务器中的资料进行比对来进行鉴权。

用户注册；
终端位置更新；
移动性管理；

我们的sim卡都有一个开户所在地，你的sim卡的注册鉴权信息都是存在开户所在地的HSS服务器里面。漫游时注册、做业务的区别主要在访问HSS这一块。如下图对比漫游和非漫游，先是非漫游时：

然后是漫游时：

3.3、S-GW

Serving Gateway ，用户面接入服务网关，相当于传统SGSN的用户面功能：

会话管理；
路由选择和数据转发；
Qos控制；
计费；

可以看到，服务能不能做，优先级怎样，都是SGW说了算。

3.4、P-GW

PDN Gateway，分组数据网关。是运营商网络和互联网的网关，功能类似传统中的GGSN，主要功能包括分组包深度检查、

IP地址分配；
会话管理；
路由选择和数据转发；
PCRF的选择；
Qos控制；
非3GPP接入；
基于业务的计费。

可见设计PGW有两大目的：非3GPP网络（如1X、GSM、CDMA、VoWIFI）接入LTE核心网；LTE核心网数据和互联网的网关。

3.5、PCRF

Policy and Charging Rules Function，策略与计费规则服务器，根据用户套餐和业务需求提供数据业务资源管控。

配置PCC计费规则；
执行服务数据流优先级排队冲突解决处理；
支持控制信令的IP sec安全性保护；
向PCEF提供初始默认计费方法；
激活、去激活、修改PCC规则；
策略控制功能；

3.6、SPR

Subscriber Profile Repository的缩写，用户档案库。这个实体为PCRF提供用户的信息，然后PCRF根据其提供的信息来指定相应的规则。

3.7、OCS

Online Charging System ，在线计费系统，应该是个用户使用服务的计费的系统。

3.8、OFCS

Offline Charging System ，离线计费系统，对计费的记录进行保存。

4、PDN

Public Data Network，公用数据网络，即互联网。

三、EPC和eNodeB功能划分

MME主要功能有寻呼、切换、漫游、鉴权，对NAS（非接入层）信令的加密和完整性保护，对AS（接入层）安全性控制、空闲状态移动性控制等。NAS信令是UE和核心网EPC直接联系使用的，接入网eUTRAN（即接入层）不作分析也不直接使用（所以叫非接入层信令）；而AS信令是接入网eUTRAN分析并使用的信令。

SGW（服务网关）是EPC和eUTRAN的一个边界网关，不和其他系统网关如GGSN、PDG直接相连，主要功能是LTE系统内的分组数据路由及转发、合法监听、计费。

PGW（PDN网关）是和运营商外部或内部的分组网络连接的网关，功能类似UMTS或EDGE中的GGSN，是所有3GPP系统或者非3GPP系统非组网络的统一出口。主要功能包括分组包深度检查、分组数据过滤及筛选、转发、路由选择等。还负责UE的IP地址分配，速率限制、上下行业务级计费等功能。设计PDN网关的目的是为了方便引入LTE系统以外的分组网络，使得多系统引入LTE的接口数目最小化，EPS和外界的接口功能简单化、清晰化，从而使LTE/SAE的核心网真正成为一个多制式融合的平台。

打个比方：MME是负责流动人口管理的公安部门，SGW是一个负责人员和物资中转地快递公司，PGW则是对人员和物资进行出入境检查的口岸。

四、LTE和2G、3G网络的融合

LTE核心网支持多网融合，支持包括LTE在内的多种无线接入技术，不仅要支持UMTS网络接入，还支持非3GPP制式的网络接入，如GSM、CDMA、WLAN、WiMAX等网络，实现了不同无线制式在EPC平台上的大融合。EPC和各种无线制式中都设计有标准接口，方便业务使用时在不同制式的无线系统中无缝切换，3G和2G网络分别通过Iu和Gb接口接入SGSN，然后分别使用S3和S4接口接入LTE核心网的SGW和PGW，如图所示：