LTE通信系統如同一個獨立王國，事無巨細，有條不紊地統治着數以億計的子民。王國能夠健康穩定的運作，主要依賴于兩個基本要素——可見的高樓大廈和不可見的法律條文。
在通信系統中，可見的高樓大廈指的就是承載通信系統的組網架構，具體的包括各個網元硬體，正是無數的手機，基站，交換機……搭建了一座座大廈。不可見的法律條文指的就是各個網元之間接口協定，不同協定之間的協調合作使得網元之間能夠高效溝通，和諧相處。
本文主要參考《LTE輕松進階》和《 4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G》對LTE的網絡架構與接口協定作系統的介紹。
1. 組網架構
組網架構，就是指LTE網絡具體組成網元，以及它們之間通過什麼樣的方式連接配接在一起的，各個部分分别發揮了什麼樣的作用。
1.1 網元架構
組成LTE網絡的網元内容包括：UE，eNodeB和EPC。LTE的網絡架構具有扁平化、分組域化、IP化、多制式融合化、使用者面和控制面分離化等特點[1]。LTE的網絡架構可以表示成圖1所示的層級結構。
圖1. LTE網絡架構
LTE的網絡架構是在縮減UTRAN的網絡架構的基礎上發展而來的，這種三層的扁平化的網絡架構，縮短了使用者終端到核心網元之間的距離。除此之外它代來的好處還包括：
節點數量減少，使用者平面的時延大大縮短；
簡化了控制平面從睡眠狀态到激活狀态的過程，減少了狀态遷移的時間；
降低系統的複雜性，減少接口類型，系統内部相應的互操作随之減少。
1.2 職能劃分
為了協調工作，更加高效的管理使用者終端，需要明确各個網元的職責，通信網絡中eNodeB和EPC的職能進行劃分如圖2所示：
圖2. eNodeB和EPC功能劃分
圖2中，eNodeB和EPC分别承擔這不同的作用。
eNodeB的功能
eNodeB主要承擔的是基層使用者的服務和資源管理功能，除了提供和管理區域内使用者的空中接口功能之外，還要提供一些資源管理功能，資源排程功能，接入控制，承載控制，移動性管理等功能；
MME的功能
MME主要功能右尋呼，切換，漫遊，鑒權，對NAS信令加密和完整性保護，對AS安全控制，空閑狀态移動性控制。
SGW的功能
SGW是EPC和eUTRAN的一個邊界網關，不和其他系統網關，如GGSN，PDG直接相連，主要功能包括LTE系統内的分組資料路由及轉發，合法監聽，計費。
PGW的功能
PGW主要功能包括分組包深度檢查，分組資料過濾及篩選，轉發，路由選擇等。此外，PGW還負責UE的IP位址配置設定，速率限制，上/下行業務級計費等功能。
2. 接口協定
接口協定是指不同網元之間的資訊互動方式。圖1中LTE網絡架構的三個網元分别是，UE，eNodeB和EPC。根據它們之間資訊流的傳遞方向，可以得到三類接口：
UE和eNodeB之間的 LTE-Uu接口；
eNodeB和eNodeB之間的 X2接口；
eNodeB和EPC之間的S1接口。
2.1 接口協定通用模型
為了簡化設計，協定棧一定是分層結構的。底層為上層提供服務，上層使用下層提供的功能而不必清楚下層的具體處理的細節。這個和OSI七層協定模型，TCP/IP四層協定原理是一樣的。
協定棧除了分層結構以外，還添加了分面。接口協定從資訊處理的類型不同，可以分為使用者面協定和控制面協定。使用者面負責業務資料的傳送和處理，控制面負責協調和控制心裡的傳送和處理。
基于上述的設計理念，書中給出一個無線通信通用的“三層兩面”模型，如圖3：
3.接口協定的通用模型
三層指的是，
網絡層, L3
主要功能是尋址、路由選擇、連接配接的建立和控制、資源的配置政策等等；
資料鍊路層, L2
信道的複用和解複用、資料格式的封裝、資料包的排程等。完成的主要功能是具有個性的業務資料向沒有個性的通用資料幀的轉換；
實體層, L1
提供兩個實體實體之間的比特流傳送。在無線空口中适配的是無線環境；在地面接口中，适配的是網線、光纖等傳輸媒介。
兩面指的是，
使用者面：
使用者面負責業務資料的傳送和處理；；
控制面：
控制面負責協調和控制信令的傳送和處理；
需要注意的是，在實體層，不區分使用者面和控制面；在資料鍊路層，資料的處理功能開始區分使用者面和控制面；在網絡層上，使用者面和控制面則由不同的功能實體來完成。
2.2 空中接口協定
将圖3的通用模型套用在空中接口上，我們可以得到LTE空口協定模型，如圖4所示。
圖4. LTE空口協定棧模型
書[2]中總結了各個協定層的功能：
非接入層，NAS
處理UE和MME之間資訊的傳輸，傳輸的内容可以是使用者資訊或控制資訊。包括會話管理，使用者管理，安全管理等。NAS層以下，我們稱為AS層。
無線資源控制層，RRC
支援終端和eNodeB間多種功能的最為關鍵的信令協定。廣義上來說，還包括無線資源算法，實際應用中的無線行為，都是由它來決定的。
分組資料融合協定，PDCP
執行IP報頭壓縮，加密和完整性保護。系統為每一個裝置的無線承載配置一個PDCP實體；
無線鍊路控制，RLC
負責分割/級聯、重傳控制、重複檢測和序列傳送到更上層。RLC以無線承載的形式向PDCP提供服務。系統為每一個終端的每個無線承載配置一個RLC實體；
媒體接入控制，MAC：
控制邏輯系統的複用、混合ARQ重傳、上行鍊路和下行鍊路的排程。對于上行鍊路和下行鍊路，排程功能位于基站。MAC以控制信道的形式為RLC提供服務；
實體層，PHY：
管理編碼/解碼、調制/解調、多天線映射以及其他典型的實體功能。實體層以傳輸信道的形式為MAC提供服務。
根據圖4.空口協定棧模型，可以得到LTE空口的使用者面協定(如圖5.所示)和控制面協定(如圖6.所示)。
圖5. LTE 空中接口使用者面協定
使用者面主要處理業務資料流。在發送端，将承載高層業務應用的IP資料流經過頭壓縮，加密，分段，複用，排程等過程變成實體層可以處理的傳輸塊。在接收端，實體層收到的比特資料流，按照排程要求，解複用，級聯，解密，解壓縮，成為高層應用可以是别的資料流。
圖6.空中接口控制面協定
控制面協定各層的功能和使用者面基本一緻，在PDCP層中除了對控制信令進行加密和解密的操作，還要增加了對控制信令進行完整性保護和完整性驗證的功能。
下面我們将整個資訊流與各個網元串起來，可以得到圖7.
圖7. LTE協定架構資料流及網元功能
在圖7中，我們可以更加清晰的看清不同的資料流所經過的網元流程，以及每一個網元對于資訊的加工流程。為了便于說明，以一個帶有3個IP資料包的執行個體來說明，如圖8所示。
圖8. 資訊加工流程
圖8展示了，一個無線承載有兩個資料包，一個無線承載有一個資料包。PDCP執行IP報頭壓縮，然後進行加密，增加一個PDCP頭，用來攜帶終端解密所需要的資訊；RLC層執行級聯或分割，并添加一個RLC頭，該頭用于終端的按序發送并重傳情況下的鑒定。實體層為添加CRC以檢測錯誤，并執行編碼譯碼，并輸出所産生的信号。
完
2019/3/27
[1]. 元泉，趙文超. LTE 輕松進階. 電子工業出版社.
[2]. Erik Dahlman, Stefan Parkvall. 4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G, Third Edition