概述
LTE無線接入協定體系結構如圖1所示，該接入系統分為三層：層一為物理層（PHY），層二為媒體接入控制子層（MAC）、無線鏈路控制子層（RLC）和分組數據會聚協定子層（PDCP），層三為無線資源控制層（RRC）。其中物理層是無線接入系統最底層，它以傳輸信道為接口，向上層提供服務。
圖1 LTE無線接入協定體系結構LTE
LTE（LongTermEvolution，長期演進)，又稱E-UTRA/E-UTRAN，和3GPP2UMB合稱E3G（Evolved3G）
LTE是由3GPP（The3rdGenerationPartnershipProject，第三代合作夥伴計畫）組織制定的UMTS（UniversalMobileTelecommunicationsSystem，通用移動通信系統）技術標準的長期演進，於2004年12月在3GPP多倫多TSGRAN#26會議上正式立項並啟動。LTE系統引入了OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交頻分復用）和MIMO（Multi-InputΜlti-Output，多輸入多輸出）等關鍵傳輸技術，顯著增加了頻譜效率和數據傳輸速率（20M頻寬2X2MIMO在64QAM情況下，理論下行最大傳輸速率為201Mbps，除去信令開銷後大概為140Mbps，但根據實際組網以及終端能力限制，一般認為下行峰值速率為100Mbps，上行為50Mbps），並支持多種頻寬分配：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等，且支持全球主流2G/3G頻段和一些新增頻段，因而頻譜分配更加靈活，系統容量和覆蓋也顯著提升。LTE系統網路架構更加扁平化簡單化，減少了網路節點和系統複雜度，從而減小了系統時延，也降低了網路部署和維護成本。LTE系統支持與其他3GPP系統互操作。LTE系統有兩種制式：FDD-LTE和TDD-LTE，即頻分雙工LTE系統和時分雙工LTE系統，二者技術的主要區別在於空中接口的物理層上（像幀結構、時分設計、同步等）。FDD-LTE系統空口上下行傳輸採用一對對稱的頻段接收和傳送數據，而TDD-LTE系統上下行則使用相同的頻段在不同的時隙上傳輸，相對於FDD雙工方式，TDD有著較高的頻譜利用率。
LTE/EPC的網路架構如圖2所示，其中E-URTAN對應於圖3，E-URTAN無線接入網路架構。
圖2 3GPP接入的非漫遊架構
圖3 E-UTRAN的網路結構RRC層功能
RRC層包括主要的功能如下。
（1）廣播系統信息。
a．NAS公共信息。
b．適於用RRC_IDLE狀態UE的信息，例如小區選擇/小區重選參數、鄰區信息。
c．適用於RRC_CONNECTED狀態UE的可用信息，例如公共信道配置信息。
d．ETWS（EarthquakeandTsunamiWarningSystem，地震和海嘯預警系統）通知。
e．CMAS（CommercialMobileAlertService，商用移動終端預警服務）通知。
（2）RRC連線控制。
a．尋呼。
b．RRC連線建立、修改和釋放，包括C-RNTI的分配/修改、SRB1和SRB2的建立/修改/釋放、禁止接入類型等。
c．初始安全激活，即AS完整性保護和AS加密的初始配置。
d．RRC連線移動性，包括同頻和異頻切換、相關的安全處理、密鑰/算法改變、網路節點間傳輸的RRC上下文信息規範。
e．用戶數據RB承載的建立、修改和釋放。
f．無線資源配置管理，包括ARQ配置、HARQ配置、DRX配置的分配和修改等。
g．QoS控制，包括上下行半持續調度配置信息、UE側上行速率控制參數的配置和修改。
h．無線鏈路失敗恢復。
（3）RAT（RadioAccessTechnology，無線接入技術）間轉移性。
（4）測量配置與報告：
a．測量的建立、修改和釋放（例如同頻、異頻以及不同RAT的測量）。
b．建立和釋放測量間隔。
c．測量報告。
（5）其他的功能，例如專用NAS信息和非3GPP專用信息的傳輸、UE無線接入性能信息的傳輸等。
（6）通用協定錯誤處理。
（7）自配置和自最佳化。
LTE中RRC只有兩個狀態：RRC_CONNECTED狀態和RRC_IDLE狀態。當已經建立了RRC連線，則UE處在RRC_CONNECTED狀態。如果沒有建立RRC連線，即UE處在RRC_IDLE狀態。在RRC不同狀態下的操作如下。
●RRC_IDLE：
（1）PLMN選擇。
（2）接收高層配置DRX。
（3）獲取系統信息廣播。
（4）監控尋呼信道，檢測到達的尋呼。
（5）進行鄰區測量和小區選擇和重選。
（6）UE獲取唯一標識其跟蹤區的ID。
●RRC_CONNECTED：
（1）E-UTRAN可以傳輸給UE或從UE接收單播數據。
（2）eNodeB可以控制UE的DRX配置。
（3）網路控制的移動性，即切換和具有網路協助（NACC）到GERAN的小區變更命令。
（4）UE可以進行以下過程。
a．監控一個尋呼信道和SIB1（SystemInformationBlockType1）的內容，來檢測系統信息改變，具有ETWS能力的UE檢測ETWS通知。
b．監控相關的控制信道，確定是否有給自己的數據調度。
c．提供信道質量和反饋信息。
d．進行鄰區測量和測量上報。
e．獲取系統信息。
E-UTRA中RRC狀態的概況，以及E-UTRAN、UTRAN和GERAN之間的移動性如圖4所示，E-UTRAN和CDMA2000之間的移動性如圖5所示。
圖4 E-UTRA狀態和RAT間的移動性過程
圖5 在E-UTRA和CDMA2000之間的移動性流程系統信息
系統信息分成主信息塊（MasterInformationBlock，MIB）和一些系統信息塊（SystemInformationBlocks，SIBs）。MIB包括最基本和最常用的傳輸參數，在BCH上進行傳輸。SIB1（SystemInformationBlockType1）作為一條單獨的訊息在DL-SCH上傳輸，不映射到SI訊息中。除SIB1外，其他的SIB都承載在SI（SystemInformation，系統信息）訊息中，SIB到SI訊息的映射由SIB1中的調度信息靈活配置。每個SIB只包含在一條SI訊息中，只有具有相同調度周期的SIB才能被映射到同一條SI訊息中，SIB2（SystemInformationBlockType2）總是被映射到SIB1調度信息中對應於SI訊息列表的第一個條目的SI中。多條SI訊息可以按照相同的周期進行傳送。MIB映射到BCCH，在BCH信道上傳送。SIB1和SI訊息映射到BCCH，在DL-SCH信道上傳送，通過系統信息RNTI（SI-RNTI）來標識。
MIB和各SIB的主要內容如下。
（1）MIB定義了小區最基本的物理層信息。
（2）SIB1包含評估一個UE能否被允許接入到小區的相關信息，並定義了其他系統訊息塊之間的調度信息。
（3）SIB2包含公共和共享的信道信息。
（4）SIB3包含小區重選信息，主要和服務小區相關。
（5）SIB4包含小區重選相關的服務頻率和同頻相鄰小區信息。
（6）SIB5包含小區重選相關的其他E-UTRAN頻率和其他異頻相鄰小區重選信息。
（7）SIB6包含小區重選相關的UTRA的頻率和其他UTRA異頻相鄰小區重選信息。
（8）SIB7包含小區重選相關的GERAN的頻率和其他GERAN異頻相鄰小區重選信息。
（9）SIB8包含小區重選相關的CDMA2000的頻率和其他CDMA2000異頻相鄰小區重選信息。
（10）SIB9包含家庭基站的ID信息（HNBID)。
（11）SIB10包含ETWS基本通知。
（12）SIB11包含ETWS輔助通知。
（13）SIB12包含CMAS通知信息。
（14）SIB13包含獲取MBMS控制信息相關的信息。
連線控制
RRC連線控制
RRC連線首先包括SRB1的建立。E-UTRAN在完成S1連線建立過程前，也就是在接收EPC發出的UE上下文信息之前，完成RRC連線的建立。因此，在RRC連線的初始階段，並不會激活AS安全，E-UTRAN可以配置UE進行測量上報，但UE只在安全激活後才接收切換信息。
E-UTRAN在從EPC接收到下發的UE上下文後就通過初始安全激活過程來激活安全，包括加密和完整性保護。激活安全的RRC訊息（命令與成功回響）會得到完整性保護，而加密只有當此過程完成後才開始。也就是說，激活安全訊息的回響是沒有加密的，隨後的訊息全部具有有完整性保護和加密。
初始安全激活過程啟動後，E-UTRAN發起SRB2和DRB的建立，也就是在接收到UE發出的初始安全激活確認前E-UTRAN就可以發起SRB2和DRB的建立，但是E-UTRAN不會在激活安全之前建立SRB2和DRB承載。在任何情況下，E-UTRAN會對用於建立SRB2和DRB的RRC連線重配置訊息進行加密和完整性保護。如果初始安全激活或無線承載建立失敗E-UTRAN應釋放RRC連線。
RRC連線釋放由E-UTRAN初始化，這個過程可用於將UE重定向到另一個頻率的E-URTAN或其他的RAT。在異常情況下，UE可中斷RRC連線，即UE可以不通知E-UTRAN就轉移到RRC_IDLE狀態。
安全
AS安全包括RRC信令的完整性保護，以及RRC信令（SRB）和用戶數據（DRB）的加密。
RRC處理安全參數的配置（AS配置的一部分）包括完整性保護算法、加密算法以及keyChangeIndicator和nextHopChainingCount兩個參數。UE使用這兩個參數來確定切換或連線重建時的AS安全密鑰。
SRB1和SRB2使用公共的完整性保護算法。所有RB（SRB1、SRB2以及DRB）使用公共的加密算法，SRB0則沒有完整性保護和加密。
RRC完整性和加密總是一起激活，也就是說，在一個訊息或過程中，RRC完整性和RRC加密不會被去激活，但可能切換到空的加密算法（eea0）。
如果RRC訊息完整性檢查失敗，底層將丟棄這些訊息，並向RRC指示完整性校驗檢查失敗。
AS使用3種不同的安全密鑰：KRRCint用於RRC信令的完整性保護；KRRCenc用於RRC信令的加密；KUPenc用於用戶數據的加密。這3種AS密鑰是從KeNB密鑰得來，KeNB基於上層處理的KASME密鑰獲得。
連線建立將產生出新的AS密鑰，AS參數不會被交換來用作新AS密鑰計算的輸入。
對用來執行切換的RRC訊息的完整性和加密，由源eNodeB基於切換前的安全配置進行處理。
完整性和加密算法只能在切換時改變。4個AS密鑰（KeNB,KRRCint,KRRCenc和KUPenc）在每一次切換和連線重建時都會改變。keyChangeIndicator在切換時使用，指示UE是否應使用與最近可獲得KASME密鑰相關的密鑰。nextHopChainingCount在切換和連線重建立時使用，用來產生新的KeNB密鑰。
每個RB在每個方向都會保留一個獨立的計數器。對於DRB，該COUNT用作加密的輸入。對於SRB，該COUNT會用作加密和完整性保護的輸入。對於給定的安全密鑰，相同COUNT值的只能使用一次。為了限制信令負荷，每個獨立的訊息或數據都要包含一個簡短的序列號。此外還引入了計數器溢出機制—超幀號機制，HFN需要在UE和eNodeB之間進行同步。eNodeB還要負責相同RB或相同KeNB避免使用相同的COUNT值。
連線模式移動性
在RRC_CONNECTED狀態，網路控制UE的移動性，即網路決定UE應何時移動到哪個小區。因此，RRC_CONNECTED狀態下，網路控制的移動性只需要定義切換的過程。網路側可根據無線條件和負載情況發起切換過程，網路可配置UE執行測量上報，也可以在沒有接收到UE測量報告的情況下發起盲切換。
在向UE傳送切換訊息之前，源eNodeB需要確定一個或多個目標小區，目標小區所屬eNodeB產生用於執行切換的訊息。源eNodeB把從目標eNodeB接收到的切換訊息透傳給UE。適當的時候，源eNodeB可以轉發DRB初始化數據。
在接收到切換訊息之後，UE在RACH信道上嘗試在第一個可用在隨機接入時刻接入目標小區。目標小區為隨機接入分配專用的Preamble，E-UTRA確保這個Preamble是UE在首個隨機接入時刻可用。在成功完成切換後，UE傳送訊息確認切換。
如果目標eNodeB不支持源eNodeB給UE的配置的RRC協定版本，目標eNodeB將無法識別源eNodeB給UE提供的配置。在這種情況下，在切換和重建立時，目標eNodeB應使用全配置選項對UE進行重配。
在切換成功後，PDCPSDU可能需要在目標小區中進行重傳。這僅適用於使用RLC-AM模式的DRB和沒有使用全配置操作的切換。在沒有使用全配置選項的切換成功後，除使用RLC-AM模式的DRB外，SN和HFN將被重置。對包含全配置操作的重配，不管在任何RLC模式下，對於所有的DRBs，PDCP實體都被重新建立。
協定中只規定了UE在切換時的行為，對於網路內使用的切換過程，無論切換是否包括X2或S1信令過程都沒有規定。
源eNodeB會維護上下文一段時間，以便UE在切換失敗後能夠回到源小區。在檢測到切換失敗後，UE應嘗試在源小區或目標小區中使用RRC重建立過程恢復RRC連線。
正常的測量和移動流程也可以套用於切換到廣播CSG（ClosedSubscriberGroup，閉合用戶組）標識的小區的場景，E-UTRAN可配置UE來報告其進入或離開UECSG白名單中的相鄰小區。此外，E-UTRAN可請求UE提供切換候選小區廣播的額外信息，如小區全球標識、CSG標識、CSG成員狀態等。
測量
UE按照E-UTRAN提供的測量配置上報測量信息。E-UTRAN通過專用信令，向處於RRC_CONNECTED狀態的UE提供可用的測量配置，通過RRC連線重配置訊息傳送給UE，如圖4-122所示。
UE可以被要求執行以下類型的測量。
（1）同頻測量：在服務小區的下行承載頻率上的測量。
（2）異頻測量：在與服務小區不同的下行承載頻率上的測量。
（3）不同RAT的測量：
a．在UTRA頻率上的測量。
b．在GERAN頻率上的測量。
c．在CDMA2000HRPD或CDMA20001xRTT頻率上的測量。
測量配置包含如下的參數。
（1）測量對象：UE測量的對象主要包括以下幾種。
a．對於同頻和異頻的測量，測量對象是一個單一的E-UTRA承載頻率。在該承載頻率上，E-UTRAN可以配置一個特定的小區偏置的列表和黑名單小區列表。在事件評估和測量上報中將不考慮黑名單的小區。
b．對於不同RAT間的在UTRA頻率上的測量，測量對象是在單一UTRA承載頻率上的小區集。
c．對於不同RAT間在GERAN頻率上的測量，測量對象是GERAN承載頻率集。
d）對於不同RAT間的在CDMA2000頻率上的測量，測量對象是在單一（HRPD或1xRTT）承載頻率上小區集。
（2）報告配置：一個報告配置列表，每個報告配置包括以下內容。
a．報告標準：該標準觸發UE傳送一條測量報告。這可以是周期性的或者單一事件的描述。
b．報告格式：在測量報告中UE包含的測量量以及相關的信息（如報告小區的數量）。
（3）測量標識：測試ID的列表，每個測量ID將一個測試對象與一個報告配置對應。通過配置多個測量標識，能夠使得多個測量對象對應同一報告配置，同時也使得多個報告配置對應同一測量對象。在測量報告中測量標識是用作索引號。
（4）測量量配置：測量量配置針對每一種RAT類型進行配置，測量量配置決定了測量的數量，以及用於該測量類型的所有評估和相關報告的過濾器。每一個過濾器配置一個測量量。
（5）測量間隔：UE進行測量的周期，UE可以在這個周期內執行測量，此時不進行上下行傳輸的調度。
針對上述測量參數，UE的測量配置包含以下對象，分別表征上述參數。
–measObject：表征當前配置中的測量對象。
–measObjectList：測量對象列表，用於保存當前配置中的一系列測量對象。
–measId：表征當前配置中的測量標識。
–measIdList：測量標識列表，用於保存當前配置中的一系列測量標識。
–reportConfig：表征當前配置中報告配置。
–reportConfigList：報告配置列表，用於保存當前配置中的一系列報告配置。
–quantityConfig：測量量配置，用於保存當前的測量量配置。
–measGapConfig：測量間隔配置，用於保存當前的測量間隔配置。
對於一個給定的頻率，E-UTRAN僅僅配置一個單一的測量對象，即不可能為具有不同相關參數（如不同的偏置或黑名單）的同一頻率配置兩個或多個測量對象。E-UTRAN可以為同一事件配置多個實例，例如通過配置兩個具有不同門限的報告配置。
UE只維護一個測量對象列表，一個報告配置列表和一個測量標識列表。測量對象列表包含按照每種RAT類型規定的測量對象，可能包含同頻對象（一個，對應於服務頻率）、頻間對象（可能多個）以及異RAT對象（可能多個）。上報的配置列表包含E-UTRA和異RAT報告配置。任何的測量對象可以連結到相同RAT類型的任意報告配置。一些報告配置可能不會連結到測量對象，同樣的一些測量對象也可能不會連結到報告配置。
測量過程針對下列小區類型進行。
（1）服務小區：當前的服務小區。
（2）列表小區：在測量對象中測量小區列表中的小區。
（3）檢測小區：不在測量對象的測量小區列表中，但在測量對象指定的頻率上被UE檢測到的小區。
對於E-UTRA內的測量，UE對服務小區、列表小區以及檢測小區進行測量並上報。對於在UTRA頻率上的RAT間測量，UE對列表小區和E-UTRA允許的其他測量的小區進行測量和上報。對於在GERAN頻率上RAT間測量，UE對檢測小區進行測量和上報。對於在CDMA2000頻率上的RAT間測量，UE對列表小區進行測量和上報。
