相对于2G／3G网络，LTE最重要的改进在于采用扁平化网络架构和全新空中接口技术，来实现更低的系统延迟、更高的用户数据速率和更佳的用户体验。其中扁平化网络架构就是去掉了2G／3G网络中的BSC／RNC，演进为E-NodeB（E-UTRAN）和EPC两层网络结构，减少了网元数目和接口数目，有利于协议层次的最优化。在业务实现层面，LTE系统取消了CS域，采用全IP化技术，所有业务均在PS域实现。

LTE系统架构如图3-9所示，由演进型分组核心网（EPC）、演进型无线接入网（E-UTRAN）、用户设备（UE）三部分组成。演进型分组核心网（EPC）主要包括移动管理实体（MME）、服务网关（SGW）、公用数据网网关（PGW）、策略与计费规则功能单元（PCRF）、归属签约用户服务器（HSS）等网元；演进型无线接入网（E-UTRAN）只包含演进型基站（E-NodeB）一种网元；用户设备（UE）主要指终端设备。

图3-9 LTE系统架构示意图

1.4G数据业务涉及主要接口及协议栈

1）LTE-Uu接口。

UE与E-NodeB之间的接口称为LTE-Uu接口，即LTE空中接口，实现了UE和EU-TRAN的通信。Uu接口在协议上分为三层，根据用途分为用户面协议栈和控制面协议栈，如图3-10所示。

图3-10 LTE-Uu接口协议栈结构

第一层是物理层（PHY），为高层的数据提供无线资源，如调制编码、OFDM等，实现了数据的最终处理。

第二层是链路层（MAC／RLC／PDCP），实现对不同的层三数据进行区分标示，为高层数据的传送提供必要的处理和有效的服务，其中媒体接入控制层（MAC）负责无线资源的分配调度，如基于QoS的调度、信道的映射和复用；无线链路控制层（RLC）对高层数据进行大小适配，保证可靠传送；分组数据汇聚协议层（PDCP）对于控制面的RRC和NAS信令消息进行加密／解密和完整性校验，对于用户面则只进行加密／解密，为提高空口效率，还对用户的IP报文进行头压缩。

第三层是网络层（RRC信令及NAS数据），实现无线资源管理、移动性管理、业务会话管理等，其中无线资源控制层（RRC）主要负责无线管理功能，如切换、接入、NAS信令处理；非接入层（NAS）是UE和MME之间交互的信令，主要承载的是SAE控制信息、移动性管理信息和安全控制等，E-NodeB只负责对NAS信令的透明传输。

2）S1接口。

E-NodeB与EPC之间的接口称为S1接口，用于传送会话管理、移动性管理和用户数据等信息，即控制面和用户面信息。S1接口沿袭了承载和控制分离的思想，又分成两个接口，一个用于控制平面（S1-MME），一个用于用户平面（S1-U），其中S1-MME是连接E-NodeB与MME之间的接口，主要协议为S1-AP；S1-U是连接E-NodeB与SGW之间的接口，主要协议为GTP-U，协议架构如图3-11所示。

图3-11 S1接口协议栈结构

S1-AP是S1-MME接口的上层消息，主要用于处理S1接口控制平面的各种信令和控制，类似于3G网络中的无线网络层的控制部分，S1-AP主要完成承载业务管理、ACTIVE状态下的UE移动性、S1寻呼、NAS节点选择功能、初始上下文建立／释放功能，除此以外，S1-AP还负责NAS信令传送功能、S1接口管理功能、网络共享功能、漫游和区域限制等功能。

GTP-U是S1-U接口的上层消息，主要在SGW与eNodeB设备间建立隧道，传送用户数据业务和用户层面控制帧，即用户面数据。

3）X2接口。

E-NodeB与E-NodeB之间的接口称为X2接口，X2接口主要用于支持激活模式的手机移动，转发分组数据，也可以用于多小区的无线资源管理功能。X2接口也分为控制平面（X2-C）和用户平面（X2-U），X2-C接口主要协议为X2-AP，X2-U接口主要协议为GTP-U，协议架构如图3-12所示。(www.daowen.com)

图3-12 X2接口协议栈结构

与S1-MME接口相似，X2控制平面接口X2-C的协议结构底层也采用了SCTP over IP的机制，保证信令的可靠传输，SCTP上层是X2接口的专用信令部分X2-AP，X2-AP主要用来完成LTE-ACTIVE状态下UE的移动性管理、上行负载管理、干扰协调和通用的X2接口管理和错误处理功能。

X2接口采用了和S1接口相同的用户平面协议GTP-U，利用X2接口和S1接口用户平面数据的相似性，采用相同的协议结构，既利用了现有的成熟协议，也简化了基站的协议处理要求。X2接口用户平面主要实现源E-NodeB和目标E-NodeB之间的用户面隧道传输，即用户分组数据转发功能。

4）其他接口。

LTE系统中其他重要接口还有S5／S8、S6a、S10、S11等接口，具体功能及主要协议见表3-2。

表3-2 4G其他重要接口及协议

2.LTE数据业务协议栈

LTE系统架构由3G-PS域架构演化而来，各接口控制面和用户面已经完全分离，有利于简化LTE的业务实现，大大增强了设备资源利用率和可靠性。

1）数据业务控制面协议栈架构。

LTE数据业务控制面协议栈结构如图3-13所示，E-NodeB负责透传NAS控制消息，传输网络底层基于IP协议，高层采用S1-AP协议，无线网络底层基于MAC／RLC／PDCP协议，高层采用RRC协议，共同实现了用户附着／去附着、业务资源请求／寻呼、专用承载分配／建立／修改／释放、切换等一系列资源控制功能，为端到端业务数据传输奠定了基础。

图3-13 LTE数据业务控制面协议栈结构

2）数据业务用户面协议栈架构。

LTE数据业务用户面协议栈结构如图3-14所示，用户面底层协议主要完成数据包的封装／解封装、ARQ过程、数据的重排序／重复检测、协议错误检测／恢复、头压缩和数据加密等功能，为高层提供了可靠的数据传输服务，在高层实现了UE到PGW的IP传输隧道，最终实现用户到IP网络的互联互通。

图3-14 LTE数据业务用户面协议栈结构