LTE 基础知识

LTE相关基础知识

LTE架构

第一层物理层(PHY),在时间和频率域使用无线电资源进行通信。
第二层由介质访问控制(MAC)、无线链路控制(RLC)、分组数据收敛协议(PDCP)三层组成。它们支持上行和下行调度、分组分割、加密和完整性保护等功能。
RRC是一个第三层协议，负责创建和维护无线电连接、广播系统信息、发送分页通知、配置和报告无线电测量以及隧道化NAS消息。
NAS是终端与CN之间的控制平面协议;它负责设置安全性，处理移动性和会话管理。

UE代表手机;
RAN为终端提供无线通信服务;
CN(EPC)(包括其他功能)在终端和Internet之间路由数据。

RAN由无线基站组成，在5G中称为gNB，在4G中称为eNB。gNB所使用的无线电接入技术被称为新无线电(NR)， eNB所使用的无线电接入技术被称为进化通用地面无线电接入(E-UTRA)。

CN由几个网络功能组成，其中5G的接入和移动性管理功能(AMF)和4G的移动性管理实体(MME)如图所示。UE到RAN/CN的方向称为上行，另一个方向称为下行。

4G和5G的流量有两种类型:

一种称为控制平面的类型负责建立和维护连接，并建立安全性;
用户平面: 承载实际数据，如语音通话和互联网数据。每种类型都由几个协议组成。

控制平面上使用的协议栈的空中接口,包括无线电资源控制协议(RRC)和不可访问层协议(NAS)，

RRC(Radio Resource Control)

无线资源控制

RRC是一个第三层协议，负责创建和维护无线电连接、广播系统信息、发送分页通知、配置和报告无线电测量以及隧道化NAS消息。

在NG-RAN中，RRC在UE和gNB之间的控制平面消息中进行操作。它携带了与RAN控制平面程序相关的信息

RRC层还为终端和核心网接入移动性管理功能(Access and Mobility Management Function, AMF)之间发送的NAS消息提供服务。

RRC中的消息依赖于PDCP,在必要时提供一个具有加密和完整性保护的通道。

RRC负责广播系统信息或获取系统信息以便在小区内进行通信，用于在RRC_IDLE状态下发送寻呼消息、连接管理、移动性管理等。

RRC三种状态转换

5G NR中引入了额外的状态RRC_INACTIVE

RRC_IDLE: 网络不包含终端RRC连接信息的状态。因此，设备不能发送或接收数据。设备定期醒来，接收来自网络的寻呼消息，将状态更改为RRC_CONNECTED。小区和网络之间的移动性可以通过小区重新选择过程实现
RRC_INACTIVE: 无法发送或接收数据。在UE和gNB中都维护RRC上下文。UE可以类似于RRC_IDLE模式休眠，以节省电池电量。减少到RRC_CONNECTED模式的转换时间,用于数据传输，因为已经在核心网络建立了上下文。通过小区重选程序的移动性
RRC_CONNECTED: 在UE和gNB之间建立RRC上下文，用于在网络上传输数据。通过小区无线网络临时标识符(C-RNTI)用于信令的网络识别设备。由RAN管理的移动性，在需要时进行切换

新的状态RRC_INACTIVE有助于减少发送用户数据之前的状态转换所涉及的信令量。

RRC_INACTIVE充当了一个中介状态，用于在RRC上下文已经建立时直接转换。在RRC_INACTIVE状态下，设备会像RRC_IDLE一样休眠。

RRC层负责控制平面过程中的大量消息，对于任何RRC层的实现来说，健壮地抵御恶意攻击并向上层提供可靠的服务都是非常重要的。

RRC组成

RC消息是使用平台无关的ASN.1定义的，可以看作图2中的树。每个RRC消息由结构化的(SEQUENCE, SEQUENCE OF, CHOICE) 和原语(BOOLEAN,INTEGER, ENUMERATED,BIT STRING,OCTET STRING) 数据类型, 每个结构化数据类型可以进一步由结构化数据类型和基本数据类型组成. 在传输过程中，RRC消息使用Unaligned Packed Encoding Rules (UPER)[36]进行编码，该规则将数据结构转换为紧凑的字节序列。

[36] ITU. Recommendation ITU-T X.691 International Standard 8825-2: Information technology – ASN.1 encoding rules: Specification of Packed Encoding Rules (PER), Aug 2015. Available at https://www.itu.int/rec/T-REC-X.680-X.693-201508-I/en.

RRC 消息

RRC层利用底层的服务实现RRC消息的可靠、安全的传递。上行通道为ULCCCH、UL-DCCH，下行通道为DL-CCCH、DL-DCCH、BCCH、PCCH。

CCCH、PCCH和BCCH通道中的消息通过RLC中的透明模式™以明文形式发送，用于初始AS激活和随机访问过程。因此这些消息不使用PDCP层的服务进行加密和完整性保护。RLC仍然提供检测到错误的重传和RRC有效负载的无重复交付。在上行链路中，RRC报文只通过UL-CCCH和UL-DCCH发送。

5G NR

5G New Radio

Fuzzing Radio Resource Control messages in 5G and LTE systems

5G系统提出新的无线电标准, 5G New Radio; 新标准应该支持为将来使用而确定的需求，如更高的数据速度、更低的延迟、移动性和可靠性。5G NR是在RAN和UE之间使用经过许可的电磁频谱传输数据的接入机制。5G系统中的NG-RAN可以由多个下一代节点基站(gNB)或单个gNB组成。NG-RAN将为LTE、3G等传统无线接入技术提供支持。RAN为终端提供了与核心网络和数据网络交互的接口。5G NR由处理控制平面的网络协议栈和处理用户平面消息的网络协议栈组成，分别如下所示

UE和NG-RAN之间的接口叫做Uu，它同时承载着控制平面和用户平面的流量。