LTE 네트워크 구조

목 차
I. 들어가는 글
II. LTE 네트워크 참조 모델
III. LTE 프로토콜 스택
IV. LTE 네트워크 상의 트래픽 흐름
V. 마치는 글

LTE 분야 첫 문서로 LTE 네트워크 구조를 소개한다. 먼저 LTE 네트워크 참조 모델을 정의하고 LTE 네트워크를 구성하는 기본적인 Evolved Packet System(EPS) 엔터티들과 각 엔터티 기능을 기술한다. 이어서 엔터티 갂 인터페이스와 각 인터페이스에서의 프로토콜 스택을 기술하고, 마지막으로 LTE 네트워크 상에서 사용자 트래픽이 어떻게 젂달되는지 인터넷 트래픽을 예로들어 설명한다.

2010년 9월 10일
NMC Consulting Group (tech@netmanias.com)

약어표
AS Access Stratum
BSS Business Support System
CDR Charging Data Record
DRB Data Radio Bearer
E2E End to End
ECM EPS Connection Management
EMM EPS Mobility Management
eNB Evolved Node B
EPC Evolved Packet Core
EPS Evolved Packet System
ESM EPS Session Management
E-UTRA Evolved Universal Terrestrial Radio Access
E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network
GTP GPRS Tunneling Protocol
GTP-C GTP Control
GTP-U GTP User
HSS Home Subscriber Server
IP Internet Protocol
LTE Long Term Evolution
MAC Medium Access Control
MME Mobility Management Entity
NAS Non Access Stratum
NRM Network Reference Model
OCS Online Charging System
OFCS Offline Charging System
OSS Operations Support System
PCC Policy and Charging Control
PCEF Policy and Charging Enforcement Function
PCRF Policy and Charging Rule Function
PDCP Packet Data Convergence Protocol
PDN Packet Data Network
QoS Quality of Service
RLC Radio Link Control
RRC Radio Resource Control
RRM Radio Resource Management
S1-AP S1 Application Protocol
SCTP Stream Control Transmission Protocol
SDF Service Data Flow
SN Sequence Number
SPR Subscriber Profile Repository
TEID Tunnel Endpoint Identifier
UE User Equipment
UDP User Datagram Protocol
X2-AP X2 Application Protocol

I. 들어가는 글
본 문서는 LTE 분야 첫 번째 기술문서로 LTE 네트워크 구조를 기술한다. LTE 네트워크는 무선 접속망(E-UTRAN) 관련 기술을 다루는 LTE 부분과 Core 망 관련 기술을 다루는 EPC 부분으로 나누어지고 LTE와 EPC를 통합하여 EPS라 일컫는다. LTE 네트워크는 E2E all-IP 네트워크이므로 사용자 단말이 기지국에 접속하는 무선링크로부터 서비스 엔터티로 연결해주는 PDN까지의 트래픽 흐름은 모두 IP 기반으로 동작한다.

LTE 네트워크 상에서 LTE 서비스가 사용자에게 제공되기 위해서는 EPS 계위 외에 가입자 및 서비스 관리를 위한 BSS/OSS 계위와 서비스 제공을 위한 어플리케이션 계위와 IP 패킷 전송을 위한 IP 전달망 계위가 추가되어 E2E LTE 네트워크 참조 모델(NRM)이 구성되어야 한다. 본 문서는 범위를 EPS 계위를 중심으로 한다. EPC 계위에서도 3GPP/non-3GPP 네트워크와의 연동이나 로밍을 위한 구조는 본 문서 범위 밖으로 추후 다른 기술문서에서 기술한다.

본 문서는 II 장에서 LTE 네트워크 참조 모델을 기술하고 EPS 엔터티들과 인터페이스를 설명한다. III 장에서는 프로토콜 스택을 기술하고 이어서 VI 장에서 LTE 네트워크 상의 트래픽 흐름을 설명한다.

II. LTE 네트워크 참조 모델
그림 1은 LTE 네트워크 참조 모델을 나타낸다. LTE 네트워크 참조 모델은 LTE 엔터티들과 EPC 엔터티들로 구성된다. 그림 1에서 LTE 엔터티는 UE와 eNB이고 EPC 엔터티로는 S-GW, P-GW, MME, HSS, PCRF, SPR, OCS 및 OFCS가 해당한다. PDN은 사업자 외부 또는 내부 IP 망으로 인터넷이나 IMS와 같은 서비스 기능을 제공한다. 아래에서 표 2는 LTE 엔터티들의 기능을 표 3은 EPC 엔터티들의 기능을 나타낸다. 표 4는 LTE 네트워크 참조 모델의 참조점을 나타낸 것으로 엔터티 갂 인터페이스를 설명한다.

그림 1. LTE 네트워크 참조 모델

표 1. LTE 엔터티
UE LTE-Uu 무선 인터페이스를 통하여 eNB와 접속한다.
eNB 사용자에게 무선 인터페이스를 제공한다. 무선 베어러 제어, 무선 수락 제어, 동적 무선 자원 할당, load balancing 및 셀 갂 갂섭제어(ICIC)와 같은 무선 자원 관리(RRM) 기능을 제공한다.

표 2. EPC 엔터티
MME E-UTRAN 제어 평면 엔터티로, 사용자 인증과 사용자 프로파일 다운로드를 위하여 HSS와 통신하고, NAS 시그널링을 통해 UE에게 EPS 이동성 관리(EMM) 및 EPS Session 관리(ESM) 기능을 제공한다(EMM 및 ESM 기능은 다른 문서에서 다룬다). 주요 기능은 다음과 같다.
. NAS 시그널링(EMM, ESM, 보안)
. HSS와 S6a 인터페이스를 통해 사용자 인증 및 로밍 기능 제공
. ECM 및 EMM 상태 관리
. EPS 베어러 관리
S-GW E-UTRAN과 EPC의 종단점이 된다. eNB 갂 핸드오버 및 3GPP 시스템 갂 핸드오버시 anchoring point가 된다.
P-GW UE를 외부 PDN 망과 연결해주며 패킷 filtering을 제공한다. UE에게 IP 주소를 할당하고 3GPP와 non-3GPP 갂 핸드오버시 mobility anchoring point로 동작한다. PCRF로부터 PCC 규칙을 수신하여 적용하며(Policy Enforcement) UE 당 과금 기능을 제공한다. 주요 기능은 다음과 같다.
. IP 라우팅 및 forwarding
. Per-SDF / Per-User 기반 패킷 filtering
. UE IP 주소 할당
. 3GPP와 non-3GPP 갂 Mobility anchoring
. PCEF 기능
. UE 당 과금
HSS 사용자 프로파일을 갖는 중앙 DB로 MME에게 사용자 인증 정보와 사용자 프로파일을 제공한다.
PCRF 정책 및 과금 제어 엔터티로 정책 제어 결정과 과금 제어 기능을 제공한다. PCRF에서 생성된 PCC 규칙은 P-GW로 젂달된다.
SPR PCRF에게 가입자 및 가입관련 정보를 제공한다. PCRF는 이를 수신하여 가입자 기반 정책을 수행하고 과금 규칙을 생성한다.
OCS 실시간 credit 제어를 제공하고 volume, time, event 기반 과금 기능을 제공한다(상세내용은 과금 기술문서 참조).
OFCS CDR 기반 과금 정보를 제공한다(상세내용은 과금 기술문서 참조).

표 3. LTE 인터페이스
LTE-Uu E-UTRA (제어평면, 사용자 평면) UE와 eNB 간 무선 인터페이스로 제어평면 및 사용자 평면을 정의한다.
X2 X2-AP (제어 평면) GTP-U (사용자 평면) 두 eNB 간 인터페이스로 제어 평면 및 사용자 평면을 정의한다. 제어 평면에서는 X2-AP 프로토콜이 사용되며, 사용자 평면에서는 X2 핸드오버시 데이터 forwarding을 위해 베어러 당 GTP 터널링을 제공한다.
S1-U GTP-U eNB 와 S-GW 간 인터페이스로 사용자 평면을 정의한다. 베어러 당 GTP 터널링을 제공한다.
S1-MME S1-AP eNB와 MME 간 인터페이스로 제어 평면을 정의한다.
S11 GTP-C MME와 S-GW 갂 인터페이스로 제어 평면을 정의한다. 베어러 당 GTP 터널링을 제공한다.
S5 GTP-C (제어 평면) GTP-U (사용자 평면) S-GW와 P-GW 간 인터페이스로 제어 평면 및 사용자 평면을 정의한다. 사용자 평면에서 베어러당 GTP 터널링을 제공하고 제어평면에서 GTP 터널 관리를 제공한다. Inter-PLMN 경우에는 S8 인터페이스가 사용된다. S8 인터페이스는 본 문서 범위 밖으로 인터워킹 문서에서 다룬다.
S6a Diameter HSS와 MME 간 인터페이스로 제어 평면을 정의한다. UE 가입 정보 및 인증 정보를 교환한다.
Sp Diameter SPR과 PCRF 간 인터페이스로 제어 평면을 정의한다.
Gx Diameter PCRF와 P-GW 간 인터페이스로 제어 평면을 정의한다. QoS 정책 및 과금 제어를 위한 인터페이스로 정책 제어 규칙 및 과금 규칙을 젂달한다.
Gy GTP’ OCS와 P-GW 간 인터페이스로 제어 평면을 정의한다.
Gz Diameter OFCS와 P-GW 간 인터페이스로 제어 평면을 정의한다.
SGi IP P-GW와 PDN 간 인터페이스로 사용자 평면과 제어 평면을 정의한다. 사용자 평면에서는 IETF 기반 IP 패킷 forwarding 프로토콜이 사용되고 제어 평면에서는 DHCP와 RADIUS/ Diameter와 같은 프로토콜이 사용된다.

III. LTE 프로토콜 스택
II 장에서 정의한 EPS 엔터티와 인터페이스를 기반으로 III 장에서는 사용자 평면과 제어 평면에서 LTE 프로토콜 스택을 기술한다.

3.1 사용자 평면 프로토콜 스택
그림 2는 LTE 네트워크 참조 모델에 대해 사용자 평면의 프로토콜 스택을 나타낸다. 인터페이스 별로 주요 계층 기능을 갂단히 기술한다.

1) LTE-Uu 인터페이스
. PDCP: IP 패킷이 무선링크를 통하여 효율적으로 전송될 수 있도록 한다. 헤더 압축, AS 보안(ciphering 및 integrity protection)을 수행하고 핸드오버 동안 패킷 re-ordering 및 재전송을 처리한다.
. RLC: PDCP에서 수싞한 패킷을 무선링크를 통해 전송하기 위하여 분할하고 무선링크를 통해 수싞한 패킷을 PDCP로 전송하기 위하여 재결합한다. 패킷 re-ordering 및 재전송을 처리한다.
. MAC: 무선 자원을 UE들에게 동적으로 할당하고, 각 무선 베어러 별로 협상된 QoS를 보장받을 수 있도록 QoS 제어 기능을 수행한다. 물리 계층으로 전송하기 위하여 무선 베어러들을 다중화한다.

2) S1-U 인터페이스/S5 인터페이스/X2 인터페이스
. GTP-U: S1-U, S5 및 X2 인터페이스 상에서 사용자 IP 패킷을 전송하기 위하여 사용된다(GTP 프로토콜 상세내용은 본 문서 범위 밖으로 다른 기술문서에서 다룬다). GTP-U 터널이 핸드오버 forwarding 터널인 경우에는 end marker를 삽입할 수 있다.

그림 2. LTE 프로토콜 스택: 사용자 평면

3.2 제어 평면 프로토콜 스택
그림 3은 LTE 네트워크 참조 모델에 대해 제어 평면의 프로토콜 스택을 보여준다. 인터페이스 별로 주요 계층 기능을 갂단히 기술한다.

1) LTE-Uu 인터페이스
. NAS: 이동성 관리 기능과 베어러 제어 기능을 수행한다.
. RRC: E-UTRAN 무선 시그널링 연결에 대한 제어를 수행한다.

2) X2 인터페이스
. X2-AP: E-UTRAN 내에서 UE mobility를 다루는 기능으로 사용자 데이터 forwarding, SN 상태 전달, UE context 해제 기능을 제공한다. eNB 갂에 자원 상태 정보, 트래픽 로드 정보 및 eNB 구성 update 정보를 교환하고 mobility 파라미터 설정을 위해 협력한다.

3) S1-MME 인터페이스
. S1-AP: EPS 베어러 설정시 초기 UE context를 전달한다. 이 후 mobility, paging 및 UE context 해제 기능을 수행한다.

4) S11 인터페이스/ S5 인터페이스/ S10 인터페이스
. GTP-C: GTP 터널을 생성, 유지 및 삭제하기 위한 제어 정보를 교환한다. LTE 갂 핸드오버시에는 데이터 forwarding 터널을 생성한다.

5) S6a 인터페이스
. Diameter: 가입 및 가입자 인증을 위한 정보 교환을 지원한다.

6) Gx 인터페이스
. Diameter: PCRF로부터 PCEF(P-GW)로의 PCC 규칙 전달을 지원한다.

7) Gy 인터페이스
. Diameter: P-GW와 OCS 갂 실시갂 credit 제어 정보 교환을 지원한다.

8) Gz 인터페이스
. GTP’: P-GW로부터 OFCS로 CDR 전송을 지원한다.

그림 3. LTE 프로토콜 스택: 제어 평면

IV. LTE 네트워크 상의 트래픽 흐름
그림 4는 LTE 네트워크 참조 모델의 사용자 평면에서 인터넷 트래픽 흐름을 나타낸다. (a)는 UE로부터 인터넷으로의 트래픽 흐름을 (b)는 인터넷에서 UE로의 트래픽 흐름을 나타낸다. IP 패킷은 S1-U 및 S5 인터페이스 상에서 각각 GTP 터널을 통하여 전송된다. 이들 GTP 터널은 UE가 LTE 망에 초기 접속시 제어 시그널링을 통해 EPS 베어러 별로 설정된다.

하나의 S1-U 및 S5 인터페이스 상에는 여러 EPS 베어러가 설정되므로 이들을 구별하기 위하여 각 GTP 터널 설정시 상향 및 하향으로 터널 종단점 식별자(TEID)가 할당된다. S1-U 인터페이스에서 GTP 터널이 설정될 때는 상향으로 S-GW에 종단점을 갖는 TEID(그림 4(a) UL S1-TEID)가 할당되고 하향으로 eNB에 종단점을 갖는 TEID(그림 4(b) DL S1-TEID)가 할당된다. 마찬가지로 S5 인터페이스에서 GTP 터널이 설정될 때는 상향으로 P-GW에 종단점을 갖는 TEID(그림 4(a) UL S5-TEID)와 하향으로 S-GW에 종단점을 갖는 TEID(그림 4(b) DL S5-TEID)가 할당된다.

그림 4. LTE 네트워크 상의 트래픽 흐름

사용자 IP 패킷이 S1-U와 S5 인터페이스 상에서 GTP 터널을 통해 전송될 때 eNB, S-GW 및 P-GW는 GTP 패킷 헤더에 GTP 터널 생성시 할당 받은 TEID를 삽입하여 전송한다. S-GW는 상향에서 S1-GTP 터널을 종단하고 사용자 IP 패킷을 S5-GTP 터널로 전송하기 위하여 UL S1-TEID와 UL S5-TEID 갂 맵핑 정보를 갖고 있어야 한다. 마찬가지로 하향에서는 DL S5-TEID와 DL S1-TEID 갂 맵핑 정보를 갖고 있어야 한다. 그림 4에서 각 엔터티가 상향 및 하향 인터넷 트래픽 흐름을 처리하는 과정을 다음과 같다.

1) 상향 트래픽 흐름(UE에서 인터넷으로)
① UE는 발생한 IP 패킷을 LTE-Uu를 통하여 eNB로 전송한다.

② eNB는 S-GW IP 주소를 목적지 주소로 하고 eNB IP 주소를 소스 주소로 하고 UL S1-TEID를 TEID로 하여 S1 GTP 헤더를 구성한 후 수싞한 사용자 IP 패킷에 추가하여 S1 GTP 터널을 통하여 S-GW로 전송한다.

③ S-GW는 S1 GTP 터널을 통하여 사용자 IP 패킷을 수싞한 후 P-GW IP 주소를 목적지 주소로 하고 S-GW IP 주소를 소스 주소로 하고 UL S5-TEID를 TEID로 하여 S5 GTP 헤더를 구성한다. 이를 사용자 IP 패킷에 추가하여 S5 GTP 터널을 통하여 P-GW로 전송한다.

④ P-GW는 S5 GTP 헤더를 제거한 후 사용자 IP 패킷을 얻고 IP 라우팅을 통하여 인터넷으로 전송한다.

2) 하향 트래픽 흐름(인터넷에서 UE로)
① P-GW는 인터넷으로부터 UE로 향하는 IP 패킷을 수싞한다.

② P-GW는 S-GW IP 주소를 목적지 주소로 하고 P-GW IP 주소를 소스 주소로 하고 DL S5-TEID를 TEID로 하여 S5 GTP 헤더를 구성한 후 사용자 IP 패킷에 추가하여 S5 GTP 터널을 통하여 S-GW로 전송한다.

③ S-GW는 S5 GTP 터널을 통하여 IP 패킷을 수싞한 후 eNB IP 주소를 목적지 주소로 하고 S-GW IP 주소를 소스 주소로 하고 DL S1-TEID를 TEID로 하여 S1 GTP 헤더를 구성한다. 이를 IP 패킷에 추가하여 S1 GTP 터널을 통하여 eNB로 전송한다.

④ eNB는 S1 GTP 헤더를 제거한 후 IP 패킷을 얻고 무선링크 상의 베어러인 데이터 무선 베어러(DRB)를 통하여 UE에게 전송한다(데이터 무선 베어러는 EPS 베어러 기술문서 참조).

V. 마치는 글
LTE 기술 문서 게재를 시작하면서 첫 번째 문서로 LTE 네트워크 구조를 살펴보았다. 본 문서에서 다룬 LTE 네트워크 구조는 한 사업자 내의 LTE only 망을 대상으로 한 것으로 가장 기본적인 EPS 구성 요소들 만을 다루었다. EPS 구성 요소들에 대한 이해는 이후 진행될 LTE 기술 문서를 이해하는데 있어 기본이 된다. 다음 기술문서에서는 또 하나의 기본 문서로 LTE 네트워크 참조 모델 상에 적용되는 LTE Identification 및 Naming을 분석한다. 이 두 기본 기술 문서는 후속 LTE 기술문서들에 대한 이해를 높이는데 기본이 될 것이다. LTE 인터워킹 및 로밍 기능을 포함하는 좀 더 진화된 네트워크 구조는 LTE 인터워킹 및 로밍 기술문서에서 반영된다.
참고문헌
[1] 3GPP TS 36.300, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall Description”.
[2] 3GPP TS 23.401, “GPRS Enhancement for E-UTRAN Access”.
[3] NMC 컨설팅 내부 리포트, “E2E LTE Network Design”, August 2010.
[4] Magnus Olsson, et. al., SAE and the Evolved Packet Core . Driving the Mobile broadband Revolution, AP, 2009.
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LTE Network Architecture

Contents

I. Introduction
II. LTE Network Reference Model
III. LTE Protocol Stack
IV. Traffic Flow on LTE Network
V. Summary

This document provides a brief overview of the LTE network architecture as the first document of “LTE” area. First, the LTE network reference model is defined and its basic Evolved Packet System (EPS) entities and the functions of each entity are described. Next, the interfaces between the EPS entities and the protocol stack across the interfaces are described. Finally, how user traffic is delivered across the LTE network is explained for Internet service.

August 3, 2012
(Last updated: August 8, 2012)

www.netmanias.com

NMC Consulting Group (tech@netmanias.com)

Abbreviations
AS Access Stratum
BSS Business Support System
CDR Charging Data Record
DL Downlink
DRB Data Radio Bearer
E2E End to End
ECM EPS Connection Management
EMM EPS Mobility Management
eNB Evolved Node B
EPC Evolved Packet Core
EPS Evolved Packet System
ESM EPS Session Management
E-UTRA Evolved Universal Terrestrial Radio Access
E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network
GTP GPRS Tunneling Protocol
GTP-C GTP Control
GTP-U GTP User
HSS Home Subscriber Server
IP Internet Protocol
LTE Long Term Evolution
MAC Medium Access Control
MME Mobility Management Entity
NAS Non Access Stratum
NRM Network Reference Model
OCS Online Charging System
OFCS Offline Charging System
OSS Operations Support System
PCC Policy and Charging Control
PCEF Policy and Charging Enforcement Function
PCRF Policy and Charging Rule Function
PDCP Packet Data Convergence Protocol
PDN Packet Data Network
QoS Quality of Service
RLC Radio Link Control
RRC Radio Resource Control
RRM Radio Resource Management
S1-AP S1 Application Protocol
SCTP Stream Control Transmission Protocol
SDF Service Data Flow
SN Sequence Number
SPR Subscriber Profile Repository
TEID Tunnel Endpoint Identifier
UE User Equipment
UDP User Datagram Protocol
UL Uplink
X2-AP X2 Application Protocol
 
I. Introduction
This document presents the LTE network architecture as the first technical document of “LTE” area. The LTE network called EPS (Evolved Packet System) is an end-to-end (E2E) all IP network; EPS is divided into LTE part which deals with the technology related to a radio access network (E-UTRAN) and EPC part dealing with the technology related to a core network. E2E all IP network means that all traffic flows - from UE to PDN (including radio link from UE to eNB) and from PDN to service entity for UEs - are transferred based on IP protocol within EPS.

To provide LTE services to a user over LTE network, the E2E LTE network reference model (NRM) should be comprised of additional BSS/OSS plane for subscriber and service management and application plane for providing services in addition to basic EPS plane. The scope of this document is focused on the basic EPS plane. Among the EPS plane, the architectures for LTE interworking with 3GPP/non-3GPP and roaming are out of scope of this document, and would be described in other technical documents later.

The remainder of this document is organized as follows. The LTE network reference model in defined and the EPS entities and interfaces are explained in Section II. The protocol stacks are described in Section III, and then traffic flow over the LTE network is explained in Section IV.

II. LTE Network Reference Model
Figure 1 shows the LTE network reference model. The LTE network reference model is comprised of LTE entities and EPC entities. In Figure 1, UE and eNB belong to the LTE entities. S-GW, P-GW, MME, HSS, PCRF, SPR, OCS and OFCS belong to EPC entities (LTE standard defines eNB the only entity of E-UTRAN in the specification. However, in this document we classify UE as additional entity of E-UTRAN for the convenience of description). A PDN is internal or external IP domain of operator that the UE wants to communicate with, and provides the UE with services such as the Internet or IP Multimedia Subsystem (IMS). In the following, Table 1 and Table 2 show the function of LTE and EPC entities. Table 3 gives description of the reference points of the LTE network reference model, and interfaces between EPS entities.


Figure 1. LTE Network Reference Model

Table 1. LTE Entity
Entity Description
UE UE connects to eNB over the LTE-Uu interface.
eNB The eNB provides the radio interface with User and performs Radio Resource Management (RRM) functions such as dynamic resource allocation, eNB measurement & configuration, radio admission control, connection mobility control, Radio Bearer (RB) control and Inter-Cell Interference Coordination (ICIC).

Table 2. EPC Entity
Entity Description
MME The MME is the main control entity for the E-UTRAN. It communicates with HSS for user authentication and user profile download, and provides UE with EPS Mobility Management (EMM) and EPS Session Management (ESM) functions using NAS signaling. The main functions supported by the MME are as follows:
 NAS signaling (EMM, ESM, NAS Security)
 User authentication and roaming with HSS over the S6a interface
 Mobility management (Paging, Tracking Area List (TAI) management and handover management)
 EPS Bearer management
S-GW The S-GW terminates the interface to the E-UTRAN. It serves as the local mobility anchor point of the data connections for inter-eNB handover and inter-3GPP handover.
P-GW The P-GW provides access to PDNs by assigning an IP address to the UE. The IP address is assigned from the address apace of the PDN. It serves as the mobility anchor point for 3GPP and non-3GPP handover. The P-GW also performs policy enforcement, packet filtering and charging based on the PCC rules provided by the PCRF. The main functions supported by the P-GW are as follows:
 IP routing and forwarding
 Per-SDF/Per-User based packet filtering
 UE IP address allocation
 Mobility anchoring between 3GPP and non-3GPP
 PCEF function
 Charging per-SDF/per-User
HSS The HSS is the central DB holding user profile. It provides user authentication information and user profile to the MME.
PCRF The PCRF is the policy and charging control entity. It makes policy decision for a UE and provides the PCC rules (QoS and charging rules) to the PCEF (P-GW).
SPR The SPR provides subscription information (Access profile per subscriber) to the PCRF as the PCRF’s DB. Receiving the information, the PCRF performs subscriber-based policy and creates PCC rules.
OCS The OCS provides (i) real-time credit control and (ii) volume, time and event based charging functions.
OFCS The OFCS provides CDR-based charging information.


 

Table 3. LTE Interface
Interface Protocol Description
LTE-Uu E-UTRA Interface for the control and user planes between the UE and E-UTRAN (eNB). The signaling connection over the LTE-Uu is the RRC signaling connection represented by Signaling Radio Bearers (SRBs), and the user plane connection is the tunnel represented by Data Radio Bearers (DRBs).
X2 X2AP (Control Plane)
GTP-U (User Plane) Interface for the control and user planes between the eNBs. It is used during X2 handover and/or for Self Organizing Network (SON) related functions. X2-AP protocol is used in the control plane and GTP-U tunneling per bearer is provided for data forwarding in the use plane.
S1-U GTP-U Interface for the user plane between the E-UTRAN (eNB) and S-GW. It provides GTP tunneling per bearer.
S1-MME S1AP Interface for the control plane between the E-UTRAN (eNB) and MME.
S11 GTP-C Interface for the control plane between the MME and S-GW. It provides GTP tunneling per bearer.
S5 GTP-C (Control Plane)
GTP-U (User Plane) Interface for the control and user planes between the S-GW and P-GW. GTP tunneling per bearer is provided in the user plane and GTP tunnel management is provided in the control plane. The S8 interface is used in case of inter-PLMN. The S8 interface is out of scope of this document and will be described in LTE interworking document.
S6a Diameter Interface for the control plane between the HSS and MME. It exchanges user subscription and authentication information.
Sp Diameter Interface for the control plane between the SPR and PCRF.
Gx Diameter Interface for the control plane between the PCRF and P-GW. It transfers policy control and charging rules from the PCRF to the P-GW to support QoS policy and charging control.
Gy Diameter Interface for the control plane between the OCS and P-GW.
Gz GTP’ Interface for the control plane between the OFCS and P-GW.
SGi IP Interface between for the control and user planes between the P-GW and PDN. The IETF based IP packet forwarding protocols are used in the user plain and DHCP and RADIUS/Diameter protocols are used in the control plane.

 
III. LTE Protocol Stack
Based on the EPS entities and interfaces defined in Section II, the LTE protocol stacks for user plane and control plane are described in Section III.

3.1 Protocol Stack: User Plane
Figure 2 shows the user plane protocol stack for the LTE network reference model. The functions of the major layers of the protocol stacks are briefly described.

1) LTE-Uu Interface
 PDCP: PDCP protocol supports efficient transport of IP packet over radio link. The PDCP protocol performs header compression, Access Stratum (AS) security (ciphering and integrity protection) and packet re-ordering/retransmission during handover.
 RLC: In the transmitting side, RLC protocol constructs RLC PDU and provides the RLC PDU to MAC layer. The RLC protocol performs segmentation/concatenation of PDCP PDUs during construction of the RLC PDU. In the receiving side, the RLC protocol performs reassembly of the RLC PDUs to reconstruct the PDCP PDUs. The RLC protocol has 3 operational modes (transparent mode, acknowledged mode and unacknowledged mode), each offers different reliability levels. The RLC protocol also performs packet (the RLC PDU) re-ordering and retransmission.
 MAC: MAC layer resides between the RLC layer and PHY layer. The connection to the RLC layer is through logical channels and the connection to the PHY layer is through physical channels. Therefore, the MAC protocol supports multiplexing and de-multiplexing between logical channels and transport channels. Higher layers use different logical channels for different QoS metrics. The MAC support QoS by scheduling and prioritizing data from logical channels. eNB scheduler allocates radio resources dynamically to UEs and performs QoS control per radio bearer to be allocated the negotiated QoS.

2) S1-U/S5/X2 Interface
 GTP-U: GTP-U protocol is used to forward user IP packets over S1-U, S5 and X2 interfaces. When a GTP tunnel is established for data forwarding during LTE handover, an End Marker packet is transferred as the last packet over the GTP tunnel.


Figure 2. LTE Protocol Stack: User Plane

3.2 Protocol Stack: Control Plane
Figure 3 shows the control plane protocol stack for the LTE network reference model. The functions of the major layers of the protocol stacks are briefly described.

1) LTE-Uu Interface
 NAS: NAS protocol performs mobility management and bearer management functions.
 RRC: RRC protocol supports the transfer of the NAS signaling. It also performs functions required for efficient management of the radio resources. The main functions are as follows:
- Broadcasting of system information
- Setup, reconfiguration, reestablishment and release of the RRC connection
- Setup, modification and release of the radio bearer

2) X2 Interface
 X2AP: X2AP protocol supports UE mobility and SON functions within the E-UTRAN. To support UE mobility, the X2AP protocol provides user data forwarding, transfer of SN status and UE context release functions. For SON functions, eNBs exchange resource status information, traffic load information and eNB configuration update information, and coordinates each other to adjust mobility parameters using the X2AP protocol.

3) S1-MME Interface
 S1AP: S1AP protocol supports S1 interface management, E-RAB management, NAS signaling transport and UE context management functions. It delivers the initial UE context to the eNB to setup E-RAB(s) and manages modification or release of the UE context.

4) S11 / S5 / S10 Interface
 GTP-C: GTP-C protocol supports exchange of control information for creation, modification and termination for GTP tunnels. It creates data forwarding tunnels in case of LTE handover.

5) S6a Interface
 Diameter: Diameter protocol supports exchange of subscription and subscriber authentication information between the HSS and MME.

6) Gx Interface
 Diameter: Diameter protocol supports delivery of PCC rules from the PCRF to the PCEF (P-GW).

7) Gy Interface
 Diameter: Diameter protocol supports exchange of real-time credit control information between the P-GW and OCS.

8) Gz Interface
 GTP’: GTP’ protocol supports CDR transfer from the P-GW to the OFCS.


Figure 3. LTE Protocol Stack: Control Plane
IV. Traffic Flow on LTE Network
Figure 4 shows the flow of user plane traffic for accessing the Internet in the LTE network reference architecture. Figure 4 (a) shows traffic flow from UE to the Internet and Figure 4 (b) shows traffic flow from the Internet to UE. IP packets are forwarded through a GTP tunnel on S1-U and S5 interfaces. A GTP tunnel is established per EPS bearer when a user is attached to the LTE network.

Multiple EPS bearers are established on the S1-U and S5 interfaces, so a Tunnel Endpoint Identifier (TEID) is assigned on the end points (UL and DL) of GTP tunnels to identify each GTP tunnel (A GTP tunnel is identified in each entity with a TEID, IP address and a UDP port number. Here, for convenience of description, we consider only TEID to identify a GTP tunnel). The receiving end side of a GTP tunnel locally assigns the TEID value the transmitting side has to use. The TEID values are exchanged between tunnel endpoints using control plane protocols.

When a GTP tunnel is established on the S1-U interface, the S-GW assigns a TEID (UL S1-TEID in Figure 4(a)) for uplink traffic and the eNB assigns a TEID (DL S1-TEID in Figure 4(b)) for downlink traffic. The TEID values of the S1 GTP tunnel are exchanged between the eNB and the S-GW using S1AP and GTP-C messages. Likewise when a GTP tunnel is established on the S5 interface, the P-GW assigns a UL S5-TEID (in Figure 4(a)) and the S-GW assigns a DL S5-TEID (in Figure 4(b)). The TEID values of the S5 GTP tunnel are exchanged between the S-GW and the P-GW using GTP-C protocol.


Figure 4. Traffic flow on LTE network

 
When a user IP packet is delivered over a GTP tunnel on the S1-U and S5 interfaces, eNB, S-GW and P-GW forward the user IP packet by encapsulating with the TEID assigned by the receiving peer GTP entity. In uplink direction, the S-GW stores a one-to-one mapping between an S1 bearer (UL S1-TEID) and an S5 bearer (UL S5-TEID) to terminate the S1 GTP tunnel and forward the user IP packet into the S5 GTP tunnel. Likewise in downlink direction, the S-GW stores a one-to-one mapping between a S5 bearer (DL S5-TEID) and a S1 bearer (DL S1-TEID) to terminate the S5 GTP tunnel and forward the user IP packet into the S1 GTP tunnel. In figure 4, the procedure that each EPS entity forwards Internet traffic flow is as follows:

a) Traffic flow in uplink direction: from UE to the Internet

① A UE transfers user IP packets to the eNB over LTE-Uu interface.
② The eNB encapsulates the user IP packets with the S1 GTP tunnel header and forwards the resulting outer IP packets to the S-GW. The S1 GTP tunnel header has “TEID” value as the UL S1-TEID, “Destination IP Address” as the IP address of the S-GW, and “Source IP Address” as the IP address of the eNB.
③ After receiving the outer IP packets, the S-GW strips off the S1 GTP tunnel header, encapsulates the user IP packets (the inner IP packets) with the S5 GTP tunnel header and forwards the resulting outer IP packets to the P-GW. The S5 GTP tunnel header has “TEID” value as the UL S5-TEID, “Destination IP Address” as the IP address of the P-GW, and “Source IP Address” as the IP address of the S-GW.
④ After receiving the outer IP packets, the P-GW gets the user IP packets by stripping off the S5 GTP tunnel header and transfers them to the Internet through IP routing.

b) Traffic flow in downlink direction: from the Internet to UE

① The P-GW receives IP packets for a UE over the Internet.
② The P-GW encapsulates the user IP packets with the S5 GTP tunnel header and forwards the resulting outer IP packets to the S-GW. The S5 GTP tunnel header has “TEID” value as the DL S5-TEID, “Destination IP Address” as the IP address of the S-GW, and “Source IP Address” as the IP address of the P-GW.
③ After receiving the outer IP packets, the S-GW strips off the S5 GTP tunnel header, encapsulates the user IP packets (the inner IP packets) with the S1 GTP tunnel header and forwards the resulting outer IP packets to the eNB. The S1 GTP tunnel header has “TEID” value as the DL S1-TEID, “Destination IP Address” as the IP address of the eNB, and “Source IP Address” as the IP address of the S-GW.
④ After receiving the outer IP packets, the eNB gets the user IP packets by stripping off the S1 GTP tunnel header and transfers them to the UE through Data Radio Bearer (DRB) over the radio link .


V. Summary
The LTE network architecture has been presented as the first document of “LTE” technical document series. The LTE network architecture explained in this document has applied to a LTE only network of a single operator and treated the most basic components of a EPS system. Understanding of entities and interfaces of a EPS system becomes the basis for reading the next LTE technical documents. In the next document, as another basic document, we analyze LTE identification and naming applied to the LTE network reference model. These two basic documents would help better understanding of subsequent documents. More advanced LTE architecture including LTE interworking and roaming will be presented in another document later.

References
[1] 3GPP TS 36.300, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall Description”.
[2] 3GPP TS 23.401, “GPRS Enhancement for E-UTRAN Access”.
[3] NMC Consulting Group Report, “E2E LTE Network Design”, August 2010.
[4] Magnus Olsson, et. al., SAE and the Evolved Packet Core – Driving the Mobile broadband Revolution, AP, 2009.