移動網絡架構與數據傳輸

1.LTE網絡架構

不同的網絡類型有不同的網絡架構，包含有不同的網絡模塊和組件。目前來說，LTE是運營商布設網絡的首選，而且其架構更加簡潔，組件更少、依賴更少，性能也更好。本文就以LTE為例介紹其網絡架構。

無線接入網絡

無線接入網絡（RAN）在任何類型的網絡中都是非常關鍵的邏輯組件。它主要負責把請求轉發到分配好的無線信道，從用戶設備接收或者向設備發送數據。RAN是一個無線資源控制器控制和管理的組件，在LTE中每個無線基站(eNodeB)都安裝有RRC，負責維護RRC狀態機並為小區內每個用戶分配資源。

當設備處在網絡中時，如果還能接收到其他鄰居小區的信號，它會選擇信號強度最大的進入連接；當前小區超載時，也會被轉移到鄰居小區進行數據傳輸。移動終端設備無線電移交比較頻繁，需要不斷的進行小區轉移協商，空閑狀態下也不例外，網絡需要時刻知道設備所在小區，以備將來數據傳輸。

核心網絡

核心網絡（EPC），在LTE中負責數據路由、賬戶、策略管理，是無線網絡和公共互聯網連接起來的關鍵部分。

• PGW：在EPC系統中引入的PGW（Packet GateWay，分組網關）網元實體，其英文全稱為PDN Gateway，它類似於GGSN網元的功能，為EPC網絡的邊界網關，提供用戶的會話管理和承載控制、數據轉發、IP地址分配以及非3GPP用戶接入等功能。還負責執行所有公共策略，比如分組過濾、QoS分配、DoS保護等。
• PCRF：PCRF（Policy and Charging Rules Function策略與計費規則功能單元）是業務數據流和IP承載資源的策略與計費控制策略決策點，它為PCEF（策略與計費執行功能單元）選擇及提供可用的策略和計費控制決策。實現業務數據流檢測、門限控制、QoS控制以及基於流的計費（信用管理除外）。
• SGW：SGW（Serving GateWay，服務網關）網元的功能相對簡單，它只需要在MME的控制下進行數據包的路由和轉發，即將接收到的用戶數據轉發給指定的PGW網元，又因為接收和發送均為GTP協議數據包，從而也不需要對數據包進行格式轉化，簡單來講SGW就是GTP協議數據包的雙向傳輸通道。
• MME：MME（Mobility Management Entity，移動管理實體）是3GPP協議LTE接入網絡的關鍵控制節點，它負責空閑模式的UE(User Equipment)的定位，傳呼過程，包括中繼，簡單的說MME是負責信令處理部分。MME實際上就是一個用戶數據庫，管理網絡上所有用戶的狀態：他們在網絡中的位置、賬戶類型、賬單狀態、啟用服務，以及所有用戶元數據。只要用戶在網絡中的位置發生了變化，位置更新信息就會發送端到MME，當用戶打開了自己的手機時，MME也要負責確認身份。

用戶接入網絡進行數據傳輸，大致要經過以下流程：

1. 數據到達與外部網絡相連的PGW；
2. 為分組網絡應用一套路由和分組策略；
3. 將數據從公共網關路由到一或多個SGW，這些SGW是無線網絡中設備的移動錨點；
4. 訪問MME，通過用戶數據庫對網絡中的每個用戶進行身份認證、賬單結算、服務提供及位置跟蹤；
5. 確定了無線網絡中用戶的位置后，用戶數據就會從服務網關路由到相應的無線信號塔；
6. 無線信號塔進行必要的資源分配並與目標設備協商（RRC），然后通過無線接口發送數據。

2.數據傳輸流程

在移動應用開發中，經常遇到的問題就是延遲時間的不確定性。上面已經介紹了移動網絡的架構，那么下面將介紹一下數據傳輸流程，從而探究延遲時間的制約環節。

數據流發送

假設用戶已經通過鑒權，可以進行數據傳輸，現處於空閑狀態，那么當用戶想訪問一個網站，輸入URL后，會經過哪些流程呢？示意圖如下：

1. 手機處於RRC空閑狀態，無線電模塊與附近信號塔同步，然后發送請求以建立無線通信環境；
2. 無線通信環境建立后，設備從信號塔獲得相應資源，從而以特定的速度和功率傳輸數據到信號塔；
3. 數據從信號塔傳輸到核心網絡，分組從SGW傳輸到PGW；
4. 分組從PGW傳輸到外部網絡。

如果設備處在DRX狀態，設備以及釋放網絡資源，應用層連接可能還保持着活動。那么在此發送數據時，會經歷哪些流程呢？

大致過程與前面由空閑狀態發送數據是一樣的，只不過因為設備處在休眠狀態，設備與無線信號塔的協商速度要稍微快一些，即從休眠到連接不超過50ms。

這個過程中的網絡延時大致如下：

• 控制面延時：由RRC協商和狀態切換導致的固定的、一次性的延時，從空閑到活動少於100ms，從休眠到活動少於50ms；
• 用戶面延時：應用的每個數據分組從設備到無線電信號塔之間都要花固定的時間，少於5ms；
• 核心網絡延時：分組從無線電信號塔傳輸到SGW的時間，視具體情況而異，一般為30-100ms；
• 互聯網路由延時：從PGW到外部互聯網上目標地址所需要的時間，不可預測，是可變的。可以通過把服務器放到離用戶較近的地方來縮短。

注：網絡延時和抖動：移動網絡中的分組延遲搖擺不定，是不可預測的。

入站數據流

當用戶處於空閑狀態，一個數據分組從PGW發送到用戶，需要經歷哪些流程呢？流程大致如下圖所示：

1. 數據分組從PGW發送到SGW，SGW會查詢MME以獲取用戶設備位置等狀態信息；
2. MME並不一定會知道為當前用戶服務的信號的塔的位置。MME會保存用戶所在的小區信息，但如果設備在同一小區內移動，並不會觸發MME更新。如果設備處於空閑狀態，MME會向當前跟蹤小區內的所有信號塔發送一條尋呼信息；
3. 信號塔接收到尋呼信息后，通過共享的無線信道廣播一條通知，告知目標設備建立無線通信環境，以便接受數據；
4. 設備周期性的喚醒以監聽尋呼信息，如果在尋呼列表中發現自己，向無線信號塔發送協商請求，請求重建無線通信環境；
5. 無線通信環境重建后，負責協商的信號塔向MME回發一條信息，表明其在為目標設備服務；
6. MME向SGW返回一個應答，告知其應該把分組路由到哪個信號塔；
7. 信號塔把數據轉發給設備。

當設備處在連接狀態時，無線信號塔與服務網關會建立一個直連信道。從而讓后續的數據傳輸跳過2-5步，直接發送給信號塔。第一次分組的延時比較長。

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