移动网络架构与数据传输

1.LTE网络架构

不同的网络类型有不同的网络架构，包含有不同的网络模块和组件。目前来说，LTE是运营商布设网络的首选，而且其架构更加简洁，组件更少、依赖更少，性能也更好。本文就以LTE为例介绍其网络架构。

无线接入网络

无线接入网络（RAN）在任何类型的网络中都是非常关键的逻辑组件。它主要负责把请求转发到分配好的无线信道，从用户设备接收或者向设备发送数据。RAN是一个无线资源控制器控制和管理的组件，在LTE中每个无线基站(eNodeB)都安装有RRC，负责维护RRC状态机并为小区内每个用户分配资源。

当设备处在网络中时，如果还能接收到其他邻居小区的信号，它会选择信号强度最大的进入连接；当前小区超载时，也会被转移到邻居小区进行数据传输。移动终端设备无线电移交比较频繁，需要不断的进行小区转移协商，空闲状态下也不例外，网络需要时刻知道设备所在小区，以备将来数据传输。

核心网络

核心网络（EPC），在LTE中负责数据路由、账户、策略管理，是无线网络和公共互联网连接起来的关键部分。

• PGW：在EPC系统中引入的PGW（Packet GateWay，分组网关）网元实体，其英文全称为PDN Gateway，它类似于GGSN网元的功能，为EPC网络的边界网关，提供用户的会话管理和承载控制、数据转发、IP地址分配以及非3GPP用户接入等功能。还负责执行所有公共策略，比如分组过滤、QoS分配、DoS保护等。
• PCRF：PCRF（Policy and Charging Rules Function策略与计费规则功能单元）是业务数据流和IP承载资源的策略与计费控制策略决策点，它为PCEF（策略与计费执行功能单元）选择及提供可用的策略和计费控制决策。实现业务数据流检测、门限控制、QoS控制以及基于流的计费（信用管理除外）。
• SGW：SGW（Serving GateWay，服务网关）网元的功能相对简单，它只需要在MME的控制下进行数据包的路由和转发，即将接收到的用户数据转发给指定的PGW网元，又因为接收和发送均为GTP协议数据包，从而也不需要对数据包进行格式转化，简单来讲SGW就是GTP协议数据包的双向传输通道。
• MME：MME（Mobility Management Entity，移动管理实体）是3GPP协议LTE接入网络的关键控制节点，它负责空闲模式的UE(User Equipment)的定位，传呼过程，包括中继，简单的说MME是负责信令处理部分。MME实际上就是一个用户数据库，管理网络上所有用户的状态：他们在网络中的位置、账户类型、账单状态、启用服务，以及所有用户元数据。只要用户在网络中的位置发生了变化，位置更新信息就会发送端到MME，当用户打开了自己的手机时，MME也要负责确认身份。

用户接入网络进行数据传输，大致要经过以下流程：

1. 数据到达与外部网络相连的PGW；
2. 为分组网络应用一套路由和分组策略；
3. 将数据从公共网关路由到一或多个SGW，这些SGW是无线网络中设备的移动锚点；
4. 访问MME，通过用户数据库对网络中的每个用户进行身份认证、账单结算、服务提供及位置跟踪；
5. 确定了无线网络中用户的位置后，用户数据就会从服务网关路由到相应的无线信号塔；
6. 无线信号塔进行必要的资源分配并与目标设备协商（RRC），然后通过无线接口发送数据。

2.数据传输流程

在移动应用开发中，经常遇到的问题就是延迟时间的不确定性。上面已经介绍了移动网络的架构，那么下面将介绍一下数据传输流程，从而探究延迟时间的制约环节。

数据流发送

假设用户已经通过鉴权，可以进行数据传输，现处于空闲状态，那么当用户想访问一个网站，输入URL后，会经过哪些流程呢？示意图如下：

1. 手机处于RRC空闲状态，无线电模块与附近信号塔同步，然后发送请求以建立无线通信环境；
2. 无线通信环境建立后，设备从信号塔获得相应资源，从而以特定的速度和功率传输数据到信号塔；
3. 数据从信号塔传输到核心网络，分组从SGW传输到PGW；
4. 分组从PGW传输到外部网络。

如果设备处在DRX状态，设备以及释放网络资源，应用层连接可能还保持着活动。那么在此发送数据时，会经历哪些流程呢？

大致过程与前面由空闲状态发送数据是一样的，只不过因为设备处在休眠状态，设备与无线信号塔的协商速度要稍微快一些，即从休眠到连接不超过50ms。

这个过程中的网络延时大致如下：

• 控制面延时：由RRC协商和状态切换导致的固定的、一次性的延时，从空闲到活动少于100ms，从休眠到活动少于50ms；
• 用户面延时：应用的每个数据分组从设备到无线电信号塔之间都要花固定的时间，少于5ms；
• 核心网络延时：分组从无线电信号塔传输到SGW的时间，视具体情况而异，一般为30-100ms；
• 互联网路由延时：从PGW到外部互联网上目标地址所需要的时间，不可预测，是可变的。可以通过把服务器放到离用户较近的地方来缩短。

注：网络延时和抖动：移动网络中的分组延迟摇摆不定，是不可预测的。

入站数据流

当用户处于空闲状态，一个数据分组从PGW发送到用户，需要经历哪些流程呢？流程大致如下图所示：

1. 数据分组从PGW发送到SGW，SGW会查询MME以获取用户设备位置等状态信息；
2. MME并不一定会知道为当前用户服务的信号的塔的位置。MME会保存用户所在的小区信息，但如果设备在同一小区内移动，并不会触发MME更新。如果设备处于空闲状态，MME会向当前跟踪小区内的所有信号塔发送一条寻呼信息；
3. 信号塔接收到寻呼信息后，通过共享的无线信道广播一条通知，告知目标设备建立无线通信环境，以便接受数据；
4. 设备周期性的唤醒以监听寻呼信息，如果在寻呼列表中发现自己，向无线信号塔发送协商请求，请求重建无线通信环境；
5. 无线通信环境重建后，负责协商的信号塔向MME回发一条信息，表明其在为目标设备服务；
6. MME向SGW返回一个应答，告知其应该把分组路由到哪个信号塔；
7. 信号塔把数据转发给设备。

当设备处在连接状态时，无线信号塔与服务网关会建立一个直连信道。从而让后续的数据传输跳过2-5步，直接发送给信号塔。第一次分组的延时比较长。

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