一、LTE協議棧
從LTE的UE、eNB和EPC角度看，LTE協議棧如下圖：
NAS
非接入層（NAS）協議，UE和MME之間的控制面協議，eNB對NAS協議直接轉發。NAS協議支持UE的移動性和會話管理程序，建立和保持UE和PDN GW之間的IP連接。
RRC
無線資源控制子層的主要服務和功能包括廣播的系統信息相關的非接入層（NAS）的廣播系統信息，尋呼，RRC連接的建立，維護和釋放之間的接入層（AS）的相關UE和E-UTRAN，安全功能，包括密鑰管理，建立，配置，維護和釋放無線承載點對點。
廣播NAS層和AS層的系統消息，尋呼功能，RRC連接建立、保持和釋放，端到端無線承載的建立、修改和釋放，移動性管理包括UE測量報告、小區切換、UE小區選擇和重選等。RRC層協議終止於eNode B。
PDCP
LTE系統PDCP協議層的主要目的是發送或接收對等PDCP實體的分組數據。該子層主要完成以下幾方面的功能：IP包頭壓縮與解壓縮、數據與信令的加密，以及信令的完整性保護。下圖給出了PDCP層用戶平面與控制平面的主要功能模型。
在控制平面，加密和完整性保護是必選功能；而在用戶平面，可靠頭壓縮（ROHC）爲必選功能，數據加密爲可選功能，這裏的數據既可以是用戶數據，也可以是應用層信令，如SIP、RTCP等。
RLC
負責分段與連接、糾錯、重傳處理、及對高層數據的順序傳輸。
RLC提出了三種模式：透明模式（Transparent Mode，TM）、非確認模式（Unacknowledged Mode，UM）和確認模式（Acknowledged Mode，AM）。
- AM模式典型用於TCP的業務，如文件傳輸，這類業務主要關心數據的無措傳輸；
- UM模式用於高層提供數據的順序傳送，但是不重傳丟失的PDU，典型用於如Voip業務，這類業務最主要關心傳送時延；
- TM模式則僅僅用於特殊的目的，如隨機接入。
MAC
負責邏輯信道和傳輸信道之間的映射，對邏輯信道根據QoS來進行調度和分配優先級，處理HARQ重傳與上下行調度。
PHY
負責處理編譯碼、調製解調、多天線映射以及其它電信物理層功能。
二、三層兩面
協議棧橫向看分三層：物理層L1、數據鏈路層L2和網絡層L3。縱向看分兩面：用戶面和控制面。用戶面負責業務數據的傳送和處理，控制面負責協調和控制信令的傳送和處理。
- 在層一，不區分用戶面和控制面；
- 在層二，數據功能處理開始區分用戶面和控制面；
- 在層三，用戶面和控制面則由不同的功能實體完成。
1、三層
LTE接口協議的三層：物理層（層一，L1，PHY)、數據鏈路層（層二，L2，DLL）、網絡層（層三，L3，NL）。如下圖：
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1.1、L1層功能
L1層負責信道編碼、調製解調、天線映射等。不區分用戶面和控制面。
1.2、L2層功能
用戶面的主要功能是處理業務數據。在發送端，將承載高層業務應用的IP數據流，通過頭壓縮（PDCP）、加密（PDCP）、分段（RLC）、複用（MAC）、調度等過程變成物理層可處理的傳輸塊。在接受端，將物理層接收到的比特數據流，按調度要求，解複用（MAC）、級聯（RLC）、解密（PDCP）、解壓縮（PDCP），成爲高層應用可識別的數據流。整個過程如圖所示：
控制面層二功能模塊和用戶面一樣，也包括MAC、RLC、PDCP三個功能模塊。MAC、RLC功能與用戶面一致，PDCP與用戶面略有區別，除了對控制信令進行加解密外，還要對控制信令數據進行完整性保護和完整性驗證。
1.3、L3層功能
用戶面層三沒有定義自己的協議，直接使用IP協議棧。
控制面層三包括兩部分：RRC（Radio Resource Control，無線資源控制）和NAS（Non Access Stratum，非接入層）。
UE和eNodeB之間的控制信令主要是無線資源控制（RRC）消息。RRC就相當於eNodeB內部的一個司令部，RRC消息攜帶建立、修改和釋層二和層一協議實體所需的全部參數；另外，RRC還要給UE透明傳達來自核心網的指示。
在幹活前先聽一下領導意見，UE和eNodeB在承載業務前，先要建立RRC連接。RRC模塊的主要功能有系統信息的廣播、尋呼、RRC連接管理、無線資源控制、移動性管理。
LTE的RRC狀態管理比較簡單，只有兩種狀態：空閒狀態（RRC_IDLE）和連續狀態（RRC_CONNECTED）。系統信息塊個數降低很多，傳輸信道個數也減少了。這樣針對系統信息或傳輸信道的參數配置也減少很多。
UE處於空閒狀態時，接收到的系統信息有小區選擇或重選的配置參數、鄰小區信息；在UE處於連接狀態時，接收到的是公共信道配置信息。
尋呼（Paging）消息是eUTRAN用來尋找或通知一個或多個UE，主要攜帶的內容包括擬尋呼UE的標識、發起尋呼的核心網標識、系統消息是否有改變的指示。UE劃分成多個尋呼組，在空閒狀態時並不是始終檢測是否有呼叫進入，而是採用DRX方式，只有在特定時刻接收尋呼信息。可避免尋呼消息過多，減少UE功耗。
2、兩面
用戶面和控制面的劃分實際上是基於邏輯的角度，用戶面負責業務數據的傳送和處理，控制面負責協調和控制信令的傳送和處理。用戶面LTE協議整體層次圖：
控制面LTE協議整體層次圖：
在這兩個圖上我們看到很多接口，下面我們就來講述接口。
三、接口
1、空中接口Uu
所謂空中接口是指UE和eNB之間的接口，走的是無線傳輸。
LTE和UMTS空口協議棧是有所區別的，對比如下圖：
兩者都是三層兩面結構，主要區別在於以下兩點：PDCP（分組數據匯聚協議）和BMC（Broadcast Multicast Control，廣播組播功能）。
UMTS架構中並沒有完全實現分組化，控制面信令並不通過PDCP處理；用戶面數據也分CS域和PS域，只有PS域數據才通過PDCP處理。而在LTE架構中，沒有CS域，包括控制面信令在內的一切數據流都通過PDCP處理。
UMTS中的BMC實體在LTE被MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service,多媒體廣播多播業務）功能代替了。
2、地面接口
地面接口指eNB之間、eNB和EPC之間的接口，都是光纖的。
2.1、同級接口——X2
以往的制式中，基站間沒有直接接口，UMTS只建立了RNC之間的Iur接口。LTE取消了RNC網元，基站之間的接口爲X2，功能上繼承並加強了Iur接口。
X2接口爲用戶面提供了業務數據的基於IP傳輸的不可靠連接，而爲控制面提供了信令傳送的基於IP的可靠連接。
X2接口的用戶面是在切換時eNodeB之間轉發業務數據的接口，是一個IP化的接口。它在不可靠的UDP/IP之上，利用了GTP-U（GPRS用戶平面隧道協議）來傳送用戶分組數據單元，其協議棧結構如圖：
X2接口的控制面也基於IP傳輸，但它利用了SCTP（流控傳輸協議）爲IP分組網提供可靠的信令傳輸，如上圖所示。SCTP的設計是爲了解決TCP/IP網絡在傳輸實時信令和數據時所面臨的不可靠傳輸、時延等問題。X2接口的控制面協議爲X2 AP。
X2接口控制面的主要功能是支持在LTE系統內，UE在連接狀態下從一個eNodeB切換到另一個eNodeB的移動性管理。這個功能在UMTS中是位於RNC上的功能模塊中。
X2接口控制面還可以對各eNodeB之間的資源狀態、負責狀態進行監測，用於eNodeB負載均衡、負荷控制或者准入控制的判斷依據。此外還負責X2連接的建立、復位、eNodeB配置更新等藉口管理工作。
2.2、上下級接口——S1
S1用戶面接口位於eNodeB和SGW之間。此接口和X2用戶面接口架構一致。如下圖所示，也是建立在IP傳輸之上，用GTP-U協議來攜帶用戶面的PDU，不是面向連接的可靠傳輸。
S1控制面接口位於eNodeB和MME之間，如上圖所示，也是建立在IP傳輸基礎之上的，這點和S1用戶面一樣。和S1用戶面不同的是，爲支持可靠信令傳輸，在IP層上添加了SCTP，這樣，和X2控制面的基礎架構是一致的。S1 AP是S1的應用層信令協議。
S1控制面的主要功能是建立與核心網的承載連接，即SAE承載管理功能，包括SAE承載建立、修改和釋放。
S1移動性管理不管包括LTE系統內的切換，還包括系統間切換。例如處於連接狀態的UE從LTE覆蓋區域移動到WCDMA覆蓋區域，S1控制面接口助力UE完成系統間切換。而X2接口的控制面沒有系統間切換的功能，只是LTE系統內的移動性管理。此外S1接口還支持尋呼功能、NAS信令的傳輸功能、S1接口的管理功能等。
3、LTE和UMTS接口協議棧的比較
（1）功能簡化，降低系統複雜度
LTE MAC層實體個數減少很多，減少了信道傳輸個數。通過這些功能實體的簡化，降低了系統設計和參數配置的複雜度。LTE減少了UE的狀態，如圖所示，在eNodeB中僅存在2種RRC狀態：RRC_IDLE（空閒狀態）、RRC_CONNECTED（連接狀態）。
LTE刪除了其他狀態，簡化了狀態遷移管理的複雜度，降低了狀態遷移所用的時間。
在AGW網元中，LTE的UE狀態將UTMS中的RRC狀態和PMM（核心網PS域移動性管理）狀態合併爲一個狀態集，包含RRC_IDLE（空閒）、RRC_ACTIVE（激活狀態）和RRC_DETACHED（分離狀態）三種。UE的的上下文必須區分這3種狀態，如圖所示：
在eNodeB中，RRC_CONNECTED對應着aGW中的RRC_ACTIVE狀態，無需保留RRC_DETACHED狀態。這樣，處於RRC_DETACHED（分離狀態）的UE在覈心網屬於“在線（online）”狀態，而在無線接入網側則並不佔用任何無線資源。
LTE要與WCDMA、GSM等進行系統間互操作，所以LTE系統也設計了LTE-RRC狀態和其他系統的RRC狀態間的相互轉移途徑。
之所以可以減少UE連接狀態的個數，是因爲LTE使用共享信道來承載用戶的控制信令和業務數據，取消了3G物理層中的專用信道。共享信道使多個用戶共享空口資源，不需要區分LTE連接狀態的細節，可根據需要動態調整連接狀態的資源。
（2）功能位移，實現位置下降
取消RNC網元，將其功能下移到eNodeB。PDCP功能也完全下移到了eNodeB上，核心網不再提供PDCP實體。由於PDCP下移，SGW的功能基本成爲簡單的路由器，方便了LTE和其他分組網絡在覈心網側的融合。
（3）功能增強，替換實現方案。
MBMS代替了UMTS的BMC層以及公共業務信道CTCH；
四、LTE運行過程
1、上行傳輸
首先，UE發出一個包時，包上面會打上UE的地址作爲源地址，要去的因特網上的服務器的地址作爲目的地址，傳送給基站eNB，然後基站給包封裝到GTP 隧道里可以傳輸的GTP包，每個包的源地址會被換成基站的地址，
而目的地址則是被換成將要到達的Serving Gateway，然後，每個包也會包含他們所在傳輸隧道的隧道ID：UL S1-TEID。當包到達Serving Gateway時，源目地址被分別換成了Serving Gateway和P-GW的地址，同時，
傳輸的隧道也由S1 GTP 隧道變成了S5 GTP隧道，當然隧道ID也會隨之變化。最後，當包到達P-GW後，這時P-GW講GTP解開，查看其真正的目的地址，然後將包送到互聯網上。這樣子就完成了一個數據包從終端的互聯網的上傳。
2、下行傳輸
下行的情況與上行的情況正好相反，經過P-GW，S-GW，eNB時會對數據包打包，在eNB處會解封裝，然後直接把數據包傳輸給UE。