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为保持在移动通信领域中技术和标准化的优势，为运营商满足用户不断增加的需求提供有力的支持，除了对无线接入网演进的研究外，3GPP同时开始进行系统架构方面的演进研究，即系统架构演进项目（SAE），其核心网部分被称为演进的分组核心网（EPC）。SAE的工作目标定义为“制定一个以高数据率、低延迟、数据分组化、支持多种无线接入技术为特征的，且具有移植性的3GPP系统框架结构”。SAE项目的工作目标与LTE一致，但研究范围不同。SAE从整体框架的角度考虑移动通信能力增强，从网络架构方面来实现下一代网络演进，结合无线空口技术的发展，设计符合移动通信网络竞争力整体需求的网络架构方案。
2004年12月SAE项目在3GPP服务与架构工作组（SA）启动后历经了四年的标准研究和制定工作，在2006年形成阶段成果，并于2008年9月全部结束。依据研究阶段讨论的结论，规范制定工作在2006年12月启动，依次在SA1确定业务需求；在SA2制定总体技术要求，包括基本架构、功能特性和主要消息流程；在SA3制定系统安全性要求；在SA5制定网管和计费功能要求；最后在CT工作组制定接口和协议规范。由SA2负责的总体技术要求部分规范（R8版本）于2008年6月完成，CT负责的接口协议规范（R8版本）于2009年3月冻结。从R10开始，3GPP继续在EPC架构基础上增加了对机器类型通信（MTC）和WLAN分流技术的支持。
图2.1描述了EPS系统框架结构。EPS系统包含多个域，通过域内包含的逻辑节点实现域间互联和功能。
图2.1 LTE/LTE-Advanced EPS架构
图2.1左侧四个网络域表示了可以接入核心网（EPC）的无线接入网络（RAN）类型，除了当前最新的移动宽带接入技术LTE，其中也包含了2G/3G时期3GPP定义的代表性技术GSM/GPRS和WCDMA/HSPA，以及统称为非3GPP接入的其他标准化组织定义的无线接入类型，如CDMA接入（cdma2000 eHRPD）、WLAN接入和固定接入等。
EPS核心网部分可以分解为四个网络域：电路域核心网、分组核心网、IMS和用户管理域。域间通过规范定义的接口进行互联。其中，用户管理域提供统一的用户信息管理，支持域内和域间的漫游和移动性。电路域核心网由支持GSM、TD-S/WCDMA等电路域业务的节点组成。分组核心网由实现分组交换（主要是IP连接）业务的节点和功能组成，支持的接入技术包括GPRS、TD-S/WCDMA、HSPA、LTE和非3GPP。此外，分组核心网还需要提供业务和承载级的策略和QoS管理与执行。IMS域节点用于支持基于SIP的多媒体会话业务，其连接性由分组核心网功能支持。
EPC架构是整个SAE系统框架的核心部分，EPC架构包含了分组核心网和用户管理域的演进。作为最新的无线接入技术，LTE和EPC之间关系密切是必然的。
EPS整体网络架构和接口关系非常复杂，其中包括了EPC核心网和之前的2G/3G核心网架构，也包括了对所有可能接入技术类型的支持。一个运营商不可能同时利用EPS定义的全部架构、节点和接口，在实际部署中对架构进行了相应的简化处理。另外还需要说明的是，上述逻辑架构示意图无法反映支持逻辑节点的实际IP基础设施网络的物理组成。底层传输网络中包含运行IP网络的必要功能，如IP连接性、节点路由、支持节点发现的DNS机制，以及IPv4和IPv6等功能。同时，逻辑架构中的实体功能与接口的物理实现也有差异。例如，不同的逻辑实体功能可能由软件实现，通过内部接口而不是物理连线互连；同时接口的物理实现也不一定是两个节点之间的直接连线，而是利用底层物理站点前转（如eNodeB间的X2接口）。
本节内容在重点介绍EPC基础架构和功能接口的同时，将针对EPC支持LTE与2G/3G 3GPP接入互操作架构，以及EPC与非3GPP接入互连架构的重要内容给出一个概要性的描述。
EPC基础架构的核心功能是提供LTE接入之上的基本IP连接，LTE部署必须建立在EPC架构基础上。EPC设计包括两个基本原则。第一条原则是尽可能减少参与用户数据流处理的网络节点，即网络架构更扁平化。这一设计原则主要是考虑如何在移动互联网业务爆炸和更强接入能力（如LTE）所带来的业务数据海量增长的形势下保证可控的基础设施运营成本。第二条原则是实现控制信令处理与用户数据流的分离。这一设计原则主要考虑能够基于控制面与用户面容量的不同特性（控制信令与用户数相关，数据平面更依赖于引入新业务和终端能力提升），区分对待两个平面的规模优化，功能演进和部署方式，分离后的控制面部署可以相对集中，而用户面则可以增加分布，达到节省传输资源和降低业务时延（如语音和在线游戏等）的目标。最后，EPC架构设计还需要考虑对HSPA的后向兼容，即能够满足HSPA与LTE共存和平滑迁移的要求。
图2.2描述了EPC的基础框架结构（非漫游场景），可以从无线接入网部分开始逐一梳理。首先，LTE无线接入网侧至少由一个eNodeB，即LTE基站构成。eNodeB包括全部的用于实现终端与网络互连的功能特性。在一个合理规模的组网场景中，大概会部署数以千计的eNodeB节点，共同构成无线接入网（E-UTRAN），其中一部分eNodeB节点会通过X2接口的互连来实现更高效的切换、干扰管理等功能。
图2.2 EPC的基础框架结构（非漫游场景）
所有的eNodeBs节点都通过S1-MME逻辑接口，至少与一个核心网内的移动性管理功能实体（Mobility Management Entity，MME）节点相连。MME用于处理全部的与LTE相关的控制平面信令，包括设备的移动性、安全性管理及LTE附着流程等。MME还要维护空闲态状态的终端，以支持跟踪区管理和寻呼。MME基于签约来实现对通过LTE无线接入网建立IP连接的用户的数据管理，为此，MME需要通过S6a接口连接到归属签约用户服务器（Home Subscribers Server，HSS）。HSS负责存储LTE接入用户的签约信息和相关的用户管理逻辑。用户签约信息主要包括鉴权凭证信息和接入授权信息等。
一般而言，由于网络维护、节点失效和终端移动等原因，会导致服务MME发生改变，MME间通过S10接口实现用户上/下文信息的转发。发送到和来自于移动终端的IP分组流，即用户数据净荷，由服务网关（Serving GateWay，S-GW）和分组数据网网关（PDN GateWay，P-GW）共同处理。
服务网关设备S-GW利用S1-U用户面接口与eNodeB连接，是LTE内部的移动性锚点。S-GW还要为处于空闲态的终端缓存下行IP分组流量，利用分组承载关联的参数为IP分组标记，支持DiffServ代码实现传输层面的QoS。对于漫游用户，S-GW一直驻留在拜访地网络，支持跨运营商的计费和账务结算处理。
P-GW是EPC核心网到外部IP网络的接入点（通过SG i 接口）。P-GW的功能主要包括分配IP地址，计数据包过滤，以及基于策略的用户特征IP流控制等。P-GW还在支持终端用户IP业务QoS方面扮演关键角色。
S-GW和P-GW之间通过S5接口或S8接口互连。其中，S5接口用于非漫游场景，用户附着在其归属地；S8用于用户附着到拜访地LTE网络的漫游场景。EPC架构的特殊之处在于S5和S8接口存在两种变体，其中一种变体采用GTP协议，为LTE、2G/3G等3GPP接入提供IP连接。另一种变体是在S5/S8接口采用IETF PMIPv6协议。理论上，这两种接口变体可以同时应用在同一网络中，但由于GTP作为全球3GPP接入的事实标准，即使采用PMIPv6协议的运营商，仍有必要在S8接口采用GTP协议以支持用户漫游。
需要注意的是，在漫游场景中，S5接口可能并不是开放的接口，即运营商选择将S-GW和P-GW部署在同一物理设备从而降低用户面硬件设备的数量。但是，在另一些场景中，S5接口是必需的。S-GW和P-GW是两个不同的物理设备，从单个用户或终端来看，任意时刻有且仅有一个活跃的S-GW。采用分离网关部署的场景主要有以下三种场景。
① 多PDN连接场景。当用户需要同时与多个外部网络建立PDN连接，且这些连接不属于同一个P-GW的服务范围时，这些用户数据总是经由同一个S-GW，但可能连接到多个P-GW。
② P-GW集中部署场景。该场景下P-GW采用集中部署，而S-GW的部署更靠近LTE基站。
③ S-GW切换场景。若用户在不同服务区的基站间移动，导致S-GW发生变化，此时为保证IP连接性，P-GW需要保持不变。
MME和S-GW之间的控制信令通过S11接口完成交互。S11接口是EPC架构中的核心接口，通过这个接口，用户实现网关与基站间的用户面IP连接的建立过程，也为用户终端在LTE基站间的移动提供移动性支持。
基于以上网元实体和接口，可以实现EPC最基本的用户附着、移动性管理和IP连接建立功能。然而，若要实现更高级的针对IP流的控制特性，还需要增加下述的功能实体和接口，包括PCRF、OCS和OFCS。
PCRF包含策略和计费规则功能，是EPC整体架构中PCC概念的核心要件。PCC概念用于执行针对用户数据流的计费和策略控制，实现在线信用控制、业务授权和QoS管理等业务功能。在3GPP上下文中，策略是指网络给予业务数据流相关对待的规则，如计费规则、服务质量规则。为了实现策略和计费控制，EPC网络需要部署实时的唯一包过滤机制，并对全部的IP数据流在S-GW和P-GW上进行分类。PCRF通过Rx接口与外部应用服务器相连来接收资源需求和IP流参数配置信息。PCRF与P-GW间通过Gx接口相连（当S5接口采用PMIPv6协议时，还要与S-GW间采用Gxc接口相连）。在漫游场景中，归属网络PCRF控制决定所需实施的策略，通过S9接口与访问地网络的PCRF互通，来实现策略的实施。
OFCS和OCS分别是离线计费和在线计费系统。两个功能实体分别通过Gz和Gy接口与P-GW相连，基于时长、流量、时间等参数实现对用户的灵活计费功能。
LTE网络语音解决方案提供的语音业务主要分为两大类：第一类依托原有的2G/3G网络，继续利用移动网络电路域提供语音业务；第二类是承载在IP网络上，使用基于分组交换的IP语音，即俗称的VoIP。Skype类的语音工具提供的就是典型的互联网上的VoIP。由于LTE网络就是一张全IP网络，因此承载在LTE网络上的语音也属于VoIP的一种，称为VoLTE。
考虑到新无线网络实现部署全覆盖是一个长期过程，因此通过与其他无线网络互连来保障业务连续覆盖是移动网络架构的关键特性。LTE部署在带来高数据容量优势的同时，也存在基站覆盖范围变小的限制。因此，与传统接入互连保证IP连接连续变得非常重要。在介绍互连技术方案之前，需要首先澄清的是，EPC架构中接入类型间的“互操作（interworking）”存在不同的层次。最简单的互操作模式采用统一签约数据来关联不同的接入网络（如LTE和HSPA），无特殊的网络功能要求，终端移动到新接入网络覆盖后需要重新附着，获取新的IP地址，业务中断时间较长，且存在不可用的可能。EPC架构还能提供“会话连续性”级别的互操作机制。通过在网络侧维护“IP锚点”，当接入网发生改变时，保持网络侧IP地址不变，从而保持业务和应用不中断。
LTE需要分两个阶段实现互操作功能。①当运营商部署IMS网络时，可采用电路域语音回退（CSFB）技术，使用传统的GSM网络提供语音和SMS等业务。当用户驻留LTE网络时，如需发起或接收电话，用户需从LTE模式切换到GSM网络完成CS业务，此时PS连接将挂起。CSFB技术需在MME和MSC间引入SGs接口。终端附着在LTE时，同时通过SGs附着在CS域。这样，终端既可在LTE网络享受高速数据业务，在需要语音服务时还可返回2G/3G网络发起CS呼叫。该技术并未从本质上解决LTE提供语音业务的问题。当用户需语音业务时，LTE网络下的数据业务需中断或挂起，从而影响了用户体验。系统间的模式转换由语音业务触发，与传统意义上的系统间切换触发条件不同。②当LTE网络可提供IMS业务时，LTE的语音互操作通过SRVCC切换到2G/3G网络。SRVCC主要是解决当单射频UE在LTE网络和2G/3G网络间移动时保持语音业务连续性问题，也就是单射频UE在IMS控制的VoIP语音和CS语音间实现无缝切换。在SRVCC方案中，MSC Server需支持与MME间的Sv接口来处理语音业务的切换准备请求，并发起IMS域到CS域的会话切换；HSS的签约用户信息中需增加参数STN-SR，并可通过MME转发给MSC；MME需执行PS承载划分功能，用于区分VoIP承载和非VoIP承载，执行非VoIP承载的挂起和恢复，并发起到目标小区的SRVCC切换，协调PS切换和SRVCC切换的同步执行。
以支持LTE与2G/3G 3GPP接入互操作为例，终端附着到LTE网络时，EPC网络服务网元是MME，而在WCDMA/HSPA/GSM/GPRS网络中，对应服务网元是SGSN。3GPP提供了两种不同的方案。
3GPP传统2G/3G分组域核心网网元包括SGSN和GGSN。其中，SGSN为终端选择并连接到作为外部IP网络出口的GGSN，建立分组数据会话。随着终端移动使服务SGSN发生改变时，由于保持GGSN节点不变，则分配的IP地址不变，故而IP会话得以保持。
为了实现终端在LTE接入与2G/3G接入间的互操作，GnGp-SGSN方案在利用传统SGSN接入的同时，还要引入MME和P-GW分别承担SGSN和GGSN的作用。需要注意的是，传统2G/3G终端只能附着到GPRS/WCDMA/HSPA网络，不存在互操作需求。互操作的场景包含出现在LTE终端，在离开LT覆盖时进入2G/3G分组网络，以及后续返回的过程。MME和SGSN之间通过传统定义的Gn接口信令交换用户签约和移动性管理信息，而为了实现IP业务连续性，必须保证外部IP网络出口锚定在P-GW上，即SGSN必须通过某种机制（通常是APN）为需要进行互操作处理的终端选择P-GW，而不是GGSN。换句话说，P-GW需要支持传统的Gp接口。
另外，由于2G/3G网络用户管理功能实体是HLR，EPC网络则为HSS，因此互操作方案还需要在两个网络间共享同一数据集，保证用户签约数据在两个网络内的一致性。事实上，3GPP新的规范中将HLR定义为HSS的子集，从而规避了这一问题。实际部署中，现网HLR需要逐步升级支持HSS/HLR融合，提供Gr和S6a接口，实现用户数据的统一管理。
S4-SGSN方案是SGSN的升级方案，SGSN节点需要升级支持S3和S4接口，以及新版本的GTP协议，SGSN还需要通过S6d接口与HSS相连。S3是一个控制面接口，用于支持SGSN和MME间的跨系统移动性，S4接口实现SGSN与S-GW互连。基于S4接口，S-GW生成一个3GPP接入系统（LTE，GSM/GPRS和WCDMA/HSPA）的内部锚点，考虑到S-GW总是部署在拜访地网络中，这意味着无论选择何种3GPP接入技术，业务数据流都将通过S-GW。这样设计的好处在于便于运营商采用一致的策略实现对业务数据流的监控和控制；缺点则是增加了网络节点，不利于网络扁平化；对应的解决方案是升级RNC支持与S-GW间的S12接口（可选），将3G用户流量从SGSN旁路到SGW。
LTE和CDMA2000 HRPD的数据业务互操作主要是考虑LTE和HRPD之间的分组数据切换，如果运营商的HRPD网络覆盖已经比较完善，则可以不考虑LTE和CDMA1x之间的分组数据业务的互操作。LTE和HRPD间的互操作架构如图2.3所示。
图2.3 LTE和HRPD间的互操作架构
HRPD属于3GPP2标准体系，标准制定早于属于3GPP的LTE，因此要支持LTE和cdma2000 HRPD之间的分组数据切换，需要将cdma2000 HRPD网络升级为cdma2000 eHRPD网络。主要考虑如下两种场景：
●在LTE覆盖不足的时候，需要平滑切换到eHRPD网络，以确保业务连续性；
●在同时有LTE和cdma2000 eHRPD网络覆盖时，尽量选用LTE网络，以获取更好的业务体验，也可以解决CDMA网络容量的不足。
对于终端空闲状态的处理，标准对以上两种场景都有考虑；而对于终端处于连接状态时，在标准制定之初，只考虑第一种场景，当时认为连接态在第二种场景下，即使不切换，也不会发生掉线，只是速率低于LTE，大部分时候用户感受不强烈，等用户进入空闲状态，再转入LTE网络处理，这种处理方式和1x系统到cdma2000 HRPD的连接态切换处理机制一样。根据中国CDMA网络实际使用情况的调查，这种处理对用户感受还是有影响的，因此中国运营商和设备商联合，在标准中规定了连接态cdma2000 eHRPD到LTE的切换。
标准考虑的主要点在于终端连接状态下LTE向cdma2000 eHRPD的分组数据切换，目前有两种切换方式：非优化切换和优化切换。
非优化切换的为常规流程，其过程可以分为四个部分：cdma2000 eHRPD的测量、LTE连接释放、cdma2000 eHRPD网络搜索和锁定、cdma2000 eHRPD网络的连接建立。
当终端检测到更强的cdma2000 eHRPD信号并决定切换时，就会中断LTE链接，建立eHRPD链接，由业务层保证业务的连续性，HRPD服务网关（HRPD Serving GateWay，HSGW）为用户建立新的MIP隧道，数据流依然通过P-GW疏通。该方案支持LTE 到eHRPD 之间的双向切换，在核心网侧需部署HSGW设备，通过S2a接口连接到P-GW。
该方案切换时延较长，适合实时性要求不高的数据业务（如浏览、消息业务、下载、流媒体等），优点在于对CDMA网络改动较小，实现简单。同时，终端实现也较为简单。
优化切换通过S101接口在LTE建立一个终端和cdma2000 eHRPD网络的隧道，终端可以通过LTE网络与cdma2000 eHRPD网络进行信令交互，提前进行cdma2000 eHRPD网络的资源分配、建立等操作，以加快切换的速度。其过程可以分为五个部分：cdma2000 eHRPD网络的预登记、cdma2000 eHRPD的测量、通过隧道方式进行cdma2000 eHRPD资源分配、完成cdma2000 eHRPD网络的连接建立、LTE连接释放。
优化切换的宗旨是提前完成接入鉴权与授权，以及目标接入系统无线资源的协商和配置过程，以降低切换的延时，提高性能。当终端检测到更强的cdma2000 eHRPD信号，并决定切换时，终端通过S101接口向cdma2000 eHRPD网络进行注册、鉴权、系统协商及配置等过程，同时通过S103接口将切换过程中未发送出去的下行数据转发到HSGW，减小数据包的丢失。该方案支持LTE到cdma2000 eHRPD的单向切换，在核心网侧需部署HSGW设备，以S2a接口上联P-GW，与S-GW开设S103用户面接口，MME与cdma2000 eHRPD网络的eAN/PCF（分组控制功能）开设S101信令面接口。
该方案切换时延短，适合于实时性数据业务（如VoIP〔网络电话〕、VT〔虚拟化技术〕、实时视频等），但CDMA网络和LTE/SAE网络需要支持更多的接口和协议，对网络改动较大，也相对复杂。同时，终端功能要求更多，目前尚无成熟产品。
下面对EPS网络节点间的主要接口（参考点）进行简单的功能介绍。
●S1-MME：E-UTRAN和MME间控制平面的参考点，基于S1-AP协议。
●S1-U：E-UTRAN和S-GW间用户平面的参考点，也可以用于当发生切换时，eNodeB 间的通路切换。该接口基于GTP-U协议。
●S3：S3 是S4-SGSN和MME之间的参考点，用于不同的3GPP接入时，交换空闲和激活状态的用户信息和承载信息。该接口基于GTP-C协议。
●S4：S4-SGSN与S-GW之间的参考点，既可以只有控制面接口（GTP-C），也可以包括用户面的接口（GTP-U）。如果作为控制面接口，采用GTPv2 协议。如果没有采用直接隧道机制，该参考点可以用于传输用户数据，采用GTPv1-U 协议。
●S5：S-GW 和P-GW 之间的参考点，提供S-GW和P-GW间的用户面隧道和隧道管理功能。该参考点应用于S-GW和P-GW分设，S-GW 建立到P-GW 的连接过程，以及在用户移动性管理中S-GW重定位过程。该参考点的控制面采用GTPv2协议，其用户平面采用GTPv1-U协议。
●S6a：MME和HSS之间的参考点，用于传输与用户相关的数据和鉴权信息，基于Diameter协议。
●S8：VPLMN 的S-GW 和HPLMN 的P-GW 间的参考点，用于用户漫游时提供和S5 接口相同的功能，该参考点的控制面采用GTPv2 协议，其用户平面采用GTPv1-U 协议。
●S9：H-PCRF 和V-PCRF 间的参考点，用于本地疏导时传递QoS 和计费控制信息，参考点基于Diameter 协议。
●S10：MME 之间的控制面参考点（GTP-C），基于GTPv2 协议，用于传递MME 重定位和MME之间的信息。
●S11：MME 和S-GW 之间的参考点，用于传输承载控制与会话控制等信息，采用GTPv2协议。
●S12：如果UTRAN 和S-GW之间用直接隧道机制时，S12是用户平面的参考点，该参考点基于GTP-U协议，与GnGp SGSN和UTRAN以及GnGp SGSN和GGSN间的Iu-u/Gn-u参考点功能相同。
●S13：MME 和EIR 之间的参考点，用于检查用户的标识，基于Diameter 协议。
●SGi：P-GW和分组数据网络之间的参考点。分组数据网可以是外部的公网或私网，也可以是运营商的内部数据网，如提供IMS业务。
●Gx：PCRF和P-GW中的PCEF间的参考点，提供QoS策略和计费准则的传递，基于Diameter协议。
●Rx：AF和PCRF间的参考点，用于AF传递应用层会话信息给PCRF，如传递IP过滤器信息，用于PCC中的业务数据流区分，或者传递QoS控制所需的带宽参数。该参考点基于Diameter协议。
本节重点介绍EPC网络架构支持LTE接入所涉及的主要协议体系和功能特性的概览，包括GTP协议、Diameter协议、S1-AP协议和NAS协议。
GTP协议是从GPRS系统用户数据流的移动性和承载管理协议演进而来的。3G时期的GTP协议进行了进一步的增强，在EPS系统开发期间，GTP协议架构为适应更复杂的承载处理，进行了相当大的改进，协议升级到GTPv2-C版本。
GTP协议由控制面（GTP-C）部分和用户面（GTP-U）部分组成。GTP-C用于为个体终端控制和管理建立用户数据路径的隧道。GTP-U采用隧道机制来换成用户数据流。同时，GTP协议族还包括用户计费目的GTP’协议。从协议版本上看，GTP-C存在三个版本：GTPv0、GTPv1和GTPv2。而GTP-U共有两个版本：GTPv0和GTPv1。为了便于了解用于EPC架构的GTP协议，需要首先简单了解一下GTP协议与核心网系统的对应关系。
在GPRS和3G分组核心网中，Gn接口（SGSN间，同一PLMN内SGSN和GGSN间）和Gp接口（跨PLMN，跨运营商的SGSN和GGSN间）支持GTPv1-C和GTPv1-U协议，特别针对3G分组核心网、无线接入网与核心网间的Iu接口支持GTPv1-U协议。在EPS方面，SGSN与MME间，不同MME间，不同SGSN间，S-GW与P-GW间，不同S-GW间接口（S3，S4，S5，S8，S10，S11和S16）都采用GTPv2-C协议。GTPv1-U协议则用于eNodeB到S-GW间，RNC与S-GW间，SGSN与S-GW以及S-GW间的接口（S1-U，Iu-U，S4，S5，S8，S12和X2-U）。
如果进一步梳理GTP消息结构，就能够明显地看出GTP协议的演进方向：GTPv2消息设计更简化，更灵活，采用了统一的风格来适配多种接入类型的移动性管理和承载管理需求，与此同时隧道容错纠错处理能力也得到了进一步的提升。GTP协议在EPS系统中的主要功能应用包括如下几项。
① 移动性管理：通过一组消息实现移动设备标识管理，多网元中在席/状态信息维护和一致性，在切换/重定位时实现数据路传输。
② 隧道管理：主要包括用户会话的建立和删除，用户连接和激活状态下业务承载的创建、修改和删除。用户在移动过程中，其业务请求可以经由隧道机制得以维系。
③ 系统维护（路径管理/纠错/恢复/跟踪）：通过对隧道健壮性的维护管理来保证网络层面的系统可靠性。
GTP协议结构如图2.4所示。
图2.4 GTP协议结构
Diameter协议原本是设计用于鉴权和计费的目的，是Radius协议的后继（从命名上看，Diameter是Radius的两倍，这也体现了二者的关系）。Radius协议主要应用在固网拨号接入、CDMA接入和GPRS网络Gi接口等场景内采纳和成功部署。
Diameter协议针对性地解决了Radius协议存在的缺陷，如Diameter协议支持改进的失败处理，更可靠的消息传输和更大的信元尺寸，增强的安全性、扩展性，支持灵活的节点发现等。更重要的是，与Radius协议不同，Diameter协议提供了对中间节点（如代理）的完整规范定义。同时，Diameter协议与Radius协议兼容并容易迁移（都是采用AVP格式传递信息）。
Diameter协议由基础协议和扩展应用组成。协议核心由基础协议RFC3588给出。RFC3588包括了最小需求的协议实现和一些通用的Diameter消息（也称为Diameter命令），以及Diameter命令所需携带的AVP。扩展应用则是面向专门场景的需求，在基础协议之上创建而成。扩展应用可以是为新的命令消息或者新的AVP定义，形成基于Diameter协议框架的新协议。扩展应用之间还可以是继承关系，继承者可以重用被继承扩展应用的命令消息和必选AVP字段，并按照自己的过程要求采用新的应用标识，新增AVP和修改协议状态。
除了IETF，其他标准化组织也可以定义Diameter扩展应用，这类扩展应用称为供应商专用应用（vendor-specific applications）。3GPP在许多接口上，如S6a、S6b、Swa、SWx等，全新引入了供应商专用应用，但这些接口原本并没有采用RADIUS协议。
Diameter协议栈结构如图2.5所示。
图2.5 Diameter协议栈结构
不同于EPS系统中的许多其他协议，S1-AP协议是专门针对MME与eNodeB间的接口而设计的。S1-AP协议命名也是以S1接口与3GPP表征节点间协议信令的术语应用部分（Application Part）组合而成。S1-AP协议架构如图2.6所示。
S1-AP协议支持MME与eNodeB间交互过程的全部机制，同时支持MME与UE之间执行过程（NAS协议）的透明传输。S1-AP由一系列单元过程（Elementary Procedures）构成。单元过程是eNodeB和MME的交互单元。这些单元过程分开定义并试图进行灵活组合构成完整的交互顺序，它们可以并行调用或根据一定的限制规则顺序调用，具体协议规范参见3GPP TS 36.413。一个单元过程包括初始消息和可能的响应消息。
图2.6 S1-AP协议架构
S1-AP协议支持以下功能：
●E-RAB的建立、修改和释放；
●在eNodeB中建立初始S1 UE上下文（建立默认IP连接，按MME请求建立一个或多个E-RAB，按要求传输NAS信令相关信息）；
●向MME提供UE能力信息；
●支持UE在RAT间和RAT内切换等移动性功能；
●终端寻呼能力；
●S1接口管理：重置、错误指示、过载指示、负载平衡和S1建立；
●NAS信令传输功能，包括S1 UE上下文释放和UE上下文修改功能；
●状态传输功能（在源/目传递PDCP SN状态信息，支持LTE内切换顺序传送和复制避免）；
●激活UE的追踪；
●位置报告。
NAS协议定义了UE和MME间的移动性管理和会话管理的协议过程，NAS协议架构如图2.7所示。NAS协议所包含的EPS移动性管理和会话管理功能是为E-UTRAN量身定制的信令协议，规范参见3GPP TS 24.301。NAS协议中包含移动性管理（EMM）和会话管理（ESM）两个关键过程。EMM过程用于支持会话的终端移动性、安全和信令连接管理等服务。ESM过程用于EPS承载的激活、去激活和修改。下面将对EMM管理和ESM管理分别进行简单的讲解。
图2.7 NAS协议架构
EMM过程主要用于跟踪UE，对UE进行鉴权，提供安全密钥，控制完整性保护和加密。网络可以为终端分配临时标识，并从用户终端请求获取ID信息。此外，EMM过程实现终端和网络间设备能力和服务能力信息的交互。EMM涉及的消息过程包括：
●Attach——附着；
●Detach——去附着；
●Tracking area update——跟踪区更新；
●GUTI reallocation——全球唯一临时标识分配；
●Authentication——鉴权；
●Security mode control——安全模式控制；
●Identification——标识请求；
●MM information——移动性管理信息请求；
●NAS message transport——NAS消息传输（用于CSFB下的短信业务）。
ESM过程用于管理终端的承载和PDN连接，这一过程又包含默认和专用承载建立、承载修改和去激活。如前所述，默认承载总是和附着过程绑定，而额外的默认或专用承载建立则是独立的过程。E-UTRAN接入会话管理的原则是ESM过程一般由网络初始发起，但终端可以向网络侧请求修改承载资源，或者执行EPS承载的激活和去激活。ESM涉及的消息过程包括：
●Default EPS bearer context activation procedure：默认EPS承载上下文激活过程；
●Dedicated EPS bearer context activation procedure：专用EPS承载上下文激活过程；
●EPS bearer context modification procedure：EPS承载上下文修改过程；
●EPS bearer context deactivation procedure：EPS承载上下文去激活过程；
●UE requested PDN connectivity procedure：用户请求PDN连接建立过程；
●UE requested PDN disconnect procedure：用户请求PDN连接断开过程；
●UE requested bearer resource modification procedure：用户请求承载资源修改过程。
EPS有两种移动性管理模型，分别为 EMM（EPS Mobility Management，EPS 移动性管理）状态模型和 ECM（EPS Connection Management，EPS 连接性管理）状态模型。UE和MME 中都有这两个状态模型。
EPS移动性管理（EMM）状态模型描述的是 UE 在网络中的注册状态，表明UE是否已经在网络中注册。注册状态的转变是由于移动性管理过程而产生的，如附着过程和TAU过程。EMM状态模型有两种状态：EMM-DEREGISTERED和EMM-REGISTERED。
EPS连接管理状态（ECM）模型描述的是UE和EPC间的信令连接性，ECM也有两种状态：ECM-IDLE和ECM-CONNECTED。
总体来说，ECM状态和EMM状态是相互独立的。无论ECM是什么状态，EMMREGISTERED都可以向EMM-DEREGISTERED转变。例如，在ECM-CONNECTED状态下发生显式去附着时，或者ECM-IDLE状态下发生的MME中本地隐式去附着时。但是，ECM和EMM具有一定关联，如UE从EMM-DEREGISTERED向EMM-REGISTERED转变之后，UE的ECM状态才有意义。
EPS系统根据用户的EMM和ECM的状态，决定用户可以执行的动作。例如，如果用户是在EMM-DEREGISTERED 状态，此时网络不知道用户的位置，用户可以进行PLMN选择；如果用户是在 EMM-REGISTERED和ECM-IDLE，网络可以知道用户的TA，用户可以进行小区重选；如果用户是在EMM-REGISTERED和ECM-CONNECTED状态，无线承载已建立，网络可以知道用户所在的小区，那么用户是可以进行切换的。