2013年底,工信部正式发放了 4G牌照,这也意味着业界期盼已久的LIE正式进入了商用阶段。LTE相对于3G,具有更大的技术优势和更好的用户体验。目前国内外的设备商主要是做大型的LTE核心网通信设备,在小型的LTE专网核心网设备这个领域事实上是有空白的。而一个小型的LTE专网系统往往能够以低成本解决诸如煤矿和油田等复杂危险环境下的实际通信问题,具有非常大的研究与实用价值。本课题的背景就是这样的LTE专网核心网系统。本文研究与实现了 LTE核心网非接入层控制面移动性管理协议栈EMM。该协议栈负责LTE核心网非接入层一切移动性管理信令的交互与传输,包括手机开机注册、关机注销、跟踪区域更新、服务请求、鉴权、安全模式控制、身份识别等信令流程,关系到整个LTE系统的正常运行。EMM协议栈同时也是LTE核心网设备的重要组成部分,因此研究与实现该协议栈具有非常重要的意义。本文首先介绍了 LTE核心网的概念和特性,这其中包括LTE核心网的整体架构,相关接口,网元功能,以及诸如IMSI,GUTI等LTE系统中的标识。接着介绍了 LTE核心网控制面和用户面协议栈。之后设计实现了与EMM模块相关的核心网架构以及基础通用模块,系统架构采用了事件驱动的任务调度模型,当该LTE核心网系统开始运行时,系统会不断轮询当前接收的事件,也就是信令,接收到了信令之后根据控制面的协议栈层次对消息进行解码,之后根据相应的情况去回复信息,从而保证整个LTE核心网系统的正常有效运转。几个基础通用模块完成了以下功能:状态机模块是一个存放函数指针的二维数组,横向是状态的枚举值,纵向是动作的枚举值,这样系统就可以根据当前的状态以及接收到的消息去判断下一步的动作;UE上下文管理模块是一个哈希表的数据结构,这个模块保证了核心网移动性管理实体MME能够与特定的手机进行通信并存储手机签约信息以及缓存消息;消息编解码模块分别对NAS消息和S1AP消息进行编解码,保证了信令的正确性;定时器模块控制系统时间。本文在系统的架构、状态机的设计、消息编解码上都有创新性的设计。LTE核心网移动性管理模块总共有七大信令流程,分别是手机的注册,注销,服务请求,跟踪区域更新,鉴权,安全模式控制,身份识别流程。本文根据3GPP协议,将这七个流程分为了两部分,分别是特殊流程和一般流程。特殊流程包括手机的注册,注销,服务请求,跟踪区域更新。本设计在处理特殊流程时分为了两个部分,分别是前期处理部分和后期处理部分。特殊过程的前期处理部分需要调用普通过程,普通过程执行完毕后再次回到特殊过程进行后续处理,完成这个特殊过程,这样做既符合3GPP协议的思想并且使信令流程合理化。一般流程包括手机的鉴权,安全模式控制以及身份识别,对于一般流程的处理,本设计只设计了发送和接收函数,这样使信令流程的处理更加的简单明晰。最后,本设计采用python脚本模拟手机UE和基站EnodeB,采用网络包分析工具Wireshark对本LTE核心网软件系统EMM模块进行了测试,测试结果证明本系统能够应对LTE核心网EMM信令交互的各种情况,符合LTE核心网技术指标。