LTE 系统结构

nullLTE 系统结构LTE 系统结构3GPP长期演进null移动通信系统发展历程移动通信系统发展历程IMT-AdvancedLTE2G1G使用蜂窝组网，广泛应用的标准有AMPS、TACS等，采用模拟技术和频分多址(FDMA)等技术目前应用最广泛的通信系统，主要包括GSM、IS-95等,完全采用数字技术，使用FDM、TDM、CDMA等技术。提供数字化的语音业务及低速数据业务国际标准有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、WiMax。技术指标：室内速率2Mbps，室外速率384kbps，行车速率144kbps。能够实现语音业务、高速率传输及宽带多媒体、无线接入Internet等服务。 采用OFMA及MIMO技术，在200MHz系统带宽下，下行峰值速率100Mbps，上行峰值速率50MHz，提供VoIP及IMS等高速率数据传输服务。？LTE演进路线LTE演进路线 3GPP（3rd Generation Partnership Project）于1998年12月成立，是一个由无线工业及商贸联合会ARIB、CCSA、欧洲电信标准研究所ETSI、电信行业解决方案联盟ATIS、电信技术协会TTA和电信技术委员会TTC合作成立的通信标准化组织。 3GPP是一个致力于制定3G、LTE、IMT-Advanced标准的全球标准化组织。 3GPP2(第三代合作伙伴计划2): 该组织是于1999年1月成立，由北美TIA、日本的ARIB、日本的TTC、韩国的TTA四个标准化组织发起，主要是制订以ANSI-41核心网为基础，CDMA2000为无线接口的第三代技术规范。 3GPP组织制定的4G标准 第二条演进路线是 IEEE802.16系列的宽带无线接入标准，被称作WiMax。LTE的主要技术特征 LTE的主要技术特征 3GPP从“系统性能要求”、“网络的部署场景”、“网络架构”、“业务支持能力”等方面对LTE进行了详细的描述。与3G相比，LTE具有如下技术特征： 　　(1)通信速率有了提高，下行峰值速率为100Mbps、上行为50Mbps。 　　(2)提高了频谱效率，下行链路5(bit/s)/Hz，(3--4倍于R6版本的HSDPA);上行链路2.5(bit/s)/Hz，是R6版本HSU-PA的2--3倍。 　　(3)以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。 　　(4)QoS保证，通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务(如VoIP)的服务质量。 　　(5)系统部署灵活，能够支持1.25MHz-20MHz间的多种系统带宽。保证了将来在系统部署上的灵活性。 　　(6)降低无线网络时延：子帧长度0.5ms和0.675ms，解决了向下兼容的问题并降低了网络时延，时延可达U-plan<5ms，C-plan<100ms。 　　(7)增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率。如MBMS(多媒体广播和组播业务)在小区边界可提供1bit/s/Hz的数据速率。 　　(8)强调向下兼容，支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。 　　与3G相比，LTE更具技术优势，具体体现在：高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容。 LTE的关键技术LTE的关键技术多载波技术多天线技术分组交换多载波技术多载波技术传统的频分复用/频分多址（FDM/FDMA）技术将较宽的频带分成若干较窄的子载波进行并行发送。为了避免各子载波之间的干扰，不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔。 正交频分复用（OFDM）各个子载波重叠排列，同时保持子载波之间的正交性，以避免子载波之间的干扰。部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率。传统FDM频谱OFDM频谱多载波技术多载波技术LTE下行链路采用正交频分多址(OFDMA)技术。 LTE上行链路采用单载波频分多址(SC-FDMA)技术，避免OFDM调制中因高PARA(峰均比)带来的对功放的线性化要求。 OFDM与SC-FDMA的频谱结构OFDM系统框图OFDM系统框图串并转换IFFT并串转换加入循环前缀数模变换多径传播 模数变换去除循环前缀串并转换FFT并串转换SnRnn(t)OFDM调制OFDM解调SC-FDMA系统框图SC-FDMA系统框图LTE下行链路SC-FDMA采用DFT-S-OFDM方式实现DFT-S-OFDM系统框图M点FFTN点IFFT串并转换循环前缀串并转换调制调制用户数据调制调制LTE的关键技术LTE的关键技术多载波技术多天线技术分组交换MIMO系统MIMO系统空间-时间 编码器空间-时间 解码器MIMO系统示意图s1s2sMrr1r2rMRsH r使用多天线的MIMO技术能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天线发射总功率的情况下，可有效对抗无线信道衰落的影响，大大提高系统的频谱利用率和信道容量。多天线技术多天线技术分集增益：利用多个天线提供的空间分集，可以改进多径衰落信道中传输的可靠性。 阵列增益：通过预编码或波束成形，集中一个或多个指定方向上的能量。这也允许不同方向上的多个用户同时获得服务。 空分复用增益：利用空间信道的强弱相关性，在多个相互独立的空间信道上，传递不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。空分复用增益阵列增益分集增益LTE的关键技术LTE的关键技术多载波技术多天线技术分组交换分组交换分组交换LTE是完全面向分组的多服务系统。 使用分组交换，可以令分组的长度与相关时间可比，使得分组都落在信道质量较好的时间段。时间无线衰落信道快速自适应的分组调度电路交换的资源分配nullLTE网络结构LTE网络结构LTE采用 “扁平”的无线访问网络结构，取消RNC节点，简化网络设计。实现了全IP路由，各个网络节点之间与Internet没有什么太大的区别，网络结构趋近于IP宽带网络结构。EPS概述EPS概述LTE致力于无线接入网的演进（ E-UTRAN ）。 系统架构演进（SAE）则致力于分组网络的演进（演进型分组核心网EPC）。 LTE和SAE共同组成演进型分组系统（EPS）。EPS网络结构EPC E-UTRAN 用户设备 EPS的功能划分EPS的功能划分E-UTRAN组成结构E-UTRAN组成结构EPS网络节点示意图网络结构包括CN(EPC)、E-UTRAN、UE。 eNodeB通过X2接口连接，构成E-UTRAN(接入网)，eNodeB通过S1接口与EPC(CN)连接， UE通过LTE-Uu接口与eNodeB连接。eNodeB实现的功能eNodeB实现的功能无线资源管理 ● 无线承载控制 ● 无线准入控制 ● 连接移动性控制 ● UE上下行动态资源分配 IP数据包头压缩和用户数据流加密 UE连接期间选择MME 寻呼消息的调度和传输 广播信息的调度和传输 移动和调度的测量，并进行测量和测量报告的配置 E-UTRAN总体架构核心网(EPC)核心网(EPC)HSSP-GWS-GWMMEPCRFE-UTRANSGiS5/S8S1-US6aS1-MMEGxRxOperator’s IP services(e.g. IMS, PSS) LTE/SAE的核心网负责UE的控制和承载建立，EPC包含的逻辑节点有： PDN Gateway(P-GW)、Serving Gateway(S-GW)、Mobility Management Entity(MME) 、Home Subscribier Server(HSS) 、Policy Control and Charging Rules Function(PCRF)。EPC组成结构核心网节点功能核心网节点功能P-GW主要实现功能S-GW主要实现功能UE的IP地址分配 QoS保证 计费 IP数据包过滤 所有IP数据包均通过S-GW UE在小区间切换时，作为移动性控制锚点 下行数据缓存 LTE与其他3GPP技术互联时作为移动性锚点无线接口协议无线接口协议无线接口协议根据用途分为用户面(User plane)协议栈和控制面(Control plane)协议栈。用户面控制面用户面主要执行头压缩、调度、加密等功能控制面主要执行系统 信息广播、RRC连接 管理、RB控制、寻呼、移动性管理、测量配置及报告等E-UTRAN用户面E-UTRAN用户面ApplicationIPRLCMACPDCPL1RLCMACPDCPL1GTP-U UDP/IPL1RelayUDP/IPGTP-UL1GTP-UUDP/IPL1RelayL2L2IPUDP/IPL2GTP-UL1L2UEeNodeBServing GWPDN GWLTE-UuS1-US5/S8用户面协议栈E-UTRAN控制面E-UTRAN控制面NASRRCRLCMACPDCPL1RLCMACPDCPL1SCTPL1RelayS1-APIPL2SCTPL1L2UEeNodeBMMELTE-UuS1-MMERRCS1-APIPNASNAS控制面协议栈S1接口S1接口S1接口连接E-UTRAN与CN，S1控制平面接口(S1 -MME)位于eNB和MME之间，S1用户平面接口(S1-U)位于eNB和S-GW之间。S1-MME控制面协议栈S1-U用户面协议栈传输网络层建立在IP传输之上，GTP-U用来携带用户平面PDU传输网络层利用IP传输，为可靠传输信令，在IP之上，添加SCTP，应用层信令协议为S1-APX2接口X2接口X2接口实现eNodeB之间的互联，X2接口控制平面和用户平面接口定义域S1接口一致。X2接口控制面协议栈X2接口用户面协议栈EPS承载与QoSEPS承载与QoS承载(Bearer)是UE和网关之间有相应QoS(Quality of Service)保障的IP数据包。 为了应对同时发生的多种形式的服务，EPS根据不同的服务对QoS的不同要求，将Bearer分为两类： GBR bearer Minimum Guaranteed Bit Rate bearer(保证比特率承载) 可应用于VoIP等面向连接的服务,bearer可分配到持久的无线资源。 Bearer NON-GBR bearer 不保证比特率，可用于浏览网页或ftp等服务，不分配持久的无线资源。EPS承载与QoSEPS承载与QoS每一个bearer都有一个QoS等级标记(QCI)及分配与保留优先级(ARP)。brearer与其对应服务如下图所示。LTE QCI标记EPS承载与QoSEPS承载与QoS在LTE/SAE系统中，EPS承载(brearer)需要经过多层接口，逐渐映射为较低层次的承载。EPS承载经过多层接口示意图null基本概念基本概念层次结构：分层将一个复杂的通信问题划分为多个不同层次的工作，每一层实现一种相对独立的功能，通过层间的接口使用下层提供的服务，并向上层提供服务。 协议：控制两个或多个对等实体、对等层次进行通信的规则的集合。 服务访问点：在同一系统中，相邻两层的实体进行交互的逻辑接口称为服务访问点(Service Access Point)。 平面：同一个系统中，实现某一方面功能的协议栈，称作平面。LTE将系统分为控制面(Control Plane)和用户面(User Plane)。用户设备的状态用户设备的状态用户设备(User Equipment, UE)的无线资源控制(Radio Resource Control, RRC)状态决定了接入层所执行的操作和过程。RRC状态有两种：空闲状态(RRC_IDLE)或连接状态(RRC_CONNECTED)。 1.UE有特定的非连续接收(DRX)。 2.监听广播信道，获取系统信息。 3.监听寻呼信道，检测来电。 4.UE执行小区选择和重选。空闲连接1.获得E-UTRAN分配的无线资源。 2.可以与网络交互数据。 3.向网络报告缓存状态和信道质量。 4.由eNB控制小区切换。无线资源控制(RRC)无线资源控制(RRC)RRC协议主要完成以下功能：连接控制完成RRC连接的建立、修改和释放，包括寻呼、安全性控制、建立信令无线承载(SRB)和数据无线承载(DRB)、切换、配置低层等操作。移动性管理完成各种无线接入技术(RAT)间的切换。测量配置与报告完成频率内、频率间以及RAT间的测量。无线资源控制(RRC)无线资源控制(RRC)无线协议架构如图所示。垂直方向上的直线明了信道之间的映射关系。传输信道通过物理层提供的功能，映射到物理信道上逻辑信道通过MAC层提供的功能，映射到传输信道上系统信息系统信息系统信息被封装成多个系统信息块(System Information Blocks, SIBs)，每个系统信息块包含一系列功能相关的。LTE的连接控制LTE的连接控制连接控制包括以下内容：安全性密钥管理安全性密钥管理保证安全性的两种手段：加密和完整性保护安全性密钥的产生过程图连接的建立和释放连接的建立和释放UE还有两类非接入层的状态： EPS移动性管理(EMM)状态—— EMM-DEREGISTERED和EMM-REGISTERED EPS连接管理(ECM)状态—— ECM-IDLE和ECM-CONNECTED 状态组合图连接建立的消息流程DRB的建立DRB的建立为了建立、修改或释放DRB，E-UTRAN应用了RRC连接配置，主要的配置参数如下：1. 对于使用小分组的服务(如VoIP)，需要配置分组数据汇聚协议(PDCP)，使其进行首部压缩，从而减少系统开销。 2. 实时性强、准确性要求较低的服务不应使用RLC确认模式(Acknowledged Mode)，一般情况下都可以选用RLC AM。3. UE需要将上行资源划分给不同的无线承载，E-UTRAN使用优先级和优先化比特率来控制资源的划分方式。 4. UE可以配置一个非连续接收(DRX)周期，除非当前服务对延时的要求非常严格。 5. 对于分组速率半静态的服务(如VoIP)，可以通过配置半坚持的调度方式，减少控制信令的开销。 6. 对传输延时不敏感的服务，可以配置混合ARQ (HARQ)，以提高信息可靠性。 移动性控制移动性控制在RRC_IDLE状态下的移动性控制是指UE执行的小区重选择(cell-reselection)。 - 在频率间的小区重选是基于优先级的，每个频率都有相应的优先级。小区特定的优先级通过系统信息给出。 - 在优先级相等的情况下，将对小区的无线链路质量进行排名。移动性控制移动性控制在RRC_CONNECTED状态下的移动性控制是指E-UTRAN执行的小区切换(handover)。 - E-UTRAN决定UE切换到哪个小区，以保持链路连接。通常E-UTRAN会要求UE报告候选小区的测量结果。 - LTE体系中，UE总是连接到单个小区上，因此从源小区到目的小区的连接交换是一种硬切换(hard handover)。移动性控制移动性控制切换的消息流程：在切换前，UE一般会向源基站发送测量报告。源基站请求一个或多个目的基站准备切换，并提供UE的上下文信息。 目的基站发出切换命令，由源基站负责转发给UE。源基站向UE发送连接重配置消息，命令UE进行切换。UE向目的小区进行随机接入。随机接入完成后，UE的接入层会将未完成的上行传输通知给上层，以便进行合适的处理。测量配置与报告测量配置与报告待测量的小区、频率周期或事件触发的准则，以及需要报告的信息标识一次测量，定义可用的测量对象及报告配置定义了每次测量结果的过滤方式在测量间隙之内，UE进行测量操作，不能安排任何上下行传输小区选择和重选小区选择和重选小区选择，是UE在所有支持的载频、所有支持的RAT之中搜索出信号最强的小区的过程。 小区选择所采用的准则称为S准则(S-criterion)。当接收功率的等级Srxlev大于0dB时，就满足了S准则。当UE驻留在一个合适的小区后，就开始进行小区重选。 首先，小区重选是基于绝对优先级的。其次，UE采用一种排名准则来比较各小区的链路质量。最后，UE验证目的小区的可接入性。 当多个小区都满足S准则时，UE采用R准则对小区排序。服务小区的排名为Rs，相邻小区的排名为Rn。当一个相邻小区的排名比服务小区高，并维持一段时间Treselection，UE就重选至该小区。小区选择小区重选null用户面和控制面 无线接口协议栈根据用途分为用户平面协议栈和控制平面协议栈。PDCP、RLC和MAC协议合称L2协议。用户面和控制面L2的下行结构L2的下行结构L2的下行结构图L2的上行结构L2的上行结构L2的上行结构图包数据汇聚层(PDCP)包数据汇聚层(PDCP)PDCP层架构图PDCP层功能PDCP层功能头压缩与解压缩，只支持一种压缩算法，即ROHC算法； 用户名或控制面的数据传输，此功能用于PDCP用户间的数据传递； 提供PDCP序列号，供无线承载使用； 切换时对上层PDU的顺序递交； 下层SDU的复制与检测； 用户面数据和控制面数据加密。 控制面数据的完整性保护和验证； 基于定时器的丢包；PDCP层功能(控制面)PDCP层功能(控制面)PDCP层控制面结构图PDCP层功能(用户面)PDCP层功能(用户面)PDCP层用户面结构图加密与完整性保护加密与完整性保护加密用户面数据和控制面数据： 控制面：PDCP PDU的数据部分和MAC-I部分(message authentication code )被加密；如果控制面数据没有完整性保护，则MAC-I部分仍然存在，不过值设置为0； 用户面：PDCP PDU的数据部分被加密； 加密的算法和密钥都是高层设置的，加密的激活也是由高层来做的。 完整性保护应用于控制面数据(SRB) 包括完整性保护和完整性验证； 完整性保护的算法和密钥都是高层设置的，它的激活也是由高层来做的。PDCP的丢包处理PDCP的丢包处理PDCP实体收到上层递交的一个PDCP SDU，就会为这个SDU启动一个Discard_Timer； 当一个PDCP SDU的Discard_Timer超期时，UE就会丢弃这个PDCP SDU以及由它生成的PDCP PDU。如果这个PDCP PDU已经传递到底层的话，就向底层发一个丢弃指示命令。PDCP Reordering window无线链路层（RLC）无线链路层（RLC）RLC的结构TM 实体TM 实体TM实体结构图UM 实体UM 实体UM实体结构图AM 实体AM 实体AM实体结构图RLC层功能RLC层功能传送RLC PDU； 通过ARQ，进行错误校验(仅在AM数据传输时)； 分段、组合和重组RLC SDU(仅在UM和AM数据传输时)； 重新分段和重新组合RLC PDU(仅在AM数据传输时)； 上层PDU的顺序发送(仅在UM和AM数据传输时)； 复制检测，检测收到的RLC PDU复制(仅在UM和AM数据传输时)； RLC SDU丢弃(仅在UM和AM数据传输时)； RLC连接重建； 协议的错误发现和恢复机制； eNB和UE之间的流控制。RLC AM的ARQ功能RLC AM的ARQ功能RLC AM实体的发送侧发送RLC数据PDUs到对端RLC AM实体，对端接收侧接收到RLC数据PDUs，并在以下两种情况下发送状态报告给发送侧 收到发送侧发来的Polling 检测到RLC数据PDU接收失败 发送侧会进行重传在以下两种情况 收到接收侧发来的状态报告指示有数据包未接收成功 本发送侧底层发来的HARQ发送失败指示null当收到高层丢弃指示命令丢弃特定的RLC SDU时，UM或AM RLC实体的发送端应该丢弃指示的RLC SDU(只有在该SDU还没有被映射到RLC 数据PDU中)RLC AM的状态报告发送方触发(通过在RLC PDU中置Polling位为’1’来触发) 最后一个包，发方buffer中没有数据 T_Poll_Retransmit定时器超时(Polling触发后没有收到回应) 每发送完Poll_PDU个PDU后将P为置为’1’(PDU个数触发) 每发送完Poll_Byte个字节后将P为置为’1’ (Byte位触发) 接收方触发 检测到接收的RLC数据PDU错误时，触发状态报告RLC的丢包功能媒体接入层(MAC)媒体接入层(MAC)MAC层的功能通道和映射CCCHDCCHDTCHRACHUL-SCHPCCHBCCHCCCHDCCHDTCHMCCHMTCHPCHBCHDL-SCHMCH(a)上行逻辑信道与传输信道映射关系图下行逻辑信道下行传输信道(b)下行逻辑信道与传输信道映射关系图上行逻辑信道上行传输信道通道和映射MAC层的主要过程和操作MAC层的主要过程和操作随机接入的场景随机接入的场景从RRC_IDLE状态下发起初始接入时； 无线链路失败后发起初始接入； 在RRC_CONNECTED期间，上行数据到达需要进行随机接入时(例如当上行同步状态是“异步”或者没有专用的调度请求信道可用时)； 切换需要进行随机接入过程时； 在RRC_CONNECTED期间，下行数据到达需要进行随机接入时(例如当上行同步状态是“异步”的情况)；随机接入过程随机接入过程基于竞争的随机接入过程流程图基于非竞争的随机接入过程流程图DRXDRXDRX:在一定时间段内停止监听PDCCH DRX的目的:令RRC-CONNECTED状态下的UE节省电量和提高资源利用率，而不必转换到RRC-IDLE状态 与DRX相关的参数： On duration Timer: UE每次从DRX醒来后维持醒着的时间,UE在该段时间内搜索PDCCH Inactivity Timer: UE在醒着时每次成功解码HARQ初始发送的PDCCH后保持active的时间 Active Time: UE从DRX醒来后保持醒着的总时间 HARQ RTT Timer: UE预期DL Retransmission到达的最少间隔时间 DRX Retransmission Timer: UE预期接收DL Retransmission的时间 DRX cycle length: DRX cycle length一旦配置/重配置就固定，即不会因为active time大于on duration而变化。DRXDRXDRX操作时序图调度调度目的 调度的好坏对于系统的性能影响很大，对于LTE十分重要 最好的利用时/频/空/功率资源用于不同的UEs和不同的业务，保证各种业务的QoS，提高系统的容量 基本调度原则 eNB负责上下性的调度，上下行是不同的调度器负责 调度器需要考虑的因素包括业务的QoS，业务量以及相关的无线承载，无线条件以及UE能力等 给于UE的UL-SCH的资源是对应一个UE的，而不是对应一个RB调度方式调度方式动态调度 对于UL-SCH 和 DL-SCH是最基本的调度方式 半静态调度 是一种优化的方式（例如对于UL & DL VoIP) RRC信令负责静态调度参数(周期)的配置 PDCCH信令复杂激活/去激活半静态调度资源动态调度过程动态调度过程动态调度过程图例HARQ(混合冗余重传)HARQ(混合冗余重传)FEC编码FEC纠错或检错如果收到ACK， 则发送下一组码； 如果收到NAK， 则重传当前码组。接收无错码组， 则反馈ACK； 针对不可纠错码组，反馈NAK前向信道反馈信道HARQ通信系统如下图所示，是在一个ARQ(自动请求重传)系统中包含一个FEC(前向纠错)子系统。FEC部分用来纠正信道中经常出现的错误，以减少重传次数，而提高系统通过效率。ARQ部分的作用是纠正那些不常出现的、FEC不能纠正的错误，以提高系统的可靠性。这样，HARQ方式可以实现比FEC高得多的可靠性和比ARQ更高的传输效率。HARQ通信系统HARQ(混合冗余重传)HARQ(混合冗余重传)快速重传/ 组合增益 多进程的停止等待 对于下行传输: 自适应的异步HARQ UE通过PUCCH/PUSCH向eNB反馈ACK/NAK信息 PDCCH控制HARQ的进程数 重传由PDCCH调度 对于上行传输: 非自适应的同步HARQ 对每个UE配置最大发送数 eNB通过PHICH向UE反馈ACK/NAK信息物理层物理层对于LTE的物理层的多址方案，在下行方向上采用基于循环前缀的正交频分复用(OFDM)，在上行方向上采用基于循环前缀的单载波频分多址(SC-FDMA)。为了支持成对的和不成对的频谱，支持频分双工(FDD)模式和时分双工(TDD)模式。 物理层是基于资源块(PRB)以带宽不可知的方式进行定义的，从而允许LTE的物理层适用于不同的频谱分配。一个资源块在频域上或者占用12个宽度为15kHz的子载波，或者占用24个宽度为7.5kHz的子载波。 LTE支持两种类型的无线帧结构：类型1，适用于FDD模式；类型2，适用于TDD模式。每一个无线帧的长度为10ms，由20个时隙构成，每个时隙长度为0.5ms。物理层物理层物理层为MAC层和高层提供信息传输服务，物理层传输服务是通过如何以及用什么样的特征数据在无线接口上传输来实现的，此称为“传输信道”。下行传输信道类型 广播信道(BCH) 下行共享信道(DL-SCH) 寻呼信道(PCH) 多播信道(MCH) 上行传输信道类型 上行共享信道(UL-SCH) 随机接入信道(RACH)下行物理信道类型 物理下行共享信道(PDSCH) 物理广播信道(PBCH) 物理多播信道(PMCH) 物理控制格式指示信道(PCFICH) 物理下行控制信道(PDCCH) 物理HARQ指示信道(PHICH) 上行物理信道类型 物理上行共享信道(PUSCH) 物理上行控制信道(PUCCH) 物理随机接入信道(PRACH)物理层信道映射物理层信道映射Thank you!Thank you!