LTE网络概述及原理 v1.0.

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1 LTE网络概述及原理 v1.0

2 课程内容 LTE网络基础 LTE网络架构 LTE网络结构及网元功能 LTE系统接口和协议 空口协议栈结构 LTE关键技术

3 LTE网络基础 移动通讯技术演进 移动通信从2G、3G到4G发展过程，是从低速语音业务到高速多媒体业务发展的过程。
1G：模拟制式的移动通信系统， 具代表性的有70年代的美国 AMPS系统，实现了国内范围 的语音通信。 2G：第二代数字蜂窝通信系统， 80年代末开发，全数字化系统 实现了通话质量和系统容量的 提升，开启了全球化的移动通 信时代，其主要代表系统有 GSM系统和CDMA系统。 3G：第三代移动通信技术，移动多媒体蜂窝通讯技术，实现无线通信和国际互联网融合，提供语音、图像、音乐、视频等各种多媒体数据业务，要求提供2Mbps标准用户速率（室内）或144Kbps速率（高速移动）。目前3G标准有4个：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA（由中国制定的3G标准），以及WiMAX（802.16系列标准） 4G： 第四代移动通信技术，宽带大容量的高速蜂窝系统，支持100Mbps~150Mbps下行网络带宽，提供交互多媒体业务，高质量影像，3D动画和宽带互联网接入等业务，用户体验最大能达到20Mbps下行速率。 LTE：长期演进LTE（Long Term Evolution）是3GPP组织主导的新一代无线通信系统，也称之为演进的UTRAN（Evolved UTRA and UTRAN）的研究项目，全面支撑高性能数据业务，“未来10年或者更长时间内保持竞争力”，3GPP的LTE标准在无线接入侧分为LTE FDD和TD-LTE。

4 LTE网络基础 LTE系统主要性能和目标 与3G相比，LTE主要性能特征： 通信速率大幅提高， 20MHz系统带宽的条件下：
下行链路的瞬时峰值数据速率在，可以达到100Mbps（5 bps/Hz）（网络侧2发射天线，UE侧2接收天线条件下）； 上行链路的瞬时峰值数据速率，可以达到50Mbps（2.5 bps/Hz）（UE侧单发射天线情况）。 频谱效率的提高： 下行链路5(bit/s)/Hz，是R6版本的HSDPA的3~4倍，此时R6 HSDPA是1发1收，而LTE是2发2收; 上行链路2.5(bit/s)/Hz，是R6版本HSU-PA的2~3倍，此时R6 HSUPA是1发2收，LTE也是1发2收。 带宽灵活配置，能够支持1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz等不同系统带宽，并支持成对(paired)和非成对(unpaired)的频谱分配，系统部署更灵活。 更低网络时延： 控制面的传输时延<100ms； 用户面时延<5ms。 移动性： 能为低速移动（0~15km/h）的移动用户提供最优的网络性能； 能为15~120km/h的移动用户提供高性能的服务； 对120~350km/h（甚至在某些频段下，可以达到500km/h）速率移动的移动用户能够保持蜂窝网络的移动性。 支持多种接入： 支持3GPP（如GSM、WCDMA等）与非3GPP（如Wi-Fi、WiMAX等）的多种接入方式，同时支持多模终端的无缝移动。 控制承载分离： 承载与控制分离的结构是指控制面的信令和用户面的承载分别由独立的网元负责，优化了用户面的性能，同时节约网络节点和承载网的投资。 取消CS（电路交换）域: 取消原有CS域，EPC成为移动通信业务的基本承载网络。原有短信、语音等传统的电路域业务将借助VoLTE模式承载，也可以采用CSFB（CS Fall Back）等方案依旧使用电路域来承载。

5 LTE网络基础 LTE频段划分

6 Project Co-ordination Group (PCG)
LTE网络基础 3GPP组织架构 Project Co-ordination Group (PCG) TSG GERAN GSM EDGE Radio Access Network GERAN WG1 Radio Aspects GERAN WG2 Protocol Aspects GERAN WG3 Terminal Testing TSG RAN Radio Access Network RAN WG1 Radio Layer 1 spec RAN WG2 Radio Layer 2 spec Radio Layer 3 RR spec RAN WG3 lub spec, lur spec, lu spec UTRAN O&M requirements RAN WG4 Radio Performance Protocol aspects RAN WG5 Mobile Terminal Conformance Testing TSG SA Service & Systems Aspects SA WG1 Services SA WG2 Architecture SA WG3 Security SA WG4 Codec SA WG5 Telecom Management TSG CN Core Network & Terminals CT WG1 MM/CC/SM (lu) CT WG3 Interworking with external networks CT WG4 MAP/GTP/BCH/SS CT WG6 Smart Card Application Aspects

7 课程内容 LTE网络基础 LTE网络架构 LTE网络结构及网元功能 LTE系统接口和协议 空口协议栈结构 LTE关键技术

8 LTE网络架构 LTE系统网络架构 + = 主要网元
MME / S-GW S1 移动性管理 服务网关 MME/SGW 与 eNode B的接口 EPC E-UTRAN Node B RNC + = eNB EPS X2 eNode B Uu eNB与 eNB之间的接口 主要网元 LTE采用扁平化的网络结构，无线接入网E-UTRAN部分仅包含3G接入网中的NodeB网元（3G的无线接入网元包含控制器（RNC）、基站（NodeB）两部分）。整个LTE/SAE系统由核心网（EPC） 、基站（eNB）和用户设备（UE）三部分组成,其中EPC和E-UTRAN两大系统合称EPS(Evolved Packet System)： EPC（Evolved Packet Core），负责核心网部分，主要包括MME、S-GW和P-GW等网元。MME主要负责信令处理，包括负责移动性管理、承载管理、用户的鉴权认证、SGW和PGW的选择等功能；S-GW主要负责用户面处理，负责数据包的路由和转发等功能； P-GW主要负责管理3GPP和non-3GPP间的数据路由等PDN网关功能。 eNB，eNodeB（Evolved Node B，即演进型Node B简称eNB），负责无线接入功能，以及E-UTRAN的地面接口功能，包括实现无线承载控制、无线许可控制和连接移动性控制；完成上下行的UE的动态资源分配（调度）；IP头压缩及用户数据流加密；UE附着时的MME选择；S-GW用户数据的路由选择；MME发起的寻呼和广播消息的调度传输；完成有关移动性配置和调度的测量和测量报告。 UE，User Equipment，包含手机，智能终端，多媒体设备，流媒体设备等。

9 LTE网络架构 网元功能 接入网和核心网功能划分
小区间RRM RB控制 连接移动性管理 无线接入控制 eNB测量管理 动态资源分配 (调度) RRC PDCP RLC MAC PHY eNB1 S1 E-UTRAN EPC NAS安全 MME 空闲态移动性管理 EPS承载控制 S-GW 移动锚点 P-GW UE IP地址分配 分组过滤 Internet eNB2 X2 E-UTRAN提供空中接口功能（包含物理层、MAC、RLC、PDCP、RRC功能）、以及小区间的RRM功能、RB控制、连接的移动性控制、无线资源的调度、对eNB的测量配置、对空口接入的接纳控制等。 EPC通过MME、S-GW和 P- SW等控制面节点和用户面节 点完成NAS信令处理和安全管 理、空闲的移动性管理、EPS 承载控制以及移动锚点功能、 UE的IP地址分配、分组过滤等 功能。

10 R8 R5 R4 R99 LTE网络架构 3GPP协议版本的演进 继承WCDMA R4所有的业务和功能 核心网增加IM（IP多媒体域）
继承2G（GSM和GPRS）所有的业务和功能 核心网分CS电路域和PS分组域 接入网引入WCDMA UTRAN 核心网和接入网之间的Iu接口基于ATM 继承WCDMA R99所有的业务和功能 电路域结构的变化：控制和承载相分离，MSC可以用合一或SERVER、MGW分离结构实现 电路域引入分组话音，支持多种传输技术：TDM，ATM，IP 继承WCDMA R4所有的业务和功能 核心网增加IM（IP多媒体域） RAN向IP方向发展 增强的IP QoS 能力，支持端到端的IP多媒体业务 启动了LTE项目的标准制定 启动了系统架构演进（SAE) 标准制定 IMS技术增强 R8 R5 R4 R99 规范完成时间 2000 2001 2002

11 LTE网络架构 EPC核心网架构 移动核心网发展与演进
伴随着移动通信从2G、3G到4G发展，LTE核心网由2/3G核心网的分组域进行IP化、扁平化、控制承载分离的平滑演进网络。标准LTE网络架构下，所有用户只接入分组域，未来所有业务都通过分组域提供。 1 用户面两级结构 2 控制面和用户面合一 3 通常采用TDM /ATM/IP链路承载 普通2/3G核心网 1 扁平化的核心网 2 部分控制承载分离 3 ALL IP承载 3G DTS模式核心网 1 扁平化网络 2 控制承载分离 EPC架构 SGSN GGSN 2/3G GERAN /UTRAN ATM /TDM/IP ATM/ TDM/IP IP 3G-DTS UTRAN SAE-GW MME LTE/EPC 统一核心网 统一IP承载方式 统一扁平化的网络 GSM TDSCDMA Non-3GPP LTE eUTRAN

12 LTE网络架构 承载全IP化 网络扁平化 2/3G核心网内部均采用全IP承载方式。2/3G核心网分组域与无线接入网之间是多种承载方式并存即TDM/ATM/IP同时存在。 LTE/EPC阶段，网络结构将全IP话，即用IP完全取代传统ATM及TDM. 在2/3G 核心网分组域中，用户数据处理经过”NodeB->RNC->GGSN->GGSN->外部数据网“四个节点，数据每经过一个节点都需要经过拆包再 重新打包。这种结构即增加成本又增加时延。 在HSPA R7阶段3GPP提出了针对性的解决方案，即DT(直接隧道)技术，用户平面增加NodeB通过RNC经直接隧道连接GGSN的通道。在Flat HSPA+R7中，取消RNC，将部分RNC的功能直接融入基站，NodeB基站经直接隧道连接GGSN，这个阶段，用户数据仅需要经过两跳处理。 EPC网络架构继承了DT思路，省去传统的基站控制器（RNC、BSC），基站控制器的大部分功能转移到基站eNodeB实现，核心网侧最少只需SAE-GW一个网元实现用户面处理。原来的四级架构演变为“eNodeB->SAE-GW->外部数据网”，体现了扁平化的演进思路。 控制承载分离 EPC核心网网络架构秉承了控制与承载分离的理念，将2/3G分组域中SGSN的控制面功能与用户面功能相分离，分别由两个网元来完成，其中MME负责移动性管理、信令控制等控制面功能，SGW负责媒体流处理及转发等用户面功能。 GGSN的用户面功能不变，由PGW承担原GGSN的职能。

13 LTE网络架构 LTE EPC网架构 3G 无线网 4G无线网 2G无线网
SGSN HSS MME SGW PGW BSC RNC BTS NodeB eNodeB 运营商业务 PCRF 控制面消息 用户面数据 EPC S6d S6a S3 S4 S10 S11 S1-MME S1-U S5 (GTP) Rx Gx SGi SAE-GW: SGW+PGW ePDG S2b S2a/c 非 3GPP 接入网络 S10x 3GPP CS 核心网 切换 2G无线网 3G 无线网 4G无线网 EPC系统能够支持多种接入技术，即能和现有3GPP 2/3G系统进行互通，也能支持Non-3GPP网络（例如WLAN、CDMA、Wimax）的接入。

14 LTE网络架构 EPC核心网主要由移动性管理设备（MME）、服务网关（S-GW）、分组数据网关（P-GW）及存储签约信息的HSS和策略控制单元（PCRF）等组成，其中S-GW和P-GW逻辑上分设，物理上可以合设，也可以分设。主要网元功能如下： MME（Mobility Management Entity，移动管理实体） MME为控制面功能实体，临时存储用户数据的服务器，负责管理和存储UE相关信息，比如UE用户标识、移动性管理状态、用户安全参数，为用户分配临时标识。当UE驻扎在该跟踪区域或者该网络时负责对该用户进行鉴权，处理MME和UE之间的所有非接入层消息。 SGW（Serving Gateway，服务网关） SGW为用户面实体，负责用户面数据路由处理，终结处于空闲状态的UE（用户终端设备）的下行数据，管理和存储UE的承载信息，比如IP承载业务参数和网络内部路由信息。 PGW（PDN Gateway，分组数据网网关） PGW负责UE接入PDN的网关，分配用户IP地址，同时是3GPP和非3GPP接入系统的移动性锚点。用户在同一时刻能够接入多个PDN GW。 HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器） HSS存储并管理用户签约数据，包括用户鉴权信息、位置信息及路由信息。 PCRF（Policy and Charging Rule Functionality，策略和计费规则功能实体） PCRF功能实体主要根据业务信息和用户签约信息以及运营商的配置信息产生控制用户数据传递的QoS（Quality of Service，服务质量）规则以及计费规则。该功能实体也可以控制接入网中承载的建立和释放。 EPC架构中各功能实体间的接口协议均采用基于IP的协议，部分接口协议是由2G/3G分组域标准演进而来，部 分是新增协议，如MME与HSS间S6a接口的Diameter协议等。详细介绍可以参考接口与协议部分。

15 LTE网络架构 LTE/EPC网络中涉及的主要接口及接口协议如下表

16 根据接口功能的不同，LTE系统接口可以分为两类，信令接口和数据接口。纯LTE接入情景下，网络架构及相应接口协议如下：
S6a NAS S1AP SCTP IP L1/L2 MME S1-MME Diameter SCTP/TCP IP L1/L2 HSS 信令接口 数据接口 信令流 数据流 RCPF Sig GTP-C UDP IP L1/L2 Diameter SCTP/TCP IP L1/L2 S11 Gx NAS RRC PDCP RLC MAC PHY Data GTP-U UDP IP L1/L2 Data Sig GTP-U/GTP-C UDP IP L1/L2 Data IP L1/L2 PDN eNB UE SGW PGW SGi S1-U S5/S8

17 LTE网络架构 LTE接口与协议 控制面协议栈 LTE核心网接口协议根据功能不同，分为控制面和用户面。
控制面协议实现E-UTRAN和EPC之间的信令传输，包括RRC（Radio Resource Control,无线资源控制）信令、S1-AP信令以及NAS（Non Access Stratum,非接入层）信令。 NAS RRC PDCP RLC MAC PHY NAS S1AP SCTP IP L2 L1 Diameter SCTP IP L2 L1 Diameter SCTP IP L2 L1 RRC PDCP RLC MAC PHY S1AP SCTP IP L2 L1 LTE-Uu S1-MME S6a UE eNodeB MME HSS NAS是完全独立于接入技术的功能和过程，是UE和MME之间的所有信令交互，包括EMM（EPS Mobility Management,EPS移动性管理）消息和ECM（EPS Session Management,EPS会话管理）消息。这些过程都是在非接入层信令连接建立的基础上才发起的，也就是这些过程对于无线接入是透明的，仅仅由UE与EPC核心网之间的交互过程。 其中RRC信令和S1AP信令作为NAS信令的底层承载。RRC支撑所有UE和eNodeB之间的信令过程，包括移动过程和终端连接管理。当S1AP支持NAS信令传输过程时，UE和MME之间的信令传输对于eNodeB来说是完全透明的。 S6a是HSS与MME之间的接口，此接口也是信令接口，主要实现用户鉴权、位置更新、签约信息管理等功能。

18 LTE网络架构 用户面协议栈 UE eNodeB SGW PGW PDN
用户面协议展示了UE与外部应用服务器之间通过LTE/EPC网络进行应用层数据交互的整个过程。用户面协议最左端是UE,最右端的是应用服务器,EPS的用户面处理节点包括eNodeB、SGW及PGW. APPI IP PDCP RLC MAC PHY APPI IP L2 L1 IP GTP UDP L1/L2 IP L2 L1 PDCP RLC MAC PHY GTP UDP IP L1/L2 GTP UDP IP L1/L2 GTP UDP IP L1/L2 UE eNodeB SGW PGW PDN LTE-Uu S1-U S5/S8 SGi 应用层数据不仅包括用户语音和网页浏览的数据，还包括应用层相关的SIP和RTCP协议。 应用层数据通过IP层进行路由，在到达目的地之前通过核心网中的网关(SGW和PGW)路由。 GTP(GPRS隧道协议)，GTP隧道对于终端和服务器是完全透明，仅仅更新EPC和E-UTRAN节点间的中间路由信息。

19 S1AP协议介绍 LTE网络架构 S1控制面基本过程：
S1AP 提供E-UTRAN 和演进型分组核心网EPC之间（即eNodeB和MME之间）的信令服务 S1AP协议主要功能如下： 1. UE上下文管理：包括承载的建立、修改和释放； 2. 承载管理：包括用户在不同eNodeB间和不同3GPP技术移动时的S1接口切换； 3. NAS信令传输过程：对应UE和MME间的信令传输，对于无线侧此过程完全透明； 4. 寻呼：当用户做被叫时使用。 S1控制面基本过程： 基本过程 相关消息 NAS传输过程 初始化UE 上行NAS传输 下行NAS传输 寻呼过程 寻呼消息 承载管理 承载的建立、修改和释放 用户上下文管理 上下文建立 切换管理 包括用户在不同eNodeB间和不同3GPP技术移动时的S1接口切换

20 GTP协议介绍 LTE网络架构 S11/S3/S4/S1-U/S12
GTP(GPRS Tunnel Protocl,GPRS隧道协议)的基本功能是提供网络节点之间的隧道建立，分为GTP-C和GTP-U两类。 GTP-C（GTP-控制面）负责传送路径管理、隧道管理、移动性管理和位置管理等相关信令消息，用于对传送用户数据的隧道进行控制。 GTP-U（GTP-用户面）用于对所有用户数据进行封装并进行隧道传输； 在EPC网络中，GTP-C使用GTPV2版本，GTP-U使用GTPV1版本。 在EPC网络中使用GTP-C的接口包括S11、S3、S4、S10以及S5/S8。使用GTP-U的接口包括S1-U和S12。 GTP-C/GTP-U UDP IP L2 L1 GTP-C/GTP-U UDP IP L2 L1 S11/S3/S4/S1-U/S12 消息类型值 消息举例 消息方向 路径管理消息 Echo Request Echo Response 隧道管理消息 Create Bearer Request PGWSGW, SGWMME/S4-SGSN Create Bearer Response MME/S4-SGSNSGW,SGWPGW Modify Bearer Request Modify Bearer Response Delete Bearer Request Delete Bearer Response 移动性管理消息 Identification Request 新MME/SGSN 老MME/SGSN Identification Response 老MME/SGSN  新MME/SGSN

21 DIAMETER协议介绍 LTE网络架构 S6a/Gx 命令名称 缩写 命令码 Update-Location-Request ULR
Diameter 协议是用于AAA（鉴权、认证和计费） 的基本协议和一组应用。基本协议提供可靠传输、消 息传送和差错处理的基本机制。 Diameter协议用于PGW与PCRF之间，用于传递用户的Qos规则以及计费规则。 Diameter协议用于MME与HSS之间完成鉴权、授权、位置管理以及用户数据管理等功能，主要消息包括： 鉴权消息，完成用户合法性检查。 位置更新消息，记录或更新用户的位置信息。 HSS发起清除MME中的用户记录。 HSS发起的插入用户签约数据。 HSS发起删除MME中保存的所有或者部分用户数据。 MME通知HSS删除去附着用户的签约数据和MM上下文。 当用户状态变化、终端改变或者用户当前APN（接入点名）的P-GW信息改变时，MME向HSS发通知请求消息。 DIAMETER协议介绍 Diameter SCTP IP L2 L1 Diameter SCTP IP L2 L1 S6a/Gx 命令名称 缩写 命令码 Update-Location-Request ULR 316 Update-Location-Answer ULA Cancel-Location-Request CLR 317 Cancel-Location-Answer CLA Authentication-Information-Request AIR 318 Authentication-Information-Answer AIA Insert-Subscriber-Data-Request IDR 319 Insert-Subscriber-Data-Answer IDA

22 课程内容 LTE网络基础 LTE网络架构 LTE网络结构及网元功能 LTE系统接口和协议 空口协议栈结构 LTE关键技术

23 空口协议栈结构 无线空口协议栈 无线空中接口（Uu空口）主要指UE和E-UTRAN间的接口，协议栈分为层1、层2和层3三层结构，同时独立承载用 户面数据和控制面数据： 层1：主要指物理层（PHY）,采用多址技术，通过信道编码和基本物理层过程，完成传输信道和物理信道之间的映射，向空口接收和发送无线数据； 层2：包括MAC （Media Access Control，媒体接入控制） 、RLC （Radio Link Control，无线链路控制）和PDCP （ Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）等子层； 层3：在控制面协议栈结构中包含RRC（Radio Resource Control）和NAS子层。 物理层PHY处于无线空口协议栈的最低层，主要负责向上层提供底层的数据传输服务，包含以下主要功能： 传输信道的错误检测并向高层提供指示； 传输信道的前向纠错编码（FEC）与编解码； 混合自动重传请求（HARQ）软合并； 传输信道与物理信道之间的速率匹配及映射； 物理信道的功率加权； 物理信道的调制与解调； 时间及频率同步； 射频特性测量并向高层提供指示； MIMO天线处理； 传输分集； 波束赋形； 射频处理； 用户面 控制面 层1 层2 PHY 物理信道 MAC RLC PDCP RRC NAS 传输信道 逻辑信道 层3

24 空口协议栈结构 LTE无线物理层 OFDM的正交性—频域描述
LTE的空口采用OFDM技术为基础的多址方式，每15kHz的频率为一个子载波宽带，通过不同的子载波数目组合 （72~1200），实现灵活可变的系统带宽（1.4~20MHz）。 OFDM（正交频分复用）： FDM OFDM 随着用户数和需要大流量的多媒体等数据业务量的激增，在3G向4G演进过程中，无线物理层采用了一种频谱效率更高的OFDM（ Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）技术，其主要原理是将信高速数据信号经过串/并变换为多个低速率数据流，通过反向快速傅立叶变化（IFFT）将每个数据流调制到多个正交的子载波上。OFDM技术还可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高了系统性能。 过去的FDM系统中，整个带宽分成N个子频带，子频带之间不重叠，为了避免子频带间相互干扰，还需在频带间加保护带宽。而OFDM的子载波相关正交，所以可以采用N个重叠的子频带，大大提升了频谱效率，从而提升了系统容量。 OFDM的正交性—频域描述

25 Switch-point periodicity
空口协议栈结构 空口无线帧结构 #0 1个无线帧 10 ms 1个时隙 0.5ms 1个子帧1ms …… #1 #8 #9 TYPE1 TPYE1帧结构适用于FDD-LTE系统 每个10ms无线帧被分为10个子帧 每个子帧包含两个时隙，每时隙长0.5ms Ts=1/(15000*2048) 是基本时间单元 任何一个子帧即可以作为上行，也可以作为下行 TYPE2 #0 1个无线帧 10 ms 1个时隙 0.5ms 1个子帧 #3 #2 #4 #7 #5 #8 #9 DwPTS GP UpPTS 半帧5ms TYPE2帧结构使用TDD-LTE系统 每个10ms无线帧包括2个长度为5ms的半帧，每个半帧由4个数据子帧和1个特殊子帧组成 特殊子帧包括3个特殊时隙：DwPTS，GP和UpPTS，总长度为1ms 支持5ms和10ms上下行切换点 子帧0、5和DwPTS总是用于下行发送 Uplink-downlink configuration Downlink-to-Uplink Switch-point periodicity Subframe number 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5 ms D S U 10 ms TDD上下行配置 LTE的Type2 TDD帧结构支持7种 不同的上下行比例分配。包括3种 5ms周期和4种10ms周期的配置。 “D”代表此子帧用于下行传输， “U”代表此子帧用于上行传输， “S”是由DwPTS、GP和UpPTS组成的特殊子帧。

26 空口协议栈结构 RB ( Resource Block) RE (Resource Element) LTE物理资源单位
最小资源单位，时域上为1个符号，频域上为1个子载波,标记为（k, l )。 RB ( Resource Block) 业务信道的资源单位，时域上为1个时隙，频域上为12个子载波。 „LTE中，每帧时长为10ms，分成10个子帧，每个子帧由两个时隙为0.5ms的半帧组成。这0.5ms又分为7个时间片。RB为一个资源块，它是一个12×7的矩形，其中12行是带宽为15kHz的12个子载波，每列就称为一个OFDM符号，共有7列。

27 空口协议栈结构 LTE 上行/下行信道 BCCH PCCH CCCH DCCH DTCH MCCH MTCH PCH DL-SCH MCH
BCH PBCH PDSCH PMCH 逻辑信道 传输信道 物理信道 UL-SCH PRACH PUSCH RACH PUCCH 下行信道 上行信道 PDCCH

28 空口协议栈结构 逻辑信道 MAC向RLC以逻辑信道的形式提供服务。逻辑信道由其承载的信息类型所定义，分为CCH和TCH，前者用于传输LTE系统所必需的控制和配置信息，后者用于传输用户数据。LTE规定的逻辑信道类型如下： BCCH信道，广播控制信道，用于传输从网络到小区中所有移动终端的系统控制信息。移动终端需要读取在BCCH上发送的系统信息，如系统带宽等。 PCCH，寻呼控制信道，用于寻呼位于小区级别中的移动终端，终端的位置网络不知道，因此寻呼消息需要发到多个小区。 DCCH，专用控制信道，用于传输来去于网络和移动终端之间的控制信息。该信道用于移动终端单独的配置，诸如不同的切换消息 MCCH，多播控制信道，用于传输请求接收MTCH信息的控制信息。 DTCH，专用业务信道，用于传输来去于网络和移动终端之间的用户数据。这是用于传输所有上行链路和非MBMS下行用户数据的逻辑信道类型。 MTCH，多播业务信道，用于发送下行的MBMS业务

29 空口协议栈结构 传输信道 对物理层而言，MAC以传输信道的形式使用物理层提供的服务。 LTE中规定的传输信道类型如下：
BCH：广播信道，用于传输BCCH逻辑信道上的信息。 PCH：寻呼信道，用于传输在PCCH逻辑信道上的寻呼信息。 DL-SCH：下行共享信道，用于在LTE中传输下行数据的传输信道。它支持诸如动态速率适配、时域和频域的依赖于信道的调度、HARQ和空域复用等LTE的特性。类似于HSPA中的CPC。DL-SCH的TTI是1ms。 MCH：多播信道，用于支持MBMS。 UL-SCH：上行共享信道，和DL-SCH对应的上行信道

30 空口协议栈结构 物理信道和信号 物理信道：一系列资源粒子（RE）的集合，用于承载源于高层的信息
物理信号：一系列资源粒子（RE）的集合，这些RE不承载任何源于高层的信息 上行物理信道 PUSCH、PUCCH、PRACH 上行物理信号 参考信号（Reference Signal：RS） 下行物理信道 PDSCH、PBCH、PMCH、PCFICH、PDCCH、PHICH 下行物理信号 同步信号：主同步信号 PSS（Primary synchronization signal）， 辅同步信号SSS(Secondary synchronization signal) 参考信号：Reference Signal

31 空口协议栈结构 UE eNB 物理层过程 小区搜索 PSS、SSS信号搜索：
物理层CELL D DL 物理信号/信道 UL 1 时隙与频率同步 2 系统信息MIB 3 系统消息SIBs 4 SSS/PSS DL-CRS PBCH PDSCH PSS、SSS信号搜索： UE开机后，在几个不同的中心频点上搜索PSS，根据信号强弱，锁定服务小区的频率和小区ID，再通 过继续搜索SSS信号，完成帧同步，并获取小区组ID，和小区ID结合获得物理层CELL ID。 DL-CRS导频信号解调： 检测下行参考信号CRS公共导频信号，获取BCH的天线配置，并完成空口物理时隙和频率的精准同步。 PBCH信道解调： 完成帧同步后，终端可以读取广播信道PBCH，可以获得系统带宽、SFN（系统帧数）、天线数、物理 信道PHICH的配置等MIB（ Master Information Block ）信息。 PDSCH信道解调： 系统信息分成MIB和SIBs（System Information Blocks），MIB仅包含了有限个重要、最常用的传输 参数。终端可以通过解调下行共享信道PDSCH，读取SIBs，获取更多例如小区接入信息、邻区列表等 系统信息。

32 空口协议栈结构 UE eNB 物理层过程 随机接入 随机接入发起： UE在随机接入信道PRACH发送随机接入序列Preamble。
DL 物理信道 UL 1 随机接入响应 2 终端ID 3 竞争解决 4 SSS/PSS PDSCH PRACH 物理信道 PUSCH 随机接入发起： UE在随机接入信道PRACH发送随机接入序列Preamble。 随机接入响应： eNB在检测到随机接入序列后，通过下行共享信道PDSCH回复响应，包括Preamble码编号，上行发 送的时间调整（TA），上行PUSCH调度信息。 上行数据发送： UE根据随机响应中的调度信息和TA信息，通过上行共享信道PUSCH发送上行数据，包括TMSI等终端 ID信息。 竞争解决： eNB向接入成功的UE反馈竞争解决消息，消息中包含接入成功的终端ID信息。

33 空口协议栈结构 空口层2结构 层2包括PDCP、RLC和MAC三个子层，下行层2结构如下图所示：

34 空口协议栈结构 MAC子层的主要功能： 逻辑信道与传输信道之间的映射；MAC业务数据单元（SDU）的复用/解复用；调度信息上报；通过HARQ进行错误纠正；同一个UE不同逻辑信道之间的优先级管理；通过动态调度进行的UE之间的优先级管理；传输格式选择；填充格式等。 RLC子层的主要功能： 上层PDU传输；通过ARQ进行错误修正（仅对AM模式有效）；RLC SDU的级联，分段和重组（仅对UM和AM模式有效）；RLC数据PDU的重新分段（仅对AM模式有效）；上层PDU的顺序传送（仅对UM和AM模式有效）；重复检测（仅对UM和AM模式有效）；协议错误检测及恢复；RLC SDU的丢弃（仅对UM和AM模式有效）；RLC重建。 用户面：头压缩与解压缩：只支持ROHC算法；用户数据传输；RLC AM模式下，PDCP重建过程中对上层PDU的顺序传送；RLC AM模式下，PDCP重建过程中对下层SDU的重复检测；RLC AM模式下，切换过程中PDCP SDU的重传；加密、解密；上行链路基于定时器的SDU丢弃功能。 控制面：加密和完整性保护；控制面数据传输。

35 课程内容 LTE网络基础 LTE网络架构 LTE网络结构及网元功能 LTE系统接口和协议 空口协议栈结构 LTE关键技术

36 LTE关键技术 OFDMA/SC-FDMA多址技术 LTE的空口采用了以OFDM技术为基础的多址方式。 OFDM
OFDM的主要思想是将高速数据信号通过串并转换成并行的低速子数据流，通过快速傅立叶反变换（IFFT）调制成若干正交的子载波进行传输，因为这些子载波相互正交，在频域上可以叠加，此外结合分集，空时编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高系统性能。 S/P IFFT S P/S OFDMA OFDMA将传输带宽划分成相互正交的子载波集，通过将不同的子载波集分配给不同的用户，可用资源被灵活的在不同移动终端之间共享，从而实现不同用户之间的多址接入。这可以看成是一种OFDM+FDMA+TDMA技术相结合的多址接入方式。

37 LTE关键技术 SC-FDMA OFDM系统的输出是多个子信道信号的叠加，如果多个信号的相位一致，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，这对发射机的线性度提出了很高的要求。所以在上行链路，基于OFDM的多址接入技术并不适合用在UE侧使用。LTE上行链路所采用的SC-FDMA多址接入技术基于DFT-spread OFDM传输方案。 下图中分别是采用OFDMA和SC-FDMA两种多址技术传输同一串字符串数据流的对比示意图。

38 LTE关键技术 MIMO多天线技术 在移动通信领域中，多径效应会引起衰落，因而被视为
无线传输的有害因素。而多天线MIMO (Multiple Input Multiple output：多输入多输出)技术充分利用 空间中的多径因素，在发送端和接收端采用多个天线， 如右图所示，通过空时处理技术实现分集增益或复用增 益，充分利用空间资源，提高频谱利用率。 多天线技术分类 MIMO SISO SIMO MISO LTE系统的MIMO传输模型： LTE系统一般在下行采用SU-MIMO，上行采用MU-MIMO下行多天线技术。

39 LTE关键技术 AMC自适应技术 高阶调制技术
PSK BPSK With 2 symbols Constellation Diagram QPSK With 4 symbols Constellation Diagram QAM With 16 symbols Constellation Diagram 16QAM QAM With 64symbols Constellation Diagram 64QAM 高阶调制技术 LTE系统上下行均支持以下三种数字调制方式：QPSK，16QAM，64QAM。通过高阶调制，一个调制符可以传送 更多的信息比特。理论上，高阶16QAM和64QAM的信息速率分别是低阶调制QPSK的2倍和3倍。在带宽资源固定 的情况下，利用高阶调制技术是提高数据速率和提高带宽利用率的有效手段之一。 64QAM 16QAM QPSK UE2 UE3 UE4 UE1 eNB AMC自适应技术 不同的调制方式有各自的特征和应用场景，低阶调制实际信息速率较 低但能保证较高的传输可靠性，高阶调制信息效率高但可靠性差，对 信道条件要求较高。为了保证可靠性前提下，尽可能提高数据吞吐率， LTE引入了AMC（ Adaptive Modulation and Coding ）自适应调 制和编码技术，根据瞬时信道质量状况和目前资源选择或动态调整最 合适的调制方式。 系统的可靠性是通信系统正常运行的基本指标，简单来说，在信道条 件较差的情况下，保证信噪比，选择传输效率低的低阶调制方式，在 信道条件好的场景或由坏转好的情况下，从低阶转化成高阶调制方式。 。

40 LTE关键技术 HARQ技术 HARQ 为保证传输可靠性和服务质量，提高系统吞吐量，移动通信系统都需要引入差错控制技术来控制误码率。传统的差
错控制技术有FEC（Forward Error coding，前向纠错）和ARQ（Automatic Repeat Request，自动重传请求）。 ARQ ARQ 接收端根据检错码检测接收的数据帧，并产生相应的ACK/NACK信息反馈给发送端。发送端 对接收到反馈信息为NACK的数据帧进行重传，直到接收到相应的ACK反馈。 FEC 发送端对源数据进行编码，得到增加了纠错码等冗余信息的编码数据并发送；接收端根据解 码算法，通过对接收数据的纠错，结合冗余信息译码，还原出源数据。 FEC HARQ HARQ HARQ(Hybrid ARQ)混合自动重传技术是将自动重传请求和前向纠错编码结合，保持了较高 的纠错性能同时，在时延、和信道适应性都有较好的保证。 发送端将源数据进行FEC编码后发送，接收端对接收数据进行FEC解码，根据解码正确与否 向发送端反馈ACK/NACK。发送端对收到ACK反馈，则继续下一个数据传输，否则启动ARQ 重传上一次发送的FEC数据帧，接收端对于重传数据和之前接收的数据合并解码，直到还原 出源数据。 HARQ =FEC+ARQ

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