LTE基本原理和系统架构

LTE基本原理和系统架构目录2LTE业务流程LTE关键技术LTE网络概述LTE网络基本架构LTE现状无线通讯系统的发展1G的模拟时代。最早的移动商用系统；语音业务2G数字时代。安全性极大提升；从小众走向大众；数据业务开始出现不同制式，GSM/CDMA/PHS…2G是一个难以置信的巨大成功，实现了难以想象的便利通讯，带来了全新机会和巨量财富，造就了一批世界级企业3G宽带时代。数倍的速率提升。寄予厚望。3.5G：3G的重生。HSDPAHSUPAHSPA+…数据业务的极大发展无线通讯系统的发展趋势4移动网络架构的演进5传统网络中数据如何在用户间传递？传统网络中的数据传递网络或子网络的目的：把数据从一个点传递到另一个点“点”不一定是最终用户；网络具有迭代性；从另一个角度看，整个网络可以划分为接入网和核心网接入网–负责所谓的“最后一公里”，连接核心网和最终用户；核心网–骨干网；LTE的引入—被称为3.9G最初LTE/SAE(SystemArchitectureEvolution系统架构演进)是3GPP体系为应对Wimax（全球微波互联接入，可以理解为Wi-Fi的广覆盖版）压力，保证3GPP体系的竞争力而推出随着WIMAX的衰落、高通停止UMB，LTE成为下一代无线网的第一选择TD-SCDMAHSPA(HSPA+)LTEWCDMAHSPAHSPA+LTECDMA1xRTTDORA(DORB)LTE8LTE的引入为了能和可以支持20MHz的WiMAX技术抗衡，LTE带宽也必须从5MHz扩展到20MHz，为此3GPP不得不放弃长期采用的CDMA技术（CDMA技术在5MHz以上大带宽时复杂度过高），而采用了新的核心复用技术，即OFDM，这和WiMAX采用了相同的方式。此外还有一个原因就是，高通在CDMA上收取的专利费过高。同时为了在RAN侧降低用户面的时延，LTE取消了一个重要的网元——无线网络控制器RNC。此外，在整体系统架构方面，核心网侧也在同步演进，推出了崭新的演进型分组系统（EPS，EvolvedPacketSystem）。这称之为系统框架演进（SAE，SystemArchitectureEvolution）。无线网和核心网都有这样大的动作，这使得LTE不可避免地丧失了大部分与3G系统的后向兼容性。9LTE要解决什么问题，达到什么目标速率提升：下行100M/上行50M目标的提出时延降低：U-plane单向5msC-plane：从idle接入100ms，从睡眠态接入50ms更高的频谱效率更灵活的带宽部署…10LTE网络特征11降低传输时延用户面时延小于5ms控制面时延小于100ms1.4MHz~20MHz可变带宽对0～15km/h的低速环境优化对15～120km/h保持高性能对120～350甚至500km/h保持连接上行峰值速率50Mbps下行峰值速率100Mbps提高小区边缘用户的数据传输速率传输时延建网成本带宽需求移动性支持数据速率LTE-TDD与FDD差异性（1）TD-LTE是时分多址的LTE，FDD-LTE是频分多址的LTE。简单的说，时分就是不同的用户占用不同的时间，而频分是不同的用户占用不同的频率。LTE是3GPP标准化组织给他的下一代无线通信标准取的名字。这个标准分为TDD和FDD（2）目前全球来看，绝大部分国家的运营商都采用FDD-LTE的模式。只有中国的CMCC和日本SoftBankMobile宣布采用TD-LTE。印度的部分运营商可能会采用TDD模式（3）TDD和FDD各有千秋，并不能说TDD就比FDD的好，但相对FDD来说，TDD具有如下一点最大的优势：灵活的带宽配比，频谱利用率较高（尤其是非对称业务）（4）CMCC已确定采用TD-LTE模式，已开始布局。目前正处于外场测试，预商用阶段。ChinaUnicom和Telecom目前没有布局LTE的计划，可能采用各自现有技术的升级的方式来布局抗衡CMCC12目录13LTE业务流程LTE关键技术LTE网络概述LTE网络基本架构LTE现状LTE网络基本架构与3G网络相比，LTE的网络结构更为简化，其主要特点为：业务平面与控制平面完全分离化核心网趋同化,交换功能路由化网络扁平化,全IP化不在需要RNC,大部分功能转移到基站实现以数据业务为主14LTE网络基本架构—EPS网元及接口15LTE网络基本架构MME功能NAS信令以及安全性功能3GPP接入网络移动性导致的CN节点间信令空闲模式下UE跟踪和可达性漫游鉴权承载管理功能（包括专用承载的建立）ServingGW支持UE的移动性切换用户面数据的功能E-UTRAN空闲模式下行分组数据缓存和寻呼支持LTE网络基本架构LTE相关的节点接口•S1-MMEE-UTRAN和MME之间的控制面协议参考点•S1-UE-UTRAN和发Serving-GW之间的接口每个承载的用户面隧道和eNodeB间路径切换（切换过程中）•X2eNodeB之间的接口，类似于现有3GPP的Iur接口•LTE-Uu无线接口，类似于现有3GPP的Uu接口LTE网络基本架构—协议架构接口协议主要分三层两面，三层主要包括了物理层、数据链路层和网络层，两面是指控制平面和用户平面。18数据链路层同时位于控制平面和用户平面：在控制平面负责无线承载信令的传输、加密和完整性保护；在用户平面主要负责用户业务数据的传输和加密。网络层是指无线资源控制（RRC）层，位于接入网的控制平面，负责完成接入网和终端之间交互的所有信令处理。数据链路层网络层LTE网络基本架构—协议架构LTE总体的协议结构19UE–eNodeB的空口协议栈20L2---PDCP层用户面和控制面数据传送头压缩功能(仅数据面)加密完整性保护(仅控制面)切换时的处理21L2---RLC层无线链路控制协议RLC层位于MAC层之上，为用户和控制数据提供分段和重传业务。每个RLC实体由RRC配置，并且根据业务类型有三种模式：透明模式（TM）、非确认模式（UM）、确认模式（AM）。在控制平面，RLC向上层提供的业务为无线信令承载（SRB）；在用户平面，当PDCP和BMC协议没有被该业务使用时，RLC向上层提供无线承载（RB）；否则RB业务由PDCP或BMC承载。22L2---MAC层逻辑信道到传输信道的映射逻辑信道数据的复用/解复用空口调度是L2的核心协议层和发动机每用户一个数据MAC调度器每小区一个23RRC功能划分LTE中RRC子层功能与原有UTRAN系统中的RRC功能相同，包括有系统信息广播、寻呼、建立释放维护RRC连接等。RRC的状态为RRC_IDLE和RRC_CONNECTED两类UMTS的RRC状态CELL_DCH，CELL_FACH，CELL_PCH，URA_PCH，IDLE24RRC功能•广播由非接入层（核心网）提供的信息•广播与接入层相关的信息•建立、维持及释放UE和UTRAN之间的一个RRC连接•建立、重配置及释放无线承载•分配、重配置及释放用于RRC连接的无线资源•RRC连接移动功能•控制所需的QoS•UE测量的报告和对报告的控制•外环功率控制•加密控制•慢速动态信道分配•寻呼•初始小区选择和重选•上行链路DCH上无线资源的仲裁•RRC消息完整性保护25RRC_IDLE状态NAS配置UE指定的DRX；系统信息广播；寻呼；小区重选移动性；UE将分配一个标识来独立的在一个跟踪区中唯一识别该UE；eNB中没有存储RRC上下文26RRC_CONNECTED状态UE建立一个E-UTRAN-RRC连接；E-UTRAN中存在UE的上下文；E-UTRAN知道UE归属的小区；网络可以与UE之间进行数据收发；网络控制移动性过程，例如切换；邻区测量；在PDCP/RLC/MAC级：:UE可以与网络之间收发数据；UE监测控制信令信道来判定是否正在传输的共享数据信道已经被分配给UE；UE报告信道质量信息和反馈信息给eNB；eNB控制实现按照UE的激活级别来配置DRX/DTX周期，以便于UE省电和有效利用资源。27LTE网络基本架构—信道类型信令流、数据流在各层之间传送，要通过不同的信道来承载，各逻辑信道、物理信道对应关系如下所示(逻辑信道，传输信道，物理信道)：28LTE网络基本架构—信道类型29LTE网络基本架构—帧结构LTE网络中信息的传输是以帧来传送的，对于TDD和FDD来说，帧的结构是不同的。对于FDD，在每一个10ms中，有10个子帧可以用于下行传输，并且有10个子帧可以用于上行传输。上下行传输在频域上进行分开，如下图所示：30#0#1#18#19#2Sub-frameslotOneradioframe=10msLTE网络基本架构—帧结构对于TDD，一个无线帧10ms，每个无线帧由两个半帧构成，每个半帧长度为5ms。每一个半帧由8个常规时隙和DwPTS(DownlinkPilotTimeslot)、GP(GuardPeriod)和UpPTS(UplinkPilotTimeslot)三个特殊时隙构成，总长度为1ms。31Oneradioframe=10msOnehalfframe=5ms#0#2#3#4#5#7#8#91msDwPTSUpPTSGPDwPTSUpPTSGP目录32LTE业务流程LTE关键技术LTE网络概述LTE网络基本架构LTE现状LTE网络关键技术33多载波技术•下行：OFDMA(正交频分多址接入OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess)•上行：SC-FDMA(单载波频分多址接入SingleCarrierFrequencyDivisionMultipleAccess)多天线技术•分集增益•阵列增益•空间复用增益新的扁平网络架构•接入网仅由eNodeB构成OFDM的引入通信系统中的数据传输速率越来越高数据传输速率提高后将直接导致每个码元的传输周期缩短在无线通信系统中，存在多径效应，这样当码元传输周期缩短时，码间干扰会更加严重，从而导致检测性能下降如果将并行传输技术引入通信系统中，则可以同时传输多个码元，这样在总数据传输速率相同时，每个码元的传输周期可以大大增长OFDM技术恰恰可以利用正交子载波组来实现并行传输，从而增强系统对码间干扰的鲁棒性20世纪五六十年代，美国军方创建了世界上第一个多载波调制系统20世纪七十年代，出现大规模子载波和频率重叠技术的OFDM系统20世纪九十年代，随着数字信号处理技术的发展，OFDM系统在发射端和接收端分别采用IFFT和FFT来实现，从而导致系统实现复杂度大大降低，使得该技术开始广泛应用34OFDM原理将数据进行串并转换，得到N路并行的数据流，并将它们调制到相互正交的子载波上，各个子载波的频谱相互交叠OFDM系统的发射信号中，各个载波之间是完全正交的OFDM系统的子载波间隔为OFDM符号周期的倒数，每个子载波的频谱均为SINC函数，该函数以子载波间隔为周期周期性地出现零值，这样恰好在其他子载波的峰值位置处贡献为零35OFDM技术的优点和缺点优点：•频谱利用率高（保护频带小/子频带相互正交）•抗多径干扰（符号传递时间长/额外增加CP）•抗频率选择性衰落（频选调度）•信道估计与均衡实现简单缺点：•对频率偏移特别敏感，收发两端晶振的不一致会引起ICI，虽然在接收端可以通过频率同步来获取频率偏移并进行校正，但由于频偏估计的不精确而引起的残留频偏将会使信号检测性能下降•在移动环境下，由于终端移动而引起的多普勒频谱扩展，同样会引起ICI，这就要求系统设计时合理地配置各种参数以尽量降低ICI对检测性能的影响•PAPR较大，对功放和削波提出了更高的要求•OFDM是TD-LTE区别于3G系统最关键的技术；36多天线简介多天线技术可以理解为：在发射端和(或)接收端使用多个天线，并结合一定的信号处理技术的相关技术的通称根据要达到的目的不同，可以采用不同的多天线技术•多天线可以用来提供分集，抵