第四章 TD-LTE空中接口协议规范

 第四章TD-LTE空中接口协议规范4.1空中接口结构概述空中接口是指终端与接入网之间的接口，简称Uu口，通常也成为无线接口。在TD-LTE中，空中接口是终端和eNodeB之间的接口。空中接口协议主要是用来建立、重配置和释放各种无线承载业务的。空中接口是一个完全开放的接口，只要遵守接口规范，不同制造商生产的设备就能够互相通信。空中接口协议栈主要分为三层两面，三层是指物理层、数据链路层、网络层，两面是指控制平面和用户平面。从用户平面看，主要包括物理层、MAC层、RLC层、PDCP层，从控制平面看，除了以上几层外，还包括RRC层，NAS层。RRC协议实体位于UE和ENB网络实体内，主要负责对接入层的控制和管理。NAS控制协议位于UE和移动管理实体MME内，主要负责对非接入层的控制和管理。空中接口协议栈具体结构如图4-1和4-2所示。层2（MAC层、RLC层、PDCP层）各层具体功能将在后面几节中描述。4-1空中接口用户面协议栈结构eNBPHYUEPHYMACRLCMACMMERLCNASNASRRCRRCPDCPPDCP4-2空中接口控制面协议栈结构4.2信道的定义和映射关系TD-LTE沿用了UMTS里面的三种信道，逻辑信道，传输信道与物理信道。从协议栈的角度来看，物理信道是物理层的，传输信道是物理层和MAC层之间的，逻辑信道是MAC层和RLC层之间的，它们的含义是：（1）逻辑信道，传输什么内容，比如广播信道（BCCH），也就是说用来传广播消  息的；（2）传输信道，怎样传，比如说下行共享信道DL-SCH，也就是业务甚至一些控制消息都是通过共享空中资源来传输的，它会指定MCS，空间复用等等方式，也就说是告诉物理层如何去传这些信息；（3）物理信道，信号在空中传输的承载，比如PBCH，也就是在实际的物理位置上采用特定的调制编码方式来传输广播消息了。4.2.1物理信道物理层位于无线接口协议的最底层，提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能。物理信道可分为上行物理信道和下行物理信道。TD-LTE定义的下行物理信道主要有如下6种类型：（1）物理下行共享信道（PDSCH）：用于承载下行用户信息和高层信令。（2）物理广播信道（PBCH）：用于承载主系统信息块信息，传输用于初始接入的参数。（3）物理多播信道（PMCH）：用于承载多媒体/多播信息。（4）物理控制格式指示信道（PCFICH）：用于承载该子帧上控制区域大小的信息。（5）物理下行控制信道（PDCCH）：用于承载下行控制的信息，如上行调度指令、下行数据传输是指、公共控制信息等。（6）物理HARO指示信道（（PHICH）：用于承载对于终端上行数据的ACK/NACK反馈信息，和HARO机制有关。TD-LTE定义的上行物理信道主要有如下3种类型：（1）物理上行共享信道（PUSCH）：用于承载上行用户信息和高层信令。（2）物理上行控制信道（PUCCH）：用于承载上行控制信息。（3）物理随机接入信道（PRACH）：用于承载随机接入前道序列的发送，基站通过对序列的检测以及后续的信令交流，建立起上行同步。4.2.2传输信道物理层通过传输信道向MAC子层或更高层提供数据传输服务，传输信道特性由传输格式定义。传输信道描述了数据在无线接口上是如何进行传输的，以及所传输的数据特征。如数据如何被保护以防止传输错误，信道编码类型，CRC保护或者交织，数据包的大小等。所有的这些信息集就是我们所熟知的“传输格式”。传输信道也有上行和下行之分。TD-LTE定义的下行传输信道主要有如下4种类型：（1）广播信道（BCH）：用于广播系统信息和小区的特定信息。使用固定的预定义格式，能够在整个小区覆盖区域内广播。（2）下行共享信道（DL-SCH）：用于传输下行用户控制信息或业务数据。能够使用HARQ；能够通过各种调制模式，编码，发送功率来实现链路适应；能够在整个小区内发送；能够使用波束赋形；支持动态或半持续资源分配；支持终端非连续接收以达到节电目的；支持MBMS业务传输。（3）寻呼信道（PCH）：当网络不知道UE所处小区位置时，用于发送给UE的  控制信息。能够支持终端非连续接收以达到节电目的；能在整个小区覆盖区域发送；映射到用于业务或其他动态控制信道使用的物理资源上。（4）多播信道（MCH）：用于MBMS用户控制信息的传输。能够在整个小区覆盖区域发送；对于单频点网络支持多小区的MBMS传输的合并；使用半持续资源分配。TD-LTE定义的上行传输信道主要有如下2种类型：（1）上行共享信道（UL-SCH）：用于传输下行用户控制信息或业务数据。能够使用波束赋形；有通过调整发射功率、编码和潜在的调制模式适应链路条件变化的能力；能够使用HARQ；动态或半持续资源分配。（2）随机接入信道（RACH）：能够承载有限的控制信息，例如在早期连接建立的时候或者RRC状态改变的时候。4.2.3逻辑信道逻辑信道定义了传输的内容。MAC子层使用逻辑信道与高层进行通信。逻辑信道通常分为两类：即用来传输控制平面信息的控制信道和用来传输用户平面信息的业务信道。而根据传输信息的类型又可划分为多种逻辑信道类型，并根据不同的数据类型，提供不同的传输服务。TD-LTE定义的控制信道主要有如下5种类型：（1）广播控制信道（BCCH）：该信道属于下行信道，用于传输广播系统控制信息。（2）寻呼控制信道（PCCH）：该信道属于下行信道，用于传输寻呼信息和改变通知消息的系统信息。当网络侧没有用户终端所在小区信息的时候，使用该信道寻呼终端。（3）公共控制信道（CCCH）：该信道包括上行和下行，当终端和网络间没有RRC连接时，终端级别控制信息的传输使用该信道。（4）多播控制信道（MCCH）：该信道为点到多点的下行信道，用于UE接收MBMS业务。（5）专用控制信道（DCCH）：该信道为点到点的双向信道，用于传输终端侧和网络侧存在RRC连接时的专用控制信息。TD-LTE定义的业务信道主要有如下2种类型：（1）专用业务信道（DTCH）：该信道可以为单向的也可以是双向的，针对单个用户提供点到点的业务传输。（2）多播业务信道（MTCH）：该信道为点到多点的下行信道。用户只会使用该信道来接收MBMS业务。4.2.4相互映射关系MAC子层使用逻辑信道与RLC子层进行通信，使用传输信道与物理层进行通信。因此MAC子层负责逻辑信道和传输信道之间的映射。（1）逻辑信道至传输信道的映射TD-LTE的映射关系较UTMS简单很多，上行的逻辑信道全部映射在上行共享传输信道上传输；下行逻辑信道的传输中，除PCCH和MBMS逻辑信道有专用的PCH  和MCH传输信道外，其他逻辑信道全部映射到下行共享信道上（BCCH一部分在BCH上传输）。具体的映射关系如图4-3和图4-4所示。图4-3上行逻辑信道到传输信道的映射关系图4-4下行逻辑信道到传输信道的映射关系（2）传输信道至物理信道的映射上行信道中，UL-SCH映射到PUSCH上，RACH映射到PRACH上。下行信道中，BCH和MCH分别映射到PBCH和PMCH，PCH和DL-SCH都映射到PDSCH上。具体映射关系如图4-5和图4-6所示。图4-5上行传输信道到物理信道的映射关系图4-6下行传输信道到物理信道的映射关系  4.3媒体接入控制层4.3.1MAC层功能概述不同于UMTS，MAC子层只有一个MAC实体，包括传输调度功能、MBMS功能、MAC控制功能、UE级别功能以及传输块生成等功能块。MAC层结构如图4-7所示。随机接入控制PCCHBCCHCCCHDCCHDTCHMAC - 控制 上层PCH BCHDL-SCHUL-SCHRACH低层（解）复用逻辑信道优先级（针对UE）)控制 MCCH MTCH M CH 解复用 HARQHARQ 图4-7MAC层结构图MAC层的各个子功能块提供以下的功能：（1）实现逻辑信道到传输信道的映射；（2）来自多个逻辑信道的MAC服务数据单元（SDU）的复用和解复用；（3）上行调度信息上报，包括终端待发送数据量信息和上行功率余量信息。基于HARQ机制的错误纠正功能；（4）通过HARO机制进行纠错；（5）同一个UE不同逻辑信道之间的优先级管理；（6）通过动态调度进行UE之间的优先级管理；（7）传输格式的选择，通过物理层上报的测量信息，用户能力等，选择相应的传输格式（包括调制方式和编码速率等），从而达到最有效的资源利用；（8）MBMS业务识别；（9）填充功能，即当实际传输数据量不能填满整个授权的数据块大小时使用。各功能与位置和链路方向的对应关系如表4-1所示。表4-1MAC功能与位置和链路方向的关系MAC功能UEeNBDownlinkUplinkXXX逻辑信道与传输信道的映射XXXXX复用XX解复用XX  XXXXX通过HARQ纠错XXX传输格式选择XXX不同UE间的优先级处理XXX同一UE不同逻辑信道之间的优先级处理XXX逻辑信道优先问题XX调度信息报告XX4.3.2MAC层关键过程1.调度与UMTS不同，TD-LTE完全取消了专用信道，并引入了共享信道的概念。在不同UE不同逻辑信道之间划分共享信道资源的功能成为调度。早期的很多接入系统每个用户的业务都有专门的信道，虽然到了HSPA时已经有共享信道的概念，但是主要还是针对数据业务。LTE的几乎所有的应用与业务都是使用共享信道，由于各个业务与应用的对服务质量（QoS）的要求是不同的，如何为具有不同带宽要求、不同时延保障、不同QOS等级的各种业务合理地分配资源，在满足业务需求的基础上，提高网络的总体吞吐量和频谱效率，是分组调度的核心任务。TD-LTE中引入了动态调度和半持续调度两种调度模式，其中半持续调度是在动态调度基础上为支持VoIP等业务引入的。（1）动态调度这种方法由MAC层（调度器）实时动态地分配时频资源和允许传输的速率，灵活性很高，但控制信令开销也大，适合突发特征明显的业务。动态调度的基本过程是：a)eNodeB在控制信道上发送资源调度信令；b)UE检测控制信道，如果发现针对自己的资源调度信令，则按照信令中的信息进行数据传输。上行和下行的动态调度过程如图4-8、4-9所示。图4-8上行动态调度过程图4-9下行动态调度过程上行调度具体过程如下：（1）eNodeB通过PDCCH发送调度信令，其中包括了资源分配信息、传输块格式信息和相关的HARQ信息。（2）UE解析相应的调度信令，并生成相应的上行传输块，通过UL-SCH发送到eNodeB。  在下行调度的过程中，eNodeB在同一个子帧发送PDCCH调度信令和相应的下行业务数据，UE通过解析PDCCH获得资源分配信息、传输块格式信息和相关的HARQ信息，在DL-SCH上解析相应的业务数据传输块。（2）半持续调度（Semi-PersistentScheduling，SPS）SPS是在动态调度的基础上引入的，它是一种优化的方式（例如对于UL&DLVoIP)，用于支持分组大小相对固定、到达具有周期性特点的业务。RRC信令负责静态调度参数(周期)的配置，PDCCH信令负责激活/去激活半持续调度资源。既然是周期性需要的，不采用事先配置的原因是因为在TD-LTE中，PDCCH的资源是非常宝贵，上下行共用，这样做可以减少PDCCH资源的占用。半持续调度方式是指在TD-LTE的调度传输过程中，eNodeB在初始调度通过PDCCH指示UE当前的调度信息，UE识别是半持续调度，则保存当前的调度信息，每隔固定周期在相同的时频资源位置上进行该业务数据的发送或接收。容易理解，使用半持续调度传输，可以充分利用话音数据包周期到达的特点，一次授权，周期使用，可以有效的节省LTE系统用于调度指示的PDCCH资源。以典型的VoIP业务为例，VoIP业务激活期间其数据包到达周期为20ms，如果采用动态调度方式，调度每一个话音分组都需要单独发送PDCCH，将进入很大的控制开销。但如果采用半持续调度方式，则eNodeB只要通过PDCCH给UE半持续调度指示，UE即按照PDCCH的指示进行本次调度数据的传输或者接收，并且在每隔20ms之后，在相同的SPS资源