LTE协议简介.ppt

1,LTE协议简介,吴伟民 电子与信息工程系,2,什么是LTE,2004年，3GPP开始了通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunication System，UMTS）技术的长期演进(Long Term Evolution，LTE)项目。 LTE、UMB以及WiMAX 802.16m，都是以正交频分复用（OFDM）为核心技术，被看作“准4G技术”。 LTE、UMB以及WiMAX的演进路线如下图。,3,LTE演进路线,4,LTE网络架构,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，网络结构趋近于IP宽带网络结构。,5,LTE系统架构,eNB之间由X2接口互联 eNB和UE之间由Uu空中接口互联。 eNB又和演进型分组核心网（EPC）通过S1接口相连，S1接口的用户面终止在服务网关(S-GW),控制面终止在移动性管理实体(MME)上。,E-UTRAN和EPC的功能划分,eNB的功能,无线资源管理功能（Functions for Radio Resource Management） 无线承载控制（Radio Bearer Control） 无线接入控制（Radio Admission Control） 连接移动性控制（Connection Mobility Control） UE资源动态分配（Dynamic allocation of resources for UE） IP头压缩及加密（IP header compression and encryption）; UE附着请求时MME选择; 用户数据向服务网关路由; 寻呼消息的调度和传输; 广播消息的调度和传输; 测量和测量汇报配置; PWS消息调度和传输（PWS：Public Warning System，公共预警系统） CSG 处理（CSG：Close Subscriber Group）.,MME 功能,NAS 信令; NAS 信令安全signalling security; AS 安全控制 TA列表管理 PDN网关和S-GW选择 MME切换时的MME选择 切换到2G/3G的3GPP接入网时的SGSN选择 认证 承载管理功能，包括专用承载建立 信令的合法性侦听 UE可达处理,SGW 功能,对eNB之间的切换而言，服务网关是本地移动的锚点（Anchor point）; 缓存ECM空闲态时的下行分组包，发起网络触发的服务请求过程。 合法的监听 分组路由和隧道转发 在上行和下行上，做传输级的分组包标记，如基于关联的EPS承载的QCI来设置业务分级码点 每UE、PDN、QCI的上下行计费，如对由本地进行业务寻路时的漫游UE计费 运营商之间计费时，按每用户和每QCI的粒度进行计费统计,PGW功能,对用户的分组数据进行过滤 合法监听 用户IP地址分配 在上行和下行上，做传输级的分组包标记，如基于关联的EPS承载的QCI来设置业务分级码点（DiffServ Code Point）; 上下行业务及关口控制 上下行业务级速率控制,无线接口协议（Uu接口）,无线接口协议根据用途分为用户平面(User Plane)协议栈和控制平面(Control Plane)协议栈 用户平面主要执行头压缩、调度、加密等功能,用户面,控制面,用户平面协议,无线接口协议（Uu接口）,控制平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。,控制平面协议,控制平面功能,RRC sublayer, e.g.: 广播; 寻呼; RRC连接管理; RB控制; 移动性; 用户测量汇报和控制.,控制平面功能,NAS控制协议 : EPS承载管理; 鉴权; ECM-IDLE 移动性处理; ECM-IDLE 寻呼管理; 安全控制.,部署家庭基站(HeNB)的网络架构,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控制平面协议,S1-U用户平面协议,X2接口,X2接口实现eNB之间的互联，X2接口控制平面和用户平面定义与S1接口一致,X2接口控制平面协议,X2接口用户平面协议,层1（L1） 帧结构,FDD 帧结构,LTE无线帧持续时间10ms，支持两种类型的帧结构：,层1（L1） 帧结构,TDD 帧结构（5ms周期）,层1（L1）协议框架-下行传输信道,下行传输信道类型主要有以下几种。 广播信道（BCH）。固定的预定义传输格式，能够在整个小区覆盖区域内广播。 下行共享信道（DL-SCH）。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；能够在整个小区发送；能够使用波束赋形；支持动态或半静态资源分配；支持终端非连续接收以达到省电的目的；支持MBMS业务传输。 寻呼信道（PCH）。支持终端非连续接收以达到省电的目的；要求能在整个小区覆盖范区域内发送；映射到PDSCH物理信道 多播信道（MCH）。要求能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传输合并；使用半静态资源分配。,层1（L1）协议框架上行传输信道,上行传输信道类型主要有以下两种。 上行共享信道（UL-SCH）。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应用链路适应的能力；能够使用HARQ；动态或半静态资源分配。 随机接入信道（RACH）。承载有限的控制信息；冲突碰撞。,层1（L1）协议框架物理信道,Physical broadcast channel (PBCH) Physical control format indicator channel (PCFICH) Physical downlink control channel (PDCCH) Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) Physical downlink shared channel (PDSCH) Physical multicast channel (PMCH) Physical uplink control channel (PUCCH) Physical uplink shared channel (PUSCH) Physical random access channel (PRACH),层1（L1）协议框架-传输信道与物理信道的映射,物理层通过“传输信道”为MAC层和高层提供信息传输的服务。传输信道与物理信道的映射关系如图。,下行传输信道与物理信道的映射关系图,层1（L1）协议框架-传输信道与物理信道的映射,上行传输信道与物理信道的映射关系图,层1（L1） MIMO-OFDM技术简介,LTE的空中接口采用以OFDM技术为基础的多址方式，采用15kHz的子载波宽度，通过不同的子载波数目（721200）实现可变的系统带宽（1.420M） 在具体的实现方式上，根据上下行通信和设备特点的不同，LTE分别选择多载波OFDMA和单载波SC-FDMA作为下行和上行的多址方式,OFDMA与SC-FDMA,OFDM是一种多载波调制的传输技术，将数据流通过串并转换，形成多路子数据流（N路），使用它们分别去调制N路子载波后进行并行传输。子数据流的速率是原来的1/N，即符号周期是原来的N倍，使得该符号周期远大于信道的时延扩展，从而实现了将一个宽频带频率选择性信道划分为N个窄带平坦衰落信道，使得OFDM信号具有很强的抗无线信道多径干扰和脉冲干扰的能力。 然而由于多路信号在频域的并行传输，叠加后形成的时域输入信号具有较大的动态范围，即峰均比（信号功率峰值与均值之比）变化范围较大。由于基站功率放大器的能力较强，因此在下行方向上峰均比不会成为影响系统性能的主要因素,OFDMA与SC-FDMA,在上行方向上采用的单载波SC-FDMA多址方式，具体实现方式为DFT-SOFDM,同样采用15kHz的子载波带宽以及不同子载波数目实现可变的系统带宽。 单载波信号的峰均比的特性对上行发送的功率效率和终端成本有重要的影响，这也是LTE选择单载波SC-FDMA作为上行多址的主要原因,LTE中的MIMO方案,在完成调制后，基带将进行MIMO相关处理，LTE物理层支持不同的发射跳线数目（1/2/4/8），以及多种MIMO方案，包括单天线发送、空间复用和发送分集。物理层通过“层映射”和“预编码”的操作进行具体实现。,层2（L2）协议框架,层2主要是由MAC、RLC以及PDCP等子层构成。,层2下行架构图,层2（L2）协议框架,层2下行架构图,层2（L2）协议框架,层2的架构图中，层与层之间的连接点称为服务接入点（Service Access Point，SAP）。PDCP向上层提供的服务是无线承载，提供可靠头压缩（ROCH）功能与安全保护。RLC与MAC之间的服务为逻辑信道。MAC提供逻辑信道到传输信道的复用与映射。 上行架构与下行架构的区别主要为，下行反映网络侧的情况，处理多个用户；上行反映终端测的情况，只处理一个用户。,层2协议框架MAC层功能,MAC层功能，MAC主要实现与调度和HARQ相关的功能，具体包括以下内容。 逻辑信道与传输信道之间的映射。 RLC协议数据单元（PDU）的复用与解复用。 业务测量与上报。 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。 通过动态调整进行的UE之间的优先级管理。 传输格式选择。 填充。,层2（L2）协议框架-逻辑信道,Broadcast Control Channel (BCCH) Paging Control Channel (PCCH) Common Control Channel (CCCH) Multicast Control Channel (MCCH) Dedicated Control Channel (DCCH) Dedicated Traffic Channel (DTCH) Multicast Traffic Channel (MTCH),层2（L2）协议框架-传输信道与逻辑信道的映射,上行信道映射,层2（L2）协议框架-传输信道与逻辑信道的映射,下行信道映射,MAC层主要过程和操作随机接入,以下场景下，需要发起随机接入过程 从RRC_IDLE状态下发起初始接入时； 无线链路失败（RLF）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)；,MAC层主要过程和操作随机接入,随机接入过程流程图,竞争的随机接入,无竞争的随机接入,MAC层主要过程和操作调度,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 以PRB为单位调度（15K Hz，1ms的12个OFDM子载波） 时/频/空/功率资源分配给不同的UEs和不同的业务，保证各种业务的QoS，提高系统的容量 频率选择性调度增益（多用户分集技术） 基本调度原则 eNB负责上下行的调度，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 给予UE的UL-SCH的资源是对应一个UE的，而不是对应一个RB,动态调度过程示意图,MAC层主要过程和操作半静态调度,SPS调度由RRC层配置启动，周期性的使用固定的时频资源，这些资源不参与动态调度 SPS调度的初始化 SPS调度的HARQ传输 SPS调度的释放,MAC层主要过程和操作HARQ过程,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。,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NACK， 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NACK,前向信道,反馈信道,MAC层主要过程和操作HARQ过程,FDD，8个HARQ通道（Channel or Process），多通道停等ARQ；TDD不同上下行配比时， HARQ通道数目不同 按照重传发生的时刻来区分 HARQ分为同步HARQ和异步HARQ 按照调制编码方式是否可变又分为自适应HARQ和非自适应HARQ 在LTE中上行采用同步自适应HARQ，下行采用异步自适应HARQ,同步HARQ与异步HARQ,同步HARQ是指一个HARQ进程的传输(重传)发生在固定的时刻，由于接收端预先已知传输的发生时刻，因而不需要额外的信令开销来标识HARQ进程的序号，此时的HARQ进程的序号可以从子帧号获得； 异步HARQ是指一个HARQ进程的传输可以发生在任何时刻，接收端预先不知道传输的发生时刻，因此HARQ进程的处理序号需要连同数据一起发送。,同步HARQ与异步HARQ,同步HARQ具有以下的优势：控制信令开销小，在每次传输过程中的参数都是预先已知的，不需要标出HARQ的进程序号； 异步HARQ具有以下的优势：如果采用完全白适应的HARQ技术，同时在资源分配时，可以采用离散、连续的子载波分配方式，调度将会具有很大的灵活性；可以支持一个子帧的多个HARQ进程。,MAC层主要过程和操作-复用与组包,层2协议框架RLC层结构,层2协议框架RLC层功能,RLC主要实现ARQ相关的功能，具体包括一下几点。 对上层PDU的传输支持确认模式（AM）或者非确认模式（UM）或者透明模式（TM）。 通过ARQ机制进行错误修正。 根据传输块（TB）大小进行动态分段，分段产生的RLC PDU不包含任何填充（Padding）。 重传时对PDU进行重分段，重分段的数目没有限制。 同一RB的多个业务数据单元（SDU）串接。 顺序传送上层的PDU（切换时除外）。 重复检测。 底层协议错误检测与恢复。 eNB和UE之间的流控。 SDU丢弃。 复位。,RLC pdu 帧结构,RLC pdu帧结构,RLC TM实体,TM 数据流程,RLC UM 实体,UM 数据流程,RLC AM 实体,AM 数据流程,层2协议框架PDCP层功能,PDCP子层的主要功能如下： 头压缩与解压缩 用户面数据传输，包括从IP接收数据转发给RLC层，反之亦然 切换时对上层PDU的顺序递交，实现无丢包切换 底层SDU的重复检测 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层控制面结构图,PDCP层用户面结构图,层（L，RRC）协议框架,寻呼 RRC连接建立、保持和释放，包括临时标识的分配、信令无线承载（SRB）的配置 安全功能。RRC消息的完整性保护 点对点无线承载（RB）的建立、修改和释放 移动性管理实体功能。UE测量报告以及为了小区间和RAT间的移动性进行的报告控制、小区间切换、UE小区选择和重选以及小区选择和重选控制、 eNB间的通信上下文的传输 QoS管理 UE测量上报及测量