（计算机系统结构专业论文）基于lte技术的enodeb系统中mac模块的设计与实现.pdf

， ： at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nc o m p u t e ra r c h i t e c t u r e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe n o d e b s y s t e m ，sm a c m o d u l eb a s e do n l t e t e c h n o l o g y b yf a n gj i a y a o s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gj i a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 r 一 4 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 - , o , - - _ 思。 学位论文作者签名： 力焉 九 日 期：加。彳1 6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年团一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：南氰屯 签字日期：) o o c 【，7 。6 导师签名：孑却 签字日期：7 伊7 7 6 产 ，声 6 一 f r 东北大学硕士论文 摘要 基于l t e 技术的e n o d e b 系统中m a c 模块的设计与实现 摘要 本文首先通过对长期演进技术( l t e ) 中无线接入网络( e u t 凡州) 协议组的分析， 总结了e n o d e b 系统中m a c 模块的主要功能，包括信道映射、信道解复用、自动混合 重传纠错、传输格式选择等功能，从而确定了本文研究的目标与范围，为后续的设计与 实现工作打下了基础。 其次，对于子模块划分的问题，本文采用了基于任务实时性要求的子模块划分方法， 将m a c 模块划分为5 个子模块，包括业务管理子模块、数据分组调度子模块、自动混 合重传子模块、缓存管理子模块和板内消息管理子模块，对协议要求的功能进行了分解 实现，同时降低了耦合性，有利于实现任务的优先级顺序处理。 在实现阶段，本文针对e n o d e b 系统管理实现问题，采用了板内消息传递机制，使 高层管理模块可以通过发送板内消息的方式来对e n o d e b 系统进行控制。在解决m a c 模块与基带硬件模块的配合问题中，本文运用了基于t t i 提前调度的调度机制，使m a c 模块可以与基带协同工作，并提供符合l t e 协议要求的上下行调度速率，以及混合自动 重传功能。运用多线程互斥技术，并充分利用了w o r k b e n c h 开发环境与v x w o r k s 操作 系统的多线程管理机制，解决了任务间的时序抢占问题，提高了m a c 模块的运行的稳 定性，满足了l t e 系统中e n o d e b 系统的时序要求。 最后，采用基于移动p o c 标准的综合测试手段，对m a c 模块的系统管理、业务吞 吐量、容错传输等方面进行了测试，验证了m a c 模块的可行性和稳定性。 关键词：长期演进技术；e n o d e b 系统；m a c ；混合自动重传；数据调度 一 o 蛾 广 o 7 东北大学硕士论文 a b s tr a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe n o d e bs y s t e m sm a c m o d u l e b a s e do nl t et e c h n o l o g y a bs t r a c t m a j o rf u n c t i o n so fm a c m o d u l ei ne n o d e bs y s t e ma r ec o n c l u d e db ya n a l y s i so ft h e e u t r a ni nl t e ，s u c ha ss i g n a lp a t hm a p p e d ，h a r qa n dt r a n s f o r m a ts e l e c t i o n ，s ot h a tt h i s r e s e a r c h so b j e c t i v ea n ds c o p ec a nb es e t t l e d ，a n dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w i n gd e s i g na n d t h es u b m o d u l ed i v i d i n gm e t h o db a s e do nt h er e a l - t i m er e q u i r e m e n ti su s e d ，m a c m o d u l ei sd i v i d e di n t of i v es u bm o d u l e si n c l u d i n go p e r a t i o n a lm a n a g e m e n tm o d u l e ，d a t a g r o u p i n gd i s p a t c hm o d u l e ， k a r qm o d u l ea n db u f f e rm a n a g e rm o d u l ea sw e l la si n t e r n a l i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tm o d u l e ，f u n c t i o n sr e q u i r e db yt h ep r o t o c o la r ea c h i e v e da n d c o u p l i n gi sr e d u c e dw h i c hc o n d u c e st op r i o r i t yo r d e rp r o c e s s i n g i n t e m a lm e s s a g ep a s s i n gm e c h a n i s mi s a d o p t e dt o d e a lw i t l le n o d e bs y s t e m ， m a i l a g 锄e n ta i l dm u se n 。d e bs y s t 锄c a i lb ec o i 咖1 1 e db ys e i l i o rm a i l a g 锄e 1 1 tm 。d u l e t h r o u g hs e n d i n gi n t e r n a lm e s s a g e s t h es c h e d u l i n gm e c h a n i s mb a s e do nt t is c h e d u l i n gi n a d v a n c ei su s e dt oc o o r d i n a t em a cm o d u l ea n db a s eb a n d ，a n dt h es c h e d u l i n gr a t ef r o mt o p t ob o t t o ml i n ei na c c o r d a n c ew i ml t e p r o t o c o la n dh a r qa r ep r o v i d e d m u t u a l l ye x c l u s i v e m u l t i - - t h r e a d e dt e c h n o l o g ya sw e l la sw o r k b e n c hd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dm u l t i t h r e a d m a n a g e m e n tm e c h a n i s mi nv x w o r k so p e r a t i n gs y s t e ma r ea d o p t e dt os o l v et h ep r o b l e mo f t i m es e q u e n c ed i s o r d e ra m o n gd i f f e r e n tt a s k ss ot h a tt h es t a b i l i t yo fm a cm o d u l ei se n h a n c e d a n dt h et i m es e q u e n c er e q u i r e m e n ti ne n o d e bs y s t e mw i t h i nl t es y s t e mi sm e t i n t e g r a t e dt e s tf a c i l i t yb a s e do nm o b i l ep o cs t a n d a r di su s e dt oc o n d u c tt e s t so ns y s t e m m a n a g e m e n to fm a cm o d u l e ，b u s i n e s st h r o u g h p u ta n df a u l t t o l e r a n tt r a n s m i s s i o n ，a n dt h e f e a s i b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fm a c m o d u l ei sv e r i f i e d k e yw o r d s ：l t e ；e n o d e b ；m a c ；r a r q ；d a t as c h e d u l e i i i _ 一 一 、- 东北大学硕士论文 目录 目录 独创性声明i 摘昙墓一i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 本文开发背景1 1 2l t e 技术提出及发展现状1 1 3 开发的目的和意义3 1 4 研究内容和组织结构。3 第2 章e n o d e b 系统与m a c 模块分析5 2 1 基于l t e 的t d d 技术分析5 2 1 1l t et d d 运行机制及优势5 2 1 2 无线帧设计及时间分配7 2 2e n o d e b 系统分析8 2 2 1e u t r a n 网络组成8 2 2 2 系统功能分析9 2 2 3 结构分析9 2 3m a c 模块分析1 1 2 3 1 模块功能分析1 1 2 3 2 数据流分析12 2 - 3 3 信道映射分析1 4 2 4 开发环境选择1 5 2 5 本章小结。1 6 第3 章m a c 模块设计17 3 1m a c 模块总体结构设计1 7 3 2m a c 子模块划分17 3 3 主要子模块功能的设计1 8 3 3 1 业务管理子模块的设计1 9 3 3 2 数据分组调度子模块的设计2 0 东北大学硕士论文目录 3 3 3h a r q 子模块的设计2 2 3 3 4 缓存管理子模块的设计2 3 3 3 5 板内消息管理子模块的设计2 4 3 4m a c 模块相关数据设计2 5 3 4 1m a c 模块上下文2 5 3 4 2m a c 调度队列2 6 3 4 3 传输数据。2 7 3 4 4h a r q 实体3 2 3 4 5p r o c e s s 队列3 2 3 4 6 接口函数设计3 3 3 4 7 公用缓存3 4 3 4 8 板内消息3 5 3 5 本章小结3 6 第4 章m a c 模块实现3 7 4 1 多线程处理技术3 7 4 2v x w o r k s 信号量3 7 4 3 多线程任务管理的实现3 7 4 4 业务管理子模块的实现3 8 4 4 1 业务建立3 8 4 4 2 业务删除3 9 4 4 3 上下行同步4 0 4 5 数据分组调度子模块的实现4 1 4 5 1 正常上行业务调度4 l 4 5 2 异常上行业务调度4 3 4 5 3 下行业务调度4 4 4 5 4 下行数据发送二4 5 4 6h a r q 子模块的实现4 6 4 6 1h a r q 实体管理的实现4 6 4 6 2p r o c e s s 管理的实现4 7 4 7 缓存管理子模块的实现4 8 v 东北大学硕士论文 目录 4 7 1 缓存申请4 8 4 7 2 缓存释放4 9 4 8 板内消息管理子模块的实现4 9 4 8 1 板内消息接收4 9 4 8 2 板内消息发送5 0 4 9 本章小结5 0 第5 章m a c 模块测试5 1 5 1 软件测试5 1 5 2 测试工具5 2 5 3 测试内容。5 2 5 3 1 单元测试5 2 5 - 3 2 系统测试5 3 5 3 3 性能测试5 5 5 4 问题总结5 6 5 5 测试结论5 6 5 6 本章小结5 7 第6 章总结5 9 6 1 本文工作总结5 9 6 2 进一步工作展望5 9 参考文献6 1 致i 射。6 5 v i 东北大学硕士论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本文开发背景 随着各种互联网应用的发展，现代无线通信系统呈现出移动化、宽带化和口化的 发展趋势。在此形势下，国际电联( i t u ) 提出了更高的要求先进国际移动通讯技术 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s a d c a n c e d ，i m t - a d v a n c e d ) ，也就是第4 代通 讯技术【1 】。 第3 代合作伙伴计划组织( 3 r dg e m e r t a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，3 g p p ) 于1 9 9 8 年 1 2 月成立。该组织在2 0 0 4 年1 2 月启动了无线接入网长期演进研究项目( l o n g t e r m e v o l u t i o n ，l t e ) ，包括演进的接入技术( 如e v o l v e d u t r a ，e u t r a ) 、接入网络( 如 e u t r a n ) ，以及面向全口的分组域核心网的演进项目( 如s y s t e m a r c h i t e c t u r e e v o l u t i o n ，s a e ) ，希望通过从无线接口到核心网络的持续演进和增强，保持自己在移 动通信领域的技术先发优势，以保证在今后1 0 年甚至更长的时间里，为运营商和用户 不断增长的需求提供满意的支持。 1 2l t e 技术提出及发展现状 l t e ( l o n g t e r me v o l u t i o n ，长期演进) 项目是3 g 的演进，始于2 0 0 4 年3 g p p 的 多伦多会议。l t e 并非人们普遍误解的4 g 技术，而是3 g 与4 g 技术之间的一个过渡， 是3 9 g 的全球标准，它改进并增强了3 g 的空中接入技术，采用o f d m 和m i m o 作为 其无线网络演进的唯一标准；在2 0 m h z 频谱带宽下能够提供下行3 2 6 m b i t s 与上行 8 6 m b i t s 的峰值速率；改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟【2 1 。 由于目前4 g 技术还仅仅停留在概念技术层次，它的最终确定将取决于现有4 g 演 进技术的研究成果。4 g 演进技术主要分为3 大类：w i m a x 、l t e 和u m b 。在随后的3 种技术较量当中，l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 技术标准赢得了越来越多通讯厂商的青 睐。现在，几乎国内所有参与4 g 演进技术开发的通讯厂商，都参与了l t e 技术开发的 研究。 l t e 技术同时定义了l t ef d d ( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n g ) 和l t et d df t i m e d i v i s i o nd u p l e x i n g ) 两种方式，简称为频分x x i ( f d n ) 和时分双工( t d d ) 两种方式。但由 于无线技术的差异、使用频段的不同以及各个厂家的利益等因素，起初，l t ef d d 支持 阵营更加强大，标准化与产业发展都领先于l t et d d 。2 0 0 7 年11 月，3 g p pr a n l 会 议通过了2 7 家公司联署的l t e t d d 融合帧结构的建议，统一了l t et d d 的帧结构。 东北大学硕士论文第1 章绪论 融合后的l t et d d 帧结构是以t d s c d m a 的帧结构为基础的，这就为t d s c d m a 成 功演进到l t e 乃至4 g 标准奠定了基础。t d d 帧结构的融合使更多的厂商参与到t d d 的标准化进程中，l t et d d 技术受到了广泛的重视，其产业化进程也有了显著的发展。 l t e 研究阶段于2 0 0 4 年底开始，2 0 0 6 年9 月结束，形成s i 总技术报告2 5 9 1 2 ；2 0 0 5 年6 月完成l t e 需求研究，形成需求报告2 5 9 1 3 ；2 0 0 6 年9 月进入工作阶段( w i ) ，2 0 0 7 年3 月完成第2 阶段协议规范t s 3 6 3 0 0 ；原计划于2 0 0 7 年9 月完成第3 阶段协议，测 试规范于2 0 0 8 年3 月完成，目前第3 阶段协议编写的工作已严重滞后，其中t d df r a m e s t u c t u r e 2 的帧结构的变化将会进一步影响t d d 相关协议的完成进度【3 】3 。 l t e 技术当前的演进情况如图1 1 所示。 原定l t e 规范实际l t e 规范 完成时间完成时间 研究阶段8 1 研究阶段w l 卜1 图1 1l t e 技术演进时间表 f i g 1 1e v o l u t i o ns c h e d u l eo fl t e 迄今为止，用户面( r a n 2 ) 的协议组已经基本冻结，该协议组包括【4 】： ( 1 ) 编号为t s3 6 3 2 1 t s3 6 3 2 2 的m a c r l c 协议，于2 0 0 8 年3 月冻结； ( 2 ) 编号为t s3 6 3 2 3 的p d c p 协议，于2 0 0 7 年1 2 月冻结； ( 3 ) 编号为t s3 6 3 3 1 的r r c 协议，于2 0 0 8 年9 月冻结； ( 4 ) 编号为t s3 6 4 1 0 t s3 6 4 1 2 的s 1 x 2 协议，于2 0 0 8 年9 月冻结。 随着l t e 协议标准的研究工作的逐步进展，l t e 技术指标已经确定，内容包括： ( 1 ) 下行峰值速率为1 0 0 m b p s ，上行峰值速率为5 0 m b p s 。 ( 2 ) 支持1 2 5 2 0 m h z 带宽。 ( 3 ) 控制面时延 1 0 0 m s ；用户面时延 1 0 m s 。 ( 4 ) 在移动性方面，0 - - 1 5 k m h 内达到最佳性能，0 - - 1 2 0 k m h 保持较好性能， 1 2 0 k m h - 3 5 0 k m h 内能够保持连接，确保不掉线。 广 东北大学硕士论文第1 章绪论 ( 5 ) 在覆盖范围范围，0 - 5 k m 内保持较高频谱利用率，5 3 0 k m 允许稍差的频谱利用 率。 ( 6 ) 支持增强型的广播多播业务，支持增强的i m s ( i p 多媒体子系统) 和核心网取 消c s ( 电路交换) 域，c s 域业务在p s ( 包交换) 域实现，例如采用v o l p 方式。 ( 7 ) 支持与现有3 g p p 和非3 g p p 系统的互操作。 1 3 开发的目的和意义 随着现在全球长期演进技术和产业的发展，未来通讯技术将逐渐深入社会各个领 域。从用户角度来看，移动和互联网技术的结合越来越紧密，移动互联网领域的发展也 是越来越蓬勃，使整个i t 产业和通信产业受到了很多产业链和格局方面的冲击。从技 术发展来看，移动技术是向p 化、宽带化方向发展。 本文开发的e n o d e b 系统中的m a c 模块，基于扁平化的通讯系统架构的思想，其 目的在于，从实践上证实l t e 技术的可行性。同时，m a c 模块的实现也是整个e n o d e b 系统实现的必经之路。m a c 模块的实现为e n o d e b 系统的提供了高效而稳定的传输手 段，使整个e n o d e b 系统可以正常运行，发挥核心网与用户终端之间的枢纽作用。总结 m a c 模块开发过程中遇到的困难以及解决的难题，可以为后续更高版本系统的开发以 及系统的改进工作，提供宝贵的参考经验。让后续研究人员可以开发出性能更加稳定和 效率更加高的系统，同时也可以为后续基于4 g 技术的系统开发提供参考素材。 同时验证了，l t e 作为t d s c d m a 未来长期发展的一个非常重要的途径，也是保 证t d s c d m a 可长期发展的技术产品。此外作为t d 的长期演进技术，l t e 在频率方 面的可用性和灵活性具有很强的优势。l t e 主要针对无线接口的全新技术，完成了一个 端到端的全口的业务，口化整个业务承载，从而实现良好的用户体验。对于l t e 技术 整个的发展，由于它基于现有t d s c d m a 的一些产业和整个网络在实验和运营过程中 大量积累的经验，无论从制造业还是运营业来说，应该说都有比较丰富的部署，以及基 础经验。在l t e 阶段，如果该技术能够大力发展，这样会给通讯业界大规模产业和未来 发展的一个潜力。 1 4 研究内容和组织结构 本文以l t e 技术标准为背景，探讨并研究了e u t r a n 系统中e n o d e b 子系统中的 m a c 模块功能的实现技术。以最新的t s3 6 3 0 0 协议为系统架构基础，以及t s3 6 3 2 1 协议标准为m a c 模块最终实现目标，结合w o r k b e n c h 嵌入式开发环境与v x w o r k s 实 时嵌入式操作系统。最后，通过c 语言实现了m a c 模块的初始化、调度、消息传递等 东北大学硕士论文 第1 章绪论 功能。 本文一共划分为6 个章节，其章节组织结构如下： 第1 章介绍了l t e 技术的相关技术背景、技术发展情况、开发目的和意义； 第2 章对整个系统进行了分析，包括：整体系统架构和功能分析；m a c 模块的功 能分析；对硬件与软件开发环境的分析；需要被m a c 模块所处理的数据的流程分析等。 第3 章详细对m a c 模块内部的子模块进行了划分，并且进行了详细的功能设计， 其中包括：业务处理模块；数据调度模块；h a r q 功能模块、板内消息管理模块；缓存 管理模块等设计。 第4 章针对之前对m a c 模块划分出来的子模块的设计，着重说明了整个m a c 模 块的实现技术。主要包括：各个子模块的处理流程图设计以及具体实现方法。 第5 章探讨了集成m a c 模块以后的系统测试，包括：系统测试工具的选择，测试 内容及最终测试结论等； 第6 章为结论部分，对本文内容进行了总结和下一步工作的展望。 东北大学硕士论文 第2 章e n o d e b 系统与m a c 模块分析 第2 章e n o d e b 系统与m a c 模块分析 基于l t e 技术的长期演进型无线通讯系统，是基于通讯系统扁平化发展趋势的新系 统。在3 g 技术向4 g 技术的过渡时期中，该系统的实现将对后续4 g 系统的研究提供重 要的参考价值。其中，系统中创新的部分就是由e n o d e b 组成的e u t r a n 网络，该网 络承担了核心网与用户终端进行数据交换的功能【5 】。 本文探讨的系统是基于l t e 中的t d d 技术来实现的，所以系统要求自身模块对于 运行的实时性要求较高，而m a c 模块作为e n o d e b 系统中的重要模块，运行的功能必 须严格按照实时性要求。该模块作为e n o d e b 系统数据传输的调度枢纽，负担着e n o d e b 系统所有上下行数据的调度任务。同时，该模块还在功能管理上起着执行高层模块对硬 件资源的管理决策的作用，并具备配合硬件模块完成h a r q 等功能。 2 1 基于l t e 的t d d 技术分析 l t e 系统同时定义了频分双工( f d d ) 和时分双工( t d d ) 两种方式，但由于无线 技术的差异、使用频段的不同以及各个厂家的利益等因素，l t e f d d 支持阵营更加强大， 标准化与产业发展都领先于l t et d d 。但随着t d d 帧结构的融合，使得更多的厂商参 与到t d d 的标准化进程中，l t e t d d 技术受到了广泛的重视，其产业化进程也有了显 著的发展。 2 1 1l t et d d 运行机制及优势 t d d 用时间来分离接收和发送信道。在t d d 方式的移动通信系统中，接收和发送 使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，其单方向的资源在时间上是不连续的， 时间资源在两个方向上进行了分配。某个时间段由基站发送信号给移动台，另外的时间 由移动台发送信号给基站，基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作【6 i 。 l t et d d 的运行机制如图2 1 所示。 保护时间保护时间 囤兰囤回 上行下行上行 时间 图2 1l t e t d d 运行机制图 f i g 2 1m e c h a n i s mo fl t et d d t d d 双工方式的工作特点使该技术能够灵活配置频率，使用f d d 系统不易使用的 东北大学硕士论文 第2 章e l q o d e b 系统与m a c 模块分析 零散频段。同时，也可以通过调整上下行时隙转换点，提高下行时隙比例，能够很好的 支持非对称业务。t d d 系统具有上下行信道一致性，基站的接收和发送可以共用部分 射频单元，降低了设备成本。接收上下行数据时，不需要收发隔离器，只需要一个开关 即可，降低了设备的复杂度。t d d 系统具有上下行信道互惠性，能够更好的采用传输 预处理技术，如预r a k e 技术、联合传输( j t ) 技术、智能天线技术等，能有效地降低移 动终端的处理复杂性。 l t et d d 技术相对l t ef d d 来说技术起步较晚，但是l t et d d 凭借多方面的优 势，逐渐获得了越来越多的厂商的支持，下面将从4 个方面来分析l t et d d 相较于l t e f d d 的优势： ( 1 ) 频谱配置方面 随着多媒体业务对于频谱的需求日益增加，频段资源成为了无线通信中最宝贵的资 源。现有的通信系统g s m 9 0 0 和g s m l 8 0 0 均采用f d d 双工方式，占用了大量的频段 资源，而且，一些零散频谱资源由于f d d 不能使用而闲置，造成了频谱浪费。而对于 l t et d d 系统来说，它无需成对的频率，可以方便地配置在l t ef d d 系统所不易使用的 零散频段上，具有一定的频谱灵活性，能有效提高频谱利用率。 ( 2 ) 支持非对称业务方面 在第三代移动通信系统以及未来的移动通信系统中，除了提供语音业务之外，数据和 多媒体业务将成为主要内容，且上网、文件传输和多媒体业务通常具有上下行不对称特 性。l t et d d 系统在支持不对称业务方面具有一定的灵活性。根据l t et d d 帧结构的 特点，l t et d d 系统可以根据业务类型灵活配置l t et d d 帧的上下行配比。如浏览网 页、视频点播等业务，下行数据量明显大于上行数据量，系统可以根据业务量的分析， 配置下行帧多于上行帧情况，如6 d l ：3 u l 、7 d l ：2 u l 、8 d l ：1 u l 、3 d l ：1 u l 等。 而在提供传统的语音业务时，系统可以配置下行帧等于上行帧，如2 d l ：2 u l 。 而在l t ef d d 系统中，非对称业务的实现对上行信道资源存在一定的浪费，必须采 用高速分组接入( h s p a ) 、e v - d o 或广播组播等技术。相对于l t ef d d 系统，l t et d d 系统能够更好地支持不同类型的业务，不会造成资源的浪费。 ( 3 ) 使用智能天线方面 智能天线技术是未来无线技术的发展方向，它能降低多址干扰，增加系统的吞吐量。 在l t et d d 系统中，上下行链路使用相同频率，且间隔时间较短，小于信道相干时间， 链路无线传播环境差异不大，在使用赋形算法时，上下行链路可以使用相同的权值。与 之不同的是，由于f d d 系统上下行链路信号传播的无线环境受频率选择性衰落影响不 ， 东北大学硕士论文第2 章e n o d e b 系统与m a c 模块分析 同，根据上行链路计算得到的权值不能直接应用于下行链路。因而，l t et d d 系统能有 效地降低移动终端的处理复杂性。 另外，在l t et d d 系统中，由于上下行信道一致，基站的接收和发送可以共用部 分射频单元，从而在一定程度上降低了基站的制造成本。 ( 4 ) 与t d s c d m a 共存 l t et d d 系统还有一个l t ef d d 无法比拟的优势，就是l t et d d 系统能够与 t d s c d m a 系统共存。对现有通信系统来说，目前的数据传输速率已经无法满足用户 日益增长的需求，运营商必须提前规划现有通信系统向3 g 4 g 系统的平滑演进。由于 l t et d d 帧结构基于我国t d s c d m a 的帧结构，能够方便地实现t d l t e 系统与 t d s c d m a 系统的共存和融合。 t d d 双工方式具有频谱配置灵活、频谱利用率高、上下行信道互惠性等特点，能 够满足下一代移动通信系统对带宽的要求以及频率分配零散化的趋势，在b 3 g 4 g 移动 通信系统中具有较强的优势。l t et d d 在频谱利用、非对称业务支持、智能天线技术支 持、与t d s c d m a 系统共存等方面，有很大的优势，在未来的通信系统中具有很强的 竞争力。随着l t et d d 技术研究的深入和国际市场的推广，将成为未来无线通信系统 中的主流技术。 2 1 2 无线帧设计及时间分配 t d d 采用时间来区分上、下行，其单方向的资源在时间上是不连续的，而且需要 保护时间间隔来避免两个方向之间的收发干扰【8 】8 。 在t d d 帧设计中，1 0 m s 的无线帧由两个长度为5 m s 的h a l f - f r a m e 组成，每个 h a l f - f r a m e 由5 个长度为l m s 的s u b f i a m e 组成，其中有4 个普通的s u b f r a m e 和1 个特 殊s u b f r a m e 。普通s u b f r a m e 由两个o 5 m s 的s l o t 组成，特殊s u b f r a m e 由3 个特殊时隙 组成。 在l t e 中t d d 与f d d 帧结构最显著的区别在于：在t d d 帧结构中存在l m s 的特 殊子帧( s u b f r a m e ) ，该子帧由三个特殊时隙组成：d w p t s ，g p 和u p p t s ，其含义和功 能与t d s c d m a 系统相类似，其中d w p t s 始终用于下行发送，u p p t s 始终用于上行 发送，而g p 作为t d d 中下行至上行转换的保护时间间隔【9 】。 本文描述了与l t e 中t d d 特殊时隙相关的针对t d d 进行的设计。而在特殊时隙 之外，t d d 还有另外一个显著区别于f d d 的物理特征，即f d d 依靠频率区分上下行， 因此其单方向的资源在时间上是连续的；而t d d 依靠时间来区分上下行，所以其单方 向的资源在时间上是不连续的，时间资源在两个方向上进行了分配。 东北大学硕士论文 第2 章e n o d e b 系统与m a c 模块分析 l t e t d d 中支持7 种不同的上下行时间配比。从将大部分资源分配给下行的9 ：1 到上行占用资源较多的2 ：3 。在实际使用时，网络可以根据业务量的特性灵活的选择配 置0 0 。 这样，在资源组成上t d d 与f d d 所固有的不同，成为了l t e 中另一部分为t d d 所进行的专门设计的原因。 2 2e n o d e b 系统分析 2 2 1e u t r a n 网络组成 根据对3 g p pt s3 6 3 0 0 协议分析，l t e 中e u t r a n 系统由e n b 组成，e n b 通过 e u t r a n 用户面协议( p d c p r l c m a c p h y ) 和控制面协议( r r c ) 为u e 提供服 务。e u t r a n 网络由许多的e n o d e b 系统组成，它们之间通过x 2 接口互联，e n o d e b 通过s 1 接口与e p c ( e v o l v e dp a c k e tc o r e ) 连接，更确切的说是通过s 1 m m e 与m m e ( 移动性管理实体) 连接，通过s 1 u 与s a e 网关连接。s l 接口支持多个m m e s a e 网关与e n b 的互联 1 h 。 e u t r a n 的架构如图2 2 所示。 m m e fs - g w m m e js - g w 图2 2e u t r a n 体系结构 f i g 2 2c o n s t r u c t i o no f e u t r a n m m e 为核心网的移动管理实体。它处于控制面协议栈中，通过s 1 - m m e 接口对 e u t r a n 系统中的e n b 进行管理。m m e 的移动性管理，包括寻呼、安全控制、核心 网的承载控制以及终端在空闲状态的移动性控制等。 s - g w 为核心网的服务网关。它处于用户面协议栈中，通过s 1 u 接口与e u t r a n 系统的e n b 进行数据传输。s - g w 负责u e 用户平面数据的传送、转发和路由切换等。 、 ， 东北大学硕士论文第2 章e b l o d e b 系统与m a c 模块分析 s 1 接1 ：3 是核心网和e u t r a n 之间的接1 2 界面。它是一个逻辑接1 ：3 ，从任何一个 e n b ，可能有多个s 1 m m e 逻辑接1 2 面向核心网多个s 1 u 逻辑接1 2 1 面向核心网。 x 2 接口实现了e n b 之间的互通。它支持两个e n o d e b 之间信令信息的交互，也支 持将p d u 前转到各自的隧道终结点，此外它还支持不同厂商e n o d e b s 之间的互连互通。 2 2 2 系统功能分析 从结构图2 1 可以看出，e n o d e b 系统是e u t r a n 网络的重要组成单元，用户终端 与核心网之间的数据，通过e n o d e b 系统之间的接口，或者e n o d e b 系统与核心网之间 的接口进行传输，通过对3 g p pt s3 6 3 0 0 协议的分析，e n o d e b 系统的功能总结如下【1 2 】： ( 1 ) 无线资源管理：无线承载控制，无线接纳控制，连接移动控制，u e 的上下行资 源动态分配( 调度) ； ( 2 ) 用户数据的头压缩和加密； ( 3 ) 为u e 选择要连接的m m e ； ( 4 ) 用户面数据通过s a e 网关的路由； ( 5 ) 寻呼消息的调度和发送( 由m m e 发起) ； ( 6 ) 广播信息的调度和发送( 由m m e 或o & m 发起) ； ( 7 ) 移动性和调度的测量和测量报告的配置。 2 2 3 结构分析 在e n o d e b 系统内，其结构被划分不同的协议模块，它们都属于无线协议层面。根 据这个系统处理功能的不同，又分为用户面和控制面两个并行的层面。同时，这些模块 在这两个层面内所提供功能各不相同。 在控制面中，