LTE网络结构PPT课件

LTE网络结构 课程目标 了解LTE系统的设计需求了解LTE SAE的系统架构 掌握各模块的功能了解LTE的协议标准了解LTE的物理层结构了解LTE TDD的物理层过程 课程内容 LTE系统设计需求和技术特点LTE SAE的网络结构LTE的关键技术LTE物理层结构LTE TDD物理层过程 LTE的设计要求 灵活的信道带宽1 4 3 5 10 15 20MHz更低的无线网时延单向用户面 5ms控制面 100ms更高的频谱效率下行比WCDMAR6提高3 4倍上行频谱效率比R6提高2 3倍全分组域业务为传统的电信业务提供QoS传输增强的移动性能0 15公里 小时 最优的性能15 120公里 小时 较高的性能120 350公里 小时 支持实时业务覆盖覆盖范围典型值 5Km最远覆盖范围可以达到100Km 市场需求选择关键技术 增强覆盖 高峰值速率DL 100MbpsUL 50Mbps 低时延CP 100msUP 5ms 低OPEX低CAPEX 灵活带宽1 4 3 5 10 15 20MHz 高频谱效率 LTE需求 OFDMMIMO分组调度 扁平化网络 扁平化网络分组调度 SON OFDM OFDMMIMO分组调度 MIMO LTE的技术特点 LTE名为演进 Evolution 实为 革命 Revolution 创新一 OFDM 正交频分多址系统 下行OFDM 用户在一定时间内独享一段 干净 的带宽上行SC FDMA 具有单载波特性的改进OFDM系统 低峰平比 创新二 MIMO 多天线技术 下行MIMO 发射分集 改善覆盖 大间距天线阵 空间复用 提高峰值速率和系统容量波束赋形 改善覆盖 小间距天线阵 空间多址 提高用户容量和系统容量上行MIMO 空间多址 提高用户容量和系统容量创新三 扁平网络取消RNC 中央控制节点 只保留一层RAN节点 eNodeBeNodeB和核心网采用基于IP路由的灵活多重连接 S1 flex接口相邻eNodeB采用Mesh连接 X2接口 课程内容 LTE系统设计需求和技术特点LTE SAE的网络结构LTE的关键技术LTE物理层结构LTE TDD物理层过程 UTRAN网络结构 网络结构扁平化 与传统网络互通 E UTRAN只有一种节点网元 E NodeB 全IP 媒体面控制面分离 RNC NodeB eNodeB LTE网络结构 LTE的技术特点 全IP 扁平化网络架构eNB集成了更多的功能块 物理层 PHY 媒体接入层 MAC 无线链路控制 RLC 分组数据汇聚协议 PDCP 无线资源控制 RRC 无线资源分配和调度 小区间无线资源管理 RRM 更短的无线网络时延 单向用户数据延迟 5ms 控制信令延迟 100mseNB之间通过X2接口进行通信 实现小区间优化的无线资源管理 Uu MSCS MGW RNC RNC GGSN SGSN HLR NodeB NodeB eNodeB eNodeB IPBackbone LTE扁平化 基于IP的网络构架 MME x GW EPC HSS PCRF 优化的网络构架能得到更好的性能 推动IP网络应用 网络扁平化使得系统延时减少 从而改善用户体验 可开展更多业务网元数目减少 使得部署更为简单 网络的维护更加容易 有效降低TCO取消了RNC的集中控制 避免单点故障 有利于提高网络稳定性 无线接入网迈向全IP IPCore MSCS MGW CSCF MRF GGSN MGCF HSS IPRAN IPRAN SGSN Iub口IP化Iu口IP化Iur口IP化Ap口IP化 A口IP化Gb口IP化Abis口IP化 无线接入网IP化优势明显 数据处理性能高传输效率 网络升级方便网络演进平滑 建设速度快运维成本低 操作维护方便新业务部署快捷 LTE网络架构 RNC NodeB LTE网络架构 eNB功能eNB具有现有3GPPR5 R6 R7的NodeB功能和大部分的RNC功能 包括物理层功能 HARQ等 MAC RLC PDCP RRC 调度 无线接入控制 移动性管理等等 eNB eNodeB架构 LTE SAE网络架构 EPCEvolvedPacketCorenetworkMMEMobilityManagementEntityHSSHomeSubscriberServerPCRFPolicyandChargingRulesFunctionPDNPacketDataNetwork SAE的逻辑架构 MME MobileManagementEntityS GW ServingGateWayPDN PublicDataNetworkHSS HomeSubscriberServerSGSN ServingGPRSSupportNodePCRF PolicyandChargingRulesFunction 策略和计费规则功能实体 eNodeB功能 无线资源管理IP头压缩和用户数据流加密UE连接期间选择MME 当无路由信息利用时 可以根据UE提供的信息来间接确定到达MME的路径路由用户面数据到SGW调度和传输寻呼消息 来自MME 调度和发送广播消息 来自MME或O M 就移动性和调度 进行测量和测量报告的配置调度和发送ETWS消息 MME功能 NAS信令NAS信令安全AS安全控制在3GPP访问网络之间移动时 CN节点之间的信令传输空闲模式下 UE跟踪的可达性 包括控制和执行寻呼重传 跟踪区域的列表管理 UE的空闲和激活模式 PDNGW和SGW选择MME的变化引起切换时的MME选择切换到2G或3G3GPP接入网时SGSN的选择漫游鉴权承载管理 包括专用承载的建立支持ETWS消息传输 SGW功能 为eNB间的切换 进行本地的移动定位3GPP间的移动性管理 建立移动安全机制在E UTRAN空闲模式下 下行数据包缓存和网络初始化 这些动作由服务请求过程触发 授权侦听数据包路由和前向转移在上下行链路 进行传输级的包标记在运营商之间交换用户和QoS类别标识 QoSClassIdentifier QCI 的有关计费信息UE PDN和QCI的上下行付费信息等 PDN功能 用户的包过滤授权侦听UE的IP地址分配传输级的下行包标记上下行链路的服务级计费 自控和速率控制基于AMBR的下行速率控制 LTE网络架构 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 LTE网络架构 SAEServingGW S GW 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PDNGW基于用户的包过滤合法监听IP地址分配上下行传输层数据包标记DHCPv4和DHCPv6 client relay server LTE网络架构 LTE相关的节点接口S1 MMEE UTRAN和MME之间的控制面协议参考点S1 UE UTRAN和SAEServing GW之间的接口每个承载的用户面隧道和eNB间路径切换 切换过程中 X2eNodeB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 S1接口支持的功能 SGW承载业务管理功能 例如建立和释放UE在LTE ACTIVE状态下的移动性管理功能 例如切换S1接口的寻呼功能NAS信令传输功能S1接口管理功能 例如错误指示 S1接口建立等网络共享功能漫游和区域限制支持功能NAS节点选择功能初始上下文建立功能S1接口的无线网络层不提供流量控制功能和拥塞控制功能 X2接口支持的功能 支持连接态的UE在LTE系统内移动性管理功能源eNodeB和目的eNodeB之间上下文的传输源eNodeB和目的eNodeB之间用户面隧道控制功能切换取消功能负荷管理小区间干扰协调上行干扰负荷管理X2接口管理和错误处理功能跟踪功能 LTE功能实体划分 E UTRAN与核心网 协议架构 控制面 协议架构 用户面 E UTRAN接口的通用协议模型 E UTRAN接口的通用协议模型 如下图 同时使用于S1接口和X2接口 其定义原则为 控制平面与用户平面分离 无线网络层与传输网络层分离 E UTRAN接口协议通用模型 S1接口控制平面 eNB MME S1接口用户平面 eNB MME MME S GW S1 C S1 U E UTRAN接口 S1接口 S1接口定义为E UTRAN与EPC之间的接口S1包括S1 C和S1 U 前者为eNB和MME之间接口 后者为eNB和S GW间接口 X2接口控制平面 X2接口控制平面 E UTRAN接口 X2接口 X2接口和S1接口极其类似 X2 U和S1 U使用同样的用户面协议 便于eNB在数据前向处理时 减少协议处理 LTE协议架构 LTE组网 场景1 应用于热点地区或小规模组网 LTE组网 场景2 应用于中型网络的组网 LTE组网 场景3 应用于大型网络的组网 LTE组网 场景4 使用xDSL xPON应用于Femto和PiCoLTE网络 课程内容 LTE系统设计需求和技术特点LTE SAE的网络结构LTE的关键技术LTE物理层结构LTE TDD物理层过程 LTE关键技术 基于OFDM的上下行多址接入和信号调制方式上行采用单载波频分多址SC FDMA下行采用正交频分多址OFDMA消除无线网络自干扰资源分配更灵活上下行采用更高阶的调制 64QAM系统峰值频谱效率达到6bps Hz多用户频率选择性资源调度干扰和多径造成各用户在不同频率上的性能有差异 频率选择性资源调度旨在让每个用户在最佳频带上传输从而提高多用户下系统的整体频谱效率 LTE关键技术 自适应多天线技术OFDM技术与MIMO技术的融合 提高系统吞吐量支持多种模式的多入多出技术 MIMO 自适应MIMO技术根据信道特性调整传输参数在链路稳定性和容量之间取得最佳折衷 跨小区间的链路自适应 资源管理和干扰协调根据用户所在的地理位置分配频带资源 降低小区间干扰 提高链路稳定性和优化多小区频谱效率 LTE关键技术 OFDM 基于OFDM的上下行多址接入和信号调制方式上行采用单载波频分多址SC FDMA下行采用正交频分多址OFDMA消除无线网络自干扰资源分配更灵活 正交频分复用 OFDM 是新技术么 OFDM 正交频分复用 的本质就是一个频分系统 而频分是无线通信最朴素的实现方式 可以多采用几个频率并行发送 实现宽带传输传统FDM系统中 载波之间需要很大的保护带 频谱效率很低 OFDM系统允许载波之间紧密相临 甚至部分重合 可以实现很高的频谱效率 子载波 如何做到这一点 依赖FFT 快速傅立叶变换 为什么直到最近20年才逐渐实用 有赖于数字信号处理 DSP 芯片的发展 从FDM FDMA到OFDM OFDMA OFDM技术的优势 频谱效率高带宽扩展性强频域调度及自适应实现MIMO技术较简单 LTE关键技术 MIMO MIMO技术的基本出发点是将用户数据分解为多个并行的数据流 在指定的带宽内由多个发射天线上同时刻发射 经过无线信道后 由多个接收天线接收 并根据各个并行数据流的空间特性 SpatialSignature 利用解调技术 最终恢复出原数据流 多天线技术 MIMO 自适应多天线技术OFDM技术与MIMO技术的融合 提高系统吞吐量自适应MIMO技术根据信道特性调整传输参数在链路稳定性和容量之间取得最佳折衷 支持多种模式的多入多出技术 MIMO 多天线技术 MIMO 多天线技术MIMO 多入多出 MultipleInputMultipleOutput SISO 单入单出 SingleInputSingleOutput SIMO 单入多出 SingleInputMultipleOutput LTE的基本配置是DL2 2和UL1 2 最大支持4 4 MIMO的优点 阵列增益 可以提高发射功率和进行波束形成 系统的分集特性 可以改善信道衰落造成的干扰 系统的空间复用增益 可以构造空间正交的信道 从而成倍地增加数据率 因此 充分地利用MIMO系统的这些优秀品质能够大幅度地提高系统容量 获得相当高的频谱利用率 从而可以获得更高的数据率 更好的传输品质或更大的系统覆盖范围 课程内容 LTE系统设计需求和技术特点LTE SAE的网络结构LTE的关键技术LTE物理层结构LTE TDD物理层过程 无线帧结构 类型1 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 5msTs 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 1个子帧 DwPTS GP UpPTS 1个半帧153600TS 5ms 1个子帧 DwPTS GP UpPTS 30720TS 1个时隙Tslot 15360TS 1个无线帧Tf 307200Ts 10ms 无线帧结构 类型2 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 上下行配比方式 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 特殊子帧中DwPTS和UpPTS的长度是可配置的 满足DwPTS GP和UpPTS总长度为1ms 物理资源块PRB 一个RB在时域上包含个OFDM符号 在频域上包含个子载波和的个数由CP类型和子载波间隔决定 系统占用带宽分析 占用带宽 子载波宽度x每RB的子载波数目xRB数目子载波宽度 15KHz每RB的子载波数目 12 资源组 资源分组 REG的概念 RBG的概念 RBG用于服务信道的资源分配RBG由一组RB组成RBG的个数与系统带宽相关 CCE CCE用于PDCCH的分配PDCCH的分配在PCFICH和PHICH之后一个CCE对应9个REG CCE编号从0开始累加向上APDCCHconsistingofconsecutiveCCEsmayonlystartonaCCEfulfilling whereistheCCEnumber MultiplePDCCHscanbetransmittedinasubframe CCE的总个数由PDCCH占用符号数确定 CP 子载波间隔和OFDM符号 CP 子载波间隔和OFDM符号之间的关系 1个RB在频域上对应12个子载波 180KHz 15KHzx12 normalCP 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 CCCH DCCH DTCH UL SCH PRACH PUSCH RACH PUCCH 下行信道 上行信道 逻辑信道 传输信道 物理信道 PDCCH 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 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 物理信道和信号 上行物理信道PUSCHPUCCHPRACH上行物理信号参考信号 ReferenceSignal RS 下行物理信道PDSCH PBCHPMCHPCFICHPDCCHPHICH下行物理信号同步信号 SynchronizationSignal 参考信号 ReferenceSignal 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 下行物理信道 物理层下行共享信道 PDSCH 承载下行业务数据 寻呼消息 可采用QPSK 16QAM或64QAM物理层广播信道 PBCH 承载广播信息 固定占用载波信道中间6RBs 1 08MHz 采用QPSK物理层下行控制信道 PDCCH 承载信道分配和控制信息 采用QPSK物理层格式指示信道 PCFICH 承载PDCCH在子帧占用的符号数目 采用QPSK物理层混合自动重传 HARQ 请求指示信道 PHICH 承载HARQACK NACK 采用BPSK 支持码分多路信道物理层多播信道 PMCH 承载多播信息 采用QPSK 16QAM或64QAM 上行物理层信道 物理层上行共享信道 PUSCH 承载上行业务数据和上行控制信息 UCI 采用QPSK 16QAM或64QAM物理层上行控制信道 PUCCH 承载上行控制信息 UCI HARQACK NACK CQI PMI RI 采用BPSK或QPSK物理层随机接入信道 PRACH 用于终端发起与基站的通信 基站通过接收PRACH确定接入终端身份并计算该终端的延迟 各物理信道的功能 eNode B Primary SCH Secondary SCH PhysicalDownlinkSharedChannel CommonControlPhysicalChannel 时隙 帧同步和定义小区ID 随机接入 PhysicalDownlinkControlChannel PhysicalRandomAccessChannel PhysicalUplinkSharedChannel PhysicalUplinkControlChannel 业务 MBMS控制信息寻呼 HARQ反馈传输格式上行链路调度资源分配 业务 HARQ反馈CQI PMI RI上报上行链路调度请求 下行同步信号 物理层主同步信号 P SS 用于终端的下行同步并确定该小区在小区身份组中的成员序号 0 2 占用载频中央62子载波用于调制Zadoff Chu序列 在每帧DwPTS时隙发送 物理层辅助同步信号 S SS 用于终端的下行同步并确定该小区的小区身份组序号 0 167 占用载频中央62子载波用于调制伪随机BPSK序列 在每帧的时隙1和时隙11最后1个符号发送 下行同步信号 FS1 常规CP FS2 常规CP 主同步信号在DwPTS域发送辅同步信号在时隙1和时隙11的最后一个OFDM符号发送 主同步信号仅仅在时隙0和时隙10中发送辅同步信号仅仅在时隙0和时隙10中发送 69 下行物理参考信号 下行参考信号作用信道估计 用于相干解调和检测 包括控制信道和数据信道信道质量的测量 用于调度 链路自适应导频强度的测量 为切换 小区选择提供依据考虑因素图样 时 频密度时域 导频间隔小于相干时间频域 导频间隔小于相干带宽序列相关性序列数量复杂度 分类小区专有导频 Cell specificDLRS CRS Txport0 3主要用于信道估计 控制 数据信道的解调 信道测量 CQI PMI RI测量等 MBSFN导频Txport4 用于解调多播业务UE专有导频Txport5 专用RS DRS 用于传输模式7的数据解调 下行物理层参考信号 下行物理信号图例 下图给出了与小区相关的参考信号 RS 在不同天线配置情况下在资源块 RB 中的分布 可以看出不同天线口对应的参考信号没有交叠 同时天线口2和3分配的参考信号比天线口0和1少一倍 下行物理层信道时频分布 课程内容 LTE系统设计需求和技术特点LTE SAE的网络结构LTE的关键技术LTE物理层结构LTE TDD物理层过程 手机开机过程 小区搜索 小区搜索用于UE获得跟一个Cell的时间 频率同步 并获取Cell的物理层小区ID 小区搜索的过程如下 依赖于主同步信号 UE可以获得5ms的基准时间 依赖于辅同步信号 UE可以获得帧同步和物理层的小区组 依赖于参考信号 UE可以获得物理层的小区ID UE获得物理层小区ID和帧同步后 UE就可