LTE基本原理和系统架构

LTE基本原理和系统架构,目录,2,LTE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/PHS2G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)LTE,8,LTE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。,9,LTE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5msC-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,10,LTE网络特征,11,更高的带宽更大的容量更高的数据传输速率更低的传输时延更低的运营成本,降低传输时延用户面时延小于5ms控制面时延小于100ms,1.4MHz20MHz可变带宽,对015km/h的低速环境优化对15120km/h保持高性能对120350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CMCC,12,目录,13,LTE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,14,LTE网络基本架构EPS网元及接口,15,LTE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-MMEE-UTRAN和MME之间的控制面协议参考点S1-UE-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）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,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,19,UEeNodeB的空口协议栈,20,L2-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,21,L2-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。,22,L2-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,23,RRC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，IDLE,24,RRC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QoSUE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,25,RRC_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,26,RRC_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。,27,LTE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)：,28,LTE网络基本架构信道类型,29,LTE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,LTE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。,31,目录,32,LTE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,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,34,OFDM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零,35,OFDM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，抵抗无线信道的衰落。这种情况下，不同天线上的衰落应该具有低的相关性；多天线也可以进行波束成型，如最大化目标指定方向上的天线增益或者抑制特定的主要干扰信号。根据天线之间相关性的不同，可以采用不同的波束成型方式；发射和接收端同时使用多天线时，可以进行空间复用。在没有降低功率利用率前提下提高带宽利用率，或不降低覆盖的前提下在有限的带宽上提供更高的输出传输速率。有时空间复用也称为MIMO,37,扁平化网络,LTE的无线接入网（E-UTRAN）砍掉RNC后，就剩下基站（eNodeB）了，这个基站承接了很多原来RNC的功能。eNodeB和核心网的接口为S1，包括S1-MME（与MME相连的接口）和S1-U（与SGW相连的接口）。S1-U相当于WCDMA中的Iu-CS（RNC-MSC）和Iu-PS（RNC-SGSN）的用户面部分，也就是纯粹走话音和数据的，由于LTE中话音和数据都是走的分组域的IP包，则不再有Iu-CS、Iu-PS接口之分。走的都是信令。MME（移动性管理实体），负责位置更新、鉴权加密等工作，因为无线资源管理（切换、功控等）这个本来RNC的功能由eNodeB承包了，所以只剩下这部分功能了。基站间的接口X2，相当于原来的Iur（RNC-RNC）接口,38,扁平化网络,在LTE系统架构中，RAN将演进成E-UTRAN,且只有一个结点：eNodeB。,S1接口功能,SAE承载业务管理功能，例如建立和释放UE在LTE_ACTIVE状态下的移动性功能，例如Intra-LTE切换和Inter-3GPP-RAT切换。S1寻呼功能NAS信令传输功能S1接口管理功能，例如错误指示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,40,X2-C接口功能,X2-C接口支持以下功能：移动性功能，支持UE在各个eNB之间的移动性，例如切换信令和用户面控制。多小区RRM功能，支持多小区的无线资源管理，例如测量报告。通常的X2接口管理和错误处理功能。X2-U接口支持终端用户分组在各个eNB之间的隧道功能。隧道协议支持以下功能：在分组归属的目的节点处SAE接入承载指示减小分组由于移动性引起的丢失的方法,41,目录,42,LTE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网络主要业务流程系统广播消息,系统信息广播的内容被划分为多个系统信息块(SystemInformationBlocks,SIB)，系统广播信息就被划分为MIB(主信息块)+severalSIBs。,43,LTE网络主要业务流程系统广播消息,MIB在BCH上发送，MIB上传输几个比较重要的系统信息参数:1、下行链路系统带宽；2、PHICH配置信息；3、系统帧号。SIBs包含了其它的必要信息，在DL-SCH上发送。其中SIB1上传输与评估一个UE是否被允许接入小区有关的信息以及其他系统信息的调度信息：1、小区接入相关信息；2、小区选择信息；3、SIB调度信息；4、TDD参数配置等。,44,LTE网络主要业务流程系统广播消息,45,LTE网络主要业务流程UE附着过程,UE发送附着消息给MME，进行网络注册，也就是网络附着（networkattachment）鉴权MME发送创建默认承载消息给S-GWS-GW把创建默认承载消息转发给P-GWPDN-GW为新的会话建立，向PCRF申请策略,然后安装必要的过滤器（SDF）,46,UE附着到网络、创建默认承载的过程中，PCRF扮演了顾问的角色，主要负责做出策略及计费判决。,47,48,LTE网络主要业务流程业务请求过程,EPC支持两种业务请求：UE发起的业务请求：UE发给MME，要求业务接入；网络发起的业务请求：当PDN-GW接到DL数据包时，由网络对注册用户发起业务请求。任一业务请求都可以触发专用承载的建立（取决于业务请求的QoS）,49,50,51,LTE网络主要业务流程寻呼过程,对于处于空闲状态的UE，当下行数据到达EPC(演进的分组核心网EvolvedPacketCoreNetwork)时，数据终结在S-GW，S-GW发起寻呼：S-GW向MME发出下行数据通知(downlinkDatanotification)；S-GW开始缓存下行数据包；MME向UE注册的TA列表内的所有eNB发出寻呼消息，要求eNB在其覆盖范围内寻呼UE；收到寻呼后，UE发起业务请求流程(UE-triggeredservice-requestprocedure)，重建无线承载和S1-U承载，S-GW开始清空缓存。,52,LTE网络主要业务流程寻呼过程,53,54,目录,55,LTE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-牌照发放,据媒体报道，工信部已将三个发牌时间点上报，分别是11月28日、12月8日和12月18日。也就是说，4G牌照发放最晚不会迟于12月18日。据了解，目前关于4G牌照的发放形式已定：将先对三大运营商中国移动、中国电信、中国联通同时发放TD-LTE的4G牌照，另一制式LTE-FDD的4G牌照将延后发放。国内三家运营商中，中国移动是TD-LTE网络的中坚力量。中国电信和中国联通在从3G升级到4G的过程中，选择LTE-FDD更符合两者的利益。若TD-LTE牌照先发放，另外两家不排除租用中国移动的4G网络，或者与中国移动共建的可能性。,56,LTE-用户体验,据介绍，消费者不需要改变号码，也不需要重新登记和签约，只需要到指定营业厅更换一张SIM卡，购买一部4G手机，就可以体验中国移动的4G服务。最新消息显示，12月1