《数字通信》十、系统架构LTE-WLAN异构网络互联方案

1、 数字通信 final chapter 2016年年04月月08日日 2/26面向面向IMT-AdvancedIMT-Advanced跨层优化技术跨层优化技术 3/26分布式异构协作网络架构示意图分布式异构协作网络架构示意图 同构协作优化同构协作优化异构系统优化异构系统优化分布式异构协作网络架构示意图分布式异构协作网络架构示意图 4/19n论文依托：国家重大专项论文依托：国家重大专项 IMT-Advanced 新型无线资源管理研究及验证（新型无线资源管理研究及验证（2009ZX03003-007-03）IMT-Advanced 跨层优化技术（跨层优化技术（2010ZX03003-001-02）

2、 n现状：通信技术迅猛发展，层出不穷的无线通信系统为用户提供了异现状：通信技术迅猛发展，层出不穷的无线通信系统为用户提供了异构的网络环境。而未来无线网络将以室内通信为其主要应用场景，根构的网络环境。而未来无线网络将以室内通信为其主要应用场景，根据只有空间传输损耗计算法则，传输距离缩短一半，则功耗变为原来据只有空间传输损耗计算法则，传输距离缩短一半，则功耗变为原来1/4，因此，室内覆盖通信方式符合绿色通信的主流；另一方面，对，因此，室内覆盖通信方式符合绿色通信的主流；另一方面，对于高速移动或室外通信，我们还必须借助宏基站的覆盖。于高速移动或室外通信，我们还必须借助宏基站的覆盖。n问题和挑战：如何

3、使任何用户在任何时间任何地点都能获得具有问题和挑战：如何使任何用户在任何时间任何地点都能获得具有QoS保证的服务，同时具备较低的功耗？保证的服务，同时具备较低的功耗？n解决方案：进行异构网络融合，实现异构网络之间的平滑切换解决方案：进行异构网络融合，实现异构网络之间的平滑切换 5/26面向面向IMT-AdvancedIMT-Advanced跨层优化技术跨层优化技术 6/19 u路径选择路径选择根据链路信道质量，进行接入网根据链路信道质量，进行接入网络选择络选择u虚拟网卡虚拟网卡屏蔽底层不同传输介质，实现异屏蔽底层不同传输介质，实现异构无线链路平滑切换构无线链路平滑切换u网络地址转换网络地址转换

4、(NAT)使具有内网使具有内网 IP 地址的终端连接地址的终端连接 Internetu自动请求重传协议自动请求重传协议(ARQ)多链路数据包汇聚重组，实现数多链路数据包汇聚重组，实现数据包按序提交，提供无线网络据包按序提交，提供无线网络 QoS QoS 保证的传输保证的传输 7/19 各节点功能模块示意图各节点功能模块示意图 8/26面向面向IMT-AdvancedIMT-Advanced跨层优化技术跨层优化技术 OSI七层网络模型9/10 IEEE 802.1AX信道聚合协议栈10/10 3GPP LTE链路协议栈11/10 Evolution-UTRAN协议栈12/10Evolution-

5、UTRAN用户平面协议栈用户平面协议栈Evolution-UTRAN控制平面协议栈：控制平面协议栈：PDCP sublayer (terminated in eNB on the network side) performs the functions listed in section 5.3, e.g.: -Header Compression; (Only in User plane)-Integrity Protection; (User plane & control plane)-Ciphering. (User plane & control plane) 协议架

6、构13/10 eNB层次功能描述14/10 数据链路层信道聚合技术15/10 16/19 ARQ 模块示意图模块示意图 17/26面向面向IMT-AdvancedIMT-Advanced跨层优化技术跨层优化技术 18/26物理层物理层异构、传输载体多样异构、传输载体多样数据链路层数据链路层承上启下、融合适配承上启下、融合适配网络上层协议网络上层协议同构同构新型网络无线协议栈架构：模块最优向全局最优转变新型网络无线协议栈架构：模块最优向全局最优转变 19/67各协议层次之间的分组数据流图IP分组数据包 IP包分割后的PDURLC数据头编码块1传输帧控制单元1数据区1 IP包分割后的PDURLC数

7、据头编码块2传输帧控制单元2数据区1 数据区2数据区N传输帧控制单元N 移动终端地址速率等级编码块个数绝对偏移L+MCRC校验公共控制数据区 RLC数据单元MAC数据头 RLC数据单元MAC数据头CRCCRC IP包分割后的PDURLC数据头 编码块的长度由速率等级确定IP数据包数据包信道编码块信道编码块物理层数物理层数据传输帧据传输帧表示数据包填充部分表示数据包填充部分IP层层RLC子层子层物理层物理层MAC子层子层RLC数据单元数据单元MAC数据单元数据单元编码块3M个调制符号L个调制符号10ms 20/67物理层（PHY）层功能描述 21/67n物理层与MAC子层之间的通信通过层间接口原

8、语来完成。物理层与MAC子层的接口原语分为数据接口原语和控制接口原语。数据接口原语用于物理层和MAC子层间进行数据交换。控制接口原语用于物理层与MAC子层控制实体进行控制信息的交互，为MAC子层提供物理层当前的状态，并完成物理层的参数配置、切换指示、接入消息及测量信息传递等功能。 22/67媒体接入控制（MAC）子层功能描述 nMAC子层处于物理层和RLC子层之间，向上为RLC子层提供服务，RLC子层通过逻辑信道将RLC子层的数据PDU提交给MAC子层发送，MAC子层向下利用物理信道使用物理层提供的服务。nMAC子层实现的主要功能包括：以数据PDU为单位的前、反向无线数据带宽的动态申请和动态统

9、计复用、支持不同优先等级的多个用户的多种数据业务的QoS控制，逻辑信道和物理信道的映射、MAC子层SDU和物理层数据传输块的动态适配以及对物理层传输参数的进行动态配置。 23/67nMAC子层与RLC子层之间的通信由定义的层间接口原语来完成。MAC子层与RLC子层的接口原语分为数据接口原语和控制接口原语。数据接口原语用于MAC子层和RLC子层间进行数据交互。控制接口原语用于MAC子层与RLC子层控制实体进行控制信息的交互，实现RLC子层和MAC子层的状态共享。 24/67无线链路控制（RLC）子层功能描述 n无线链路控制（RLC）子层主要实现对RLC子层服务数据单元的分割和重组、加密和解密、传

10、输差错控制和各种数据逻辑链路的建立、释放、配置等功能。RLC子层由多个RLC实体和控制实体组成。RLC实体可根据传输业务类型的不同，配置成非确认模式、可靠传输模式和尽力可靠传输模式。RLC控制实体的主要功能是实现数据逻辑链路的建立、释放、参数配置，以及数据链路层的软切换控制过程。 25/67基站发射机设计方案图 CRC帧 内符 号交 织符 号 扰 码小 区 扰 码发 生 器IFFT控 制 信 息 比特 生 成CRC差 分QPSK调 制符 号 扰 码主 导 频 信 号发 生 器接 入 应 答信 息 生 成CRC控 制信 道物 理帧 组成时 分复 用同 步信 道同 步 信 号发 生 器分 组 数据

11、 块数 据 块 控制 信 息CRC数 据信 道物 理帧 组成寻 呼 信 息功 率 控 制 模 块反 向 接 入 前缀 检 测 单 元信 道编 码时 频 域加 窗 及峰 均 比抑 制D/A添 加循 环前 缀子载波映射空时编码IFFT辅 导 频 信 号发 生 器添 加循 环前 缀时 频 域加 窗 及峰 均 比抑 制D/A信 道 编 码 、 比 特 随 机 化 、 比特 交 织 、 调 制 、 扩 频 单 元信 道 编 码 、 比 特 随 机 化 、 比特 交 织 、 调 制 、 扩 频 单 元 26/67物理层设计方案的主要内容包括 n物理层设计方案的主要内容包括：n物理层数据传输流程n物理传输帧

12、结构n传输速率等级n传输信号的随机化n信道编、解码n比特交织n符号调制n正交扩频n帧内调制符号交织n导频信号插入n子载波映射及时频域信号转换n时、频域加窗n符号加扰nMIMO n空时编码nFFT/IFFTn峰均比抑制n传输定时和同步控制n接收机同步算法n信道估计算法 27/67前向链路物理层数据传输示意图 PHY传输控制实体MAC层PHY层MAC控制单元控制单元MAC数据单元数据单元CRC校验 & 信道编/解码比特随机化、交织/解交织QAM调制/解调正交扩频/解扩物理传输帧组成导频信道载波映射控制信道载波映射帧内符号交织/解交织&子载波映射/解映射符号加扰/解扰（区分小区）IF

13、FT/FFT同步信道时分复用/解复用OFDM物理承载 n不同通信方式PHY物理层载体都是异构的；nIP互联，任何设备都需遵循共同的IP架构；n因此，异构互联互通，主要在IP之下、PHY之上进行适配；28/10 29/26lHeNB：一种基于LTE协议栈的小型家庭基站。热点覆盖范围类似于WLAN。 eNBeNB与与HeNBHeNB之间的切换移之间的切换移动锚点动锚点通过通过S1S1接口连接到接口连接到MME/S-GWMME/S-GW紧耦合的系统结构紧耦合的系统结构基于基于LTELTE内部切换机制，属内部切换机制，属于链路层切换于链路层切换 30/26功能定位类似于功能定位类似于eNBeNB可以将

14、其称之为虚拟可以将其称之为虚拟eNB(Virtual-eNB)eNB(Virtual-eNB) WLANWLAN无线传输链路无线传输链路用户面用户面IPIP数据分组数据分组RRCRRC信令信令NASNAS信令信令30 31/26 LTE-WLANLTE-WLAN移动锚点移动锚点几个几个WLANWLAN子网构子网构成扩展成扩展WLANWLAN虚拟虚拟小区，赋予跟踪区小区，赋予跟踪区域标识域标识S1S1X2X2紧耦合方式紧耦合方式LTELTE内部切换移动锚点内部切换移动锚点 32/19n网关侧分别收集三条链路的反馈信息：网关侧分别收集三条链路的反馈信息：leNB 把把 UE 的测量信息汇报到上层，

15、由的测量信息汇报到上层，由 eNB 和和Linux 网关网关之间的之间的 CQI 汇报接口转发给汇报接口转发给Linux网关网关；lWLAN 的的 CPE 设备把设备把 beacon 质量信息和质量信息和 RSSI也通也通过相应的接口提交给过相应的接口提交给 Linux 网关网关。 33/26面向面向IMT-AdvancedIMT-Advanced跨层优化技术跨层优化技术 34/26n技术背景以及解决的问题：高铁环境下，如何避免大量UE的切换引起的掉话、切换失败等问题；如何避免backhaul UE（RN）在RLF时引起的数据传输效率降低的问题；如何避免backhaul 链路可能受限的问题；

16、35/26n针对该技术问题采取的针对性手段：提出了多链路汇聚的设计方案（L2 over 多隧道 ）多无线链路汇聚RELAY传输方案，支持多个LTE无线接入模块； 36/26n多链路汇聚RELAY传输技术方案的RN，支持多个LTE无线接入模块；nRN连接的每个LTE无线接入网元（模块）可以在不同的位置，多个无线接入网元（模块）可能接入同一个eNB，也可能接入不同的eNB；n每个无线接入网元的IP地址与汇聚Server设备IP地址之间，可以建立一条隧道连接，用于回传连接的LLC报文；RN有N个无线接入网元（模块）时，建立N条隧道连接 。 37/26nMobile RN的协议栈：Mobile RN的

17、协议分为两部分：1）RN完成LLC的封装2）LTE无线接入模块的协议处理部分在LLC之下 38/26n通过LLC层聚合、封装的优点： 高铁环境下RN会频繁的穿越小区，而且火车长度在100m甚至更长，因此LLC应用层汇聚的方法可以提高backhaul链路的有效性和传输效率；当只有某路LTE无线接入网元出现RLF时，其余通道不受影响，可以继续在UN口传输数据（LLC负责按序递交和重传）； 39/26n多通道汇聚Relay核心内容和优点：n兼容性、可扩展性好，只增加汇聚Server设备，对空口协议不用修改；n可实现多个backhaul UE的隧道汇聚，支持多无线链路同时传输，保证回传链路IP分组的无

18、线链路传输效率；n多个链路同时relay IP分组，重传和新传可以承载在不同隧道连接上，多个隧道连接同时不通的概率较小，可以较好保证用户保持always online，通过多通路的重传减少底层切换的影响； 40/26nRLC over WLAN，兼容现有用户平面、控制平面，同时支持RRC信令可靠传输，无丢包；n多隧道异构汇聚大带宽，支持多无线链路同时传输，保证backhaul回传链路IP分组的无线链路传输效率； n以上两方案，不用修改空口协议，兼容性好。 41/26面向面向IMT-AdvancedIMT-Advanced跨层优化技术跨层优化技术 42/19n终端同时连接简化版终端同时连接简化版IMT-A无线上网卡与无线上网卡与WLAN终端，无线上网卡与终端，无线上网卡与WLAN终端分别能够接入异终端分别能够接入异构场景下的各自网络，并能够进行业务演示，终构场景下的各自网络，并能够进行业务演示，终端根据两个网络的信道质量进行网络切换，系统端根据两个网络的信道质量进行网络切换，系统演示演示 ftp、语音、多媒体业务。、语音、多媒体业