LTE概述及空中接口

1、LTE概述及空中接口,内容,LTE起源及里程碑 LTE需求 LTE网络架构概述 LTE物理层概述 LTE Layer2概述 LTE RRC概述,LTE项目的启动主要有三方面的考虑： 基于CDMA技术的3G标准在通过HSDPA以及Enhanced Uplink 等技术增强之后，可以保证非来几年内的竞争力。但是，需要考虑如何保证在更长时间内的竞争力 应对来自于WiMAX的市场压力 为应对ITU的4G标准征集做准备,The justification of the Study Item was that with enhancements such as HSDPA and Enhanced Upl

2、ink, the 3GPP radio-access technology will be highly competitive for several years. However, to ensure competitiveness in an even longer time frame, i.e. for the next 10 years and beyond, a long-term evolution of the 3GPP radio-access technology needs to be considered. -3GPP TR 25.913,LTE起源,产品与业务发展,

3、技术趋势：无线宽带化与宽带无线化的融合,技术趋势：接入多元化400个激活用户（5MHz） U-plane时延：5ms (unload condition, small IP packet),U-Plane Delay Definition U-plane delay is defined in terms of the one-way transit time between a packet being available at the IP layer in either the UE/RAN edge node and the availability of this packet at

4、 IP layer in the RAN edge node/UE. The RAN edge node is the node providing the RAN interface towards the core network. -3GPP TR25.913,LTE能力相关需求,用户吞吐量（User throughput） 下行： 小区边缘用户吞吐量是R6 HSDPA的23倍 平均用户吞吐量是R6 HSDPA的34倍 HSDPA参考配置：1x1 LTE参考配置：2x2 上行： 小区边缘用户吞吐量是R6 Enhanced Uplink的23倍 平均用户吞吐量是R6 Enhanced Up

5、link的23倍 Enhanced Uplink参考配置：1x2 LTE参考配置：1x2,LTE性能相关需求,频谱效率（Spectrum efficiency） 下行： R6 HSDPA的34倍 HSDPA参考配置：1x1 LTE参考配置：2x2 上行： R6 Enhanced Uplink的23倍 Enhanced Uplink参考配置：1x2 LTE参考配置：1x2,LTE性能相关需求,移动性（Mobility） 系统性能与移动速度的关系 015km/h：Optimized performance 15km/h120km/h：high performance 120km/h350km/h：

6、maintained 120km/h500km/h：maintained，取决于频段 在整个速度范围内要提供与R6 CS域质量相等或者更优的语音和实时业务 同频切换的质量应该相等或者优于GERAN提供的CS域切换质量,LTE性能相关需求,覆盖（Coverage） 5km：满足前面定义的用户吞吐量，频谱效率以及移动性需求 30km：用户吞吐量可以轻微下降；频谱效率可以有明显的下降；必须保证移动性的需求 100km：不排除支持 支持EMBMS (Further Enhanced MBMS) 不强制要求网络同步 (Network synchronization),LTE性能相关需求,部署场景 独立部

7、署：Standalone deployment scenario 共同部署：Integrating with existing UTRAN and/or GERAN deployment scenario 频率灵活性 支持不同大小的频段分配 支持离散的频谱分配 频谱部署 可以与GERAN/3G在同一地区进行邻频共存和共站址 可以实现不同运营商在同一地区进行邻频共存和共站址 可以在国家边界在频谱重叠和/或邻频情况下共存 可以独立运营 在遵循发布的独立频段原则下，允许使用所有的频段,LTE部署相关需求,共存与互操作（3GPP RAT） Inter-RAT切换与测量,c) The interrupt

8、ion time during a handover of real-time services between E-UTRAN and UTRAN is less than 300 msec d) The interruption time during a handover of non real-time services between E-UTRAN and UTRAN should be less than 500 msec e) The interruption time during a handover of real-time services between E-UTRA

9、N and GERAN is less than 300 msec f) The interruption time during a handover of non real-time services between E-UTRAN and GERAN should be less than 500 msec g) Non-active terminals (such as one being in Release 6 idle mode or CELL_PCH) which support UTRAN and/or GERAN in addition to E-UTRAN shall n

10、ot need to monitor paging messages only from one of GERAN, UTRA or E-UTRA -3GPP TR25.913,LTE部署相关需求,单一网络架构 基于分组业务的网络架构，支持实时以及会话类业务 尽可能的不通过增加额外的回程开销，最小化“单点失败（Single points of failure）”的出现机会。 尽可能简化和最小化引入的接口数目 如果需要提高系统性能，不排除无线网络层（RNL）与传输网络层（TNL）之间的交互 支持端到端的QoS。传输网络层向无线网络层提供适当的Qos。 Qos机制需要考虑存在的多种业务类型，保证有

11、效的带宽使用率：控制平面业务，用户平面业务，以及Q&M业务等。 最小化时延抖动，比如针对分组通信的TCP/IP,LTE网络架构需求,增强支持端到端的QoS 增强的QoS控制，保证更优的业务、应用与协议需求（包括高层信令）的匹配 有效支持高层传输 有效的支持高层协议在无线接口上的传输和操作，比如IP头压缩 支持不同RAT之间的负载共享和管理 支持EUTRA与其他RAT（GERAN，UTRA）之间的负载共享和管理 最小化时延 切换时支持端到端的QoS,LTE无线资源管理需求,全系统复杂度需求 最小化可选项 没有冗余的强制特性 降低必要测试例的数目 终端复杂度需求 当考虑EUTRA特性的复杂度时，需

12、要考虑终端同时支持多个RAT（GERAN/UTRA/E-UTRA）的复杂度 强制特性保持最小 没有冗余的或者重复的强制特性 最小化可选项 最小化测试例的数目,LTE复杂度需求,成本相关的需求 优化回程通信的协议 保证使用现有站址的情况下，降低未来网络部署的开销 开放所有标准化的接口，提供多厂商设备的互操作性 最小化/优化UE复杂度和功率开销，避免复杂的UTRAN结构和不必要的接口 业务相关的需求 有效的支持多种业务，包括现有的业务：网页浏览，FTP，视频流，VoIP；以及高级的分组域业务，比如实时的视频，Push-to-x 支持VoIP，至少保证与UMTS电路域语音业务同样好的无线、回程效率以

13、及时延。,LTE一般性需求,内容,LTE起源及里程碑 LTE需求 LTE网络架构概述 LTE物理层概述 LTE Layer2概述 LTE RRC概述,LTE采用扁平化、IP化的网络架构；E-UTRAN用E-NodeB替代原有的RNC-NodeB结构，各网络节点之间的接口使用IP传输，通过IMS承载综合业务，原UTRAN的CS域业务均可由LTE网络的PS域承载。,LTE网络整体结构,E-UTRAN，由eNB构成 EPC (Evolved Packet Core)，由MME（Mobility Management Entity），S-GW（Serving Gateway）以及P-GW（PDN Ga

14、teway）构成,X2 - eNB/eNB S1 - eNB/EPC S1-MME - eNB/MME S1-U - eNB/S-GW,LTE网络整体结构,LTE网络功能描述,eNodeB 无线资源管理（RRM） 用户数据流IP头压缩和加密 UE附着时MME选择功能 用户面数据向Serving GW的路由功能 寻呼消息的调度和发送功能 （源自MME和O&M的）广播消息的调度和发送功能 用于移动性和调度的测量和测量报告配置功能 基于AMBR和MBR的上行承载级速率整型 上行传输层数据包的分类标示,LTE网元功能,MME 寻呼消息分发 安全控制 空闲状态下的移动性管理 SAE承载控制 非接入层信令

15、的加密和完整性保护,LTE网元功能,服务网关 终止由于寻呼原因产生的用户平面数据包 支持由于UE移动性管理产生的用户平面切换,用户平面协议栈 Layer 1 - PHY Layer 2 - MAC, RLC, PDCP,PHY - Physical layer MAC - Medium Access Control RLC - Radio Link Control PDCP - Packet Data Convergence Protocol,LTE无线协议结构,控制平面协议栈 Layer 1 - PHY Layer 2 - MAC, RLC, PDCP Layer 3 - RRC, NAS,

16、PHY - Physical layer MAC - Medium Access Control RLC - Radio Link Control PDCP - Packet Data Convergence Protocol RRC - Radio Resource Control NAS - Non-Access Stratum,LTE无线协议结构,协议栈 用户平面接口位于E-NodeB和S-GW之间，传输网络层建立在IP传输之上，UDP/IP之上的GTP-U用来携带用户平面的PDU。 S1控制平面接口位于E-NodeB和MME之间，传输网络层是利用IP传输，这点类似于用户平面；为了可靠的

17、传输信令消息，在IP曾之上添加了SCTP；应用层的信令协议为S1-AP。,S1接口,控制面功能 SAE承载管理功能（包括SAE承载建立、修改和释放）； 连接状态下UE的移动性管理功能（包括LTE系统内切换和系统间切换）； S1寻呼功能； NAS信令传输功能； S1 UE上下文释放功能； S1接口管理功能（包括复位、错误指示以及过载指示等）； 网络共享功能； 网络节点选择功能； 初始上下文建立功能； 漫游和接入限制支持功能,S1接口,协议栈 X2用户平面接口是E-NodeB之间的接口，用户平面协议伐如下图所示，E-UTRAN的传输网络层是基于IP传输的，UDP/IP之上是利用GTP-U来传送用户

18、平面PDU。 X2控制平面接口是E-NodeB之间的接口，控制平面协议伐如下图所示。传输网络层是利用IP和SCTP协议，而应用层信令协议为X2接口应用协议X2-AP。,X2接口,控制面功能 连接状态下UE的移动性管理功能（针对LTE系统内切换）； 上行负荷管理功能； X2接口管理功能（包括复位和错误指示）。,内容,LTE起源及里程碑 LTE需求 LTE网络架构概述 LTE物理层概述 LTE Layer2概述 LTE RRC概述,主要内容 物理层主要功能 多址方式 帧结构 基本参数 物理信道与物理信号 信道编码与调制方式 参考信号 多天线技术 MBSFN 物理层过程 物理层测量,LTE物理层概述

19、,物理层通过使用MAC子层的传输信道，向高层提供数据传输服务，主要功能包括 传输信道的错误检测，并向高层提供指示 传输信道的纠错编码/译码 HARQ软合并 编码的传输信道向物理信道映射 物理信道功率加权 物理信道调制与解调 频率与时间同步 无线特征测量，并向高层提供指示 MIMO天线处理 传输分集 波束赋形 射频处理（射频相关规范）,LTE物理层主要功能,信道带宽,支持的信道带宽（Channel Bandwidth） 1.4MHz，3.0MHz，5MHz，10MHz，15MHz以及20MHz LTE系统上下行的信道带宽可以不同 下行信道带宽大小通过主广播信息（MIB）进行广播 上行信道带宽大小

20、通过系统信息（SIB）进行广播,信道带宽与传输带宽配置有如下对应关系,下行OFDM 上行SC-FDMA (DFTS-OFDM),OFDM,SC-FDMA,SC-FDMA使用DFT变换代替OFDM的S/P变换，使得其可以获得降低峰均比的作用,LTE多址方式,OFDM即正交频分多路复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），与传统的多载波调制（MCM）相比，OFDM调制的各个子载波间可相互重叠，并且能够保持各个子载波之间的正交性。,OFDM原理,OFDM的基本原理是将高速的数据流分解为N个并行的低速数据流，在N个子载波上同时进行传输。这些在N子载波

21、上同时传输的数据符号，构成一个OFDM符号,Bandwidth,OFDM原理,IDFT,IFFT,OFDM调制,OFDM解调,OFDM FFT实现,采样频率Fs 采样周期Ts FFT点数NFFT 子载波间隔f 有用符号时间Tu 循环前缀时间Tcp OFDM符号时间TOFDM 可用子载波数目Nc,关键参数： f , Tcp以及Nc 采样频率以及FFT点数与实现相关,OFDM主要参数,子载波间隔 15kHz，用于单播（unicast）和多播（MBSFN）传输 7.5kHz，仅仅可以应用于独立载波的MBSFN传输 子载波数目 循环前缀长度 一个时隙中不同OFDM 符号的循环前缀长度不同,LTE系统中

22、，利用NFFT=2048的采样周期定义基本时间单元：Ts = 1/Fs = 1/(15000 x2048) 秒,LTE OFDM主要参数,单载波特性： a) 信号具有低的峰均比 b) 传输带宽取决于M,DFTS-OFDM原理,子载波间隔 15kHz 子载波数目 循环前缀长度 一个时隙中不同DFTS-OFDM 符号的循环前缀长度不同,LTE DFTS-OFDM关键参数,FDD帧结构 Frame structure type1 支持全双工FDD与半双工FDD 一个子帧由两个长度为0.5ms的时隙构成，长度为1ms,LTE帧结构,TDD帧结构 Frame structure type2 常规子帧由两

23、个长度为0.5ms的时隙构成，长度为1ms 特殊子帧由DwPTS，GP以及UpPTS构成，总长度为1ms 可以通过配置不同的时隙比例以及DwPTS/GP/UpPTS的长度，保证与TD-SCDMA的共存,LTE帧结构,系统带宽 1.4MHz，3MHz，5. MHz，10MHz，15MHz以及20MHz 子载波间隔 15kHz，用于单播（unicast）和多播（MBSFN）传输 7.5kHz，仅仅可以应用于独立载波的MBSFN传输 子载波数目 CP长度 一个时隙中不同OFDM 符号的循环前缀长度不同,LTE基本参数,下行物理信道 PDSCH：Physical Downlink Shared Cha

24、nnel PBCH：Physical Broadcast Channel PMCH：Physical Multicast Channel PCFICH：Physical Control Format Indicator Channel PDCCH：Physical Downlink Control Channel PHICH：Physical Hybrid ARQ Indicator Channel 下行物理信号 参考信号：Reference signal 同步信号：Synchronization signal,LTE物理信道与物理信号,上行物理信道 PUSCH: Physical Uplin

25、k Shared Channel PUCCH：Physical Uplink Control Channel PRACH：Physical Random Access Channel 上行物理信号 参考信号：Reference signal,LTE物理信道与物理信号,下行物理信道与传输信道的映射 BCH: Broadcast channel MCH: Multicast channel PCH: Paging channel DL-SCH: Downlink Shared channel DCI: Downlink Control Information HI: HARQ indicator

26、CFI: Control Format Indicator,LTE物理信道与物理信号,上行物理信道与传输信道的映射 UL-SCH: Uplink Shared channel RACH: Random Access channel UCI: Uplink Control Information,LTE物理信道与物理信号,传输信道的信道编码 控制信息的信道编码,LTE信道编码与调制方式,下行物理信道的调制方式 上行物理信道的调制方式,LTE信道编码与调制方式,下行参考信号 小区专用参考信号 MBSFN参考信号，传输MBSFN业务时使用 用户专用参考信号，使用波束赋形技术时使用 上行参考信号 解调

27、用参考信号：用于上行物理信道数据解调 探测用参考信号：由于探测上行信道进行上行信道调度以及利用信道对称性获得下行信道特征,LTE参考信号,天线配置 基站侧 1x，2x，4x 通过使用用户专用参考信号可以支持更多天线数目 终端侧 2天线接收 1天线发送,多天线技术,下行多天线技术 传输分集 SFBC, SFBC+FSTD，闭环Rank1预编码 空间复用 开环空间复用，闭环空间复用以及MU-MIMO 波束赋形 上行多天线技术 天线选择 MU-MIMO,多天线技术,下行多天线传输模式 单天线传输（port0） 传输分集 开环空间复用 闭环空间复用 MU-MIMO 闭环Rank1预编码 单天线传输（p

28、ort5）-波束赋形,多天线技术,两种MBSFN传输方式 混合载波：与unicast在同一个载波上时分复用，子载波间隔为15kHz 专用载波：使用一个独立的载波进行MBSFN传输，子载波间隔为7.5kHz LTE R8并不支持上述两种传输方式，仅仅支持通过传输一种特殊的SI的方式，支持单小区的广播业务。该SI映射到PDSCH上。,MBSFN,链路自适应 LTE支持自适应调制编码技术（AMC） LTE支持基于频域的信道调度 LTE支持上行自适应功率控制 HARQ LTE支持多路并行停等协议 LTE下行采用异步的HARQ协议 LTE上行采用同步HARQ协议 LTE下行采用自适应的HARQ LTE上

29、行同时支持自适应HARQ和非自适应的HARQ LTE HARQ采用IR合并，CC合并看作IR合并的一个特例,物理层过程,小区搜索 LTE小区搜索基于主同步信号和辅同步信号，主/辅同步信号位于系统带宽中间的72个子载波上，保证UE在不知道带宽的情况下可以进行小区搜索 LTE UE通过主同步信号获得5ms定时，即获得半帧起点 LTE UE通过主/辅同步信号获得10ms定时，即获得无线帧起点 通过读取广播信息获得其他系统信息，完成小区搜索。 广播信息分为两大部分：SI-M以及SI-n,物理层过程,随机接入 LTE随机接入基于PRACH以及上下行物理共享信道完成，其中PRACH信道频域宽度为72个子载

30、波，通过系统配置可以位于频带的一侧（如果存在PUCCH，则与其相邻）。 FDD一个子帧中只允许存在一个PRACH；TDD一个子帧中可以存在多个PRACH PRACH有五种格式 Zadoff-Chu序列,物理层过程,随机接入过程,基于竞争的随机接入过程,无竞争的随机接入过程,物理层过程,UE测量能力 RSRP（Reference Signal Received Power） E-UTRA Carrier RSSI （Received Signal Strength Indicator） RSRQ（Reference Signal Received Quality） UTRA FDD CPICH

31、RSCP UTRA FDD carrier RSSI UTRA FDD CPICH Ec/No GSM carrier RSSI UTRA TDD carrier RSSI UTRA TDD P-CCPCH RSCP CDMA2000 1x RTT Pilot Strength CDMA2000 HRPD Pilot Strength,物理层测量,E-UTRAN测量能力 DL RS TX power Received Interference Power Thermal noise power,物理层过程,内容,LTE起源及里程碑 LTE需求 LTE网络架构概述 LTE物理层概述 LTE La

32、yer2概述 LTE RRC概述,主要内容 Layer 2 结构 物理层模型 MAC子层 RLC子层 PDCP子层,Layer2 概述,下行Layer2结构,上行Layer2结构,物理层模型主要用于描述 高层数据向物理层传输/从物理层获得的结构 高层配置物理层的方式 物理层向高层提供的各种指示（错误指示，信道质量指示等） 物理层支持的其他高层端到端信令,物理层模型,蓝色表示由高层配置的物理层单元 绿色表示高层功能单元,物理层模型(UL-SCH),物理层模型(MCH),物理层模型(PCH),物理层模型(BCH),MAC子层向高层提供如下服务 数据传输 无线资源分配 MAC子层期望物理层提供的服务

33、包括 数据传输 HARQ反馈信令 调度请求信令 测量（比如CQI） 存在两个MAC实体，分别位于E-UTRAN和UE侧,MAC子层服务,逻辑信道与传输信道之间的映射 将来自一个或者多个逻辑信道的MAC SDU复用到传输块（TB），并通过传输信道传递给物理信道 将由传输信道从物理信道传递过来的传输块，解复用成一个或者多个逻辑信道 调度信息上报 通过HARQ进行纠错 通过动态调度进行不同终端之间的优先权处理 一个UE中多个逻辑信道之间的优先权处理 逻辑信道优先权分配 传输格式选择,MAC子层功能,上行,CCCH: Common Control Channel DCCH: Dedicated Con

34、trol Channel DTCH: Dedicated Traffic Channel,逻辑信道与传输信道映射,下行,PCCH: Paging Control Channel BCCH: Broadcast Control Channel CCCH: Common Control Channel DCCH: Dedicated Control Channel DTCH: Dedicated Traffic Channel MCCH: Multicast Control Channel MTCH: Multicast Traffic Channel,逻辑信道与传输信道映射,RLC结构,对于一个

35、在eNB配置的RLC实体，在UE侧配置的RLC实体。反之亦然。 RLC实体通过与高层的接口（SAP），传送或接收RLC SDU RLC实体通过与逻辑信道，传送或者接收RLC PDU 存在两类RLC PDU：RLC data PDU，RLC control PDU RLC实体分为三类 TM RLC实体，运行透明模式（TM：Transparent Mode） UM RLC实体，运行非应答模式（UM：Unacknowledged Mode） AM RLC实体，运行应答模式（AM：Acknowledged Mode）,RLC实体,TM RLC实体通过如下逻辑信道传送/接收RLC PDU BCCH，DL

36、/UL CCCH，以及PCCH TM RLC实体传送/接收如下RLC data PDU TMD PDU,TM RLC实体,UM RLC实体通过如下逻辑信道传送/接收RLC PDU DL/UL DCCH， DL/UL DTCH，MCCH或者MTCH UM RLC实体传送/接收如下RLC data PDU UMD PDU,UM RLC实体,AM RLC实体通过如下逻辑信道传送/接收RLC PDU DL/UL DCCH DL/UL DTCH AM RLC实体传送/接收如下RLC data PDU AMD PDU AMD PDU segment AM RLC实体传送/接收如下RLC control P

37、DU STATUS PDU,AM RLC实体,RLC子层向高层提供的服务 TM 数据传送 UM 数据传送 AM 数据传送 RLC子层期望MAC子层提供的服务 数据传送 传输机会的告知，以及在该次机会中可以传输的RLC PDU的大小 HARQ传送失败的告知,RLC子层服务,上层PDU的传送 通过ARQ进行纠错（仅仅针对AM数据传送） RLC SDU的级联、分段以及重装（仅仅针对UM和AM数据传送） RLC data PDU的重分段（仅仅针对AM数据传送） 按顺序分发上层PDU（仅仅针对UM和AM数据传送） 重复检测（仅仅针对UM和AM数据传送） RLC SDU丢弃（仅仅针对UM和AM数据传送） RLC重建 协议错误检测和恢复,RLC子层功能,PDCP子层结构,一个UE可以定义多个PDCP实体 每个PDCP实体承载