LTE系统结构华中科技大学学习教案

1、会计学1LTE 系统结构华中科技大学系统结构华中科技大学第一页，共80页。背景介绍背景介绍1网络架构与协议网络架构与协议2控制面协议控制面协议3用户面协议用户面协议4第二页，共80页。LTE3G2G蜂窝(fngw)组网，广泛应用的标准有AMPS、TACS等，采用模拟技术和频分多址使用(shyng)址(FDMA)等技术目前应用最广泛的通信系统，主要包括GSM、IS-95等,完全采用数字技术，使用FDM、TDM、CDMA等技术。提供数字化的语音业务及低速数据业务国际标准有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、WiMax。技术指标：室内速率2Mbps，室外速率384kbps，行车速率144

2、kbps。能够实现语音业务、高速率传输及宽带多媒体、无线接入Internet等服务。OFMA及MIMO技术，在200MHz系统带宽下，下行峰值速率100Mbps，上行峰值速率50MHz，提供VoIP及IMS等高速率数据传输服务。？1G第三页，共80页。 3GPP（3rd Generation Partnership Project）于1998年12月成立，是一个由无线工业及商贸联合会ARIB、CCSA、欧洲电信标准研究所ETSI、电信行业解决方案联盟ATIS、电信技术协会TTA和电信技术委员会TTC合作(hzu)成立的通信标准化组织。 3GPP是一个致力于制定3G、LTE、IMT-Advanc

3、ed标准的全球标准化组织。 3GPP2(第三代合作伙伴计划2): 该组织是于1999年1月成立，由北美TIA、日本的ARIB、日本的TTC、韩国的TTA四个标准化组织发起(fq)，主要是制订以ANSI-41核心网为基础，CDMA2000为无线接口的第三代技术规范。3GPP组织制定的4G标准 第二条演进路线是 IEEE802.16系列的宽带无线接入标准，被称作WiMax。第四页，共80页。第五页，共80页。多载波多载波(zib)技术技术多天线多天线(tinxin)技术技术分组交换分组交换(jiohun)第六页，共80页。子载波排列可以大大提高频谱效率。传统(chuntng)FDM频谱OFDM频谱

4、第七页，共80页。OFDM与SC-FDMA的频谱结构(jigu)第八页，共80页。),(th),(th串并转换(zhunhun)IFFT并串转换(zhunhun)加入循环前缀数模变换多径传播模数变换去除循环前缀串并转换FFT并串转换SnRnn(t)NoImageOFDM调制OFDM解调第九页，共80页。LTE下行链路SC-FDMA采用(ciyng)DFT-S-OFDM方式实现DFT-S-OFDM系统(xtng)框图M点FFTN点IFFT串并转换循环前缀串并转换调制调制用户数据调制调制第十页，共80页。多载波多载波(zib)技术技术多天线多天线(tinxin)技术技术分组交换分组交换(jiohu

5、n)第十一页，共80页。空间(kngjin)-时间编码器空间(kngjin)-时间解码器MIMO系统示意图s1s2sMrr1r2rMRsH r使用多天线的MIMO技术能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天线发射总功率的情况下，可有效对抗无线信道衰落的影响，大大提高系统的频谱利用率和信道容量。第十二页，共80页。数据流，从而提高数据传输的峰值速率。空分复用(f yn)增益阵列增益分集增益第十三页，共80页。多载波多载波(zib)技术技术多天线多天线(tinxin)技术技术分组交换分组交换(jiohun)第十四页，共80页。时间(shjin)无线衰落信道快速自适应的分组调度电路交换的资源分配第

6、十五页，共80页。背景介绍背景介绍1网络架构与协议网络架构与协议2控制面协议控制面协议3用户面协议用户面协议4第十六页，共80页。LTE采用 “扁平”的无线访问网络结构，取消RNC节点，简化网络设计。实现了全IP路由，各个网络节点之间与Internet没有什么太大的区别，网络结构趋近(q jn)于IP宽带网络结构。第十七页，共80页。EPS网络结构EPCE-UTRAN用户(yngh)设备第十八页，共80页。S1eNodeB小区间无线资源管理无线承载控制连接移动性控制无线许可控制eNodeB测量配置与提交动态资源分配（调度）RRC(无线资源控制)PDCP(分组数据汇聚协议)RLC(无线链路控制)

7、MAC(媒体接入控制)物理层E-UTRAN MMENAS(非接入层)安全性空闲状态移动性管理EPS承载控制S-GW移动性安全闸P-GWUE IP地址分配分组过滤InternetEPC第十九页，共80页。EPS网络(wnglu)节点示意图网络结构包括CN(EPC)、E-UTRAN、UE，eNodeB通过(tnggu)X2接口连接，构成E-UTRAN(接入网)，eNodeB通过(tnggu)S1接口与EPC(CN)连接，UE通过(tnggu)LTE-Uu接口与eNodeB连接。第二十页，共80页。E-UTRAN总体(zngt)架构第二十一页，共80页。HSSP-GWS-GWMMEPCRFE-UTR

8、ANSGiS5/S8S1-US6aS1-MMEGxRxOperators IP services(e.g.IMS, PSS)LTE/SAE核心网负责UE的控制和承载建立，EPC包含(bohn)的逻辑节点有： PDN Gateway(P-GW)、Serving Gateway(S-GW)、Mobility Management Entity(MME) 、Home Subscribier Server(HSS) 、Policy Control and Charging Rules Function(PCRF)。EPC组成(z chn)结构第二十二页，共80页。P-GW主要实现(shxin)功能S-

9、GW主要(zhyo)实现功能MME主要实现功能处理UE和CN之间的控制信令，通过NAS协议实现。寻呼和控制信息分发 承载控制保证NAS信令安全移动性管理UE的IP地址分配QoS保证计费IP数据包过滤所有IP数据包均通过S-GWUE在小区间切换时，作为移动性控制锚点下行数据缓存LTE与其他3GPP技术互联时作为移动性锚点第二十三页，共80页。E-UTRANRadio AccessPDCPRLCMACNASRRCL2无线接口协议根据用途分为(fn wi)用户面(User plane)协议栈和控制面(Control plane)协议栈。用户(yngh)面控制(kngzh)面用户面主要执行头压缩、调度

10、、加密等功能控制面主要执行系统 信息广播、RRC连接 管理、RB控制、寻呼、移动性管理、测量配置及报告等第二十四页，共80页。ApplicationIPRLCMACPDCPL1RLCMACPDCPL1GTP-UUDP/IPL1RelayUDP/IPGTP-UL1GTP-UUDP/IPL1RelayL2L2IPUDP/IPL2GTP-UL1L2UEeNodeBServing GWPDN GWLTE-UuS1-US5/S8用户(yngh)面协议栈第二十五页，共80页。NASRRCRLCMACPDCPL1RLCMACPDCPL1SCTPL1RelayS1-APIPL2SCTPL1L2UEeNodeB

11、MMELTE-UuS1-MMERRCS1-APIPNASNAS控制(kngzh)面协议栈第二十六页，共80页。S1接口连接E-UTRAN与CN，S1控制平面接口(S1 -MME)位于(wiy)eNB和MME之间，S1用户平面接口(S1-U)位于(wiy)eNB和S-GW之间。S1-MME控制(kngzh)面协议栈S1-U用户面协议栈传输网络层建立在IP传输之上，GTP-U用来携带用户平面PDU传输网络层利用IP传输，为可靠传输信令，在IP之上，添加SCTP，应用层信令协议为S1-AP第二十七页，共80页。X2接口实现eNodeB之间的互联，X2接口控制(kngzh)平面和用户平面接口定义域S1

12、接口一致。X2接口(ji ku)控制面协议栈X2接口用户面协议栈第二十八页，共80页。承载(Bearer)是UE和网关之间有相应QoS(Quality of Service)保障的IP数据包。为了应对同时发生的多种形式的服务，EPS根据不同(b tn)的服务对QoS的不同(b tn)要求，将Bearer分为两类： GBR bearer Minimum Guaranteed Bit Rate bearer(保证保证比特率承载比特率承载)可应用可应用(yngyng)于于VoIP等面向连接的服务等面向连接的服务,bearer可分配到持久可分配到持久的无线资源。的无线资源。 Bearer NON-GB

13、R bearer不保证比特率，可用于浏览网页或ftp等服务，不分配持久的无线资源。第二十九页，共80页。每一个(y )bearer都有一个(y )QoS等级标记(QCI)及分配与保留优先级(ARP)。brearer与其对应服务如下图所示。LTE QCI标记(bioj)第三十页，共80页。在LTE/SAE系统中，EPS承载(brearer)需要(xyo)经过多层接口，逐渐映射为较低层次的承载。EPS承载经过(jnggu)多层接口示意图第三十一页，共80页。背景介绍背景介绍1网络架构与协议网络架构与协议2控制面协议控制面协议3用户面协议用户面协议4第三十二页，共80页。相邻两层的实体进行交互的逻辑

14、(lu j)接口称为服务访问点(Service Access Point)。n平面：同一个系统中，实现某一方面功能的协议栈，称作平面。LTE将系统分为控制面(Control Plane)和用户面(User Plane)。第三十三页，共80页。1.UE有特定的非连续接收(DRX)。2.监听(jin tn)广播信道，获取系统信息。3.监听(jin tn)寻呼信道，检测来电。4.UE执行小区选择和重选。空闲连接1.获得E-UTRAN分配的无线资源。2.可以与网络交互数据。3.向网络报告缓存状态和信道质量。4.由eNB控制小区切换。第三十四页，共80页。系统信息系统信息处理系统信息的广播。系统信息也包

15、括非接入层(NAS)的一般信息。一些系统信息仅对空闲状态的UE有效。连接连接(linji)控制控制完成RRC连接的建立、修改和释放，包括寻呼、安全性控制、建立信令无线承载(SRB)和数据无线承载(DRB)、切换、配置低层等操作。移动性管理移动性管理完成各种无线接入技术(RAT)间的切换。测量配置与报告测量配置与报告完成频率内、频率间以及RAT间的测量。第三十五页，共80页。传输信道通过物理层提供传输信道通过物理层提供(tgng)的功能，映射到物理的功能，映射到物理信道上信道上逻辑信道逻辑信道通过通过MAC层层提供的功能，映射到提供的功能，映射到传输信道传输信道上上MAC层和层和RLC层之间的服

16、务接入点称为层之间的服务接入点称为逻辑信道逻辑信道寻呼控制信道广播控制信道一般控制信道专用控制信道专用业务信道物理层和物理层和MAC层之间的服务接入点称为层之间的服务接入点称为传输信道传输信道寻呼信道广播信道随机接入信道下行共享信道上行共享信道最底层为最底层为物理信道物理信道物理广播信道物理随机接入信道物理下行共享信道物理上行共享信道第三十六页，共80页。MIB主信息块包含最常用的参数，是UE初始接入的重要信息。SIB1系统信息块1包含小区选择的参数，以及其它系统信息块的时隙安排。SIB2系统信息块2包含一般和共享信道的信息。其它SIB3-SIB8包含频率内、频率间、RAT间小区重选的参数。第

17、三十七页，共80页。1安全性管理2连接的建立、修改及释放3数据无线承载(DRB)的建立、修改及释放4LTE系统的移动性第三十八页，共80页。1安全性管理2连接的建立、修改及释放3数据无线承载(DRB)的建立、修改及释放4LTE系统的移动性安全性密钥的产生安全性密钥的产生(chnshng)过程图过程图第三十九页，共80页。1安全性管理2连接的建立、修改及释放3数据无线承载(DRB)的建立、修改及释放4LTE系统的移动性状态状态(zhungti)组合图组合图连接建立的消息流程连接建立的消息流程第四十页，共80页。1安全性管理2连接的建立、修改及释放3数据无线承载(DRB)的建立、修改及释放4LTE

18、系统的移动性1. 对于使用小分组的服务(如VoIP)，需要配置分组数据汇聚协议(xiy)(PDCP)，使其进行首部压缩，从而减少系统开销。2. 实时性强、准确性要求较低的服务不应使用RLC确认模式(Acknowledged Mode)，一般情况下都可以选用RLC AM。3. UE需要将上行资源划分给不同的无线承载，E-UTRAN使用优先级和优先化比特率来控制资源的划分方式。4. UE可以配置一个非连续接收(DRX)周期，除非当前服务对延时的要求非常严格。5. 对于分组速率半静态的服务(如VoIP)，可以通过配置半坚持的调度方式，减少控制信令的开销。6. 对传输延时不敏感的服务，可以配置混合AR

19、Q (HARQ)，以提高信息可靠性。第四十一页，共80页。1安全性管理2连接的建立、修改及释放3数据无线承载(DRB)的建立、修改及释放4LTE系统的移动性第四十二页，共80页。(hard handover)。1安全性管理2连接的建立、修改及释放3数据无线承载(DRB)的建立、修改及释放4LTE系统的移动性第四十三页，共80页。1安全性管理2连接的建立、修改及释放3数据无线承载(DRB)的建立、修改及释放4LTE系统的移动性在切换前，在切换前，UE一般会向源基站发送一般会向源基站发送(f sn)测量报告。测量报告。源基站请求一个或多个目的基站准备切换，并提供源基站请求一个或多个目的基站准备切换

20、，并提供UE的上下文信息。的上下文信息。目的基站发出切换命令，由源基站负责转发给目的基站发出切换命令，由源基站负责转发给UE。源基站向源基站向UE发送连接重配置消息，命令发送连接重配置消息，命令UE进行切换。进行切换。UE向目的小区进行随机接入。向目的小区进行随机接入。随机接入完成后，随机接入完成后，UE的接入层会将未完成的上行传输通知给上层，以便进行合适的处理。的接入层会将未完成的上行传输通知给上层，以便进行合适的处理。第四十四页，共80页。报告报告配置配置测量测量对象对象测量测量标识标识数量数量配置配置测量测量间隙间隙测量配置测量配置待测量的小区(xio q)、频率周期或事件触发的准则，以

21、及需要(xyo)报告的信息标识一次测量，定义可用的测量对象及报告配置定义了每次测量结果的过滤方式在测量间隙之内，UE进行测量操作，不能安排任何上下行传输第四十五页，共80页。小区选择，是UE在所有支持的载频、所有支持的RAT之中搜索出信号(xnho)最强的小区的过程。小区选择所采用的准则称为S准则(S-criterion)。当接收功率的等级Srxlev大于0dB时，就满足了S准则。当UE驻留在一个合适的小区后，就开始进行小区重选(zhn xun)。首先，小区重选(zhn xun)是基于绝对优先级的。其次，UE采用一种排名准则来比较各小区的链路质量。最后，UE验证目的小区的可接入性。当多个小区都

22、满足S准则时，UE采用R准则对小区排序。服务小区的排名为Rs，相邻小区的排名为Rn。当一个相邻小区的排名比服务小区高，并维持一段时间Treselection，UE就重选(zhn xun)至该小区。小区选择小区重选第四十六页，共80页。背景介绍背景介绍1网络架构与协议网络架构与协议2控制面协议控制面协议3用户面协议用户面协议4第四十七页，共80页。 无线接口协议栈根据(gnj)用途分为用户平面协议栈和控制平面协议栈。PDCPRLCMACPHYUEPDCPRLCMACPHYeNodeB用户面协议栈PDCPRLCMACPHYUEPDCPRLCMACPHYeNodeB控制面协议栈RRCRRCNASNA

23、SMMEPDCP、RLC和MAC协议(xiy)合称L2协议(xiy)。MACRLCPDCP第四十八页，共80页。L2的下行的下行(xixng)结构图结构图MACRLCPDCP第四十九页，共80页。L2的上行的上行(shngxng)结构图结构图MACRLCPDCP第五十页，共80页。PDCP层架构图层架构图MACRLCPDCP第五十一页，共80页。n据加密。n控制(kngzh)面数据的完整性保护和验证；n基于定时器的丢包；MACRLCPDCP第五十二页，共80页。PDCP层控制层控制(kngzh)面结构面结构图图MACRLCPDCP第五十三页，共80页。PDCP层用户层用户(yngh)面结构图面

24、结构图MACRLCPDCP第五十四页，共80页。MACRLCPDCP第五十五页，共80页。PDCP Reordering windowMACRLCPDCP第五十六页，共80页。RLC的结构的结构(jigu)MACRLCPDCP第五十七页，共80页。TM实体实体(sht)结构图结构图MACRLCPDCP第五十八页，共80页。UM实体实体(sht)结构图结构图MACRLCPDCP第五十九页，共80页。AM实体实体(sht)结构图结构图MACRLCPDCP第六十页，共80页。nRLC SDU丢弃(仅在UM和AM数据传输时)；nRLC连接重建；n协议的错误发现(fxin)和恢复机制；neNB和UE之间

25、的流控制。MACRLCPDCP第六十一页，共80页。n发送(f sn)侧会进行重传在以下两种情况n收到接收侧发来的状态报告指示有数据包未接收成功n本发送(f sn)侧底层发来的HARQ发送(f sn)失败指示MACRLCPDCP第六十二页，共80页。RLC AM的状态的状态(zhungti)报告报告v发送方触发发送方触发(通过在通过在RLC PDU中置中置Polling位为位为1来触发来触发)v最后一个包，发方最后一个包，发方buffer中没有数据中没有数据(shj)vT_Poll_Retransmit定时器超时定时器超时(Polling触发后没有收到回应触发后没有收到回应)v每发送完每发送完

26、Poll_PDU个个PDU后将后将P为置为为置为1(PDU个数触发个数触发)v每发送完每发送完Poll_Byte个字节后将个字节后将P为置为为置为1 (Byte位触发位触发)v接收方触发接收方触发v检测到接收的检测到接收的RLC数据数据(shj)PDU错误时，触发状态报告错误时，触发状态报告RLC的丢包功能的丢包功能MACRLCPDCP第六十三页，共80页。MAC层的功能层的功能(gngnng)MACRLCPDCP第六十四页，共80页。CCCHDCCHDTCHRACHUL-SCHPCCHBCCHCCCHDCCHDTCHMCCHMTCHPCHBCHDL-SCHMCH(a)上行逻辑信道与传输信道映

27、射(yngsh)关系图下行(xixng)逻辑信道下行传输(chun sh)信道(b)下行逻辑信道与传输信道映射关系图上行逻辑信道上行传输信道MACRLCPDCP第六十五页，共80页。MACRLCPDCP1随机接入过程 Random access procedure2不连续接收DRX3调度 Scheduling4混合冗余重传HARQ第六十六页，共80页。n在RRC_CONNECTED期间，下行数据到达需要进行随机接入时(例如当上行同步状态是“异步”的情况)；MACRLCPDCP1随机接入过程 Random access procedure2不连续接收DRX3调度 Scheduling4混合冗余重

28、传HARQ第六十七页，共80页。基于竞争基于竞争(jngzhng)的随机接入过程流程图的随机接入过程流程图基于非竞争基于非竞争(jngzhng)的随机接入过程流的随机接入过程流程图程图MACRLCPDCP1随机接入过程 Random access procedure2不连续接收DRX3调度 Scheduling4混合冗余重传HARQ第六十八页，共80页。MACRLCPDCP1随机接入过程 Random access procedure2不连续接收DRX3调度 Scheduling4混合冗余重传HARQ第六十九页，共80页。DRX操作操作(cozu)时序图时序图MACRLCPDCP1随机接入过程

29、 Random access procedure2不连续接收DRX3调度 Scheduling4混合冗余重传HARQ第七十页，共80页。是不同的调度器负责n调度器需要考虑的因素包括业务的QoS，业务量以及相关的无线承载(chngzi)，无线条件以及UE能力等n给于UE的UL-SCH的资源是对应一个UE的，而不是对应一个RBMACRLCPDCP1随机接入过程 Random access procedure2不连续接收DRX3调度 Scheduling4混合冗余重传HARQ第七十一页，共80页。MACRLCPDCP1随机接入过程 Random access procedure2不连续接收DRX3调

30、度 Scheduling4混合冗余重传HARQ第七十二页，共80页。动态调度动态调度(diod)过程图例过程图例MACRLCPDCP1随机接入过程 Random access procedure2不连续接收DRX3调度 Scheduling4混合冗余重传HARQ第七十三页，共80页。FEC编码(bin m)FEC纠错(ji cu)或检错如果收到ACK，则发送下一组码；如果收到NAK，则重传当前码组。接收无错码组，则反馈ACK；针对不可纠错码组，反馈NAK前向信道反馈信道HARQ通信系统通信系统MACRLCPDCP1随机接入过程 Random access procedure2不连续接收DRX3调度 Scheduling4混合冗余重传HARQ第七十四页，共80页。MACRLCPDCP1随机接入过程 Random access procedure2不连续接收DRX3调度 Scheduling4混合冗