TD-LTE系统空中接口协议栈研究_图文

1、广西通信技术 2010年第4期Guangxi Communication TechnologyTD.LTE系统空中接口协议栈研究祝仰伟,张红霜(重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065摘要:根据3GPP颁布的TD-LTE协议及TD-LTE技术的研究背景与技术特点,简要介绍了演进型接入网Eu TRAN空中接口的体系结构,分别从物理层、数据链路层和无线资源控制子层研究了TD.LTE无线接口 协议。关键词:3GPP;TD.LTE;无线接口协议;体系结构中图分类号:TN929.5文献标识码:A 文章编号:10083545(201004-0016-05一、研究背景3GPP启动LTE项目的表面原因是

2、应对 WiMAX标准的市场竞争,但其深层次原因是移动 通信与宽带无线接入(Broadband Wireless Access, BWA技术的融合,也就是宽带接入移动化。 宽带接入移动化趋势表现为:由大宽带向可变 宽带演变;由固定接入向支持中低速移动演变;由 孤立的热点覆盖向支持切换的多小区组网演变;由 数据业务向同时支持话音业务演变。移动宽带化表现为:由5MHz以下带宽向20MHz带宽演变;由 注重高速移动向低速移动优化演变;由电路交缈 分组交换并重向全分组领域演变;终端形态由以移 动终端为主向便携,移动终端并重演变。二、LTE技术特点NGMN从运营商的角度对LTE提出了要求, 要求LTE必须

3、成为一个有竞争力的B3G宽带无线 业务提供手段。因此,LTE系统的设计主要考虑如 下几个总体目标:(1降低每比特成本;(2扩展业务的提供能力,以更低的成本、更 16 佳的用户体验提供更多的业务;(3灵活使用现有和新的频段;(4简化结构,开放接口;(5实现合理的终端功耗。总结起来,为了实现一个高数据率、低延迟为 分组业务优化的系统,需要完成以下工作:(1在空中接口物理层方面,支持更加灵活的 传输带宽,并且引入新的传输技术和先进的多天线 技术;(2在空中接口层2/层3方面,优化信令设计;(3在RAN架构方面,优化RAN架构并且对 RAN网元之间的功能进行划分;(4优化RF设计。在空中接口方面,为了

4、提供更高的频谱效率和 更可靠的传输性能,将采用多种先进的信号处理技 术。具体而言,在下行链路采用能够有效对抗多径 衰落、提高频谱效率的OFDM技术,采用自适应链 路技术使编码调制参数能够适应无线信道的变化, 通过在发端和接收端配置多个天线,从而提高系统 的容量、改善系统性能。上行链路则采用峰均比较 低的分布式或集中式单载波频分复用提供多址接 入。在帧结构和频谱规划上,尽可能与现有3G标 准相兼容,以方便终端在不同制式系统中的切换。广西通信技术 2010丰第4期 Guangxi Communication Technology三、LTE空中接口协议1.协议设计要求空中接口指的是终端和接入网之间的

5、接口,一 般称为UU接口。空中接口协议主要用途是建立、 重配置和释放各种无线承载业务。空中接口是一个 完全开放的接口,不同制造商生产的设备只要遵守 接口规范就能够互相通信。一般来说,终端厂商的 设备要比网络制造商的数目多,完全开放的接口有 利于不同厂家设备的兼容。LTE系统的主要无线传输技术的区别在于物理 层。在设计高层时会尽量考虑不同标准的兼容性, 对于FDD和TDD来说,高层的差别并不十分明 显,差异集中在描述物理相关信道的消息和消息元 素方面。2.协议框架(1协议总框架:E.UTRA系统是由eNodeB 组成,提供了用户平面和控制平面的协议,用户平 面包括PDCP层,RLC层,MAC层;

6、控制平面包 括RRC层。eNodeB之间是通过X2接口相连。同 时eNodeB也通过S1接口和EPC相连。更细地划 分,与MME相连的接口称为S1.MME接口,与 SAE网关相连的接口称为S1.U接口(即用户平面 的接口。要求S1接口可以支持多个eNodeB和多 个SAFAVIME之间的连接。E.UTRAN的总体架构如 图1所示。ll!iE-uTRANeNodeB主要功能包括以下几个方面:1无线资源管理功能,即无线承载控制,无 线接纳控制,连接移动性管理,终端的上下行动态 资源分配;2用户数据流的IP头压缩和加密;3当终端附着时的MME选择;4寻呼消息的调度和传输;5广播消息的调度和传输;6用

7、于移动和调度的测量以及测量报告的配 置。MME的主要功能包括以下几个方面:1将寻呼消息分发到eNodeB;2安全控制;3空闲状态下的移动性管理;4SAE承载控制;5非接入层信令的加密和完整性保护。SAE网关功能包括终端移动时的用户平面的转 换。(2无线接口协议栈:无线接口协议栈根据用 途分为用户平面协议栈和控制平面协议栈。用户平 面协议栈与UMTS系统相似,主要包括PDCP、 RLC和MAC层,主要执行头压缩、调度、加密等 功能。用户平面协议栈如图2所示。控制平面协议栈如图3所示,主要包括NAS、 RRC、PDCP、RLC、MAC等四层,其中PDCP, RLC和MAC的功能和用户平面的一样。R

8、RC协议终止于eNodeB,主要实现以下功能:1广播;2寻呼;3RRC连接管理;17广西通信技术 2010年第4期 Guangxi CommunicatiOil Technology库一-I F茁一-|两手一-I ;亟二怍十+书二匝: :厂而_*厂田: :口垂二+囝i :.I ;匿一i; ; :巫二并斗固i :4RB控制;5移动性方面;6终端的测量和测量上报控制。四、L1/L2/L3协议框架1.层1(L1协议框架物理层为MAC层和高层提供信息传输的服务。 物理层传输服务是通过特征数据在无线接口上传输 来描述的,称为传输信道。(1下行传输信道类型:下行传输信道类型主 要有以下几种:1BCH(广播

9、信道:下行、固定、预定义的 传输格式,如具有固定大小,固定发送周期,调制 编码方式等等。除了MIB消息在专属的物理信道 上传输外,其他的广播消息(SIB都是在物理共 享信道上传输的。2DL_SCH(下行共享信道:使用HARQ, 能够通过各种调制模式、编码、发送功率来实现链 路适应;能够在整个小区内发送,能够使用波束赋 形;支持动态或半静态资源分配、终端非连续接收 和MBMS业务传输。3PCH(寻呼信道:支持终端非连续接收以 达到节电目的(非连续接收周期由网络配置给终 端,要求能在整个小区覆盖区域内发送,映射到 用于业务或其他动态控制信道使用的物理资源上。 4MBCH(多播信道:要求能在整个小区

10、覆 盖区域内发送,对于单频点网络支持多小区的 MBMS传输的合并,并使用半静态资源分配。18(2上行传输信道类型:上行传输信道类型主 要有以下两种:1UL_SCH(上行共享信道:能够使用波束 赋形;有通过调整发射功率、编码和潜在的调制模 式应用链路适应的能力;能够使用HARQ,动态或 半静态资源分配。2RACH(随机接入信道:上行,用于指定 传输随机接入前导、发射功率等等信息。(3传输信道与物理信道的映射:传输信道与 物理信道的映射关系如图4和图5所示。工亚二 下行传镶信遭 下行物理信谨 系图工E二 图5上行传输信道与物理信道映射关系图2.层2(L2协议框架层2主要是由MAC,RLC以及PDC

11、P子层组 成的。以下将介绍L2的总体框架以及各个子层的 功能。下行和上行的层2框架分别如图6和图7所 示。图6和图7中层与层之间的链接点成为SAP, PDCP向上提供的服务是无线承载,提供ROHC功 能与安全保护。RLC与MAC之间的服务为逻辑信 道,MAC提供逻辑信道到传输信道的复用与映射。 上行架构与下行架构的区别主要为下行反映网 络侧的情况,处理多个用户;上行反映终端的情况,. 只处理个用户。每个子层实现的功能是相同的。 MAC主要实现与调度和HARQ相关的功能, 刚O _J I 占 嗽一-广西通信技术 2010耳第4期Guangxi Communication Technology篙售

12、一一齑一言<-一一-一一一一一_-。 卜一十±一=譬一-二扛:-一一一一-一一一一一一一_:lQ 1.曰区习.b;-脚.-Q-dI口眦H呼H掣掣 I一一一耳二一逻端道=F一耳二率一(-一一斗一一调虏优先级处理uE复用/u咳用/L¨一±#.一一兰扛二 -一一一一一一.(一一(_图6层2下行架构章葺蓦调度/优先级处理复用 /lHARQ图7层2上行架构图具体包括以下内容:实现逻辑信道映射到传输信 道;分组数据单元的复用与解复用;基于HARQ 机制的错误纠正功能;通过动态调度的方式,处理 不同用户的优先级;对同一用户的不同逻辑信道的 优先级处理,主要在UE端实现;传

13、输格式的选 择,通过物理层上报的测量信息、用户能力等,选 择相应的传输格式,从而达到最有效的资源利用。 RLC功能主要有以下几点:对上层PDU的传 输支持AM模式、UM模式或是透明模式数据传输; 通过ARQ机制进行错误修正(CRC校验由物理层 完成;根据传输块大小进行动态分段,分段产生 的RLC PDU不包含任何填充;重传时对PDU进行 重分段;重分段的数目没有限制;顺序传送上层的 PDU(切换时除外;SDU丢弃等。PDCP子层的主要功能如下:头压缩与解压缩, 支持一种压缩算法,即ROHC算法;用户面数据传 输,包括从NAS接收数据转发给RLC层,反之亦 然;切换时对上层PDU的顺序递交;用户

14、面数据 和控制面数据加密等。3.层3(L3协议框架RRC子层位于协议栈分层结构的控制平面, 逻辑上可以分为五个功能区:(1系统信息区:用于系统信息广播,主要包 括非接入层(NAs公共信息、用于RRC空闲模 式的小区选择重选相关信息和RRC连接模式的公 共信道配置信息、ETWS与CMAS通知。(2RRC连接控制区:用于RRC连接建立、 重配置、释放相关的所有过程,包括寻呼、初始安 全性激活、SRB与DRB的建立、系统内切换以及 无线链路失败的恢复等。(3异系统切换控制区:用于LTE与其它无 线接入技术之问的切换,包括安全性激活与UE上 】9广西通信技术 2010耳第4期 Guangxi Comm

15、unication Technology下文信息的传输。“测量控制区:用于同频、异频、异系统的 测量,包括测量建立、修改、释放,测量间隔和报 告配置等。(5复合功能区:用于传输NAS专用信息、 UE无线接人性能信息以及协议错误处理等。RRC子层作为无线资源控制中心,功能相对 复杂,不仅为上层提供业务还要接受底层的服务, 为底层进行配置。RRC子层为上层提供的业务主 要有公共控制信息的广播、通知空闲状态下UE的 寻呼以及ETWS和CMAS通告、NAS专用控制信息 的传输。RRC接受底层的服务主要有来自PDCP层 的加密和完整性保护、RLC层数据的可靠与顺序传 输、MAC层的数据传输与无线资源分配

16、。五、结束语LTE技术改进并增强了3G的空中接入技术, 采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯 一标准。在20MHz频谱带宽下能够提供下行 326Mbit/s与上行86Mbit/s的峰值速率。改善了小 区边缘用户的性能,提高小区容量和降低系统延 迟。相对于目前3G网络的容量和速度,LTE是它 的100余倍,且延迟性更低,并具有从125-20MHz 不等的灵活频谱。LTE技术的发展必将随着标准的 完善趋于成熟。参考文献13GPP.TS36.331V9.0.03rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Ra

17、dio Access Network,Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E.I船ARadio Resource Control(RRC.S/OLJ.(2009-09.262009.10-01. http:Ja,.23GPP.TS36.304V9.0.03rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E.UTRA;U

18、ser Equipment(UEprocedures in idle mode.S/,0L.(2009.09.26 【20091041.http:黼.39.33GPP.IS36.300V9.1.03rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E.tTrRAand Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UT

19、RAN, Overall description.S/OL.(2009-09-262009-0928..43GPP.TS23.122V9.0.03rd Generation Partnership Project,Technical Specification Group Core Network and Terminals, Non.Access-Stratum(NASfunctiom related to Mobile Station(MSin idle mode.S/OL.(2009-09.262009-09. 27J.http:A.5李小文,李贵勇,陈贤亮.TD.SCDMA第三代移动通信系统、信令及实现M.北京:人民邮电出版社