宽带无线技术LTE

宽带无线通信技术

BroadbandWirelessCommunicationTechnology李卓明HarbinInstituteofTechnologySchoolofElectronicandInformationEngineeringCommunicationResearchCenterzhuoming@2023/2/1CommunicationResearchCenter1Chapter6

LTE技术Long

Term

Evolution2023/2/1CommunicationResearchCenter2Chapter66.5LTE的系统架构2023/2/1CommunicationResearchCenter36.5LTE的系统架构LTE的卓越之道是一个“纵向删减、横向拉通”的过程。美国管理学家德鲁克指出：“组织不良最常见的病症，也就是最严重的病症，便是管理层次太多。组织结构上一项基本原则是，尽量减少管理层次，尽量形成一条最短的指挥链”。这就是俗称的企业扁平化。移动通信网络也发生了类似的变化。为了降低延迟，LTE将从2G到3G都一直很重要的基站控制器去掉了，无线网络由“核心网-基站控制器-基站”3级结构变成了“核心网-基站”2级结构。在网络扁平化同时，就不可避免地遇到上级（核心网）管的下级（基站）过多的问题，因此必须分权。所以，基站控制器的功能，大部分被下移到了基站，由基站自行决策。在无线接入网发现变革的同时，核心网也在进行革命，中心思想就是全IP化（IP网络可以有效承载话音业务）。2023/2/1CommunicationResearchCenter4以往的蜂窝系统，往往采取电路交换模式（如GSM），有的移动通信制式既有电路交换，又有分组交换（如WCDMA，Iu-CS口和Iu-PS口分别与核心网的电路域和分组域连接）。LTE仅仅支持分组业务，旨在在用户端和分组数据网络间建立无缝的IP连接，无论话音还是数据，全部通过IP网络。LTE的演进包含两方面，一方面是核心网的演进，叫做系统构架演进（SystemArchitectureEvolution），也就是全IP的分组交换核心网（EPC，EvolvedPacketCore）；另一方面是无线接入网的演进，两者相加就构成了。在无线接入网和核心网两方面而言，LTE相对GSM和WCDMA究竟有何变化？2023/2/1CommunicationResearchCenter56.5.1扁平化的LTE无线网世界是平的，LTE也是平的！LTE砍掉基站控制器RNC后，无线接入网（Evolved-UTRAN）只有基站一个网元。NodeB在LTE中改名为Evolved-NodeB，eNodeB承接了很多原来RNC的功能。2023/2/1CommunicationResearchCenter6WCDMAR99UMTS中的Iub接口、Iu-CS接口和Iu-PS接口没有了，取而代之的是eNodeB和核心网之间的S1接口（S1-MME&S1-U）。S1-U相当于WCDMA中的Iu-CS和Iu-PS接口的用户面部分，以分组域的IP包形式传输话音和数据（不再有CS和PS之分）。S1-MME（S1-c）就相当于WCDMA中的Iu-CS和Iu-PS接口的控制面部分，走的都是信令。2023/2/1CommunicationResearchCenter7MME：移动性管理实体（MobilityManagementEntity），就是完成位置更新、鉴权加密之类的工作，因为无线资源管理（切换、工控等）这个原本RNC的功能已经转移到eNodeB了。X2接口：LTE之前，基站间不存在接口，RNC取消后，其有些功能由eNodeB承接，如基站的负载和干扰消息，以及切换信息，就需要通过eNodeB的X2接口进行交互。（以前，基站不需要知道其他基站的负荷情况，RNC统计每个基站信息，并作为切换和负载均衡的依据）2023/2/1CommunicationResearchCenter82023/2/1CommunicationResearchCenter9总经理核心网：总揽全局；副总经理RNC：分管某一个大区；接收基站负荷信息、手机测量报告、执行基站切换、功率控制。通过RNC间的Iur接口进行交互（某些信息先通过核心网，由核心网和RNC交互）。部门经理基站：管理员工（终端）。为了提高反应速率（10ms往返时延的要求），LTE移除了RNC，其大部分功能下移至eNodeB，并通过X2口交互各种信令。eNodeB可以与若干个相邻eNodeB相连，并可以主动发现相邻基站，与之相连。LTE中有一个自动邻居关联功能（ANRF，AutomaticNeighbourRelationFunction），利用终端来鉴别有用的相邻eNodeB节点，即eNodeB可以允许终端从另一个eNodeB的广播中读取新小区身份标识，然后上报，这样eNodeB就可以认为终端读到的小区信息就是其相邻基站发的。（与传统方法有本质的不同）2023/2/1CommunicationResearchCenter10LTE的3层网络结构LTE与传统的无线网络的邻区鉴别方法不同，甚至可以说相反。传统的邻区是通过人工在仿真地图上比划的方式确定，然后在网络里进行配置，配置好的邻区信息是通过基站小区的系统消息的方式下发给终端的，终端对邻区既没有选择权，也没有建议权。如果某个邻区配置不对或者配的是单向的，很容易造成掉话，事实上现网许多掉话都是因为邻区配置不当引起的。2023/2/1CommunicationResearchCenter11传统邻区判别方法通过终端的测量情况来发现邻区的方案自然要比人工比对地图的方案有效得多。（GSM网络优化需要大量人工查找邻区的漏配、多配和错配情况。）空闲状态或信号传输的压缩状态时，终端会对其它基站的信号进行测量，如果发现信号的强度较高，说明这个基站就是邻区。自动邻区管理功能（ANRF）是LTE引进自优化网络（SON）的非常关键一步，另外一步靠的是X2接口自动的数据交换。只有有足够的负载、干扰、切换等信息，LTE网络自优化才能实现。2023/2/1CommunicationResearchCenter12LTE的自动网络关联6.5.2全IP化的LTE核心网“合”-最早的移动通信网只有电路域，GSM和IS-95的整个核心网都是电路域的；“分”-数据业务的需求日益显现，于是核心网侧除了电路域还有了分组域，如GPRS中的服务支持节点SGSN和网关支持节点GGSN，以及CDMA1X中的分组数据服务节点PDSN和AAA鉴权服务器，核心网被分成了电路域和分组域两部分；“合”-LTE设计之初就把满足数据业务放在了首位，加之Skype的成功，也说明了话音可以在IP网络上有效承载，所以将电路域砍掉了，核心网又归一到了分组域上。LTE的核心网号称是EPC（EvolvedPacketCore）网络，如同eNodeB一样，这里的E（演进）用来标注自己的身份。有E的LTE核心网和没E的WCDMA、cdma2000的分组域核心网有什么区别？2023/2/1CommunicationResearchCenter13cdma2000网络的核心网AAA鉴权服务器的功能很简单，包含了鉴权、授权、计费功能。PDSN（PacketDataServingNode）的主要工作是给终端分配IP地址，建立、维护和终止与手机的PPP（PointtoPointProtocol）连接，并将数据转发到外部的公共数据网络。除了要维护一条无线连接以外（无线的链路比有线的复杂得多），其他功能和路由器很相似。2023/2/1CommunicationResearchCenter14GPRS/WCDMA/TD-SCDMA核心网3GPP出于平滑演进的考虑，继承了GPRS的原有分组域核心网，GPRS、WCDMA、TD-SCDMA的分组域核心网基本是一致的。SGSN的功能有点类似于GSM电路域中的MSC/VLR（移动交换中心/拜访位置寄存器），主要作用就是对移动台进行鉴权、移动性管理和路由选择。GGSN的功能比较简单，就是IP地址的分配和数据转发功能，然后生成计费信息（相当于一台路由器）。cdma2000的PDSN相当于剥离了鉴权功能的SGSN和GGSN合体。2023/2/1CommunicationResearchCenter15LTE的核心网（EPC网络）UMTS核心网的一些思想也会在LTE里有所体现（会有和SGSN及GGSN相似的实体出现）。S-GW：服务网关（ServingGateway），功能和SGSN比较相似。负责移动性管理，还要负责数据的转发（GGSN功能）。P-GW：分组数据网关（Packet-DataNetworkGateway），仅剩IP地址分配功能。2023/2/1CommunicationResearchCenter16LTE核心网（雏形1）LTE的核心网（EPC网络）LTE时代，带宽是共享的，运营商希望设置不同QoS等级，让付费高的用户享受更好的保证带宽（GBRGuaranteedBitRate）。为了这个目标，LTE又在核心网里增加了一个叫做PCRF（PolicyandChargingRulesFunction，策略与计费规则功能）的设备，用于确定应该给用户怎样的QoS并通知P-GW执行（P-GW新增功能）。进一步调整LTE分组域核心网。2023/2/1CommunicationResearchCenter17增加了PCRF的LTE核心网LTE的核心网（EPC网络）cdma2000的核心网没有包含HLR（HomeLocationRegister，归属位置寄存器），GPRS/UMTS也没有，真不需要吗？开户信息、用户鉴权信息以及用户实时位置信息都要存储在HLR里。cdma2000中的AAA服务器已经包含了类似功能（电路域使用HLR，分组域使用AAA服务器）；GPRS/UMTS中，分组域和电路域共用一个HLR，SGSN都有到HLR的Gc接口。LTE中也添加了HLR。2023/2/1CommunicationResearchCenter18增加了HLR的LTE核心网应当说，经过调整增加了S-GW（数据转发）、P-GW（分配IP）、PCRF（控制QoS赚取增值服务费）和HLR（记录用户信息）的LTE核心网已经很完备了。但是，S-GW的信令流量是较少的，业务数据流量是较多的，两种流量应该分开由不同设备承载（信令由MME承载，数据由S-GW承载），才更有效率。继承WCDMAR4以来一贯的控制与承载分离的思想，进一步修改，形成了LTE现网所采用的结构。MME(MobilityManagementEntity，移动性管理实体)，处理终端和核心网络间信令交互的节点，它继承了一部分RNC的功能，如位置更新、承载的建立和释放。2023/2/1CommunicationResearchCenter19LTE现网结构6.5.3无线协议构架许多协议其实对于用户平面和控制平面都是通用的。2023/2/1CommunicationResearchCenter20RAN总体协议框架NAS：Non-AccessStratum，非接入层，afunctionlayerbetweenthecorenetworkandtheterminalthatsupportssignalinganduserdatatransfer。RRC：RadioResourceControlMAC：MediaAccessControlPDCP：PacketDataConvergenceProtocolPHY：PhysicalLayerRLC：RadioLinkControl2023/2/1CommunicationResearchCenter21头压缩加密分割、ARQMAC复用混合ARQ编码调制天线和资源映射负荷选择优先级控制负荷选择重传控制调制方案天线和资源分配LTE协议框架（下行链路）头解压解密级联、ARQMAC解复用IP分组包无线接入网的不同协议实体归纳如下：分组数据汇聚协议PDCP：IP包头压缩，以减少空口上传输的比特数。还负责控制平面加密、传输数据的完整性保护，以及针对切换的按序发送和副本删除。在接收端，执行相应的解密和解压缩操作。系统为一个终端的每个无线承载配置一个PDCP实体。无线链路控制RLC：负责分割/级联、重传控制、重复检测和序列传送到更上层。RLC以无线承载方式向PDCP提供服务。系统为一个终端的每个无线承载配置一个RLC实体。媒体接入控制MAC：控制逻辑信道的复用、混合ARQ重传、上行链路和下行链路的调度。上下行调度功能位于基站；混合ARQ协议部分位于MAC协议的发射和接收结束；MAC层以控制信道的形式为RLC层服务。物理层PHY：管理编码/解码、调制/解调、多天线的映射以及其他典型的物理层功能。物理层以传输信道形式为MAC层提供服务。2023/2/1CommunicationResearchCenter222023/2/1CommunicationResearchCenter23带有3个IP数据包的实例，一个无线承载有两个数据包，另一个有一个数据包上行的数据流是相似的SDU，服务数据单元PDCP执行（可选）IP包头压缩，之后进行加密。增加了一个PDCP头，用来携带终端解密所需的信息。PDCP的输出将被转发到RLC。RLC协议执行PDCPSDU的级联/分割，并添加一个RLC头用于终端（每个逻辑信道）的按序发送以及重传情况下的RLCPDU鉴定。PDU被转发到MAC层，复用并添加一个MAC头形成传输块。最后，物理层会为添加CRC校验，执行编码和调制，并传输所产生的信号。6.5.4物理层物理层负责编码、物理层的混合ARQ处理、调制、多天线处理、以及将信号映射到适当的物理时频资源。还可以处理传输信道到物理信道的映射。2023/2/1CommunicationResearchCenter24PCFICH：PhysicalControlFormatIndicatorChPDCCH：PhysicalDownlinkControlChannelPDSCH：PhysicalDownlinkSharedChannelPHICH：PhysicalHARQIndicatorChannelPBCH：PhysicalBroadcastChannelPMCH：PhysicalMulticastChannel下行链路信道物理下行共享信道（PDSCH）用于单播数据传输的主要物理信道，还用于寻呼信息的传输。物理广播信道（PBCH）承载终端接入网络所要求的一部分系统信息。物理多播信道（PMCH）支持多播广播单频网MBSFN操作。物理下行控制信道（PDCCH）用于下行控制信息传输，主要包括PDSCH接收所需的调度决策，以及触发PUSCH传输的调度许可。物理混合ARQ指示信道（PHICH）承载用于为终端指示运输块是否重传的HARQ确认。物理控制格式指示信道（PCFICH）是一个为终端提供解码PDCCH所必须信息的信道。每个组分载波只有一个PCFICH。2023/2/1CommunicationResearchCenter252023/2/1CommunicationResearchCenter26PUSCH：PhysicalUplinkSharedChannelPUCCH：PhysicalUplinkControlChannelPRACH：PhysicalRandomAccessChannel上行链路信道物理上行共享信道（PUSCH）是与PDSCH相对应的上行信道。对于每个终端，每个上行链路组分载波对多有一个PUSCH。物理上行控制信道（PUCCH）被终端用来发送HARQ确认，为eNodeB指示下行传输块是否成功接收，或发送信道状态报告以协助下行链路的信道相关调度，以及申请上行链路数据传输所需要的资源。每个终端最多一个PUCCH。物理随机接入信道（PRACH）用于随机接入。2023/2/1CommunicationResearchCenter27一些物理信道，具体地说是用于下行链路控制信息（PCFICH、PDCCH、PHICH）和上行控制信息（PUCCH）传输的信道，没有相应的传输信道。其他下行传输信道基于与DL-SCH相同的通用物理层处理流程。对于BCH上的系统信息广播，终端必须能够接收这个信息信道，以作为接入系统前的一个最初步骤（传输格式为先验信息）。BCH也可以采用不同方式映射到物理资源（OFDM时频格）。对于PCH上寻呼信息的传输，传输参数可以在一定程度上进行动态适应，一般来说与DL-SCH的通用处理类似。MCH用于MBMS传输，通常采用单频网络操作，通过在同一时间的相同资源上采用相同的格式从多小区发送。2023/2/1CommunicationResearchCenter286.5.5控制平面协议控制平面协议负责连接建立、移动性管理及安全性管理。从网络传输到终端的控制消息既可以源于位于核心网络中的MME，也可以源于eNodeB的无线资源控制（RRC）节点。由MME管理的NAS控制平面功能，包括EPS承载管理、认证、安全性以及不同的空闲模式处理如寻呼。负责为终端分配IP地址。RRC位于eNodeB，负责处理RAN相关的流程：系统信息广播；来自MME的寻呼消息的传送；连接管理，包括建立承载和LTE内部移动性；移动性功能，如小区选择和重新选择；测量配置和报告；UE能力级别处理，当连接建立时终端将公布其能力。2023/2/1CommunicationResearchCenter29小结LTE的无线接入网和核心网，以及LTE的两个关键技术OFDM和MIMO，这几项构成了LTE的骨架。2023/2/1CommunicationResearchCenter30Chapter6LTE技术6.6LTE的物理层结构与流程2023/2/1CommunicationResearchCenter316.6LTE的物理层结构与流程LTE对物理层资源的划分与GSM极为相似，在单天线情况下（不算MIMO），也是通过频率和时间两个维度来对资源进行划分。如果算上MIMO的情况，就还可以从空间的角度来进行区分，空间是通过多天线传输和接收技术来实现的，以“层”进行测量。下面只对单天线情况进行讨论。2023/2/1CommunicationResearchCenter326.6.1GSM和LTE的资源划分GSM以频率为纵轴时间为横轴，类似围棋盘的资源分配方案。从频域而言，GSM上行从890~915MHz，共有25MHz，按200kHz一个个切，可以切成75个频点（载波）；从时域而言，GSM将一个TDMA帧切成8份，每个TDMA帧是4.615ms，那么时隙长度为0.577ms。频率上的200kHz和时间上的0.577ms组成了一个时隙。2023/2/1CommunicationResearchCenter33LTE最大的时间单元是一个10ms的无线帧，分为10个无线子帧，每个1ms，这些子帧又分为2个时隙，每个0.5ms，相当于一个LTE帧有20个时隙。每个时隙里LTE有7个OFDM的符号。频域上，LTE的一个子载波的宽度比GSM小得多，为15kHz。这样做是为了方便将资源进行灵活分配。LTE支持的最小带宽是72个子载波，也即1.08MHz。2023/2/1CommunicationResearchCenter34两个概念RE（ResourceElement，资源元素），它由频率上的一个子载波和时间上的一个OFDM的符号持续时间组成，这是资源的最小单位；RB（ResourceBlock，资源块），资源块在频率域上占用了12个子载波（也即180kHz），在时间域上占用了一个时隙（也即0.5ms）。2023/2/1CommunicationResearchCenter35LTE的帧结构一个子载波在时间上的序列，就是所谓的一个无线帧了。对于空白的无线帧，按照协议规定的标准格式填进去，既是所谓的无线帧结构了。帧结构有两种，一种用于FDD-LTE，另一种用于TDD-LTE。2023/2/1CommunicationResearchCenter36FDD帧结构适用于FDD（FrequencyDivisionDuplex）帧结构的一个无线帧为10ms，一共10个子帧，每个子帧1ms，包含两个时隙，每个时隙0.5ms。2023/2/1CommunicationResearchCenter37TDD帧结构TDD的帧结构与FDD相似，只是把两个子帧单独用来做同步。这两个特殊子帧都包含3个特殊时隙：上行导频时隙（UplinkPilotTimeSlot）、下行导频时隙（DownlinkPilotTimeSlot）和保护时隙（GuardPeriod），这3个特殊时隙总长为一个子帧的时长1ms。2023/2/1CommunicationResearchCenter38TDD-LTE与TD-SCDMA的帧结构在某些方面非常相似，都是10ms的无线侦，都分成5ms的半帧。在这5ms时间里，TDD-LTE有4个常规子帧和1个特殊子帧，其中这个特殊子帧用来进行上下行的导频；而TD-SCDMA有7个常规时隙和1个特殊时隙，其中这个特殊时隙也是用来进行上下行的导频。2023/2/1CommunicationResearchCenter396.6.2LTE的物理层工作流程当我们学习了各种移动通信制式的通信流程之后，会发现GSM、CDMA也好，WCDMA、TD-SCDMA或者LTE也罢，很多流程或者信令方面的东西都是相通的：3G和LTE都需要先进行同步，只有同步后才能进行其它工作；同步后需要导频，从而对信道进行估计；导频后要解读系统消息，获取网络的一系列相关参数；都需要监听寻呼，否则没法当被叫。2023/2/1CommunicationResearchCenter40同步同步很重要，由于通信系统传递的是一串串0、1的码流，所以时间上必须统一标准，即同步。由于每个子载波的信号都需要同步，因此每个10ms的无线帧都会有同步信号（WCDMA的同步在每个时隙的头256个码片）。WCDMA中分为主同步码PSC（用来确定时隙的边界）和从同步码SSC（确定帧的边界以及主扰码的组号）。LTE同步也分为两部分，即主同步信号（PSS，PrimarySynchronizationSignal）和从同步信号SSS（SecondarySynchronizationSignal）。2023/2/1CommunicationResearchCenter41PSS总是处在第1个时隙或者第11个时隙的最后一个OFDM符号式，而SSS总是和它相邻，一般位于倒数第二