LTE空中接口技术与性能空中接口流程

1、LTE空中接口技术与性能 空中接口流程,周晓津,目录,空中接口概述 空中接口流程 小区搜索 系统信息广播 随机接入 HARQ CQI/PMI/RI上报 功率控制 数据链路层（MAC/RLC/PDCP） 无线资源控制（RRC）,空中接口位置,空中接口资源,20MHz带宽 10ms为1帧，分为10个子帧 FDD或TDD 下行OFDMA，上行SC-FDMA,TDD上下行配比,空中接口资源TDD和FDD,无线资源的分组,RE（Resource Element）为最小的资源单位，时域上为一个符号，频域上为一个子载波 RB（Resource Block）为业务信道资源分配的资源单位，时域上为一个时隙（7个

2、符号），频域上为12个子载波 CRB（Combined Resource Block）为业务信道资源分配的资源单位，时域上为一个子帧（14个符号），频域上为12个子载波，是用户资源的最小分配单位 REG（Resource Element Group）为控制信道资源分配的资源单位，由4个RE组成 CCE（Channel Control Element）为PDCCH资源分配的资源单位，由9个REG组成 RBG （Resource Block Group）为业务信道资源分配（类型0）的资源单位，由一组RB组成,空中接口协议栈,信令流,数据流,E-Node B,PHY,UE,PHY,MAC,RLC,M

3、AC,MME,RLC,NAS,NAS,RRC,RRC,PDCP,PDCP,APP,UDP,GTPU,IP,S,1,AP,SCTP,SGW,IP,UDP,GTPU,IP,SCTP,S,1,AP,X,2,AP,空中接口,核心网接口,空中接口功能,提供无线通信资源（物理层） 无线信号的发送和接收 无线资源的使用和调度（MAC子层） 可靠传输-HARQ 空口数据传输控制（RLC子层） 数据结构定义 按序递交，出错重传 数据压缩和加密（PDCP子层） 无线资源控制（RRC层） 用户会话管理 空口参数配置（系统级和用户级） 与核心网接口,小区搜索,主同步信号和辅同步信号 下行同步信号包括PSS和SSS，P

4、SS和SSS的频域位置为eNodeB频带中心（直流附近）的72个子载波。实际上只占了62个子载波，其他10个子载波不放同步序列。 PSS在一个无线帧中有两个，这两个是完全一样的。对于FDD，时域位置为时隙0（子帧0）和时隙10（子帧5）的最后一个符号。对于TDD，时域位置为子帧1和子帧6的第3个符号。 SSS在一个无线帧中也有两个，而这两个同步符号是有差别的。对于FDD，时域位置为时隙0（子帧0）和时隙10 （子帧5）的倒数第二符号。对于TDD，时域位置为时隙1（子帧0）和时隙11 （子帧5）的倒数第一符号。,小区搜索,同步信号永远位于系统频带的正中央,小区搜索,第一步：解调主同步信号 UE在

5、时域和频域进行盲扫，将三个本地基本同步序列与接收信号进行相关性比较，如得到相关峰即认为扫描成功。 获得系统载波频率 获得符号同步 获得小区IDNID(2) 第二步：解调辅同步信号 UE采用辅同步序列确定第一步中检测到的小区的无线帧定时和小区组ID索引 检测获得无线帧定时 通过盲检测获得下行CP长度（用于接收PBCH） 获得小区组IDNID(1) 小区ID = NID(1) 3 + NID(2) 利用主、辅同步信号相对位置的不同，终端可以在小区搜索的初始阶段识别系统是TDD还是FDD,PBCH（物理广播信道）,PBCH承载BCH包含的系统信息MIB（共24比特），系统信息包括下行系统带宽、系统帧

6、序号(SFN)、PHICH持续时间以及PHICH资源大小指示信息 时域上位于子帧0时隙1的前4个OFDM符号，频域上位于系统频带中央的72个子载波。,系统信息广播,系统信息（SI）是承载具有相同调度周期的系统信息块（SIB）的RRC消息。 系统信息有多种类型，主要包含MIB（主系统信息块）、SIB1和SIBn。 MIB的传输载体SI-M映射到逻辑信道BCCH，并且由PBCH传输信道承载。其他所有系统信息由下行共享信道即DL-SCH信道来承载。映射到DL-SCH信道上的BCCH由SI-RNTI（0 xFFFF）标识。,系统信息广播,SIB内容,系统信息广播,系统参数,系统信息广播调度,系统信息的

7、调度方式分为两种，一种是固定调度方式，另外一种是动态调度方式。MIB和SIB1的发送采用固定调度方式。除MIB和SIB1外，其他的SIB都采用动态调度方式。 MIB的调度周期是40ms，即4帧，在每帧的子帧0内重复发送相同的内容。每一轮首次传输发生在SFN模40的无线帧。 SIB1的调度周期是80ms，即8帧，在8帧内每两帧重复一次，每一轮首次传输发生在SFN模80的无线帧，使用子帧5传输SIB1。 之所以选择子帧5，主要是考虑到TDD和FDD之间的共性，由于子帧5在TDD和FDD中都是下行时隙，所以放在该子帧里可以减少TDD和FDD之间的实现差异。在频域内，SIB1的调度信息包含在PDCCH

8、上，UE通过解码PDCCH获取具体的调度信息，在相应的位置上读取SIB1的内容。 其他类型的SIB采用动态调度方式（通过SIB1）。动态调度表现在SI和SIB的映射关系是动态的，同时SI的传输窗口也是可以配置的。,随机接入流程,随机接入的目的 UE为使用无线网络服务向网络侧发起连接建立请求 UE获得上行同步 在网络侧和UE之间建立唯一的终端标识符C-RNTI 随机接入的场景 UE从RRC_IDLE状态进行初始网络接入。 RRC连接重建。 切换。 RRC_CONNECTED状态下下行数据到达，但上行处于未同步状态时触发随机接入。 RRC_CONNECTED状态下上行数据到达，但上行处于未同步状态

9、或没有为调度请求分配PUCCH资源时触发随机接入。,随机接入流程（竞争）,随机接入流程,第一步：UE向eNB发送随机接入前导码（消息1）。 随机接入前导码的发送机会在频域上占用6个上行资源块(1.08MHz) 每个小区可用的随机接入前导码为64个 在下行广播的SIB2消息（其中的RACH-ConfigCommon参数集合）中，包含UE进行随机接入所需要的操作参数，主要有：上行随机接入信道的具体配置、本小区可用的前导码集合、前导码最大发射次数、功率抬升步长、UE通过HARQ发送消息3的最大重传次数等。 UE在发起随机接入请求之前，从可用的随机接入发送机会中随机选择一个发送机会，并根据发送机会的位

10、置按照下式计算RA-RNTI： RA-RNTI = t_id + 10 * f_id 其中t_id是发送机会所在的子帧号（0=t_id10），f_id是发送机会在子帧中的序号（0=f_id1）,Transmission mode 1 : Modes 2-0, 3-0 Transmission mode 2 : Modes 2-0, 3-0 Transmission mode 3 : Modes 2-0, 3-0 Transmission mode 4 : Modes 1-2, 2-2, 3-1 Transmission mode 5 : Mode 3-1 Transmission mode 6

11、 : Modes 1-2, 2-2, 3-1 Transmission mode 7 : Modes 2-0, 3-0,CQI/PMI/RI上报,周期上报 在PUCCH或PUSCH中，由RRC信令配置 最大11比特 CQI/PMI与RI的上报时间冲突时，丢弃CQI/PMI,Transmission mode 1 : Modes 1-0, 2-0 Transmission mode 2 : Modes 1-0, 2-0 Transmission mode 3 : Modes 1-0, 2-0 Transmission mode 4 : Modes 1-1, 2-1 Transmission mo

12、de 5 : Modes 1-1, 2-1 Transmission mode 6 : Modes 1-1, 2-1 Transmission mode 7 : Modes 1-0, 2-0,CQI/PMI/RI上报,周期上报 CQI/PMI上报周期（TDD）,cqi-pmi-ConfigIndex = 0：每子帧都上报 cqi-pmi-ConfigIndex = 24：每隔一帧的子帧8上报,CQI/PMI/RI上报,周期上报 RI上报周期,ri-ConfigIndex = 0：每子帧都上报（CQI/PMI无法上报） ri-ConfigIndex = 162：每4帧的子帧7上报,功率控制原理与

13、分类,开环功控：确定UE发射功率的一个起始发射功率，作为闭环功控调整的基础 闭环功控：eNode B通过测量PUCCH/PUSCH/SRS信号的SINR，然后把SINR和SINRtarget比较决定TPC command (通知的是power step size )，并通过PDCCH通知到UE，决定相应子帧的上行发送信号的发射功率 外环功控：闭环功率控制的调整依据SIRtarget的动态调整,功率控制流程,下行功率分配 在LTE系统中可以没有下行功率控制功能，由eNodeB来决定每个RE的下行发送能量。 下行PDSCH的功率分配：基站决定每个资源块RE的下行发射功率。在整个系统下行链路带宽上的

14、每个子帧，除非接收到不同的特定小区的参考信号功率信息，通常UE会假设下行小区特定的参考信号RS EPRE值均为常数。下行参考信号EPRE是由参数Reference-signal-power决定，而该参数是由上层设置的 上行功控 PRACH的功控 PUSCH的功控 PUCCH的功控,PUSCH功率控制,UE发射功率的简化算法 PPUSCH = min(Pmax, PO_PUSCH + *PL + f + MdB) Notation MdB = 10 log10 M where M is the number of allocated resource blocks PO_PUSCH = PO_N

15、OMINAL_PUSCH + PO_UE_PUSCH PO_NOMINAL_PUSCH is included in system information PO_UE_PUSCH is sent to UE during connection setup f is the sum of received TPC commands (except that commands that would lead outside the limit are ignored) = 0, 0.4 . 1 is the partial path-loss compensation factor.,PUCCH

16、功率控制,UE发射功率的简化算法： PPUCCH = min(Pmax, PO_PUCCH + PL + TF(TF) + g) Notation: PO_PUCCH is included in system information TF is the PUCCH format (1, 1a, 1b, 2, 2a, or 2b) TF(TF) is a power offset for format TF, these offsets are signaled using RRC g is the sum of received TPC commands (except that comma

17、nds that would lead outside the limit are ignored),PRACH 功率控制,UE发射功率 PPRACH = min(Pmax, PO_PRACH_INITIAL + PL + (n 1) FPRACH_RAMP) Notation n is the transmission attempt counter PO_PRACH_INITIAL and FPRACH_RAMP are included in system information PO_PRACH_INITIAL = NPRB + 8 + SINRTARGET,PRACH,上行外环功控,

18、外环功率控制模块主要用于确定SINRtarget SINRtarget的确定包括初始配置和动态调整，初始配置由后台按照每个业务子类配置，动态调整是在初始配置的基础上基于外环功控算法进行调整 当SINR不能满足服务质量要求时，可以通过下述方式来解决：（1）提高UE的发射功率来提高SINR。（2）分配更多的Physical RB和调整MCS或者调整physcial PRB，可以使得在较低的SINR也能达到质量要求。因此MAC层在进行功率控制时，首先要判断是否能够通过方法（1）来解决；若不能解决，则通过方法（2）来解决 每次调整后，在屏蔽周期内，不进行任何累加和判断,MAC子层功能,MAC子层下行功

19、能,MAC子层上行功能,MAC PDU格式,MAC资源调度,核心功能，对系统性能有重大影响 决定哪些用户得到调度，这些用户的时频资源、MCS、MIMO等 下行调度结果由eNB执行 上行调度结果通过PDCCH通知UE 可看作是L2的发动机,调度器的输入 (example),可用时频资源 (含可用PRB、小区负载、功率、干扰协调等信息) 用户的QoS参数(各个业务的类别、优先级、GBR/MBR/PBR/AMBR等) Buffer Status (区分不同优先级组) 空口质量 (如不同频带的CQI/CPI等) UE能力 (例如HOM能力、MIMO能力、内存大小、处理能力等) HARQ信息 （如HAR

20、Q重传信息、persistent scheduling等）,调度器的输出 (example),调度用户的上下行时频资源分配 调度用户的上下行MCS/MIMO信息 调度用户的HARQ参数 (重传、RV等),RLC子层,RLC子层的功能由RLC实体实现，eNB中的RLC实体和UE中的RLC实体一一对应 RLC实体接收上层（PDCP/RRC）发来的SDU，或透传、或通过重组、分段处理将其作为RLC PDU发送到下层（MAC） 同样的，RLC实体也接收下层发来的PDU，将其级联成SDU后，发送（UM/AM模式下按序）到上层 三种传输模式：透明模式、非确认模式、确认模式 RLC的主要功能： 传递上层PD

21、U； AM模式下通过ARQ进行纠错； UM/AM模式下重组、分段和级联； UM/AM模式下，按序向上层投递PDU； UM/AM模式下的重复帧检测； UM/AM模式下，丢弃不必要的SDU等,RLC子层,TM RLC 透明模式,不支持分段（UMTS是支持的），简化实现,UM RLC 非确认模式,接收端支持排序 接收端可以从底层获取PDU丢失信息，避免不必要的排序时延 接收端使用类似UMTS HSDPA的重排机制 SDU按序递交,AM RLC 确认模式,PDU size由MAC指示，非固定值 支持重分段，重分段次数不受限制 不仅维护PDU信息，必要时还要维护PDU内的segment 接收端使用类似U

22、MTS HSDPA的重排机制 SDU按序递交（HO时除外，PDCP负责保证按序）,ARQ,ARQ: 重传RLC PDU或RLC PDU segment 基于状态报告或HARQ信息进行重传 上层可触发状态报告 发端维护发送窗口 收端维护接收窗口 收端维护状态报告窗口，只对窗口内的PDU反馈ARQ信息 Polling触发机制（目前只有最后数据发送、polling定时器超时）,PDCP是一个功能实体，它将传输网络层的传输技术与E-UTRAN的空口处理技术剥离开。在其之上的各层无需考虑与空口相关的问题。 PDCP将高层协议特性映射在低层空口协议特性上，通过为高层提供的透明传输使得 LTE 协议能够在U

23、E和E-Node B之间承载IP报文 PDCP的协议对等实体存在于E-Node B和UE间，将UE侧的IP， E-Node B侧的GTP-U等传输网络层协议与空口协议剥离。 控制信令和用户面应用产生的IP数据一样，也是一种业务数据，经过用户面空口协议在UE和eNodeB之间传输。所不同的是映射的信道不一样。,PDCP子层,PDCP子层,在接收侧和发送侧各有一个对等的协议实体负责PDCP报文的封装和解析。一个UE对应多个RB（Radio Bearer），而每一个RB对应一个PDCP实体 每个PDCP实体与一或两个（一个对应着一个方向）RLC实体关联，这取决于RB的特性（如单向或双向）以及RLC的

24、传输模式。PDCP实体的属性由控制面的上层协议RRC来配置,PDCP的功能主要服务于映射在逻辑信道DTCH、DCCH上的DRB和SRB，在DTCH和DCCH上提供的功能分别为 DTCH信道 PDCP报文传输 SN序列号维护 IP数据流的头压缩和解压 加解密 切换时，对来自下层的PDU数据的重排序功能 DCCH信道 PDCP数据传输 SN序列号维护 完整性保护 加解密,PDCP子层,广播系统消息 寻呼 建立、维护和释放终端和E-UTRAN之间的RRC连接，包括分配临时的终端标识，配置信令承载等 安全功能，包括密钥管理 建立、维护和释放点对点无线承载 移动性管理功能，包括测量控制和上报、切换、小区

25、选择和重选、切换时RRC上下文传递等 广播MBMS业务 建立、维护和释放MBMS无线承载 QoS管理功能 终端测量控制和上报 底层协议层的工作参数配置,RRC层功能,在LTE协议中UE只有RRC_IDLE和RRC_CONNECTED两种状态。当UE的RRC层与eNB的RRC层之间存在RRC连接时，UE的状态为RRC_CONNECTED，其他情况下UE的状态为RRC_IDLE。 在RRC_IDLE状态下，UE具有一个跟踪区域范围内唯一的身份标识，eNB中没有保存UE的RRC上下文。UE在RRC_IDLE状态下可以执行的操作如下： 接收系统信息广播 由高层配置执行DRX非连续接收 监听寻呼信道 P

26、LMN选择 小区重选,RRC状态,在RRC_CONNECTED状态下，UE同eNB之间已经建立了RRC连接，在E-UTRAN内保存有UE的RRC上下文，E-UTRAN知道UE在哪个小区。UE在RRC_CONNECTED状态下可以执行的操作如下： 捕获系统信息 邻小区测量和测量结果上报 执行网络侧控制的移动性管理（包括切换和网络辅助的小区变更等） 监控控制信道以检测是否有调度的数据 与网络之间进行数据接收和发送 监听控制信道以确定eNB是否为其配置了共享信道资源 向网络侧反馈物理信道质量信息；,RRC状态,寻呼 RRC连接建立 初始安全激活 RRC连接重配 计数器检查 RRC连接重建 RRC连接释放 移动性管理 小区重选 切换,RRC流程,RRC连接建立,UE,eNodeB