第7章 LTE移动通信系统
7.1 概述
7.2 LTE的系统结构
7.3 LTE的空中接口
7.4 上下行物理层传输
7.5 LTE系统基本过程
7.1 概述
1. LTE的主要目标
系统容量;
数据传输时延;
终端状态间转换时间;
移动性;
覆盖范围;
增强的多媒体广播和多播业务。
2. LTE的主要性能指标
① 1.4MHz~ 20MHz带宽,上行50Mbit/s、 下行100Mbit/s的峰值速率。
② 改善小区边缘用户的性能。
③ 高频谱效率。
④ 降低延迟.
⑤ 与现有3GPP和非3GPP系统的互操作。
⑥ 增强型的MBMS业务。
⑦ 合理的终端。
⑧ 增强的IMS和核心网。
⑨ 取消Cs (电路交换)域.
⑩ 支持成对和非成对频段。
⑪ 支持运营商间邻频共存和邻区域共存。
3. LTE的基本特点
只支持分组交换的结构;完全共享的无线信道;
4. LTE-Advanced的特点
① 峰值数据率,下行3Gbit/s, 上行1.5Gbit/s;
② 提高频谱效率,16bit/s/Hz 提高到30bit/s/Hz;
③ 提高用户数、小区边缘性能;
④ LTE与LTE-A相互兼容.
⑤ 灵活配置频谱和带宽;
⑥ 网络自动化、自组织能力。
7.2 LTE的系统结构
7.2.1 LTE/SAE的网络结构
演进的分组核心网(EPC)--IMS网络位于核心网,提供互联网接口,通过媒体网关连接电话网和互联网。
演进的通用地面无线接入网(E-UTRAN)
7.2.2 E-UTRAN的结构及接口
1、E-UTRAN结构与UTRAN结构的比较;
-只包含eNodeB,取消了RNC。
2、E-UTRAN主要网元的功能及接口
3、eNodeB实现的功能
① 无线资源管理(RRM)
-无线承截控制、无线接纳控制、连接移动性控制和UE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 当终端附着时选择MME。
④ 路由用户平面数据到S-GW。
⑤ 调度和传输寻呼消息(来自MME)。
⑥ 调度和传输广播信息(来自MME或者O&M)。
⑦ 用于移动和调度的测量和测量报告的配置。
4、E-UTRAN主要的开放接口
① X2接口:eNodeB之间
② S1接口:E-UTRAN与CN之间
③ LTE-Uu接口:UE接入系统固定部分
5、E-UTRAN通用协议模型;-适用于S1和X2接口
6、E-UTRAN主要接口的协议栈
-eNodeB之间的接口X2
① 用户平面:基于IP传输的,UDP/IP之上利用GTP-U。
② 控制平面:利用IP和SCTP(流控制传输协议),应用层信令协议使用X2-AP。
-eNodeB和EPC的接口S1
① 用户平面:基于IP传输的,UDP/IP之上利用GTP-U。② 控制平面:利用IP和SCTP(流控制传输协议),应用层信令协议使用S1-AP。
③S1口的功能:
a. SAE承载服务的管理
b. 激活模式下,UE的移动性管理
c. S1接口UE上下文管理功能。
d. S1寻呼
e. NAS信令传输
f. S1接口管理
g. 网络共享
h. 漫游与区域限制功能
i. NAS结点选择功能
j. 初始状态时上下文的建立
7.2.3 核心网结构及接口
EPC主要网元的功能:MME、SGW、PDN GW、PC RF、HSS
MME 功能:
① 安全管理功能
② 会话管理功能
③ 空闲状态的终端管理功能
MME 主要完成如下工作:
① NAS信令的加密和完整性保护。
② CN节点之间的信令传输。
③ 空闲状态下的移动性控制。
④ P-GW和S-GW的选择。
⑤ MME选择,MME改变带来的切换。
⑥ 切换到2G或者3G访问网络的SGSN选择。
⑦ 漫游。
⑧ 承载管理。
S-GW 功能:数据业务的锚点
① 3GPP间的移动性管理,建立移动安全机制。
② 下行分组缓冲和网络初始化。
③ 授权侦听。
④ 分组路由和前向转移。
⑤ 计费信息。
P-GW 功能:与外部数据网络交互数据的锚点
① 用户的分组过滤。
② 授权侦听。
③ UE的IP地址分配。
④ 上、下行服务管理和计费。
⑤ 基于AMBR的下行速率控制。
PCRF 功能:
-决定如何使用可用资源,负责用户的计费信息管理。
HSS 功能:
-3G和LTE的核心节点 -存储用户的注册信息 -
MME/MME:S10接口
SGSN/MME: S3接口
SGSN/S-GW: S4接口
S-GW/P-GW: S5/S8接口
MME/S-GW: S11接口
MME/HSS: S6a
UE/eNodeB/MME的控制平面协议栈
NAS协议 功能:
-移动性管理,用户平面承载激活、修改、解除激活,对NAS信令加密。
eNodeB和MME之间(S1)协议 功能:
-控制和建立网络访问连接的属性。
-控制建立网络连接的路由。
-控制网络资源的分配。
UE/eNodeB/网关的用户平面协议栈
-eNodeB和S-GW之间、S-GW和P-GW之间,利用GTP-U协议传送用户数据。-
LTE网络中的IP多媒体子系统(IMS)
-首次提出是R5版本 -功能实体:
-① CSCF(呼叫会话控制功能实体)。
-② MGCF(媒体网关控制功能)。
-③ MGW(媒体网关)。
7.3 LTE的空中接口
7.3.1 LTE工作频段
LTE同时支持FDD和TDD的双工方式
7.3.2 空中接口协议
Uu口
-第一层(L1)物理层
-第二层(L2)数据链路层
-第三层(L3)网络层
7.3.3 物理层
物理层的功能
① 传输信道的错误检测。
② FEC编解码。
③ HARQ及软合并实现。
④ 传输信道与物理信道速率匹配和映射。
⑤ 功率控制。
⑥ 调制/解调。
⑦ 同步。
⑧ 无线特性测量。
⑨ MIMO天线处理。
⑩ 传输分集。
⑪ 波束赋形。
⑫ 射频处理。
传输信道
⑴下行传输信道
① 广播信道(BCH)
② 下行共享信道(DL-SCH)
③ 寻呼信道(PCH)
④ 多播信道(MCH)
⑵上行传输信道
① 上行共享信道(UL-SCH)
② 随机接入信道(RACH)
帧结构
帧结构类型1,适用于FDD与H-FDD
一个长度为10ms的无线帧由10个长度为1ms的子帧构成;每个子帧由两个长度为0.5ms的时隙构成;
帧结构类型2,适用于TDD
一个长度为10ms的无线帧由2个长度为5ms的半帧构成;
每个半帧由5个长度为1ms的子帧构成;
常规子帧:由两个长度为0.5ms的时隙构成;
特殊子帧:由DwPTS、GP以及UpPTS构成;
支持5ms和10ms DL-UL切换点周期;
物理信道
⑵ 物理信道的分类
① 下行物理信道
② 上行物理信道
③ 传输信道与物理信道映射
① 下行物理信道
a. 物理广播信道(PBCH)
传递UE接入系统所必需的系统信息,如带宽,天线数目等
b. 物理控制格式指示信道(PCFICH)
一个子帧中用于PDCCH的OFDM符号数目
c. 物理HARQ指示信道(PHICH)
用于eNodeB向UE 反馈和PUSCH相关的ACK/NACK信息
d. 物理下行控制信道(PDCCH)
用于指示PDSCH相关的传输格式,资源分配,HARQ信息等
e. 物理下行共享信道(PDSCH)
传输数据块,包括用户数据以及系统信息、寻呼等
f. 物理多播信道(PMCH)
传递MBMS相关的数据
② 上行物理信道
a. 物理上行控制信道(PUCCH)
当没有PUSCH时,UE用PUCCH发送ACK/NAK,CQI,调度请求(SR,RI) 信息。
当有PUSCH时,在PUSCH上发送这些信息
b. 物理上行共享信道(PUSCH)
承载数据
c. 物理随机接入信道 (PRACH)
用于随机接入,发送随机接入需要的信息,preamble等
③ 传输信道与物理信道映射
PCFICH、PDCCH、PHICH、PUCCH无对应传输信道
7.3.4 数据链路层
⑴ 层2结构
① MAC层
② RLC层
③ PDCP层
-层与层之间为服务接入点(SAP)
-RLC与MAC层之间为逻辑信道
① MAC层的功能
a.逻辑信道与传输信道间的映射
b. 复用/解复用的过程
c.业务量测量报告
d.通过HARQ纠错
e.同一个UE的逻辑信道优先级处理
f.多个UE间的优先级处理(动态调度)
g.传输格式选择
h.逻辑信道优先级管理
② RLC层的功能
a.支持确认模式、非确认模式和透明模式。
b.通过ARQ机制进行错误修正。
c.根据传输块大小对本层数据动态分段和重组。
d.实现同一无线承载的多个业务数据单元的串接。
e.顺序传送上层的PDU (切换时除外)。
f.数据的重复检测和底层协议错误的检测与恢复。g.eNodeB和UE间的流量控制。
③ PDCP层的功能
a.协议头压缩与解压缩, 只支持ROHC压缩算法。
b.NAS层与RLC层间用户面数据传输。
c.用户面数据和控制面数据加密。
d.控制面NaS信令信息的完整性保护。
7.3.5 RRC层
RRC层提供的服务与功能
① 广播NAS层和接入层(AS层)的系统消息。
② 寻呼。
③ RRC连接建立、保持和释放。
④ RRC消息的加密和完整性保护。
⑤ 无线承载的建立、修改和释放。
⑥ 移动管理功能。
⑦ QoS管理。
⑧ 广播/多播业务的通知和控制。
⑨ 用户和网络侧NAS消息的传输。
RRC协议状态以及状态迁移
-空闲状态(RRC IDLED)
-连接状态(RRC CONNECTED).
(1)空闲状态的主要特征
① NAS配置的UE特定的非连续接收(DRX)。
② 系统信息广播。
③ 寻呼。
④ 小区重选。
⑤ UE具有在跟踪区域范围内唯一的标识。
⑥ 在eNodeB中没有保存RRC上下文等。
(2) 连接状态的主要特征
① UE具有E-UTRAN的RRC连接。
② E-UTRAN拥有UE通信上下文。
③ E-UTRAN知道UE属于哪个服务小区。
④ 网络可以与UE间发送/接收数据。
⑤ 网络控制的移动管理( 切换)。
⑥ 相邻小区测量等。
RRC协议状态以及状态迁移
7.4 上下行物理层传输
7.4.1 时频结构
无线帧
-无线帧长度10ms
SFN周期为1024,编号为0~1023.
-子帧长度1ms;
-时隙长度Tslot=0.5ms;
-基本的时间单位TS=
-OFDM符号为时间结构的时间单位。
-循环前缀(CP):
常规CP(160 TS 、144 TS )
扩展CP(512 TS )
-频域:子载波 时域:OFDM符号
--无线帧(SFN)
-10ms 1024编号
-广播 寻呼 信道状态报告
--传输时间间隔(TTI)
-子帧 -HARQ机制 TA机制
--时隙
-0.5ms 同步信号、参考信号、控制信息
物理资源
--RE:Resource element/资源单元
-1个子载波对应1个OFDM符号
--RB:Resource block/资源块
-时域上0.5ms的1个时隙
-频域上 180KHz含12个连续的子载波
--SB:Scheduling Block/调度块
-时域上1ms的1个子帧(最小调度单位)
-资源块对
--中心频率在子载波中的位置
-下行:无用直流子载波
-上行:位于2个子载波之间
7.4.2 下行物理层传输
为MAC层和高层提供信息传输
通过传输信道实现
下行传输信道处理
-1个TTI内1个或2个传输块传递到物理层
下行参考信号的分类
-小区专用参考信号(CRS)
-UE专用参考信号(DRS)
-信道状态参考信号(CSI-RS)
-MBSFN参考信号
-定位参考信号
小区专用参考信号的结构及产生
-504个物理小区标识
-扰码选用GOLD码
下行控制信道及业务信道
(1)LTE时频网格中控制区和数据区的划分
(2)PBCH的处理流程
(3)PDSCH的处理流程
每个TTI上用户调度块的分配灵活可变
7.4.3 上行物理层传输
(1)PUCCH的控制信令消息
-SR:用于向eNodeB请求UL-SCH资源。
-HARQ ACK/NACK:对DL-SCH上发送的数据进行HARQ确认。
-CSI:包括CQI、PMI、RI等信息。用于告诉eNodeB下行信道质量等,帮助eNodeB进行下行调度
(2)PUCCH信道的时频资源占用
-整个可用带宽的边缘。
-12个子载波,1个子帧2个时隙
7.5 LTE系统基本过程
小区搜索的主要内容
-频率和符号的同步
-获得帧定时,决定下行帧的开始点
-决定物理层小区标识(504个)
-循环前缀(CP)的长度
-工作方式(FDD/TDD)
① PSS(主同步信号)。
② SSS(辅同步信号)。
映射到带宽中心62个子载波上
①终端检测到并识别出小区的PSS(主同步信号)可以获得 -该小区的5ms定时 -小区标识群中的小区标识(3个) -SSS的位置
②终端检测到并识别出小区的SSS(辅同步信号)可以获得 -帧定时 -小区标识群(168个)
7.5.1 小区搜索过程
7.5.2 随机接入过程
LTE中随机接入的应用场景
-① 初始接入和TAU更新
-② RRC 连接重建过程
-③ 上行失步需要申请上行资源
-④ 切换
-⑤ 上行失步但需接收下行数据
-⑥ UE位置辅助定位需要
随机接入前导的结构
(1)随机接入前导的ZC序列
-长度839个子载波,子载波间隔1.25kHz,800μs。
-长度139个子载波,6RB,133μs。
(2)随机接入前导的循环前缀
-5种格式
(3)机接入前导的处理过程
(4)PRACH信道的资源映射
基于冲突的随机接入
随机选择前导
基于非冲突的随机接入
指派非冲突的前导
7.5.3 寻呼
-RRC_IDLE
-RRC_CONNECTED
寻呼周期
-如果终端检测到寻呼的组无线网络临时标识(P-RNTI), 它就处理PCH上相对应的下行寻呼消息。
-终端应当在哪个子帧醒来监听寻呼是由网络进行配置的。-寻呼消息只能在某些子帧上发送,从每32帧1个子帧到每个帧有4个子帧。
寻呼过程
-核心网或eNodeB触发
-通知系统信息更新、寻呼UE
7.5.4 跟踪区域更新
-TA -TAC -TAI -TAU
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