中级通信工程师|「专业实务」第7章重点学习内容!

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)

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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

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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。

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-eNodeB和EPC的接口S1

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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

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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

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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

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-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

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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;

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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

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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

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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

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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 )

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-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

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--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

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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

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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

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(2)PBCH的处理流程

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(3)PDSCH的处理流程

每个TTI上用户调度块的分配灵活可变

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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

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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

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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)

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7.5.1 小区搜索过程

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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

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(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

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(4)PRACH信道的资源映射

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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

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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

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7.5.4 跟踪区域更新

-TA -TAC -TAI -TAU

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