LTE基础理论学习

一、LTE协议栈总体架构

1.1 用户面与控制面的概念

无线通信系统中，负责传送和处理用户数据流工作的协议称为用户面；负责传送和处理系统协调信令的协议称为控制面。用户面如同负责搬运的码头工人，控制面就相当于指挥员，当两个层面不分离时，自己既要负责搬运又要负责指挥，这种情况不利于大货物处理，因此分工独立后，办事效率可成倍提升，在LTE网络中，用户面和控制面已明确分离开。

1.2 架构

无线接入网和核心网的总体系统架构演进，结果是形成了一个扁平的RAN架构 + 分组核心网EPC架构。

• RAN：负责整体网络中所有无线相关功能，包括调度、无线资源管理、重传协议、编码和各种多天线方案等；
• EPC：负责与无线接口无关的完整移动宽带网络所需要的功能，包括认证、计费功能、端到端连接的建立等。

核心网主要模块是MME（Mobility Management Entity）和S-GW（Service Gateway）:

• MME即移动性管理模块，是控制平面节点;
• S-GW即服务网关，是用户平面节点；

eNodeB是LTE无线接入网络的单一节点。核心网通过S1接口连接到eNodeB，eNodeB通过Uu接口，连接到UE。

1.3 接口与协议

接口是指不同网元之间的信息交互的节点，每个接口含有不同的协议，同一接口的网元之间使用相互明白的语言进行信息交互，称为接口协议，接口协议的架构称为协议栈。在LTE中有空中接口和地面接口，相应也有对应的协议和协议栈。


LTE系统的数据处理过程被分解成不同的协议层。简单分为三层结构：

1. 物理层
2. 数据链路层（L2）：MAC，RLC，PDCP
3. 网络层

图1阐述了LTE系统传输的总体协议架构以及用户面和控制面数据信息的路径和流向。用户数据流和信令流以IP包的形式进行传送，在空中接口传送之前，IP包将通过多个协议层实体进行处理，到达eNodeB后，经过协议层逆向处理，再通过S1/X2接口分别流向不同的EPS实体，路径中各协议子层特点和功能如下：

1.3.1 NAS协议(非接入层协议)

处理UE和MME之间信息的传输，传输的内容可以是用户信息或控制信息(如业务的建立、释放或者移动性管理信息)。它与接入信息无关，只是通过接入层的信令交互，在UE和MME之间建立起了信令通路，从而便能进行非接入层信令流程了。

• NAS层功能如下：
  1. 会话管理：包括会话建立、修改、释放及QoS协商
  2. 用户管理：包括用户数据管理，以及附着、去附着
  3. 安全管理：包括用户与网络之间的鉴权及加密初始化计费。

1.3.2 RRC层(无线资源控制层)

RRC层支持终端和eNodeB间多种功能的最为关键的信令协议。

• RRC的功能包括：
  1. 广播NAS和AS层的系统消息
  2. 寻呼功能
  3. RRC（连接建立、保持和释放，包括UE与E-UTRAN之间临时表示的分配、信令无线承载的配置）
  4. 安全功能，包括密钥管理
  5. 端到端无线承载建立、修改与释放
  6. 移动性管理，包括UE测量报告，以及为了小区间和RAT间移动性进行的报告控制、小区间切换、UE小区选择与重选、切换过程中的RRC上下文传输等。
  7. MBMS业务通知，以及MBMS业务无线承载的建立、修改与释放
  8. QoS管理功能
  9. UE测量上报及测量控制。
  10. NAS消息的传输
  11. NAS消息的完整性保护

1.3.3 PDCP层(分组数据汇聚协议层)

负责执行头压缩以减少无线接口必须传送的比特流量，向上提供无线承载服务。头压缩机制基于ROHC。在接收端，PDCP协议将负责执行解密及解压缩功能。对于一个终端每个无线承载有一个PDCP实体。一个PDCP层实体关联控制面还是用户面，取决于它为哪种无线承载提供数据。PDCP层在控制面对RRC层和NAS层消息进行完整性校验，在用户面不进行完整性校验。

1. 解密及解压缩功能；
2. 数据及信令加密；
3. 信令完整性保护。

1.3.4 RLC层(无线链路控制层)

负责分段与连接、重传处理，以及对高层数据的顺序传送。RLC层以无线承载的方式为PDCP层提供服务，其中，每个终端的每个无线承载配置一个RLC实体。主要目的是将数据交付给对端的RLC实体。所以RLC提出了三种模式：透明模式，非确认模式和确认模式。

1. TM模式最简单，它对于上层数据不进行任何改变，这种模式典型地被用于BCCH和PCCH逻辑信道的传输，该方式不需对RLC层进行任何特殊的处理。RLC的透明模式实体从上层接收到数据，然后不做任何修改地传递至下面的MAC层，这里没有RLC头增加、数据分解及串联。

2. UM模式可以支持数据包丢失的检测，并提供分组数据包的排序和重组。UM模式能够用户任何专用或多播逻辑信道，具体使用依赖于应用及期望QoS的类型。数据包重排序是指对不按顺序接收到的数据进行排序。

3. AM模式是一种最复杂的模式。除了UM模式所支持的特征外，AM RLC实体能够在检测到丢包时要求它的对等实体重传分组数据包，即ARQ机制。因此，AM模式仅应用于DCCH或DTCH逻辑信道。

一般来讲，AM模式典型地用于TCP业务，如文件传输；UM模式用于高层提供数据的顺序传送，但是不重传丢失的PDU，典型地用于如voip业务，这类业务最主要关系传送时延；TM模式仅用于特殊的目的，如随机接入。

1.3.5 MAC层(Media Access Control，媒体接入层)

负责处理HARQ重传与上下行调度。MAC层将以逻辑信道的方式为RLC层提供服务。其主要目的是为RLC层业务与物理层之间提供一个有效的连接。从 这个角度看，MAC层支持的功能包括：

1. 逻辑信道与传输信道之间的映射；
2. 传输格式的选择，例如选择传输块的大小、调制方案等作为输出参数提供给物理层；
3. 一个UE或多个UE之间逻辑信道的优先级管理；
4. 通过HARQ机制进行纠错；
5. 填充；
6. RLC PDU的复用与解复用；
7. 业务量的测量与上报。

• MAC提供给上层的业务主要包括：数据传送及无线资源分配;
• 物理层提供给MAC层的业务包括：数据传送、HARQ反馈信令、调度请求信令以及测量。

在上行链路发送中，终端侧的MAC层只是复用自己的多个上行链路数据流，并且决定是发送上行链路调度请求还是发送上行链路数据。然而在下行链路共享信道，eNodeB必须考虑小区内发送所有用户的数据流。这就涉及到优先级处理过程，优先权处理是MAC层的一个主要功能。优先权处理过程是指从不同的等待队列选出一个分组，将其传递到物理层，并通过无线接口发送的过程。因为要考虑到不同信息流的发送，包括纯用户数据、E-UTRAN信令和EPC信令，这个过程非常复杂。当已传数据没有正确接收时，是否重传也与优先权处理有关，所以优先权处理过程还是与HARQ密切相关的，HARQ是MAC的另一个主要功能。此外，网络侧的MAC层要负责上行链路优先权处理，因为它必须从共享UL-SCH传输信道的多个终端的所有上行链路调度请求中进行选择。

1.3.6 PHY层(物理层)

负责处理编译码、调制解调、多天线映射以及其他电信物理层功能。物理层以传输信道的方式为MAC层提供服务。

物理层包括以下功能：

1. 传输信道的错误检测并向高层提供指示
2. 传输信道的前向纠错与译码
3. 混合自动重传请求软合并
4. 传输信道与物理信道之间的速率匹配及映射
5. 物理信道功率加权
6. 物理信道的调制与解调
7. 时间及频率同步
8. 射频特性测量并向高层提供指示
9. MIMO天线处理
10. 传输分级
11. 波束赋形
12. 射频处理

以上为LTE网络架构中各层的主要功能和作用，其中MAC\RLC\PDCP三个子曾组成数据链路层，称为L2。子层与子层之间使用服务接入点(Service Access Points，SAP)作为端到端通信的接口。PDCP层向上提供无线承载服务，并提供可靠头压缩(Robust Hearer Compression，Rohc)与安全保护功能；物理层与MAC层之间的SAP为传输信道，MAC层与RLC层之间的SAP为逻辑信道。

• 物理信道，执行信息的收发；
• 传输信道，区分信息的传输方式；
• 逻辑信道，区分信息的类型。

MAC层主要负责提供逻辑信道到传输信道之间的映射，同时执行将几个逻辑信道复用到统一传输信道。

LTE系统的上下行架构各子层实现功能是基本相同的，它们的主要区别在于下行反映网络侧情况，处理多个用户；上行反映终端侧的情况，只处理一个用户。