协议学习三

     前面一课我们了解到，LTE空中接口协议栈主要分为三层两面，三层是指物理层、数据链路层、网络层，两面是指控制平面和用户平面。从用户平面看，主要包括物理层、 MAC 层、 RLC 层、 PDCP 层，从控制平面看，除了以上几层外，还包括 RRC 层， NAS 层。下面我们分别对这些分层进行详解。

一、MAC 媒体接入控制层

1. MAC 层功能概述

不同于UMTS ，MAC 子层只有一个MAC 实体，包括传输调度功能、MBMS 功能、MAC 控制功能、UE 级别功能以及传输块生成等功能块。


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二、RLC 无线链路控制层

1. RLC层功能概述

  RLC层结构图如图9所示。RLC层位于PCDP层（“上层”）和MAC层（“下层”）之间。它通过业务接入点（SAP）与PDCP层通信，通过逻辑信道与MAC层通信。RLC层重排PDCP PDU的格式使其能适应MAC层指定的大小，即RLC发射机分块/串联PDCP PDU，RLC接收机重组RLC PDU来重构PDCP PDU。


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三、PDCP分组数据汇聚层

1. PDCP层功能概述

分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）层位于LTE空中接口协议栈RLC层之上，用于对用户平面和控制平面数据提供头压缩、加密、完整性保护等操作，以及对UE提供无损切换的支持。
PDCP层结构图如图13所示。所有的数据无线承载（Data Radio Bearer，DRB）以及除信令无线承载（Signaling Radio Bear，SRB）0外的其他的SRB在PDCP层都对应一个PDCP实体。每个PDCP实体根据所传输的无线承载特点与一个或两个RLC实体相关联。单向无线承载（即对应RLC UM模式的无线承载）的PDCP实体对应两个RLC实体（即两个RLC UM实体，分别用于上/下行数据的处理），双向无线承载（即对应RLC AM的无线承载）的PDCP实体对应一个RLC实体（即一个RLC AM实体，RLC AM实体能够处理上下行数据）。一个UE可以包含多个PDCP实体，PDCP实体的数目由无线承载的数目所决定。

LTE物理层概述

LTE物理层在技术上实现了重大革新与性能增强。关键的技术创新主要体现在以下几方面：以OFDMA为基本多址技术实现时频资源的灵活配置；通过采用MIMO技术实现了频谱效率的大幅度提升；通过采用AMC、功率控制、HARQ等自适应技术以及多种传输模式的配置进一步提高了对不同应用环境的支持和传输性能优化；通过采用灵活的上下行控制信道涉及为充分优化资源管理提供了可能。

1. 协议结构

物理层周围的LTE 无线接口协议结构如图1 所示。物理层与层2 的MAC 子

层和层3 的无线资源控制RRC 子层具有接口，其中的圆圈表示不同层/子层间的服务接

入点SAP。物理层向MAC 层提供传输信道。MAC 层提供不同的逻辑信道给层2 的无

线链路控制RLC 子层。

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2. 物理层功能

物理层通过传输信道给高层提供数据传输服务，物理层提供的功能包括:

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（FEC）编解码；

3）混合自动重传请求（HARQ）软合并；

4）编码的传输信道与物理信道之间的速度匹配；

5）编码的传输信道与物理信道之间的映射；

6）物理信道的功率加权；

7）物理信道的调制和解调；

8）频率和时间同步；

9）射频特性测量并向高层提供指示；

10）多输入多输出（MIMO）天线处理；

11）传输分集；

12）波束形成；

13）射频处理；

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LTE 系统物理层基本过程

1.小区搜索与同步

小区搜索过程是指UE获得与所在eNodeB的下行同步（包括时间同步和频率同步），检测到该小区物理层小区ID。UE基于上述信息，接收并读取该小区的广播信息，从而获取小区的系统信息以决定后续的UE操作，如小区重选、驻留、发起随机接入等操作。

当UE完成与基站的下行同步后，需要不断检测服务小区的下行链路质量，确保UE能够正确接收下行广播和控制信息。同时，为了保证基站能够正确接收UE发送的数据，UE必须取得并保持与基站的上行同步。

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2 随机接入

随机接入过程

随机接入是UE与网络之间建立无线链路的必经过程，通过随机接入，UE与基站取得上行同步。只有在随机接入过程完成后，eNodeB和UE才可能进行常规的数据传输和接收。UE可以通过随机接入过程实现两个基本功能：

􀁺 取得与eNodeB之间的上行同步；

􀁺 申请上行资源。

 

LTE下行功率控制

 

由于LTE下行采用OFDMA技术，一个小区内发送给不同UE的下行信号之间是相互正交的，因此不存在CDMA系统因远近效应而进行功率控制的必要性。就小区内不同UE的路径损耗和阴影衰落而言，LTE系统完全可以通过频域上的灵活调度方式来避免给UE分配路径损耗和阴影衰落较大的RB，这样，对PDSCH采用下行功控就不是那么必要了。另一方面，采用下行功控会扰乱下行CQI测量，影响下行调度的准确性。因此，LTE系统中不对下行采用灵活的功率控制，而只是采用静态或半静态的功率分配（为避免小区间干扰采用干扰协调时静态功控还是必要的）。

 

 

下行功率分配的目标是在满足用户接收质量的前提下尽量降低下行信道的发射功率，来降低小区间干扰。在LTE系统中，使用每资源单元容量（Transmit Energy per Resource Element, EPRE）来衡量下行发射功率大小。对于PDSCH信道的EPRE可以由下行小区专属参考信号功率EPRE以及每个OFDM符号内的PDSCH EPRE和小区专属RS EPRE的比值ρA或ρB的得到。

LTE系统采用OFDM技术，小区内用户通过频分实现信号的正交，小区内的干扰基本可以忽略。但是同频组网时会带来较强的小区间干扰，如果两个相邻小区在小区的交界处使用了相同的频谱资源，则会产生较强的小区间干扰，严重影响了边缘用户的业务体验。因此如何降低小区间干扰，提高边缘用户性能，成为LTE系统的一个重要研究课题。

小区间干扰抑制技术

在LTE的研究过程中，主要讨论了三种小区间干扰抑制技术：小区间干扰随机化、小区间干扰消除和小区间干扰协调。小区间干扰随机化主要利用了物理层信号处理技术和频率特性将干扰信号随机化，从而降低对有用信号的不利影响，相关技术已经标准化；小区间干扰消除也是利用物理层信号处理技术，但是这种方法能“识别”干扰信号，从而降低干扰信号的影响；小区间干扰协调技术是通过限制本小区中某些资源（如频率、功率、时间等）的使用来避免或降低对邻小区的干扰。这种从RRM的角度来进行干扰协调的方法使用较为灵活，因此有必要深入研究以达到有效抑制干扰、提高小区边缘性能的目的。

小区间干扰协调的基本思想就是通过小区间协调的方式对边缘用户资源的使用进行限制，包括限制哪些时频资源可用，或者在一定的时频资源上限制其发射功率，来达到避免和减低干扰、保证边缘覆盖速率的目的。

小区间干扰协调通常有以下两种实现方式。

静态干扰协调：通过预配置或者网络规划方法，限定小区的可用资源和分配策略。静态干扰协调基本上避免了X2接口信令，但导致了某些性能的限制，因为它不能自适应考虑小区负载和用户分布的变化。

半静态干扰协调：通过信息交互获取邻小区的资源以及干扰情况，从而调整本小区的资源限制。通过X2接口信令交换小区内用户功率/负载/干扰等信息，周期通常为几十毫秒到几百毫秒。半静态干扰协调会导致一定的信令开销，但算法可以更加灵活的适应网络情况的变化。

小区间干扰（Inter-Cell Interference, ICI)：频率复用（传统的解决方法），较大的频率复用系数（3或7）可以有效的抑制ICI。但频谱效率降低到1/3或1/7。

LTE移动性管理相关概念
移动性管理是蜂窝移动通信系统必备的机制，能够辅助LTE系统实现负载均衡、提高用户体验以及系统整体性能。移动性管理主要分为两大类：空闲状态下的移动性管理和连接状态下的移动性管理。空闲状态下的移动性管理主要通过小区选择/重选来实现，由UE控制；连接状态下的移动性管理主要通过小区切换来实现，由eNodeB控制。

1、跟踪区（TA）

跟踪区（Tracking Area）是LTE/SAE系统为UE的位置管理新设立的概念。

跟踪区设计要求：
1）对于LTE的接入网和核心网保持相同的位置区域的概念
2）当UE处于空闲状态时，核心网能够知道UE所在的跟踪区
3）当处于空闲状态的UE需要被寻呼时，必须在UE所注册的跟踪区的所有小区进行寻呼
4）在LTE系统中应尽量减少因位置改变而引起的位置更新信令。

2、多注册TA

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多个TA组成一个TA列表，同时分配给一个UE，UE在该TA列表内移动时不需要执行TA更新。
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当UE进入不在其所注册的TA列表中的新TA区域时，需要执行TA更新，MME给UE重新分配一组TA，新分配的TA也可包含原有TA列表中的一些TA。
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每个小区只属于一个TA

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LTE切换过程中涉及X2接口、S1接口和UU接口。


1. X2接口切换相关信令
当UE从一个eNodeB的小区切换的另一个eNodeB的小区时，两个eNodeB会通过X2接口发生一系列的信令交互配合切换成功完成，下面将进行详细说明。

(1) X2接口切换准备

这个信令流程是在eNodeB内为切换作资源建立。通过源eNodeB发送Handover Request消息到目标eNodeB开始切换流程。当源eNodeB发送此消息后，启动一个定时器TXRELOCoverall等待目标端响应。
源eNodeB向目标eNodeB发起切换请求，请求在目标端建立与MME之间的信令承载SAE bearers，SAE bearers包含SAE承载的ID，承载的业务的QoS参数，服务网关地址等信元。如果请求的SAE bearers中至少有一个在目标端准入通过，则目标eNodeB应该为准入通过的SAE bearers保留必要的资源，并且向原端发送HANDOVER REQUEST ACKNOWLEDGE消息（如图1所示）。在ACK消息中，目标eNodeB回复资源已经准备好的SAE bearers列表信息（也就是准入通过的SAE bearers）和准入失败的SAE bearers列表信息，并且要包含一个合理的失败原因。
源eNodeB收到ACK消息后，停止定时器TRELOCprepl，同时启动定时器TX2RELOCoverall，终止切换准备流程。
如果目标eNodeB在切换准备阶段，没有任意一个SAE bearer准入成功或者有其他错误发生，则目标eNodeB应该发送HANDOVER PREPARATION FAILURE消息到源eNodeB。这个消息应该包含Cause信元并且对其赋值表明相应的失败理由

1. 概述

    以移动通信为代表的无线通信系统都是资源受限的系统，而用户的数量却在持续高速增长。如何利用有限的资源来满足日益增长的用户需求，已经成为移动通信系统发展过程中急需解决的问题。无线资源的概念是很广泛的，它既可以是频率，也可以是时间，还可以是码字。无线资源管理就是对移动通信系统的空中接口资源的规划和调度，目的就是在有限的带宽资源下，为网络内的用户提供业务质量保证，在网络话务量分布不均匀、信道特性因信道衰落和干扰而起伏变化等情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分和网络的可用资源，最大限度地提高无线频谱利用率，防止网络阻塞，并保持尽可能小的信令负荷。如果没有好的无线资源管理技术，再好的无线传输技术也无法发挥它的优势，极端的情况甚至会导致系统无法正常运转。LTE系统中，无线资源管理对象包括时间、频率、功率、多天线、小区、用户，涉及一系列与无线资源分配相关的技术，主要包括资源分配、接入控制、负载控制、干扰协调等。

2. 资源分配

    LTE系统采用共享资源的方式进行用户数据的调度传输，eNodeB可以根据不同用户的不同信道质量，业务的QoS要求以及系统整体资源的利用情况和干扰水平来进行综合调度，从而更加有效的利用系统资源，最大限度的提高系统的吞吐量。
    LTE系统中，每个用户会配置有其独有的无线网络临时标识（Radio Network Temporary Identifier，RNTI），eNodeB通过用UE的RNTI对授权指示PDCCH进行掩码来区分用户，对于同一个UE的不同类型的授权信息，可能会通过不同的RNTI进行授权指示。如对于动态业务，eNodeB会用UE的小区无线网络临时标识（C-RNTI）进行掩码，对于半静态调度业务，使用半静态小区无线网络临时标识（SPS-C-RNTI）等。
LTE下行采用OFDM，上行采用SC-FDMA。时间和频率是LTE中主要控制的两类资源。包括集中式（Localized）和分布式（Distributed）两种基本的资源分配方式。

集中式资源分配

   为用户分配连续的子载波或资源块。这种资源分配方式适合于低度移动的用户，通过选择质量较好的子载波，提高系统资源的利用率和用户峰值速率。从业务的角度讲，这种方式比较适合于数据量大、突发特征明显的非实时业务。这种方式的一个缺点是需要调度器获取比较详细的CQI（Channel Quality Indicator，信道质量指示）信息。

分布式资源分配

   为用户分配离散的子载波或资源块。这种资源分配方式适合于移动的用户，此类用户信道条件变化剧烈，很难采用集中式资源分配。从业务的角度讲，比较适合突发特征不明显的业务，如VoIP,可以减少信令开销。
根据传输业务类型的不同，LTE系统中的分组调度支持动态调度和半静态调度两种调度机制。

动态调度

    动态调度中，由MAC层（调度器）实时、动态的分配时频资源和允许的传输速率。动态调度是最基本、最灵活的调度方式。资源分配采用按需分配方式，每次调度都需要调度信令的交互，因此控制信令开销很大，因此，动态调度适合突发特征明显的业务。

半静态调度

    半静态调度是动态调度和持续调度的结合。所谓持续调度方式，就是指按照一定的周期，为用户分配资源。其特点是只在第一次分配资源时进行调度，以后的资源分配均无需调度信令指示。半静态调度条中，由RRC在建立服务连接时分配时频资源和允许的传输速率，也通过RRC消息进行资源重配置。与动态调度相比，这种调度方式灵活性稍差，但控制信令开销较小，适合突发特征不明显、有保障速率要求的业务，例如VoIP业务。