LTE学习笔记

1 EPS 系统架构EPS 由 LTE 和 SAE 组成LTE：致力于无线接入网的演进（E-UTRAN ） 。SAE：致力于分组网络的演进（演进型分组核心网 EPC） 。LTE 网络结构图如下所示：EPS 网络结构图如下：2 EPS 实体与功能划分EPS 网络结构包括： E-UTRAN、CN（EPC ） 、UE。2.1 接入网（E-UTRAN ）eNodeB 通过 X2 接口连接，构成 E-UTRAN（接入网）eNodeB 通过 S1 接口与 EPC 连接UE 通过 LTE-Uu 接口与 eNodeB 接口连接EPS 网络节点示意图如下：eNodeB 的主要功能： 头压缩和用户平面加密； 在无法根据 UE 提供的信息路由到一个 MME 的情况下，选择一个合适的 MME； 上行和下行的准入控制 上行和下行承载级别的速率调整 在上行链路中，进行数据包传送级标记；2.2 核心网（EPC ）负责 UE 的控制和承载的建立EPC 组成结构如下：2.2.1 MME 的主要功能： 处理 UE 与 CN 之间的控制信令（通过 NAS 协议实现） 。 寻呼和控制信息分发 承载控制 保证 NAS 信令安全和移动性管理【主要负责用户及会话管理的所有控制平面功能，包括 NAS 信令及其安全，跟踪区（Tracking Area）列表的管理，PDN-GW 和 S-GW 节点的选择；跨MME 切换时对新 MME 的选择；在向 2G/3G 系统切换时， SGSN 的选择、鉴权、漫游控制以及承载管理；移动性管理等】2.2.2 P-GW 主要功能： UE 的 IP 地址分配 QoS 保证 计费 IP 数据包过滤【主要负责非 3GPP 接入部分，包括用户数据报的过滤、 对数据报进行 Qos 级别分类、对数据报进行门限控制和速率控制等，根据 计费策略进行计费 ，同 时作为非 3GPP 接入用户的锚点处理切换流程】2.2.3 S-GW 主要功能： 所有 IP 数据包均通过 S-GW UE 在小区间切换时，作为移动性控制锚点 下行数据缓存LTE 与其它 3GPP 技术互连时作为移动性锚点（通过该节点进行数据包路由）【主要负责用户面数据的传输、转发和路由切换等， 终结来自无 线接入网的用户数据包。>它是2G3GLTE 用户在3G系统之间切换时的锚点，>也是用户在本地eNodeB 之间 切换的锚点。>Serving GW 执行 PCEF 功能，负责对数据报进行 QoS 级别分类，根据用户或者业务的 QoS 级别进 行计费】3 无线接口与协议无线接口协议按用途分为： 用户面协议栈 控制面协议栈用户面主要执行头压缩、调度和加密等功能【数据的正常传输】控制面主要执行系统信息广播、RRC 连接管理、RB 控制、寻呼、移动性管理、测量配置及报告【主要负责用户无线资源的管理、无线连接的建立、 业务 QoS 保证以及最终资源的释放】。3.1 用户面协议栈如下：用户平面协议的主要功能：实现相关接口的数据流传输。3.1.1 UE 与 PDN-GW 之间的用户平面如下图所示：S1-U 接口用户平面的 GTP-U 协议主要负责 eNodeB 与 S-GW 之间用户数据的隧道传输，实现两个节点之间数据封装和传输；下层的 UDP 协议用于用户数据的传送。3.1.2 X2 接口的用户平面协议栈：与 S1 接口的用户平面协议栈相同，如下图所示：3.1.3 其它接口的用户平面S12 接口、S4 接口等都与 S1-U 接口的用户平面相似。但 S5/S8 接口不一样3.2 控制面协议栈如下：3.2.1 UE 与 MME 之间的控制平面LTE-Uu 接口的控制平面的协议栈 NAS 层：非接入层，支持移动性管理功能以及用户平面激活、修改和释放功能。主要执行 EPS 承载管理、鉴权、IDLE 状态下的移动性处理、寻呼及安全控制功能。 RRC 层：主要执行广播、寻呼、RRC 连接管理、无线承载（RB ）管理、移动性管理、密钥管理、UE 测量报告与控制、MBMS 控制、NAS 消息直传、QoS 管理等功能 PDCP 层：执行头压缩、数据传输、加密以及完整性保护 RLC 层：负责分段与连接、重传处理，及对高层数据的顺序传送。 MAC 层：负责处理 HARQ 重传与上下行调度 PHY 层：负责处理编译码、调制解调、多天线映射以及其它典型物理层功能S1-MME 接口的控制平面在 IP 层之上采用了比 TCP 协议功能更强大的 SCTP 协议。SCTP：用于保护 MME 与 eNodeB 之间信令消息的发送，是一种在网络连接两端之间同时传输多个数据流的协议。可用于无线网络的连接管理以及多媒体数据管理。S1-AP 协议：是 eNodeB 与 MME 之间的应用层协议，主要用于处理 S1-MME 接口控制平面的各种信令控制。3.2.2 X2 接口的控制平面X2 接口也分为用户平面和控制平面X2 接口的控制平面协议底层结构也采用了 SCTP over IP 的机制，以保证信令的可靠传输，SCTP 上层采用 X2 接口的专用应用层协议 X2-AP。X2-AP 支持的主要功能：EMM-CONNECTED 状态下 UE 的移动性管理上行负载管理X2 接口的错误处理，如错误指示、重置等。X2 接口的控制平面协议栈如下图所示：3.2.3 其它接口的控制平面如：S-GW 与 PDN-GW 之间 S5/S8 接口的控制平面4 LTE 无线传输关键技术4.1 多载波技术4.1.1 下行多址接入-OFDMAOFDM 主要思想在可用频段内将信道分成许多正交的子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，从而将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行并行传输。接收端采用相关技术来分开正交信号。OFDMA由于 OFDM 调制中子载波之间的正交性和相互独立性，每个子载波都可以以一个特定的调制方式和发射功率为特定用户传输数据，通过为每个用户分配这些子载波组中一组或几组，就得到了一种新的多址方式-OFDMA。4.1.2 上行多址接入-SC-FDMA目的：降低发射终端的峰均功率比，进而减小终端的体积和成本。SC-FDMA 在每个传输时间间隔（TTI ）内，基站会给每个 UE 分配一个独立的频段，以便发送数据。将不同用户的数据在时间和频率上完全分开，保证了小区内同一时刻不同用户所使用上行载波的正交性，避免了小区内同频干扰。上行 SC-FDMA 两种实现方法时域实现方法-交织 FDMA（Interleaved FDMA ）频域实现方法-DTF 扩展 OFDM（Discrete Fourier Transform-Spread OFDM）4.2 多天线技术分集增益：利用多个天线提供的空间分集，可以改进多径衰落信道中传输的可靠性。阵列增益：通过预编码或波束成形技术，集中一个或多个指定方向上的能量，允许不同方向上的多个用户同时获得服务。空间复用增益：利用空间信道的强弱相关性，在多个相互独立的空间信道上，传递不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。4.2.1 下行 MIMO 技术LTE 系统基本天线配置为：2*2 下行 MIMO 技术主要包括： 空间分集利用空间信道的弱相关性，结合时间/频率上的选择性 ,为信号的传递提供更多的副本，提高信号传输的可靠性，从而改善接收信号的信噪比。 空间复用也是利用空间信道的弱相关性，通过在多个相互独立的空间信道上传递不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率 波束成形利用空间信道的强相关性，利用博的干涉原理产生强方向性的方向图，从而提高信噪比，增加系统容量或覆盖范围。4.2.2 上行 MIMO 技术基本天线配置为：1*2（一根发送天线和两跟接收天线）与下行相同，也包括空间分集和空间复用4.3 链路自适应技术为了支持高速传输和多种业务的要求，系统需要根据信道条件自适应地对无线资源和无线链路进行调整。链路自适应技术主要包括： 动态功率控制基本原理：在信道条件好的链路使用较小的发射功率，在信道条件较差的链路使用较大的发射功率，使接收机接收到的信号功率维持在接受该业务所需的最小功率上。 。 。 自适应调制解码（AMC）原理：根据信道条件的瞬时变化，自适应地调整系统的调制与编码方式（传输格式） 。 自动请求重传4.4 分组调度技术调度：根据网络状态动态地将最合适的时/频资源分配给某个用户。调度器主要功能： 在用户间分配可用空中接口资源，确保用户申请业务的服务质量 监视网络负载，通过对数据速率的调节来实现对网络负载的匹配4.5 其它技术 小区间干扰机制技术 网络自组织技术5 空中接口协议5.1 协议框架见第三章无线接口与协议部分5.2 物理层5.2.1 物理层的主要功能5.2.2 物理层关键技术 OFDMA 与 SC-FDMA 双工方式：支持两种基本工作模式 FDD 和 TDD 调制方式：上下行均支持：QPSK、16QAM 和 64QAM 信道编码：Turbo 编码 多天线技术：发射端和接收到同时配置多个天线，大幅度提高了系统的整体容量。 物理层过程：包括小区搜苏、功率控制、上行同步、下行定时控制、随机接入、HARQ 等方面的技术 物理层测量：支持 UE 与 eNodeB 之间的物理层测量，并将相应的测量结果向高层汇报。5.3 数据链路层数据链路层主要由 MAC、RLC、PDCP 等子层功能；层与层之间使用服务接入点（SAP）作为端到端通信的接口。PDCP 层：向上提供无线承载服务，并提供头压缩和安全保护功能；RLC 与 MAC 层之间为逻辑信道MAC 与物理层之间是传输信道5.3.1 MAC 子层MAC 层主要提供逻辑信道到传输信道之间的映射，同时将几个逻辑信道映射到一个物理信道。MAC 层向上提供的业务：数据产生和无线资源分配业务；物理层提供给 MAC 层业务：数据传送、HARQ 反馈信令、调度请求信令及测量。5.3.2 RLC 子层主要功能：接收从对等实体发来的数据包，或将数据包发送给对等实体。RLC 层主要实现与 ARQ 相关的服务于功能，包括： 上层 PDU 的传输 通过 ARQ 机制进行错误修正 对 PDU 进行分段 重复检测 协议错误检测与恢复RLC 实体执行数据传送的 3 种模式： TM RLC对上层数据不进行任何修改，传递至下面的 MAC 层 UM RLC支持数据包丢失的检测、数据包的重排序和重组装 AM RLC除了支持 UM 模式的所有功能外，还能够在检测到丢包是要求它的对等实体重传数据包，即 ARQ 机制AM 模式典型地用于 TCP 业务传输，这类业务关系数据的无错传输；UM 模式用于高层提供数据的顺序传送，但不重传丢失的 PDU，如VOIP 业务，这类业务主要关系时延TM 模式仅仅用于特殊目的，如：随机接入5.3.3 PDCP 子层主要目的：发送和接受对等 PDCP 实体的分组数据。主要功能： IP 包头压缩与解压缩 数据与信令的加密 信令的完整性保护5.4 无线资源控制层5.4.1 RRC 层的功能： 广播 NAS 层与 AS 层的系统消息 寻呼功能 RRC 连接的建立、保持和释放，包括 UE 与 E-UTRAN 之间临时标识符的分配、信令无线承载的配置 安全功能 移动性管理功能 Qos 管理等5.4.2 RRC 的两种状态 空闲状态（RRC-IDLE） 连接状态（RRC-CONNECTED）5.5 NAS 层5.5.1 AS 层与 NAS 层AS 层主要负责无线接口相连接的相关功能，但不仅限于无线接入网和终端的无线部分，也支持一些与核心网相关的特殊功能。主要包括： 无线承载管理 无线信道处理 加密 移动性管理NAS 层主要负责与接入技术无关、独立于无线接入技术的相关功能和流程；主要包括： 会话管理 用户管理 安全性管理 计费5.5.2 NAS 层协议状态