3GPP长期演进-LTE系统结构培训教程

LOGOLTE系统结构3GPP长期演进背景介绍1网络架构与协议2控制面协议3用户面协议4移动通信系统发展历程IMT-AdvancedLTE3G2G1G使用蜂窝组网，广泛应用的标准有AMPS、TACS等，采用模拟技术和频分多址(FDMA)等技术目前应用最广泛的通信系统，主要包括GSM、IS-95等,完全采用数字技术，使用FDM、TDM、CDMA等技术。提供数字化的语音业务及低速数据业务国际标准有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、WiMax。技术指标：室内速率2Mbps，室外速率384kbps，行车速率144kbps。能够实现语音业务、高速率传输及宽带多媒体、无线接入Internet等服务。采用OFDM及MIMO技术，在200MHz系统带宽下，下行峰值速率100Mbps，上行峰值速率50MHz，提供VoIP及IMS等高速率数据传输服务。？LTE演进路线3GPP（3rdGenerationPartnershipProject）于1998年12月成立，是一个由无线工业及商贸联合会ARIB、CCSA、欧洲电信标准研究所ETSI、电信行业解决方案联盟ATIS、电信技术协会TTA和电信技术委员会TTC合作成立的通信标准化组织。3GPP是一个致力于制定3G、LTE、IMT-Advanced标准的全球标准化组织。3GPP2(第三代合作伙伴计划2):该组织是于1999年1月成立，由北美TIA、日本的ARIB、日本的TTC、韩国的TTA四个标准化组织发起，主要是制订以ANSI-41核心网为基础，CDMA2000为无线接口的第三代技术规范。3GPP组织制定的4G标准第二条演进路线是IEEE802.16系列的宽带无线接入标准，被称作WiMax。LTE的主要技术特征3GPP从“系统性能要求”、“网络的部署场景”、“网络架构”、“业务支持能力”等方面对LTE进行了详细的描述。与3G相比，LTE具有如下技术特征：通信速率有了提高，下行峰值速率为100Mbps、上行为50Mbps。提高了频谱效率，下行链路5(bit/s)/Hz，(3--4倍于R6版本的HSDPA);上行链路2.5(bit/s)/Hz，是R6版本HSU-PA的2--3倍。以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。QoS保证，通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务(如VoIP)的服务质量。系统部署灵活，能够支持1.25MHz-20MHz间的多种系统带宽。保证了将来在系统部署上的灵活性。降低无线网络时延：子帧长度0.5ms和0.675ms，解决了向下兼容的问题并降低了网络时延，时延可达U-plan5ms，C-plan100ms。增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率。如MBMS(多媒体广播和组播业务)在小区边界可提供1bit/s/Hz的数据速率。强调向下兼容，支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。与3G相比，LTE更具技术优势，具体体现在：高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容。LTE的关键技术多载波技术多天线技术分组交换多载波技术传统的频分复用/频分多址（FDM/FDMA）技术将较宽的频带分成若干较窄的子载波进行并行发送。为了避免各子载波之间的干扰，不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔。正交频分复用（OFDM）各个子载波重叠排列，同时保持子载波之间的正交性，以避免子载波之间的干扰。部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率。传统FDM频谱OFDM频谱多载波技术LTE下行链路采用正交频分多址(OFDMA)技术。LTE上行链路采用单载波频分多址(SC-FDMA)技术，避免OFDM调制中因高PARA(峰均比)带来的对功放的线性化要求。OFDM与SC-FDMA的频谱结构OFDM系统框图),(th),(th串并转换IFFT并串转换加入循环前缀数模变换多径传播模数变换去除循环前缀串并转换FFT并串转换SnRnn(t)OFDM调制OFDM解调SC-FDMA系统框图LTE下行链路SC-FDMA采用DFT-S-OFDM方式实现DFT-S-OFDM系统框图M点FFTN点IFFT串并转换循环前缀串并转换调制调制用户数据调制调制LTE的关键技术多载波技术多天线技术分组交换MIMO系统MIMO系统示意图空间-时间编码器空间-时间解码器s1s2sMrr1r2rMRsHr使用多天线的MIMO技术能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天线发射总功率的情况下，可有效对抗无线信道衰落的影响，大大提高系统的频谱利用率和信道容量。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，集中一个或多个指定方向上的能量。这也允许不同方向上的多个用户同时获得服务。空分复用增益：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。空分复用增益阵列增益分集增益LTE的关键技术多载波技术多天线技术分组交换分组交换LTE是完全面向分组的多服务系统。使用分组交换，可以令分组的长度与相关时间可比，使得分组都落在信道质量较好的时间段。时间无线衰落信道快速自适应的分组调度电路交换的资源分配背景介绍1网络架构与协议2控制面协议3用户面协议4LTE网络结构LTE采用“扁平”的无线访问网络结构，取消RNC节点，简化网络设计。实现了全IP路由，各个网络节点之间与Internet没有什么太大的区别，网络结构趋近于IP宽带网络结构。EPS概述LTE致力于无线接入网的演进（E-UTRAN）。系统架构演进（SAE）则致力于分组网络的演进（演进型分组核心网EPC）。LTE和SAE共同组成演进型分组系统（EPS）。EPS网络结构EPCE-UTRAN用户设备EPS的功能划分S1eNodeB小区间无线资源管理无线承载控制连接移动性控制无线许可控制eNodeB测量配置与提交动态资源分配（调度）RRC(无线资源控制)PDCP(分组数据汇聚协议)RLC(无线链路控制)MAC(媒体接入控制)物理层E-UTRANMMENAS(非接入层)安全性空闲状态移动性管理EPS承载控制S-GW移动性安全闸P-GWUEIP地址分配分组过滤InternetEPCE-UTRAN组成结构EPS网络节点示意图网络结构包括CN(EPC)、E-UTRAN、UE，eNodeB通过X2接口连接，构成E-UTRAN(接入网)，eNodeB通过S1接口与EPC(CN)连接，UE通过LTE-Uu接口与eNodeB连接。eNodeB实现的功能无线资源管理●无线承载控制●无线准入控制●连接移动性控制●UE上下行动态资源分配IP数据包头压缩和用户数据流加密UE连接期间选择MME寻呼消息的调度和传输广播信息的调度和传输移动和调度的测量，并进行测量和测量报告的配置E-UTRAN总体架构核心网(EPC)HSSP-GWS-GWMMEPCRFE-UTRANSGiS5/S8S1-US6aS1-MMEGxRxOperator’sIPservices(e.g.IMS,PSS)LTE/SAE核心网负责UE的控制和承载建立，EPC包含的逻辑节点有：PDNGateway(P-GW)、ServingGateway(S-GW)、MobilityManagementEntity(MME)、HomeSubscribierServer(HSS)、PolicyControlandChargingRulesFunction(PCRF)。EPC组成结构核心网节点功能P-GW主要实现功能S-GW主要实现功能MME主要实现功能处理UE和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信令安全移动性管理UE的IP地址分配QoS保证计费IP数据包过滤所有IP数据包均通过S-GWUE在小区间切换时，作为移动性控制锚点下行数据缓存LTE与其他3GPP技术互联时作为移动性锚点无线接口协议E-UTRANRadioAccessPDCPRLCMACNASRRCL2无线接口协议根据用途分为用户面(Userplane)协议栈和控制面(Controlplane)协议栈。用户面控制面用户面主要执行头压缩、调度、加密等功能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、测量配置及报告等E-UTRAN用户面ApplicationIPRLCMACPDCPL1RLCMACPDCPL1GTP-UUDP/IPL1RelayUDP/IPGTP-UL1GTP-UUDP/IPL1RelayL2L2IPUDP/IPL2GTP-UL1L2UEeNodeBServingGWPDNGWLTE-UuS1-US5/S8用户面协议栈E-UTRAN控制面NASRRCRLCMACPDCPL1RLCMACPDCPL1SCTPL1RelayS1-APIPL2SCTPL1L2UEeNodeBMMELTE-UuS1-MMERRCS1-APIPNASNAS控制面协议栈S1接口S1接口连接E-UTRAN与CN，S1控制平面接口(S1-MME)位于eNB和MME之间，S1用户平面接口(S1-U)位于eNB和S-GW之间。S1-MME控制面协议栈S1-U用户面协议栈传输网络层建立在IP传输之上，GTP-U用来携带用户平面PDU传输网络层利用IP传输，为可靠传输信令，在IP之上，添加SCTP，应用层信令协议为S1-APX2接口X2接口实现eNodeB之间的互联，X2接口控制平面和用户平面接口定义域S1接口一致。X2接口控制面协议栈X2接口用户面协议栈EPS承载与QoS承载(Bearer)是UE和网关之间有相应QoS(QualityofService)保障的IP数据包。为了应对同时发生的多种形式的服务，EPS根据不同的服务对QoS的不同要求，将Bearer分为两类：GBRbearerMinimumGuaranteedBitRatebearer(保证比特率承载)可应用于VoIP等面向连接的服务,bearer可分配到持久的无线资源。BearerNON-GBRbearer不保证比特率，可用于浏览网页或ftp等服务，不分配持久的无线资源。EPS承载与QoS每一个bearer都有一个QoS等级标记(QCI)及分配与保留优先级(ARP)。brearer与其对应服务如下图所示。LTEQCI标记EPS承载与QoS在LTE/SAE系统中，EPS承载(brearer)需要经过多层接口，逐渐映射为较低层次的承载。EPS承载经过多层接口示意图背景介绍1网络架构与协议2控制面协议3用户面协议4基本概念层次结构：分层将一个复杂的通信问题划分为多个不同层次的工作，每一层实现一种相对独立的功能，通过层间的接口使用下层提供的服务，并向上层提供服务。协议：控制两个或多个对等实体、对等层次进行通信的规则的集合。服务访问点：在同一系统中，相邻两层的实体进行交互的逻辑接口称为服务访问点(ServiceAccessPoint)。平面：同一个系统中，实现某一方面功能的协议栈，称作平面。LTE将系统分为控制面(ControlPlane)和用户面(UserPlane)。用户设备的状态用户设备(UserEquipment,UE)的无线资源控制(RadioResourceControl,RRC)状态决定了接入层所执行的操作和过程。RRC状态有两种：空闲状态(RRC_IDLE)或连接状态(RRC_CONNECTED)。1.UE有特定的非连续接收(DRX)。2.监听广播信道，获取系统信息。3.监听寻呼信道，检测来电。4.UE执行小区选择和重选。空闲连接1.获得E-UTRAN分配的无线资源。2.可以与网络交互数据。3.向网络报告缓存状态和信道质量。4.由eNB控制小区切换。无线资源控制(RRC)RRC协议主要完成以下功能：系统信息处理系统信息的广播。系统信息也包括非接入层(NAS)的一般信息。一些系统信息仅对空闲状态的UE有效。连接控制完成RRC连接的建立、修改和释放