LTE学习总结

xiaohu1168

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：

EPS实体与功能划分

EPS网络结构包括： E-UTRAN、CN（EPC）、UE。

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：

²  头压缩和用户平面加密；

²  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（移动性管理实体）；

²  上行和下行的准入控制

²  上行和下行承载级别的速率调整

²  在上行链路中，进行数据包传送级标记；

核心网（EPC）

负责UE的控制和承载的建立

EPC组成结构如下：

1.1.1  MME的主要功能：

²  处理UE与CN之间的控制信令（通过NAS协议实现）。

²  寻呼和控制信息分发

²  承载控制

²  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（TrackingArea）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】

1.1.2  P-GW主要功能：

²  UE的IP地址分配

²  QoS保证

²  计费

²  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】

1.1.3  S-GW主要功能：

²  所有IP数据包均通过S-GW

²  UE在小区间切换时，作为移动性控制锚点

²  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2G／3G／LTE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】

无线接口与协议

无线接口协议按用途分为：

²  用户面协议栈

²  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】。

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。

1.1.4        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。

1.1.5        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：

1.1.6        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

控制面协议栈如下：

1.1.7        UE与MME之间的控制平面

LTE-Uu接口的控制平面的协议栈

²  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。

²  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

²  PDCP层：执行头压缩、数据传输、加密以及完整性保护

²  RLC层：负责分段与连接、重传处理，及对高层数据的顺序传送。

²  MAC层：负责处理HARQ重传与上下行调度

²  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。

1.1.8        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：

1.1.9        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

LTE无线传输关键技术

多载波技术

1.1.10     下行多址接入-OFDMA

OFDM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。

1.1.11     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-SpreadOFDM）

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。

1.1.12     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：

²  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。

²  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

²  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。

1.1.13     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

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：

²  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。。。

²  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）。

²  自动请求重传

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：

²  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

²  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

其它技术

²  小区间干扰机制技术

²  网络自组织技术

空中接口协议

协议框架

见第三章无线接口与协议部分

物理层

1.1.14     物理层的主要功能1.1.15     物理层关键技术

²  OFDMA与SC-FDMA

²  双工方式：支持两种基本工作模式 FDD和TDD

²  调制方式：上下行均支持：QPSK、16QAM和64QAM

²  信道编码：Turbo编码

²  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。

²  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

²  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。

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

1.1.16     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。

功能：

²  逻辑信道与物理信道之间的映射；

²  RLC PDU的复用与解复用；

²  multiplexing of MAC SDUs from one ordifferent logical channels onto transport blocks (TB) to be delivered to thephysical layer on transport channels;

²  demultiplexing of MAC SDUs from one ordifferent logical channels from transport blocks (TB) delivered from thephysical layer on transport channels;

²  通过HARQ机制进行纠错;

²  通过动态调度方式实现UE之间的优先级管理；

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。

1.1.17     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：

²  上层PDU的传输

²  通过ARQ机制进行错误修正

²  对PDU进行分段

²  重复检测

²  协议错误检测与恢复

RLC实体执行数据传送的3种模式：

²  TM RLC

对上层数据不进行任何修改，传递至下面的MAC层

²  UM RLC

支持数据包丢失的检测、数据包的重排序和重组装

²  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

1.1.18     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：

²  IP包头压缩与解压缩

²  数据与信令的加密

²  信令的完整性保护

无线资源控制层

1.1.19     RRC层的功能：

²  广播NAS层与AS层的系统消息

²  寻呼功能

²  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

²  安全功能

²  移动性管理功能

²  Qos管理

等

1.1.20     RRC的两种状态

²  空闲状态（RRC-IDLE）

²  连接状态（RRC-CONNECTED）

NAS层

1.1.21     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：

²  无线承载管理

²  无线信道处理

²  加密

²  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：

²  会话管理

²  用户管理

²  鉴权

²  安全性管理

²  计费

²  EPS承载管理

²  空闲状态下的移动性处理

1.1.22     NAS层协议状态与转换

3种状态

LTE-DETACHED

LTE-IDLE

LTE-ACTIVE

状态转换

终端开机的时候进入LTE-DETACHED状态，

随后终端执行注册过程，获得C-RNTI、TA-ID、IP地址等，并通过鉴权过程建立安全方面的联系，进入LTE-ACTIVE状态；

若果没有其它业务，终端释放C-RNTI，获得分配给该用户用于接收寻呼信道的非连续接收周期后进入LTE-IDLE状态；

当用户有了新的业务需求时，可通过RRC连接请求获得C-RNTI，此时终端从LTE-IDLE迁移到LTE-ACTIVE；

在LTE-ACTIVE状态下，终端如果移动到不识别的PLMN区域或者执行了注销过程，用户的C-RNTI、TA-ID、IP地址等被回收，终端则进入LTE-DETACHED状态。

对于处于LTE-IDLE状态的用户，如果用户执行周期性的TA更新过程超时，TA-ID和IP地址被回收，用户也会转换到LTE-Detached状态

完整的数据封装流程（P83）

下行数据包的封装流程：

a)     PDCP层对有效载荷进行头压缩和加密，发送到RLC层；

b)     RLC层执行PDCP SUD的连接和分段功能，同时增加RLC头（RLC头用于终端的顺序发送及重传过程中RLC PDU的标识），转至MAC层；

c)     MAC层将多个RLC PDU合并成一个MAC SDU，同时附上MAC头，构成一个传输块；

d)     物理层在传输块后面附加上执行错误检查的CRC字段，并进行编码和调制后，将该信息通过空中接口发送过去。

信令流程

接入与鉴权

1.1.23     IP地址分配

为了正常访问PDN网络，必须为UE分配一个IP地址。

UE的IP分配方案：

1.     在默认承载建立的同时进行分配，两种方式

²  PLMN分配；PDN-GW直接分配一个IP地址给UE，一般，只有归属网络的PDN-GW才会为用户分配静态的PLMN地址。

²  PDN分配一个IP地址给UE

2.     在默认承载建立之后进行分配；三种方式

²  IPv4地址分配

²  IPv6地址分配

²  HDCPv4/DHCPv6分配方式

1.1.24     Attach过程

UE的Attach过程包括：初始注册和从非3GPP网络到3GPP网络的切换时的注册

通过UE的Attach，EPS网络完成了：

²  UE与MME建立MM上下文；

²  UE与MME的EMM状态变为EMM-REGEISTERED；

²  MME为UE建立默认承载；

²  UE获得网络测分配的IP地址；

UE注册流程

1>  UE向eNodeB发起附着请求及网络选择指示，包括TMSI，UE能力等

2>  eNodeB根据S-TMSI和网络选择指示得到MME，若eNodeB无法推到出MME，则通过“MME选择功能”选择MME，并将附着消息转至新的MME。