浅谈LTE技术.docx

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浅谈LTE技术

论文题目：

LTE介绍

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2012年5月20日

LTE介绍

摘要

LTE技术是全球移动通信产业的主流演进方向。

在移动互联网越来越流行的今天。

如何将LTE技术与移动互联网联系起来，就是我们需要解决的一个重大课题。

该文首先简述LTE的背景、目标，与3G区别与优势，接着LTE系统结构介绍和各主要模块的功能描述，并分析了LTE各主要接口介绍（如S1,X2等），LTE几个主要的物理层技术，LTEMAC层以及LTE技术对移动互联网的重要意义和以后的展望。

关键词：

LTE；移动互联网；LTE模块；LTE接口；LTEMAC；

1.简述LTE的背景、目标，与3G区别与优势

伴随GSM等移动网络在过去的二十年中的广泛普及，全球语音通信业务获得了巨大的成功。

目前，全球的移动语音用户已超过了18亿。

同时，我们的通信习惯也从以往的点到点（PlacetoPlace）演进到人与人。

个人通信的迅猛发展极大地促使了个人通信设备的微型化和多样化，结合多媒体消息、在线游戏、视频点播、音乐下载和移动电视等数据业务的能力，大大满足了个人通信和娱乐的需求。

另外，尽量利用网络来提供计算和存储能力，通过低成本的宽带无线传送到终端，将有利于个人通信娱乐设备的微型化和普及。

GSM网络演进到GPRS/EDGE和WCDMA/HSDPA网络以提供更多样化的通信和娱乐业务，降低无线数据网络的运营成本，已成为GSM移动运营商的必经之路。

但这也仅仅是往宽带无线技术演进的一个开始。

WCDMA/HSDPA与GPRS/EDGE相比，虽然无线性能大大提高，但是，在IPR的制肘、应对市场挑战和满足用户需求等领域，还是有很多局限。

由于CDMA通信系统形成的特定历史背景，3G所涉及的核心专利被少数公司持有，在IPR上形成了一家独大的局面。

专利授权费用已成为厂家承重负担。

可以说，3G厂商和运营商在专利问题上处处受到制肘，业界迫切需要改变这种不利局面。

面对高速发展的移动通信市场的巨大诱惑和大量低成本，高带宽的无线技术快速普及，众多非传统移动运营商也纷纷加入了移动通信市场，并引进了新的商业运营模式。

例如，Google与互联网业务提供商（ISP）Earthlink合作，已在美国旧金山全市提供免费的无线接入服务，双方共享广告收入，并将广告收入作为其主要盈利途径，Google更将这种新的运营模式申请了专利。

另外，大量的酒店、度假村、咖啡厅和饭馆等，由于本身业务激烈竞争的原因，提供免费WiFi无线接入方式，通过因特网可以轻易的查询到这类信息。

最近，网络服务提供商“SKYPE”更在这些免费的无线宽带接入基础上，新增了几乎免费的语音及视频通信业务。

这些新兴力量给传统移动运营商带来了前所未有的挑战，加快现有网络演进，满足用户需求，提供新型业务成为在激烈的竞争中处于不败之地的唯一选择。

与此同时，用户期望运营商提供任何时间任何地点不低于1Mbps的无线接入速度，小于20ms的低系统传输延迟，在高移动速率环境下的全网无缝覆盖。

而最重要的一点是能被广大用户负担得起的廉价终端设备和网络服务。

这些要求已远远超出了现有网络的能力，寻找突破性的空中接口技术和网络结构看来是势在必行。

与WiFi和WiMAX等无线接入方案相比，WCDMA/HSDPA空中接口和网络结构过于复杂，虽然在支持移动性和QoS方面有较大优势，但在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后。

根据3GPP标准组织原先的时间表，4G最早要在2015年才能正式商用，在这期间传统电信设备商和运营商将面临前所未有的挑战。

用户的需求、市场的挑战和IPR的制肘共同推动了3GPP组织在4G出现之前加速制定新的空中接口和无线接入网络标准。

2004年11月，3GPP加拿大多伦多“UTRAN演进”会议收集了无线接入网R6版本之后的演进意见，在随后的全体会议上，“UTRA和UTRAN演进”研究项目得到了二十六个组织的支持，并最终获得通过。

这也表明了3GPP组织运营商和设备商成员共同研究3G技术演进版本的强烈愿望。

在考虑3G的同时，不得不提到LTE这一新技术。

未来若干年，LTE和3G/2G将长期互补、共存发展。

今后五年，3G增强型技术的告诉增长将带动移动互联网增长；LTE由试验阶段进入到商用阶段，在应用中逐步成熟、完善并走向规模应用。

2.LTE系统结构介绍和各主要模块的功能描述

LTE是英文LongTermEvolution的缩写。

LTE也被通俗的称为3.9G，它以OFDM/MIMO技术为核心，在20MHz频谱宽带下能够提供下行326Mbit/s与上行86Mbit/s的峰值速率，被视作从3G向4G演进的主流技术。

　　LTE包括FDD和TDD两种模式，TD-LTE是TDD版的LTE技术。

TDD和FDD的区别就在于TDD采用的是不对称频率，是用时间来进行双工的，而FDD则采用一对频率进行双工。

作为中国TD-SCDMA 网络的主要运营商，中国移动始终致力于推动TD-SCDMA后续演进技术——TD-LTE的发展，并在2010年上海世博会上，建设了全球第一个TD-LTE业务演示网络，充分展示了TD-LTE的良好性能。

同时英国的Vodafone，日本的NTTDoCoMo，美国的At&t和Verizon都决定将LTE作为其下一代网络制式，可以看出LTE技术在未来市场的前景有多么的乐观。

LTE体系结构可以借助SAE体系结构来做详细描述。

在SAE体系结构中，RNC部分功能、GGSN、SGSN节点将被融合为一个新的节点,即分组核心网演进EPC部分。

这个新节点具有GGSN、SGSN节点和RNC的部分功能，如下图所示由MME和SAEgateway两实体来分别完成EPC的控制面和用户面功能。

SAE的整体网络结构如下图所示。

图6系统演进结构

LTE在上图中考虑的是RAN演进部分也称为E-UTRA，E-UTRA包含唯一的节点eNB，提供E-UTRA用户面RLC/MAC/物理层协议的功能和控制面RRC协议的功能，E-UTRAN的系统结构参见下图的LTEE-UTRAN系统结构图所示。

图7E-UTRAN结构

分组核心网EPC分为移动性管理实体MME和SAE接入网关两部分。

上图中各

网元节点的功能划分如下：

eNB功能：

LTE的eNB除了具有原来NodeB的功能之外，还承担了原来RNC的大部分功能，包括有物理层功能（包括HARQ）、MAC层功能（包括ARQ功能）、RRC功能（包括无线资源控制功能）、调度、无线接入许可控制、接入移动性管理以及小区间的无线资源管理功能等。

具体包括有：

无线资源管理：

无线承载控制、无线接纳控制、连接移动性控制、上下行链路的动态资源分配等功能。

IP信头压缩和用户数据流的封装，UE附着时选择MME，路由用户面数据到SAE网关，寻呼消息的调度和传输，广播信息的调度和传输，用于移动和调度的测量和测量报告的配置。

MME功能：

分配寻呼消息给eNB，安全控制，空闲状态的移动性控制，SAE承载控制，NAS信令的加密和完整性保护。

SAE网关功能：

寻呼原因引起用户面分组的终止支持UE的移动性切换用户面。

从上图中可见，新的LTE架构中，没有了原有的Iu和Iub以及Iur接口，取而代之的是新接口S1和X2。

E-UTRAN和EPC之间的功能划分图，可以从LTE在S1接口的协议栈结构图来描述，如下图所示黄色框内为逻辑节点，白色框内为控制面功能实体，蓝色框内为无线协议层。

在SAE体系结构中，RNC部分功能、GGSN、SGSN节点将被融合为一个新的节点,即分组核心网演进EPC部分。

这个新节点具有GGSN、SGSN节点和RNC的部分功能，如下图所示由MME和SAEgateway两实体来分别完成EPC的控制面和用户面功能。

LTE网络结构LTE网络结构LTE网络结构LTE相关的节点接口S1-MMEE-UTRAN和MME之间的控制面协议参考点S1-UE-UTRAN和发Serving-GW之间的接口每个承载的用户面隧道和eNodeB间路径切换（切换过程中）X2eNodeB之间的接口，类似于现有3GPP的Iur接口LTE-Uu无线接口，类似于现有3GPP的Uu接口LTE网络结构LTE网络结构LTE网络结构E-UTRAN和EPC之间的功能划分图，可以从LTE在S1接口的协议栈结构图来描述，如下图所示黄色框内为逻辑节点，白色框内为控制面功能实体，蓝色框内为无线协议层。

控制面协议结构RRC完成广播、寻呼、RRC连接管理、RB控制、移动性功能和UE的测量报告和控制功能。

RLC和MAC子层在用户面和控制面执行功能没有区别。

用户面协议结构用户面各协议体主要完成信头压缩、加密、调度、ARQ和HARQ等功能。

层2结构和功能下行链路层2结构和功能上行链路PDCP子层模型RRC级功能划分LTE中RRC子层功能与原有UTRAN系统中的RRC功能相同，包括有系统信息广播、寻呼、建立释放维护RRC连接等。

RRC的状态设计为RRC[_]IDLE和RRC[_]CONNECTED两类。

RRC[_]IDLE状态NAS配置UE指定的DRX；系统信息广播；寻呼；小区重选移动性；UE将分配一个标识来独立的在一个跟踪区中唯一识别该UE；eNB中没有存储RRC上下文RRC[_]CONNECTED状态UE建立一个E-UTRAN-RRC连接；E-UTRAN中存在UE的上下文；E-UTRAN知道UE归属的小区；网络可以与UE之间进行数据收发；网络控制移动性过程，例如切换；邻区测量；在PDCP/RLC/MAC级：

:

UE可以与网络之间收发数据；UE监测控制信令信道来判定是否正在传输的共享数据信道已经被分配给UE；UE报告信道质量信息和反馈信息给eNB；eNB控制实现按照UE的激活级别来配置DRX/DTX周期，以便于UE省电和有效利用资源。

E-UTRAN和UTRAN切换时RRC状态间关系LTE的RRC状态与现有3GPPRelease6结构中RRC状态在切换时的关系如下图所示。

LTE支持与现有UTRAN的各状态间的迁移。

具体状态迁移处理过程协议正在详细讨论中。

LTENAS协议状态LTE的状态类型从NAS协议状态来看有以下三类：

LTE[_]DETACHED状态，该状态下没有RRC实体存在。

LTE[_]IDLE状态，该状态下RRC处于RRC-IDLE状态，一些信息已经存储在UE和网络（IP地址、安全关联的密钥等、UE能力信息、无线承载等）。

LTE[_]ACTIVE状态，该状态下RRC处于RRC[_]CONNECTED状态。

LTE的三类NAS协议状态与RRC的关系以及状态间迁移

3.LTE各主要接口介绍（如S1,X2等）

S1接口：

S1接口定义为E-UTRAN和EPC之间的接口。

S1接口包括两部分：

控制面的S1-C接口。

用户面的S1-U接口。

S1-C接口定义为eNB和MME功能之间的接口；S1-U定义为eNB和SAE网关之间的接口。

EPC和eNBs之间的关系是多到多，即S1接口实现多个EPC网元和多个eNB网元之间接口功能。

S1接口S1接口功能SAE承载业务管理功能，例如建立和释放UE在LTE[_]ACTIVE状态下的移动性功能，例如Intra-LTE切换和Inter-3GPP-RAT切换。

S1寻呼功能NAS信令传输功能S1接口管理功能，例如错误指示等网络共享功能漫游和区域限制支持功能NAS节点选择功能初始上下文建立功能S1接口的信令过程S1接口的信令过程有：

SAE承载信令过程，包括SAE承载建立和释放过程。

切换信令过程，寻呼过程NAS传输过程，包括上行方向的初始UE和下行链路的直传错误指示过程初始上下文建立过程S1接口的信令过程初始上下文建立过程inIdle-to-ActiveprocedureX2接口X2接口定义为各个eNB之间的接口。

X2接口包含X2-C和X2-U两部分。

X2-C是各个eNB之间控制面间接口，X2-U是各个eNB之间用户面之间的接口。

S1接口和X2接口类似的地方是：

S1-U和X2-U使用同样的用户面协议，以便于eNB在数据前向时，减少协议处理。

X2-C接口功能X2-C接口支持以下功能：

移动性功能，支持UE在各个eNB之间的移动性，例如切换信令和用户面隧道控制。

多小区RRM功能，支持多小区的无线资源管理，例如测量报告。

通常的X2接口管理和错误处理功能。

X2-U接口支持终端用户分组在各个eNB之间的隧道功能。

隧道协议支持以下功能：

在分组归属的目的节点处SAE接入承载指示减小分组由于移动性引起的丢失的方法。

LTE主要技术需求和性能指标概括，峰值数据速率，下行链路的立即峰值数据速率在20MHz下行链路频谱分配的条件下，可以达到100Mbps（5bps/Hz）（网络侧2发射天线，UE侧2接收天线条件下）；上行链路的立即峰值数据速率在20MHz上行链路频谱分配的条件下，可以达到50Mbps（2.5bps/Hz）（UE侧一发射天线情况下）。

控制面延迟时间与控制面容量从驻留状态到激活状态，也就是类似于从Release6的空闲模式到CELL[_]DCH状态，控制面的传输延迟时间小于100ms，这个时间不包括寻呼延迟时间和NAS延迟时间；从睡眠状态到激活状态，也就是类似于从Release6的CELL[_]PCH状态到Release6的CELL[_]DCH装态，控制面传输延迟时间小于50ms。

频谱分配是5MHz的情况下，每小区至少支持200个用户处于激活状态。

用户面延迟时间及用户面流量空载条件即单用户单个数据流情况下，小的IP包传输时间延迟小于5ms。

下行链路：

与Release6HSDPA的用户面流量相比，每MHz的下行链路平均用户流量要提升3到4倍。

此时HSDPA是指1发1收，而LTE是2发2收。

上行链路：

与Release6增强的上行链路用户流量相比，每MHz的上行链路平均用户流量要提升2到3倍。

此时增强的上行链路UE侧是一发一收，LTE是1发2收。

下行链路：

在满负荷的网络中，LTE频谱效率（用每站址、每Hz、每秒的比特数衡量）的目标是Release6HSDPA的3到4倍。

上行链路：

在满负荷的网络中，LTE频谱效率（用每站址、每Hz、每秒的比特数衡量）的目标是Release6增强上行链路的2到3倍。

移动性E-UTRAN可以优化15km/h以及以下速率的低移动速率时移动用户的系统特性。

能为15-120km/h的移动用户提供高性能的服务。

可以支持蜂窝网络之间以120-350km/h（甚至在某些频带下，可以达到500km/h）速率移动的移动用户的服务。

对高于350km/h的情况，系统要能尽量实现保持用户不掉网。

覆盖（小区边界比特速率）吞吐量、频谱效率和LTE要求的移动性指标在5公里半径覆盖的小区内将得到充分保证，当小区半径增大到30公里时，只对以上指标带来轻微的弱化。

同时需要支持小区覆盖在100公里以上的移动用户业务。

多媒体广播多播业务（MBMS）与单播业务比较，可以使用同样的调制、编码和多址接入方法和用户带宽，同时可以降低终端复杂性。

可以同时提供专用语音业务和MBMS业务给用户。

可利用成对或非成对的频谱分配。

进一步增强MBMS功能，支持专用载波的MBMS业务。

多带宽支持E-UTRA可以应用不同大小的频谱分配，上下行链路上，可以包括有1.25MHz、1.6MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz以及20MHz。

支持成对或非成对的频谱分配情况。

与已有3GPP无线接入技术的共存和交互尽量保持和3GPPRelease6的兼容，但是要注重平衡整个系统的性能和容量。

可接受的系统和终端的复杂性、价格和功率消耗；降低空中接口和网络架构的成本。

在Release6中使用CS域支持的一些实时业务，如语音业务，在LTE里应该能在PS域里实现（整个速度区间），且质量不能下降。

E-UTRAN和UTRAN（或者GERAN）之间实时业务在切换时，中断时间不超过300ms。

其他性能指标无线资源管理需求增强的支持端到端服务质量。

有效支持高层传输。

支持负荷共享和不同无线接入技术之间的策略管理。

减小CAPEX和OPEX体系结构的扁平化和中间结点的减少使得设备成本和维护成本得以显著降低。

E-UTRAN物理层技术特征传输信道的下行链路物理层处理包括以下步骤：

CRC插入、信道编码、HARQ、信道交织、加扰、调制和层间映射与预编码以及映射到指定资源和天线口等功能。

PDSCH和PUSCH都基本采用24bit的CRC。

支持三种调制方式QPSK、16QAM和64QAM。

4.LTE物理层介绍（使用的几个主要的物理层技术）

正当人们惊讶于WiMAX技术的迅猛崛起时，3GPP也开始了UMTS技术的长期演进技术的研究。

这项受人瞩目的技术被称为“演进型3G”（Evolved3G，E3G）。

但只要对这项技术稍作了解，就会发现，这种以OFDM为核心的技术，与其说是3G技术的“演进”（evolution），不如说是“革命”（revolution），它和3GPP2AIE（空中接口演进）、WiMAX以及最新出现的IEEE802.20MBFDD/MBTDD等技术，由于已经具有某些“4G”特征，甚至可以被看作“准4G”技术。

　　自2004年11月启动LTE项目以来，3GPP以频繁的会议全力推进LTE的研究工作，仅半年就完成了需求的制定。

2006年6年，3GPPRAN（无线接入网）TSG已经开始了LTE工作阶段（WI），但由于研究阶段（SI）上有个别遗留问题还没有解决，SI将延长到9月结束。

按目前的计划，将于2007年9月完成LTE标准的制定（测试规范2008年3月完成），预计2010年左右可以商用。

虽然工作进度略滞后于原计划，但经过艰苦的讨论和融合，终于确定了大部分基本技术框架，一个初步的LTE系统已经逐渐展示在我们眼前。

对于LTE的物理层的多址方案，在下行方向上采用基于循环前缀（CyclicPrefix，CP）的正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM），在上行方向上采用基于循环前缀的单载波频分多址（SingleCarrier—FrequecnyDivisionMultiplexingAccess， SC-FDMA）。

为了支持成对的和不成对的频谱，支持频分双工（FrequecyDivisionDuplex， FDD）模式和时分双工（TimeDivisionDuplex，TDD）模式。

 物理层是基于资源块以带宽不可知的方式进行定义的，从而允许LTE的物理层适用于不同的频谱分配。

一个资源块在频域上或者占用12个宽度为15kHz的子载波，或者占用24个宽度为7．5kHz的子载波，在时域上持续时间为0．5ms。

无线帧结构1用于FDD模式（包括全双工和半双工），其无线子帧长度为10ms，包含 20个时隙（Slot），每一个时隙的长度为0．5ms。

两个相邻的时隙构成一个子帧，长度为1ms。

无线TDD帧结构2用于TDD模式，具有两个时长为5ms的半帧（Half-frame），每一个半帧包括8个0．5ms的时隙以及3个特殊区域：

下行导频时隙（DownlinkPilotTimeSlot，DwPTS）、保护时隙（GuardPeriod，GP）和上行导频时隙（UplinkPilotTimeSlot，UpPTS），这3个特殊区域的总时长为lms，各自的时长可配。

除子帧1和子帧6以外，一个子帧包括两个相邻的时隙，子帧1和子帧6包含DwPTS、GP和UpPTS，支持5ms和10res的切换点周期。

为了支持多媒体广播和多播业务（MultimediaBroadcastandMulticastService，MBMS）， LTE提供了在单频网多播／广播（Multicast／BroadcastSingleFrequencyNetwork，MBSFN）中传输多播／广播业务的可能性，即在给定的时间内，可以从多个小区发送时间同步的公共波形。

 MBSFN提供了更高效的MBMS，允许终端可以在空口合并多个小区的传输，其中使用循环前缀来应对不同传输时延的差别，这对于终端来说，MBSFN传输就像来自一个大覆盖小区的传输一样。

对于MBSFN，支持在专用载波上使用更长的CP和7．5kHz的子载波间隔，并且在一个载波上可以使用时分复用的方式支持MBMS传输和点对点传输。

支持多输入多输出（MIMO）传输，在下行方向上可以配置2根或者4根传输天线，以及2根或者4根接收天线，允许最大4个流的多层传输。

在上行和下行都支持多用户MIMO（MultipleUser-MIMO，MU-MIMO），即分配不同的流给不同的用户。

下行定义的物理信道包括物理下行共享信道（PhysicalDownlinkSharedCHannel， PDSCH）、物理多播信道（PhysicalMulticastCHannel，PMCH）、物理下行控制信道（PhysicalDownlinkControlCHannel，PDCCH）、物理广播信道（PhysicalBroadcastCHannel，PBCH）、物理控制格式指示信道（PhysicalControlFormatIndicatorCHannel，PCFICH）以及物理HARQ指示信道（PhysicalHARQIndicatorCHannel，PHICH）。

上行定义的物理信道包括物理随机接入信道（PhysicalRandomAccessCHannel， PRACH）、物理上行共享信道（PhysicalUplinkSharedCHannel，PUSCH）以及物理上行控制信道（PhysicalUplinkControlCHannel，PUCCH）。

另外，定义的信号包括参考信号、主／辅同步信号。

下行和上行均支持如下调制方式：

四相移相键控（QuatePhaseShiftKeying，QPSK）、正交调幅（QuadratureAmplitudeModulaion，16QAM）和64QAM。

复用与信道编码,LTE中传输块的信道编码方案为Turbo编码，编码速率为R=l／3，它由两个8状态子编码器和一个Turbo码内部交织器构成。

在Turbo编码中使用栅格终止（TrellisTermination）方案。

在Turbo编码之前，传输块被分割为多个段，每段的大小要与最大信息块大小6144bit保持一致。

使用24bit长的循环冗余校验（CyclicRedundancyCheck，CRC）宋支持错误检测。

LTE操作中涉及多个物理层过程，这些过程包括小区搜索、功率控制、上行同步和上行定时控制、随机接入相关过程、HARQ相关过程。

通过在频域、时域和功率域进行物理资源控制，LTE隐含地支持干扰协调。

 无线特性在终端和基站进行测量，并在网络中向高层进行报告。

这包括用于同频和异频切换的测量，用于不同无线接入技术（RadioAccessTechnology，RAT）之间切换的测量，定时测量，用于无线资源管理（Radio Resource Management，RRM）的测量。

    用于不同RAT间切换的测量用于支持向GSM、UTRAFDD和UTRATDD系统的切换。

5.LTEMAC层介绍（主要描述一下逻辑信道）