LTE移动通信技术.docx
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LTE移动通信技术
LTE移动通信技术
课程目标：
◆了解移动通信的发展过程以及LTE的位置和网络结构
◆了解E-UTRAN的协议结构和基本技术
◆了解LTE应用的关键技术
第一章概述
知识点
◆移动通信系统的发展过程
◆WCDMA技术演进过程
◆TD-SCDMA技术演进过程
◆CDMA2000技术演进过程
一.1背景介绍
一.1.1移动通信演进过程概述
移动通信从2G、3G到3.9G发展过程，是从低速语音业务到高速多媒体业务发展的过程。
3GPP正逐渐完善R8的LTE标准：
2008年12月R8LTERAN1冻结，2008年12月R8LTERAN2、RAN3、RAN4完成功能冻结，2009年3月R8LTE标准完成,此协议的完成能够满足LTE系统首次商用的基本功能。
无线通信技术发展和演进过程如下图所示
图1.11无线通信技术发展和演进图
一.1.2WCDMA、TD-SCDMA与CDMA2000制式对比
表1.113种制式对比
制式
WDMA
CDMA2000
TD-SCDMA
继承基础
GSM
窄带CDMA
GSM
同步方式
异步
同步
同步
码片速率
3.84Mcps
1.2288Mcps
1.28Mcps
系统带宽
5MHz
1.25MHz
1.6MHz
核心网
GSMMAP
ANSI-41
GSMMAP
语音编码方式
AMR
QCELP,EVRC,VMR-WB
AMR
一.1.3WCDMA技术演进过程
WCDMA的技术发展路标如下图所示：
图1.12WCDMA技术发展路标
一.1.4TD-SCDMA技术演进过程
中兴无线网络设备支持TD近期演进软件平滑升级。
TD演进可分为两个阶段，CDMA技术标准阶段和OFDMA技术标准阶段。
CDMA技术标准阶段可平滑演进到HSPA+。
频谱效率接近LTE。
图1.13TD-SCDMA技术演进过程
一.1.5CDMA2000技术演进过程
CDMAone是基于IS-95标准的各种CDMA产品的总称，即所有基于CDMAone技术的产品，其核心技术均以IS-95作为标准。
CDMA20001x在1.25MHz频谱带宽内，单载扇提供307.2K高速分组数据速率，1xEV-DORev.0提供2.4M下行峰值速率，Rev.A提供3.1M下行峰值速率。
图1.14CDMA2000技术演进过程
一.2LTE简介和标准进展
3GPP于2004年12月开始LTE相关的标准工作，LTE是关于UTRAN和UTRA改进的项目。
3GPP标准制定分为提出需求、制定结构、详细实现、测试验证四个阶段。
3GPP以工作组的方式工作，与LTE直接相关的是RAN1/2/3/4/5工作组。
图1.213GPP标准组织与制定阶段
第二章LTE主要指标和需求
◆知识点
◆频谱划分
◆LTE系统需求
◆与其他
◆物理层信道及映射关系
3GPP要求LTE支持的主要指标和需求如下图所示。
图1.21LTE主要指标和需求概括
二.1频谱划分
E-UTRA的频谱划分如下表。
表2.11E-UTRAfrequencybands
EUTRAOperatingBand
Uplink（UL）operatingband
BSreceive
UEtransmit
Downlink（DL）operatingband
BStransmit
UEreceive
DuplexMode
FUL_low–FUL_high
FDL_low–FDL_high
1
1920MHz
–
1980MHz
2110MHz
–
2170MHz
FDD
2
1850MHz
–
1910MHz
1930MHz
–
1990MHz
FDD
3
1710MHz
–
1785MHz
1805MHz
–
1880MHz
FDD
4
1710MHz
–
1755MHz
2110MHz
–
2155MHz
FDD
5
824MHz
–
849MHz
869MHz
–
894MHz
FDD
6
830MHz
–
840MHz
875MHz
–
885MHz
FDD
7
2500MHz
–
2570MHz
2620MHz
–
2690MHz
FDD
8
880MHz
–
915MHz
925MHz
–
960MHz
FDD
9
1749.9MHz
–
1784.9MHz
1844.9MHz
–
1879.9MHz
FDD
10
1710MHz
–
1770MHz
2110MHz
–
2170MHz
FDD
11
1427.9MHz
–
1452.9MHz
1475.9MHz
–
1500.9MHz
FDD
12
698MHz
–
716MHz
728MHz
–
746MHz
FDD
13
777MHz
–
787MHz
746MHz
–
756MHz
FDD
14
788MHz
–
798MHz
758MHz
–
768MHz
FDD
…
17
704MHz
–
716MHz
734MHz
–
746MHz
FDD
...
33
1900MHz
–
1920MHz
1900MHz
–
1920MHz
TDD
34
2010MHz
–
2025MHz
2010MHz
–
2025MHz
TDD
35
1850MHz
–
1910MHz
1850MHz
–
1910MHz
TDD
36
1930MHz
–
1990MHz
1930MHz
–
1990MHz
TDD
37
1910MHz
–
1930MHz
1910MHz
–
1930MHz
TDD
38
2570MHz
–
2620MHz
2570MHz
–
2620MHz
TDD
39
1880MHz
–
1920MHz
1880MHz
–
1920MHz
TDD
40
2300MHz
–
2400MHz
2300MHz
–
2400MHz
TDD
二.2峰值数据速率
下行链路的瞬时峰值数据速率在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）；
上行链路的瞬时峰值数据速率在20MHz上行链路频谱分配的条件下，可以达到50Mbps（2.5bps/Hz）（UE侧1发射天线情况下）。
宽频带、MIMO、高阶调制技术都是提高峰值数据速率的关键所在。
二.3控制面延迟
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CELL_DCH状态，控制面传输延迟时间小于50ms，这个时间不包括DRX间隔。
另外控制面容量频谱分配是5MHz的情况下，期望每小区至少支持200个激活状态的用户。
在更高的频谱分配情况下，期望每小区至少支持400个激活状态的用户。
二.4用户面延迟
用户面延迟定义为一个数据包从UE/RAN边界节点（RANedgenode）的IP层传输到RAN边界节点/UE的IP层的单向传输时间。
这里所说的RAN边界节点指的是RAN和核心网的接口节点。
在“零负载”（即单用户、单数据流）和“小IP包”（即只有一个IP头、而不包含任何有效载荷）的情况下，期望的用户面延迟不超过5ms。
二.5用户吞吐量
下行链路：
在5%CDF（累计分布函数）处的每MHz用户吞吐量应达到R6HSDPA的2~3倍；
每MHz平均用户吞吐量应达到R6HSDPA的3~4倍。
此时R6HSDPA是1发1收，而LTE是2发2收。
上行链路：
在5%CDF处的每MHz用户吞吐量应达到R6HSUPA的2~3倍；
每MHz平均用户吞吐量应达到R6HSUPA的2~3倍。
此时R6HSUPA是1发2收，LTE也是1发2收。
二.6频谱效率
下行链路：
在一个有效负荷的网络中，LTE频谱效率（用每站址、每Hz、每秒的比特数衡量）的目标是R6HSDPA的3~4倍。
此时R6HSDPA是1发1收，而LTE是2发2收。
上行链路：
在一个有效负荷的网络中，LTE频谱效率（用每站址、每Hz、每秒的比特数衡量）的目标是R6HSUPA的2~3倍。
此时R6HSUPA是1发2收，LTE也是1发2收。
二.7移动性
E-UTRAN能为低速移动（0~15km/h）的移动用户提供最优的网络性能，能为15~120km/h的移动用户提供高性能的服务，对120~350km/h（甚至在某些频段下，可以达到500km/h）速率移动的移动用户能够保持蜂窝网络的移动性。
在R6CS域提供的话音和其它实时业务在E-UTRAN中将通过PS域支持，这些业务应该在各种移动速度下都能够达到或者高于UTRAN的服务质量。
E-UTRA系统内切换造成的中断时间应等于或者小于GERANCS域的切换时间。
超过250km/h的移动速度是一种特殊情况（如高速列车环境），E-UTRAN的物理层参数设计应该能够在最高350km/h的移动速度（在某些频段甚至应该支持500km/h）下保持用户和网络的连接。
二.8覆盖
E-UTRA系统应该能在重用目前UTRAN站点和载频的基础上灵活地支持各种覆盖场景，实现上述用户吞吐量、频谱效]率和移动性等性能指标。
E-UTRA系统在不同覆盖范围内的性能要求如下：
覆盖半径在5km内：
上述用户吞吐量、频谱效率和移动性等性能指标必须完全满足；
覆盖半径在30km内：
用户吞吐量指标可以略有下降，频谱效率指标可以下降、但仍在可接受范围内，移动性指标仍应完全满足；
覆盖半径最大可达100km。
二.9频谱灵活性
频谱灵活性一方面支持不同大小的频谱分配，譬如E-UTRA可以在不同大小的频谱中部署，包括1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz以及20MHz，支持成对和非成对频谱。
频谱灵活性另一方面支持不同频谱资源的整合（diversespectrumarrangements）。
二.10与现有3GPP系统的共存和互操作
E-UTRA与其它3GPP系统的互操作需求包括但不限于：
●E-UTRAN和UTRAN/GERAN多模终端支持对UTRAN/GERAN系统的测量，并支持E-UTRAN系统和UTRAN/GERAN系统之间的切换。
●E-UTRAN应有效支持系统间测量。
●对于实时业务，E-UTRAN和UTRAN之间的切换中断时间应低于300ms。
●对于非实时业务，E-UTRAN和UTRAN之间的切换中断时间应低于500ms。
●对于实时业务，E-UTRAN和GERAN之间的切换中断时间应低于300ms。
●对于非实时业务，E-UTRAN和GERAN之间的切换中断时间应低于500ms。
●处于非激活状态（类似R6Idle模式或Cell_PCH状态）的多模终端只需监测GERAN，UTRA或E-UTRA中一个系统的寻呼信息。
二.11减小CAPEX和OPEX
体系结构的扁平化和中间节点的减少使得设备成本和维护成本得以显著降低。
第三章LTE总体架构
知识点
◆无线协议结构
◆S1接口
●X2接口
三.1系统结构
LTE采用了与2G、3G均不同的空中接口技术、即基于OFDM技术的空中接口技术，并对传统3G的网络架构进行了优化，采用扁平化的网络架构，亦即接入网E-UTRAN不再包含RNC，仅包含节点eNB，提供E-UTRA用户面PDCP/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3.11E-UTRAN结构
eNB之间由X2接口互连，每个eNB又和演进型分组核心网EPC通过S1接口相连。
S1接口的用户面终止在服务网关S-GW上，S1接口的控制面终止在移动性管理实体MME上。
控制面和用户面的另一端终止在eNB上。
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、MAC层功能（包括HARQ）、RLC层（包括ARQ功能）、PDCP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（即调度）等功能
IP头压缩和用户数据流的加密
当从提供给UE的信息无法获知到MME的路由信息时，选择UE附着的MME
路由用户面数据到S-GW
调度和传输从MME发起的寻呼消息
调度和传输从MME或O&M发起的广播信息
用于移动性和调度的测量和测量上报的配置
调度和传输从MME发起的ETWS（即地震和海啸预警系统）消息
●MME功能
MME是SAE的控制核心，主要负责用户接入控制、业务承载控制、寻呼、切换控制等控制信令的处理。
MME功能与网关功能分离，这种控制平面/用户平面分离的架构，有助于网络部署、单个技术的演进以及全面灵活的扩容。
NAS信令
NAS信令安全
AS安全控制
3GPP无线网络的网间移动信令
idle状态UE的可达性（包括寻呼信号重传的控制和执行）
跟踪区列表管理
P-GW和S-GW的选择
切换中需要改变MME时的MME选择
切换到2G或3GPP网络时的SGSN选择
漫游
鉴权
包括专用承载建立的承载管理功能
支持ETWS信号传输
●S-GW功能
S-GW作为本地基站切换时的锚定点，主要负责以下功能：
在基站和公共数据网关之间传输数据信息；为下行数据包提供缓存；基于用户的计费等。
eNB间切换时，本地的移动性锚点
3GPP系统间的移动性锚点
E-UTRANidle状态下，下行包缓冲功能、以及网络触发业务请求过程的初始化
合法侦听
包路由和前转
上、下行传输层包标记
运营商间的计费时，基于用户和QCI粒度统计
分别以UE、PDN、QCI为单位的上下行计费
●PDN网关（P-GW）功能
公共数据网关P-GW作为数据承载的锚定点，提供以下功能：
包转发、包解析、合法监听、基于业务的计费、业务的QoS控制，以及负责和非3GPP网络间的互联等。
基于每用户的包过滤（例如借助深度包探测方法）
合法侦听
UE的IP地址分配
下行传输层包标记
上下行业务级计费、门控和速率控制
基于聚合最大比特速率（AMBR）的下行速率控制
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。
图3.12E-UTRAN和EPC的功能划分
三.2无线协议结构
三.2.1控制面协议结构
控制面协议结构如下图所示。
图3.21控制面协议栈
PDCP在网络侧终止于eNB，需要完成控制面的加密、完整性保护等功能。
RLC和MAC在网络侧终止于eNB，在用户面和控制面执行功能没有区别。
RRC在网络侧终止于eNB，主要实现广播、寻呼、RRC连接管理、RB控制、移动性功能、UE的测量上报和控制功能。
NAS控制协议在网络侧终止于MME，主要实现EPS承载管理、鉴权、ECM（EPS连接性管理）idle状态下的移动性处理、ECMidle状态下发起寻呼、安全控制功能。
三.2.2用户面协议结构
用户面协议结构如下图所示。
图3.22用户面协议栈
用户面PDCP、RLC、MAC在网络侧均终止于eNB，主要实现头压缩、加密、调度、ARQ和HARQ功能。
三.3S1和X2接口
与2G、3G都不同，S1和X2均是LTE新增的接口。
三.3.1S1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S1-MME接口和用户面S1-U接口。
S1-MME接口定义为eNB和MME之间的接口；S1-U定义为eNB和S-GW之间的接口。
下图为S1-MME和S1-U接口的协议栈结构。
图3.31S1接口控制面（eNB-MME）
图3.32S1接口用户面（（eNB-S-GW）
已经确定的S1接口支持功能包括有：
●E-RAB业务管理功能
建立，修改，释放
●UE在ECM-CONNECTED状态下的移动性功能
LTE系统内切换
与3GPP系统间切换
●S1寻呼功能
●NAS信令传输功能
●S1接口管理功能：
错误指示
复位
●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
●UE上下文修改功能
●MME负载均衡功能
●位置上报功能
●ETWS消息传输功能
●过载功能
●RAN信息管理功能
已经确定的S1接口的信令过程有：
●E-RAB信令过程：
E-RAB建立过程
E-RAB修改过程
MME发起的E-RAB释放过程
eNB发起的E-RAB释放过程
●切换信令过程：
切换准备过程
切换资源分配过程
切换结束过程
切换取消过程
●寻呼过程
●NAS传输过程：
上行直传（初始UE消息）
上行直传（上行NAS传输）
下行直传（下行NAS传输）
●错误指示过程：
eNB发起的错误指示过程
MME发起的错误指示过程
●复位过程
eNB发起的复位过程
MME发起的复位过程
●初始上下文建立过程
●UE上下文修改过程
●S1建立过程
●eNB配置更新过程
●MME配置更新过程
●位置上报过程：
位置上报控制过程
位置报告过程
位置报告失败指示过程
●过载启动过程
●过载停止过程
●写置换预警过程
●直传信息转移过程
下图是一个S1接口信令过程示例：
图3.33初始上下文建立过程（蓝色部分）inIdle-to-Activeprocedure
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在数据反传（dataforward）时，减少协议处理。
三.3.2X2接口
X2接口定义为各个eNB之间的接口。
X2接口包含X2-CP和X2-U两部分，X2-CP是各个eNB之间的控制面接口，X2-U是各个eNB之间的用户面接口。
下图为X2-CP和X2-U接口的协议栈结构。
图3.34X2接口控制面
图3.35X2接口用户面
X2-CP支持以下功能：
●UE在ECM-CONNECTED状态下LTE系统内的移动性支持
上下文从源eNB到目标eNB的转移
源eNB和目标eNB之间的用户面通道控制
切换取消
●上行负荷管理
●通常的X2接口管理和错误处理功能：
错误指示
已经确定的X2-CP接口的信令过程包括有：
●切换准备
●切换取消
●UE上下文释放
●错误指示
●负载管理
小区间负载管理通过X2接口来实现。
LOADINDICATOR消息用做eNB间的负载状态通讯，如下图所示：
图3.36X2接口LOADINDICATOR消息物理层
三.4帧结构
LTE支持两种类型的无线帧结构：
●类型1，适用于FDD模式；
●类型2，适用于TDD模式。
帧结构类型1如下图所示。
每一个无线帧长度为10ms，分为10个等长度的子帧，每个子帧又由2个时隙构成，每个时隙长度均为0.5ms。
图3.41帧结构类型1
对于FDD，在每一个10ms中，有10个子帧可以用于下行传输，并且有10个子帧可以用于上行传输。
上下行传输在频域上进行分开。
三.5物理资源
LTE上下行传输使用的最小资源单位叫做资源粒子（RE：
ResourceElement）。
LTE在进行数据传输时，将上下行时频域物理资源组成资源块（RB：
ResourceBlock），作为物理资源单位进行调度与分配。
一个RB由若干个RE组成，在频域上包含12个连续的子载波、在时域上包含7个连续的OFDM符号（在ExtendedCP情况下为6个），即频域宽度为180kHz，时间长度为0.5ms。
下行和上行时隙的物理资源结构图分别如下面两个图所示。
图3.51下行时隙的物理资源结构图
图3.52上行时隙的物理资源结构图
三.6物理信道
下行物理信道有：
1.物理广播信道PBCH
●已编码的BCH传输块在40ms的间隔内映射到4个子帧；
●40ms定时通过盲检测得到，即没有明确的信令指示40ms的定时；
●在信道条件足够好时，PBCH所在的每个子帧都可以独立解码。
2.物理控制格式指示信道PCFICH
●将PDCCH占用的OFDM符号数目通知给UE；
●在每个子帧中都有发射。
3.物理下行控制信道PDCCH
●将PCH和DL-SCH的资源分配、以及与DL-SCH相关的HARQ信息通知给UE；
●承载上行调度赋予信息。
4.物理HARQ指示信道PHICH
●承载上行传输对应的HARQACK/NACK信息。
5.物理下行共享信道PDSCH
●承载DL-SCH和PCH信息。
6.物理多播信道PMCH
●承载MCH信息。
上行物理信道有：
1.物理上行控制信道PUCCH
●承载下行传输对应的HARQACK/NACK信息；
●承载调度请求信息；
●承载CQI报告信息。
2.物理上行共享信道PUSCH
●承载UL-SCH信息。
3.物理随机接入信道PRACH
●承载随机接入前导。
三.7传输信道
下行传输信道类型有：
1.广播信道BCH
●固定的预定义的传输格式；
●要求广播到小区的整个覆盖区域。
2.下行共享信道DL-SCH
●支持HARQ；
●支持通过改变调制、编码模式和发射功率来实现动态链路自适应；
●能够发送到整个小区；
●能够使用波束赋形；
●支持动态或半静态
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