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讲解认识LTE网络

项目五认识LTE网络

任务一认识LTE网络架构

1LTE概述

智能终端的出现及普及，为移动通信新业务发展提供了广阔市场，同时也对传统移动通信网络的业务承载能力提出了更高的要求,原CDMA制式的3G网络已不能满足日益增长的数据业务承载需求，迫切需要网络向大容量、高带宽演进（图5-1—1）。

图5-1-1无线技术的演进

LTE是LongTermEvolution（长期演进）的缩写，即我们所谓的“3。

9G”，是由3GPP（The3rdGenerationPartnershipProject第三代合作伙伴计划）组织制定的通用移动通信系统技术标准的长期演进，是3G移动移动通信网络向4G演进的主流技术,2010年12月6日国际电信联盟把LTEAdvanced正式定义为4G.

LTE系统引入了OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,正交频分复用）和MIMO（Multi—Input&Multi—Output,多输入多输出）等关键技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率，它支持1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等多种带宽分配,且能在全球主流2G/3G频段平滑演进，因而频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖也显著提升。

LTE系统网络架构更加扁平化简单化，减少了网络节点和系统复杂度，从而减小了系统时延，也降低了网络部署和维护成本。

LTE系统支持及其他3GPP系统互操作。

因此，及其他无线技术相比，LTE具有更高的传输性能,且同时适合高速和低速移动应用场景。

LTE系统根据双工方式不同分为TDD—LTE（TimeDivisionDuplexing）和FDD-LTE（FrequencyDivisionDuplexing），二者技术的主要区别在于空口的物理层上.TDD系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上传输,具有有着较高的频谱利用率，FDD系统空口上下行采用成对的频段接收和发送数据，在频谱效率及VOIP容量方面稍有优势。

本章内容主要介绍TDD—LTE系统。

2LTE系统的设计目标及性能优势

LTE作为3G向4G演进的无线通信技术，具有良好的向下兼容性、完善和严格的QoS机制和自组织网络,代表移动通信技术发展的方向。

系统把降低时延、提高用户传输数据速率、提高系统容量和覆盖范围作为主要目标。

主要体现在以下六个方面：

（1）20MHz带宽条件下，峰值速率达到上行50Mbit/s），下行100Mbit/s。

（2）支持1。

4、3、5、10、15和20MHz带宽，灵活使用已有或新增频段；并以尽可能相似的技术支持“成对”频段和非“成对”频段,便于系统灵活部署。

（3）在有负荷的网络中,下行频谱效率达到3GPPR6HSDPA的2~4倍，上行频谱效率达到R6HSUPA的2~3倍.

（4）在单用户、单业务流以及小IP包条件下，用户面单向延迟小于5ms。

（5）从空闲状态到激活状态的转换时间小于100ms，从休眠状态到激活状态的转换时间小于50ms。

（6）支持低速移动和高速移动。

低速（0~15km/h）下性能较好，高速（15～120km/h）下性能最优，较高速（350~500km/h）下的用户能够保持连接性.

过去几年，LTE网络建设迅速展开，截止2014年底，全球已有360张商用LTE网络,分布在124个国家和地区。

我国三大运营商也在全国范围内部署了LTE网络。

3。

LTE系统网络架构

LTE采用扁平化、IP化的网络架构，E—UTRAN用E-NodeB替代原有的RNC-NodeB结构，各网络节点之间的接口使用IP传输，通过IMS承载综合业务，原UTRAN的CS域业务均可由LTE网络的PS域承载（图5-1—2）.演进后的系统仅存在分组交换域。

图5—1—2LTE网络架构

及3G网络架构相比，接入网仅包括eNodeB一种逻辑节点，网络架构中节点数量减少，网络架构更加趋于扁平化。

扁平化网络架构降低了呼叫建立时延以及用户数据的传输时延，也会降低OPEX及CAPEX。

演进后的接入网E-UTRAN和演进后的核心网EPC在LTE网络架构中承担着彼此独立的功能,E—UTRAN由唯一的eNodeB功能实体组成,而EPC分别由MME和S-GW两个功能实体组成。

如图5-1—3.

图5—1-3LTE系统逻辑功能结构

eNodeB（evolvedNodeB）,演进型基站，LTE接入网仅由eNodeB，提供到UE的E—UTRA控制面及用户面的协议终止点。

eNodeB之间通过X2接口进行连接,并且在需要通信的两个不同eNodeB之间总是会存在X2接口。

LTE接入网及核心网之间通过S1接口进行连接.

eNodeB具有如下功能:

（1）无线资源管理功能，包括无线承载控制、无线接入控制、连接移动性控制、UE的上下行动态资源分配（调度）；

（2）IP头压缩及用户数据流加密;

（3）UE附着时的MME选择;

（4）路由用户平面数据至S-GW；

（5）广播消息的组织和发送（由MME或O&M产生）；

（6）寻呼消息的组织和发送（由MME产生）；

（7）以移动性或调度为目的的测量及测量报告配置。

MME（MobilityManagementEntity），移动管理实体,是3GPP协议LTE接入网络的关键控制节点，它负责空闲模式的UE（UserEquipment）的定位,传呼过程，包括中继，即MME负责信令处理部分（控制面）。

MME的主要功能包括：

（1）非接入层（NAS，Non-AccessStratum）信令的处理，包括安全和许可控制;

（2）分发寻呼消息至eNodeB；

（3）移动性管理涉及核心网节点之间的信令控制；

（4）空闲状态移动性控制；

（5）SAE承载控制;

（6）非接入层NAS信令的加密及完整性保护;

（7）PDNGW及S-GW选择,向2G/3G切换时的SGSN选择；

（8）跟踪区列表管理；

（9）漫游、鉴权.

S-GW（ServingGateway）,服务网关,是EPC网络的用户面接入服务网关，相当于传统SGSN的用户面功能。

在传统网络中，SGSN网元既负责移动性管理、用户接入控制等信令面相关的功能，也负责用户数据的转发。

基于控制及承载分离的思想，在EPC网络中对SGSN的功能进行了拆分，即信令面功能由MME网元负责,而用户数据转发的用户面功能由SGW网元接管。

S—GW的主要功能包括：

（1）终止因为寻呼产生的用户平面数据;

（2）支持UE移动性的用户平面切换;

（3）分组数据的路由及转发；

（4）传输层分组数据的标记；

（5）运营商计费的数据统计,用户计费;

（6）合法监听。

任务二认识LTE网路的接口协议

1无线接口协议

无线接口是指UE和接入网之间的接口,简称Uu接口,通常我们也称为空中接口。

无线接口协议主要是用来建立、重配置和释放各种无线承载业务的。

LTE技术中，无线接口是终端和eNB之间的接口。

无线接口是一个完全开放的接口，只要遵守接口的规范，不同制造商生产的设备就能够互相通信。

无线接口协议栈主要分三层两面，三层主要包括了物理层、数据链路层和网络层，两面是指控制平面和用户平面.

数据链路层主要被分为3个子层，包括媒体接入控制（MAC）、无线链路控制（RLC）、和分组数据汇聚协议（PDCP）3个子层.

数据链路层同事位于控制平面和用户平面:

在控制平面负责无线承载信令的传输、加密和完整性保护；在用户平面主要负责用户业务数据的传输和加密。

网络层是指无线资源控制（RRC）层，位于接入网的控制平面，负责完成接入网和终端之间交互的所有信令处理。

图5—2-1控制平面无线接口协议栈

无线接口控制平面协议栈如图5—2—1，主要负责对无线接口的管理和控制，包括RRC协议、MAC/RLC/PDCP协议和管理层的协议。

将非接入层（NAS）协议显示在这里，只是为了说明它是UE-EPC通信的一部分。

NAS控制协议实体位于终端UE和移动管理实体MME内，主要负责提供对非接入层部分的控制和管理，主要功能包括演进数据包传输系统（EPS）承载管理，鉴权，EPS连接管理模式的空闲状态下的移动性管理，负责产生ECM—IDLE状态UE的寻呼消息，安全控制等功能。

RRC协议实体位于UE和ENB网络实体内，主要负责对接入层的控制和管理，主要功能包括广播、寻呼、RRC连接管理、无线承载控制、移动性管理以及UE测量报告和测量上报控制功能.

数据链路层的PDCP子层主要负责控制平面RRC协议数据的加解密和完整性保护功能。

数据链路层和物理层提供对RRC协议消息的数据传输功能。

NAS消息可以串接在RRC消息内，也可以单独在RRC消息中携带。

在切换等情况下NAS消息的丢失和重复有可能会发生，AS将提供对NAS信令在小区内的有序传输功能。

图5-2—2用户平面无线接口协议栈

用户平面无线接口协议栈如图5-2—2所示，主要为数据链路层协议（MAC、RLC、PDCP）和物理层协议。

物理层为数据链路层提供数据传输功能。

物理层通过传输信道为MAC子层提供相应的服务。

MAC子层通过逻辑信道向RLC子层提供相应的服务。

LTE/SAE总体的协议结构如图5-2-3所示。

图5—2—3LTE/SAE总体的协议结构。

2S1接口及X2接口协议

及2G/3G系统相比,S1接口和X2接口是两个新增的接口。

S1接口是eNB和MME之间的接口,包括控制面和用户面。

X2接口是eNB间相互通信的接口,也包括控制面和用户面两部分。

S1接口

S1接口控制平面位于eNodeB和MME之间，传输网络层是利用IP传输，这点类似于用户平面；为了可靠的传输信令消息，在IP层之上添加了SCTP;应用层的信令协议为S1-AP，S1接口控制平面协议栈如图5—2—4所示。

用户平面接口位于eNodeB和S—GW之间,S1接口用户平面（S1-UP）的协议栈结构如图5-2-5所示。

S1-UP的传输网络层基于IP传输，UDP/IP之上的GTP—U用来传输S—GW及eNodeB之间的用户平面PDU。

图5—2—4S1接口控制平面协议栈结构图5-2-5S1接口用户平面协议栈结构

S1接口控制平面有如下功能：

（1）演进的业务承载业务管理功能（包括建立、修改和释放）;

（2）系统连接状态下UE的移动性管理功能;

（3）S1接口管理功能（包括复位、错误指示以及过载指示等）;

（4）S1接口的寻呼；

（5）S1接口UE上下文释放功能；

（6）NAS信令传输功能;

（7）NAS节点选择功能;

（8）网络共享功能;

（9）漫游及区域限制支持功能；

（10）初始上下文建立过程.

S1接口用户平面无线网络层协议具有如下功能:

（1）在S1接口目标节点中指示数据分组所属的SAE接入承载；

（2）移动性过程中尽量减少数据的丢失；

（3）错误处理机制；

（4）MBMS支持功能；

（5）分组丢失检测机制。

X2接口

X2接口是eNodeB之间的接口，为开放接口，支持两个eNodeB之间的信令交互和PDU前转。

eNodeB之间通过X2接口互相连接，形成了网状网络。

X2接口支持数据和信令的直接传输，主要用于支持激活模式的手机移动，转发分组数据，也可以用于多小区的无线资源管理功能。

X2接口分为控制面接口（X2-C）和用户面接口（X2-U）,其协议栈结构如图5—2—6和图5-2-7。

图5—2-6X2—C（控制平面）协议栈结构图5-2-7X2—U（用户平面）协议栈结构

X2接口主要有以下功能：

（1）对ECM—Connected状态下的UE提供LTE接入系统内的移动性支持（从源eNodeB传送UE上下文至目标eNodeB、控制源eNodeB和目标eNodeB之间用户平面的传输承载、切换取消、源eNodeB中的UE上下文释放等）;

（2）负载管理；

（3）小区间干扰协调；

（4）X2接口管理和错误处理功能；

（5）eNodeB之间应用层数据交换;

（6）跟踪功能.

任务三认识LTE网路的关键技术

及3G相比较，LTE在物理层、空口高层协议和网络架构等方面做出了重要技术革新,无线座机，企业商话，无线固话,在系统容量、部署灵活性、传输时延、业务质量和网络成本等方面具备较大优势。

主要体现在OFDM、MIMO、下行功率控制技术、小区干扰协调技术、分组交换调度、SON自组织网络等关键技术上。

1OFDM

（1）OFDM基本原理

OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）,即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM（MultiCarrierModulation），多载波调制的一种.

OFDM技术由MCM（Multi—CarrierModulation，多载波调制）发展而来。

OFDM技术是多载波传输方案的实现方式之一，它的调制和解调是分别基于IFFT和FFT来实现的，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案.

OFDM主要思想是：

将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输.正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰（ISI）.每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

FDMA及OFDM对比如图5—3—1.

图5-3-1FDMA及OFDM的频谱利用率比较

及其他调制方式相比，OFDM具有频谱效率高，接收处理简单，带宽扩展灵活,易于及多天线技术结合，易于及链路自适应技术结合，易于MBMS业务的传输等优点。

OFDM的发射接收原理如图5—3-2。

发射端对发送信号进行信道编码并交织，经过串并变换输出的并行数据就是要调制到子载波的数字符号,这一些数据可以堪称是位于频域上的一组数据，经过傅立叶反变换后，输出的数据是离散时间点上的数据，这样就实现了频时转换，OFDM符号前插入CP后，进行数/模转换并上变频到发射频带上进行信号发送。

接收端信号处理是发送端的逆过程.

图5—3-2OFDM的发射接收原理

（2）LTE系统的OFDMA多址接入方式

在通信系统中，信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽要宽得多。

如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的，为了能够充分利用信道的带宽,就可以采用频分复用的方法。

传统的FDMA多址方式中，各子载波间通过一定的频率间隔来避免载波间的干扰。

及传统的FDMA相比，基于OFDM技术的进OFDMA的各子载波间通过正交复用方式避免干扰，有效地减少了载波间的保护间隔,提高了频谱利用率。

下行OFDMA方式

在3GPPLTE的标准化过程中，诺基亚、北电等公司提交了若干多址方案,如多载波（MC）—WCDMA，MC—TD—SCDMA，正交频分多址接入（OFDMA）,交织频分复用（IFDMA）和基于傅立叶变换扩展的正交频分复用（DFT—SOFDM）,OFDMA已成为下行链路的主流多址方案.

由于OFDMA多址接入方式具有众多的优点，在TD—LTE系统中,下行多址采用OFDMA方式。

OFDMA将整个频带分割成许多子载波，通过给不同的用户分配不同的子载波，将频率选择性衰落信道转化为若干平坦衰落子信道，从而能够有效地抵抗无线移动环境中的频率选择性衰落，并且由于占用不同的子载波，用户间满足相互正交，没有小区内干扰。

图5-3-3为OFDMA的主要原理图。

发端信号首先进行信道编码、交织及加扰，然后将交织后的数据作QAM调制再进行串/并转换，将数据映射到OFDM符号的各子载波上,将导频符号插入到相应子载波后,对所有子载波上的符号进行傅里叶反变换生成时域信号,然后在每个OFDM符号前插入一个循环前缀，以在多经衰落的环境下保持子载波之间的正交性。

图5-3-3OFDMA的主要原理图

TD-LTE系统中,OFDMA将资源的最小分配单位定义为连续的12个子载波，即资源块（RB,ResourceBlock）。

在整个传输带宽的频域上将资源划分为一系列RB,每个UE可以使用其中一个或多个RB资源承载数据。

单个用户可以使用连续或离散的RB进行数据传输,不同用户通过资源的频域正交性保证不同用户之间没有多址干扰.

插入CP是将OFDM符号尾部的一段复制到OFDM符号之前，CP的长度只有长于主要多径分量的时延扩展,才能保证接收端信号的正确解调，TD—LTE系统中,CP长度为33us，子载波间隔为7.5kHz。

上行FC—FDMA多址方式

LTE系统采用了多载波多址方案替代码分多址方案,这是LTE相对3G系统的重大区别和进步。

然而，多载波多址方案在避免了知识产权成本过高和提高系统容量的同时，也存在一个重大问题，即系统PAPR过高的问题。

这是因为多载波系统每个载波的信息可能会在时域进行叠加，导致很高的PAPR，这一方面对信号发送端的功放提出了很高的要求，同时也牺牲了信号的发射功率。

对于下行链路,由基站发射信号，采用多载波技术后,数据速率大幅度提升，相对来说对于PAPR带来的功放成本和发射功率的牺牲还可以容忍。

然而，在上行链路中，信号由用户终端发射，过高的发射功率将会降低电池的使用寿命，提高对系统功放的要求,并进一步增加终端设备的成本。

目前LTE上行方向采用FC-FDMA作为其多址方式。

SC—FDMA（Single—carrierFrequency-DivisionMultipleAccess，单载波频分多址），因为SC-FDMA在传统的OFDMA处理过程之前有一个额外的DFT（离散傅立叶变换）处理,SC-FDMA也被叫做线性预编码OFDMA技术。

SC—FDMA信号可以在时域生成，也可以在频域生成。

处于和下行链路的兼容考虑,LTE选择了在频域生成SC-FDMA技术，即DFT-S-OFDM（DiscreteFourierTransform—SpreadOFDM）技术。

该技术是在OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展，这样系统发射的是时域信号，从而可以避免OFDM系统发送频域信号带来的PAPR问题。

DFT—S—OFDM是一种特殊的OFDMA系统，其多用户子载波的映射在频域上完成，它将传输带宽分为正交的子载波集合,将不同的子载波集合分配给不同的用户，从而在多用户之间灵活的共享系统传输带宽,同时由于信号在频域的正交性,避免了系统中的用户间多址干扰.及OFDM相比，DFT—S-OFDM具有单载波的特性,因此其发送信号峰均比较低，在上行功放要求相同的情况下，可以提高上行的功率效率，降低系统对终端功耗的要求。

DFT-S-OFDM原理如图5—3-4.

图5-3—4DFT-S-OFDM原理

上行DFT-S-OFDM采用了及下行OFDM几乎一样的参数：

15kHz的子载波间隔、相同的CP长度和符号长度.

2MIMO

MIMO（Multiple-InputMultiple—Output）技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端及接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量.MIMO技术利用空间中的多径因素，利用多天线收发，实现分集增益或复用增益,进而提高小区容量、扩大覆盖范围、提升数据传输速率等性能指标.MIMO技术是移动通信领域中无线传输技术的重大突破,是LTE系统的核心技术之一。

MIMO技术主要包括三种：

空间分集、空间复用及波束赋形三大类。

—

空间分集的主要原理是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。

LTE系统中空间分集技术包括:

空时/频编码、循环延迟分集、天线切换分集等。

空间复用的主要原理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。

LTE系统中空间复用技术包括:

开环空间复用和闭环空间复用。

波束赋形是一种应用于小间距天线阵列的多天线传输技术，其主要原理是利用空间信道的强相关性,利用波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）空间分集

空间分集，也称天线分集，主要是使用多根天线进行发射和/或接收,空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率.根据收发天发射分集、接收分集和接收发射分集线数又分为发射分集、接收分集及接收发射分集。

空间分集是通信中使用较多的分集形式，这里主要介绍发射分集。

发射分集，是在发射端使用多幅发射天线发射信号，通过对不同的天线发射的信号进行编码达到空间分集的目的，使接收端获得比单天线高的信噪比。

发射分集本质上可以认为是将空间、时间、频率和编码等多种资源相互组合的一种多天线技术，主要有空时分组编码（Space-TimeBlockCoding，STBC）、空时发射分集（Space—TimeTransmitDiversity，STTD）编码、空频分组编码（Space-FrequencyBlockCoding，SFBC）和延迟分集（Cyclic-DelayDiversity，CDD）。

多发射天线可以采用空时编码技术，STBC将调制后的符号映射到时间域或空间域，从而获得发射分集增益。

空时发射分集通过对不同的天线发射的信号进行空时编码达到时间和空间分集的目的，在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声导致的符号错误概率，空时编码通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度，从而使得信号在接收端获得时间和空间分集增益。

可以利用额外的分集增益提高通信链路的可靠性，也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱利用率.

SFBC及STBC类似，只是编码不是在空间/时间域，而是在空间/频率域上进行。

因此,SFBC尤其适用于OFDM及类似关系。

和空时编码类似,空频编码的不足在于其需要以一定的速率降低为代价。

目前,LTE系统支持采用SFBC的空间分集传输技术.

CDD是在不同的发射天线上发送具有不同相对延时的同一个信号,人为地制造时间弥散,获得分集增益，循环延迟分集及延迟发射分集类似，但循环延时分集采用的是循环延时而不是线性延时，延迟是通过固定步长的移相（CyclicShift，循环移相）来等效实现延迟。

因此，CDD技术尤其适用于OFDM、DFT-S—OFDM等基于数据块的传输方案。

CDD技术可以方便地及空时/频编码相结合。

目前LTE系统定义了大延迟CDD技术及预编码相结合使用的方案。

（2）空间复用

空间复用就是在接收端和发射端使用多副天线,充分利用空间传播中的多径

分量，在同一频带上使用多个数据通道（MIMO子信道）发射信号，从而使得容

量随着天线数量的增加而线性增加。

这种信道容量的增加不需要占用额外的带宽，

也不需要消耗额外的发射功率，因此，空间分集是多个天线发送相同的数据，主要目的是抗衰落，空间复用是多个天线发送不同的数据,主要目的是提高信道容量。

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目前，LTE系统支持开环和闭环两种空间复用方式。

闭环空间复用就是所谓的线性预编码技术.空间复用还可用于多用户场景,也即空分多址（SDMA）。

开环空间复用的意思是不需要反馈。

这是针对闭环空间复用而言的，闭环空间复用，也就是预编码是需要反馈PMI的。

用于空间复用传输的多层数据来自于多个不同的、独立进行信道编码的数据流，每个码字可以独立进行速率控制,就是基于多码字（MultipleCodeword，MCW）的空间复用传输，复用时码字数量及天线数量不一定要一致。