LTE移动通信技术详细介绍.doc

《LTE移动通信技术详细介绍.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LTE移动通信技术详细介绍.doc（65页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、LTELTE 移动通信技术移动通信技术课程目标：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 应用的关键技术目目 录录第第 1 1 章章 概述概述.1 11.1 背景介绍 .11.1.1 移动通信演进过程概述.11.1.2 WCDMA、TD-SCDMA 与 CDMA2000 制式对比 .21.1.3 WCDMA 技术演进过程 .21.1.4 TD-SCDMA 技术演进过程 .31.1.5 CDMA2000 技术演进过程 .41.2 LTE 简介和标准进展.4第第 2 2 章章 LTELTE 主要指标和需求主要指标和需

2、求 .6 62.1 频谱划分 .72.2 峰值数据速率 .82.3 控制面延迟 .82.4 用户面延迟 .82.5 用户吞吐量 .82.6 频谱效率 .92.7 移动性 .92.8 覆盖 .102.9 频谱灵活性 .102.10 与现有 3GPP 系统的共存和互操作 .102.11 减小 CAPEX 和 OPEX.11第第 3 3 章章 LTELTE 总体架构总体架构 .12123.1 系统结构 .123.2 无线协议结构 .163.2.1 控制面协议结构.163.2.2 用户面协议结构.173.3 S1 和 X2 接口.173.3.1 S1 接口 .173.3.2 X2 接口 .22第第 4

3、 4 章章 物理层物理层.24244.1 帧结构 .244.2 物理资源 .254.3 物理信道 .274.4 传输信道 .294.5 传输信道与物理信道之间的映射 .304.6 物理信号 .314.7 物理层模型 .324.8 物理层过程 .354.8.1 同步过程.354.8.2 功率控制.354.8.3 随机接入过程.35第第 5 5 章章 层层 2 2 .37375.1 MAC 子层.385.1.1 MAC 功能 .385.1.2 逻辑信道.395.1.3 逻辑信道与传输信道之间的映射.405.2 RLC 子层.415.2.1 RLC 功能 .415.2.2 PDU 结构 .415.3

4、 PDCP 子层.425.3.1 PDCP 功能 .425.3.2 PDU 结构 .43第第 6 6 章章 RRCRRC.44446.1 RRC 功能.446.2 RRC 状态.456.3 NAS 状态及其与 RRC 状态的关系.466.4 RRC 过程.476.4.1 系统信息.476.4.2 连接控制.48第第 7 7 章章 LTELTE 关键技术关键技术 .50507.1 双工方式 .507.2 多址方式 .507.3 多天线技术 .517.4 链路自适应 .527.5 HARQ 和 ARQ .527.5.1 HARQ.527.5.2 ARQ.537.5.3 HARQ/ARQ 交互 .5

5、4第第 8 8 章章 缩略语缩略语.5555第第 9 9 章章 参考资料参考资料.5656第第 1 章章 概述概述 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1.1 背景介绍背景介绍1.1.1 移动通信演进过程概述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 R8 LTE RAN1 冻结，2008 年 12 月 R8 LTE RAN2、RAN3、RAN4 完成功能冻结，2009 年 3 月

6、R8 LTE 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 1.1-1 无线通信技术发展和演进图1.1.2 WCDMAWCDMA、TD-SCDMATD-SCDMA 与与 CDMA2000CDMA2000 制式对比制式对比表 1.1-1 3 种制式对比制式WDMACDMA2000TD-SCDMA继承基础GSM窄带 CDMAGSM同步方式异步同步同步码片速率3.84Mcps1.2288Mcps1.28Mcps系统带宽5MHz1.25MHz1.6MHz核心网GSM MAPANSI-41GSM MAP语音编码方式AMRQCELP,EVRC,VM

7、R-WBAMR1.1.3 WCDMAWCDMA 技术演进过程技术演进过程WCDMA 的技术发展路标如下图所示：图 1.1-2 WCDMA 技术发展路标1.1.4 TD-SCDMATD-SCDMA 技术演进过程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。基基本本版版本本近近期期演演进进版版本本中中期期演演进进版版本本长长期期演演进进版版本本(4G)第第一一阶阶段段第第二二阶阶段段第第三三阶阶段段CDMA技技术术标标准准OFDMA技

8、技术术标标准准3GPP (R4) 语语音音/数数据据 N频频点点3GPP (R5/6/7) HSPA/HSPA+ MBMS/多多载载波波3GPP LTE OFDMA MIMOIMT-Adv图 1.1-3 TD-SCDMA 技术演进过程1.1.5 CDMA2000CDMA2000 技术演进过程技术演进过程CDMA one 是基于 IS-95 标准的各种 CDMA 产品的总称，即所有基于 CDMA one 技术的产品，其核心技术均以 IS-95 作为标准 。CDMA2000 1x 在 1.25MHz 频谱带宽内，单载扇提供 307.2K 高速分组数据速率 ，1xEV-DO Rev.0 提供 2.4

9、M 下行峰值速率，Rev.A 提供 3.1M 下行峰值速率。图 1.1-4 CDMA2000 技术演进过程1.2 LTELTE 简介和标准进展简介和标准进展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 1.2-1 3GPP 标准组织与制定阶段第第 2 章章 LTELTE 主要指标和需求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3GP

10、P 要求 LTE 支持的主要指标和需求如下图所示。图 1.2-1 LTE 主要指标和需求概括2.1 频谱划分频谱划分E-UTRA 的频谱划分如下表。表 2.1-1 E-UTRA frequency bandsUplink (UL) operating bandBS receiveUE transmitDownlink (DL) operating bandBS transmit UE receiveE-UTRA Operating BandFUL_low FUL_highFDL_low FDL_highDuplex Mode11920 MHz 1980 MHz 2110 MHz 2170 MH

11、zFDD21850 MHz 1910 MHz1930 MHz 1990 MHzFDD31710 MHz 1785 MHz1805 MHz 1880 MHzFDD41710 MHz1755 MHz 2110 MHz 2155 MHzFDD5824 MHz849 MHz869 MHz 894MHzFDD6830 MHz840 MHz875 MHz 885 MHzFDD72500 MHz2570 MHz2620 MHz 2690 MHzFDD8880 MHz915 MHz925 MHz 960 MHzFDD91749.9 MHz1784.9 MHz1844.9 MHz 1879.9 MHzFDD10

12、1710 MHz1770 MHz2110 MHz 2170 MHzFDD111427.9 MHz 1452.9 MHz1475.9 MHz 1500.9 MHzFDD12698 MHz716 MHz728 MHz746 MHzFDD13777 MHz787 MHz746 MHz756 MHzFDD14788 MHz798 MHz758 MHz768 MHzFDD17704 MHz 716 MHz734 MHz746 MHzFDD.331900 MHz1920 MHz1900 MHz1920 MHzTDD342010 MHz2025 MHz 2010 MHz 2025 MHzTDD351850

13、MHz 1910 MHz1850 MHz 1910 MHzTDD361930 MHz 1990 MHz1930 MHz 1990 MHzTDD371910 MHz 1930 MHz1910 MHz 1930 MHzTDD382570 MHz 2620 MHz2570 MHz 2620 MHzTDD391880 MHz 1920 MHz1880 MHz 1920 MHzTDD402300 MHz 2400 MHz2300 MHz 2400 MHzTDD2.2 峰值数据速率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（5 bps/Hz） （

14、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（2.5 bps/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。2.3 控制面延迟控制面延迟从驻留状态到激活状态，也就是类似于从 Release 6 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 Release 6 的 CELL_PCH 状态到CELL_DCH 状态，控制面传输延

15、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。2.4 用户面延迟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（RAN edge node）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

16、5ms。2.5 用户吞吐量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 R6 HSDPA 的 23 倍；每 MHz 平均用户吞吐量应达到 R6 HSDPA 的 34 倍。此时 R6 HSDPA 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 R6 HSUPA 的 23 倍；每 MHz 平均用户吞吐量应达到 R6 HSUPA 的 23 倍。此时 R6 HSUPA 是 1 发 2 收，LTE 也是 1 发 2 收。2.6 频谱效率频谱效率下行链路：在一个有效负荷的网络中，LTE 频谱效率（用每

17、站址、每 Hz、每秒的比特数衡量）的目标是 R6 HSDPA 的 34 倍。此时 R6 HSDPA 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 R6 HSUPA 的 23 倍。此时 R6 HSUPA 是 1 发 2 收，LTE 也是 1 发 2 收。2.7 移动性移动性E-UTRAN 能为低速移动（015km/h）的移动用户提供最优的网络性能，能为15120km/h 的移动用户提供高性能的服务，对 120350km/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

18、蜂窝网络的移动性。在 R6 CS 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 GERAN CS 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。2.8 覆盖覆盖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

19、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。2.9 频谱灵活性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 1.4 MHz、3 MHz 、5 MHz、10 MHz、15 MHz 以及 20 MHz，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（diverse spe

20、ctrum arrangements） 。2.10 与现有与现有 3GPP3GPP 系统的共存和互操作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 GERA

21、N 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 R6 Idle 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。2.11 减小减小 CAPEXCAPEX 和和 OPEXOPEX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。第第 3 章章 LTELTE 总体架构总体架构 知识点无线协议结构S1 接口X2 接口3.1 系统结构系统结构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

22、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 LTE E-UTRAN 系统结构图所示。eNBMME / S-GWMME / S-GWeNBeNBS1S1S1S1X2X2X2E-UTRAN图 3.1-1 E-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，S

23、1 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

24、 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

25、 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-UTRAN idle 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

26、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

27、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。interneteNBRB ControlConnection Mobility Cont.eNB Measurement Configuration & ProvisionDynamic Resource Allocation (Scheduler)PDCPPHYMMES-GWS1MACInter Cell RRMRadio Admission ControlRLCE-UTRANEPCRRCMobility AnchoringEPS Bearer ControlId

28、le State Mobility HandlingNAS SecurityP-GWUE IP address allocationPacket Filtering图 3.1-2 E-UTRAN 和 EPC 的功能划分3.2 无线协议结构无线协议结构3.2.1 控制面协议结构控制面协议结构控制面协议结构如下图所示。eNBPHYUEPHYMACRLCMACMMERLCNASNASRRCRRCPDCPPDCP图 3.2-1 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

29、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、ECM idle 状态下发起寻呼、安全控制功能。3.2.2 用户面协议结构用户面协议结构用户面协议结构如下图所示。eNBPHYUEPHYMACRLCMACPDCPPDCPRLC图 3.2-2 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。3.3 S1S1 和和 X2X2 接口

30、接口与 2G、3G 都不同，S1 和 X2 均是 LTE 新增的接口。3.3.1 S1S1 接口接口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。SCTP IP Data link layer S1-AP Physical layer 图 3.3-1 S1 接口控制面 (eNB-MME)GTP-U UDP IP Data link layer Use

31、r plane PDUs Physical layer 图 3.3-2 S1 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

32、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：UEeNBMMES1-AP: INITIAL CONTEXT SETUP COMPLETE + eNB UE signalling connection ID + Bearer Setup Confirm (eNB TEID)S1-AP: I