LTE基本原理和系统架构.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,LTE,基本原理,和,系统架构,目 录,2,LTE,业务流程,LTE,关键技术,LTE,网络概述,LTE,网络基本架构,LTE,现状,无线通讯系统的发展,1G,的模拟时代。最早的移动商用系统；语音业务,2G,数字时代。安全性极大提升；从小众走向大众；数据业务开始出现,不同,制式，,GSM/CDMA/PHS,2G,是一个难以置信的巨大成功，实现了难以想象的便利通讯，带来了全新机会和巨量财富，造就了一批世界级企业,3G,宽带时代。,数,倍的速率提升,。,寄予厚望,。,3.5G,：,3G,的,重生。,HSDPA HSUPA HSPA+,数据,业务的极大发展,无线通讯系统的发展趋势,4,移动网络架构的演进,5,传统网络中数据如何在用户间传递？,传统网络中的数据传递,网络,或子网络的目的：把数据从一个点传递到另一个点,“,点,”,不一定是最终,用户；,网络,具有迭代,性；,从,另一个角度看，整个网络可以划分为接,入网,和,核心,网,接,入网,负责所谓的,“,最后一公里,”,，连接核心网和最终,用户；,核心,网,骨干,网；,LTE,的引入,被称为,3.9G,最初,LTE/SAE(,System Architecture Evolution,系统架构演进,),是,3GPP,体系为应对,Wimax,（,全球微波互联,接入,，,可以理解为,Wi-Fi,的广覆盖版,）压力,，保证,3GPP,体系的竞争力而推出,随着,WIMAX,的衰落、高通停止,UMB,，,LTE,成为下一代无线网的第一选择,TD-SCDMA,HSPA,(HSPA+)LTE,WCDMA,HSPA HSPA+LTE,CDMA 1xRTT,DORA(DORB)LTE,8,LTE,的引入,为了,能和可以支持,20MHz,的,WiMAX,技术抗衡，,LTE,带宽也必须从,5MHz,扩展到,20MHz,，为此,3GPP,不得不放弃长期采用的,CDMA,技术（,CDMA,技术在,5MHz,以上大带宽时复杂度过高），而采用了新的核心复用技术，即,OFDM,，,这,和,WiMAX,采用了相同的方式。此外还有一个原因就是，高通在,CDMA,上收取的专利费过高。同时为了在,RAN,侧降低用户面的时延，,LTE,取消了一个重要的网元无线网络控制器,RNC,。此外，在整体系统架构方面，核心网侧也在同步演进，推出了崭新的演进型分组系统（,EPS,，,Evolved Packet System,）。这称之为系统框架演进（,SAE,，,System Architecture Evolution,）。无线网和核心网都有这样大的动作，这使得,LTE,不可避免地丧失了大部分与,3G,系统的后向兼容性。,9,LTE,要解决什么问题，达到什么目标,速率,提升：下行,100M/,上行,50M,目标的提出,时延,降低：,U-plane,单向,5ms,C-plane,：从,idle,接入,100ms,，从睡眠态接入,50ms,更,高的频谱效率,更,灵活的带宽部署,10,LTE,网络特征,11,降低传输时延,用户面时延小于,5ms,控制面时延小于,100ms,1.4MHz20MHz,可变带宽,对,0,15km/h,的低速环境优化,对,15,120km/h,保持高性能,对,120,350,甚至,500km/h,保持连接,上行峰值速率,50Mbps,下行峰值速率,100Mbps,提高小区边缘用户的数据传输速率,传输时延,建网成本,带宽需求,移动性支持,数据速率,LTE-TDD,与,FDD,差异性,（,1,）,TD-LTE,是时分多址的,LTE,，,FDD-LTE,是频分多址的,LTE,。简单的说，时分就是不同的用户占用不同的时间，而频分是不同的用户占用不同的频率。,LTE,是,3GPP,标准化组织给他的下一代无线通信标准取的名字。这个标准分为,TDD,和,FDD,（,2,）目前全球来看，绝大部分国家的运营商都采用,FDD-LTE,的模式。只有中国的,CMCC,和日本,SoftBank Mobile,宣布采用,TD-LTE,。印度的部分运营商可能会采用,TDD,模式,（,3,）,TDD,和,FDD,各有千秋，并不能说,TDD,就比,FDD,的好，但相对,FDD,来说，,TDD,具有如下一点最大的优势：灵活的带宽配比，频谱利用率较高（尤其是非对称业务）,（,4,）,CMCC,已确定采用,TD-LTE,模式，已开始布局。目前正处于外场测试，预商用阶段。,China Unicom,和,Telecom,目前没有布局,LTE,的计划，可能采用各自现有技术的升级的方式来布局抗衡,CMCC,12,目 录,13,LTE,业务流程,LTE,关键技术,LTE,网络概述,LTE,网络基本架构,LTE,现状,LTE,网络基本架构,与,3G,网络相比，,LTE,的网络结构更为简化，其主要特点为：,业务平面与控制平面完全分离化,核心网趋同化,交换功能路由化,网络扁平化,全,IP,化,不在需要,RNC,大部分功能转移到基站实现,以数据业务为主,14,LTE,网络基本架构,EPS,网元及,接口,15,LTE,网络基本架构,MME,功能,NAS,信令以及安全性功能,3GPP,接入网络移动性导致的,CN,节点间信令,空闲模式下,UE,跟踪和可达性,漫游,鉴权,承载管理,功能（包括专用承载的建立）,Serving GW,支持,UE,的移动性切换用户面数据的功能,E-UTRAN,空闲模式下行分组数据缓存和寻呼支持,LTE,网络基本架构,LTE,相关的节点接口,S1-MME,E-UTRAN,和,MME,之间的控制面协议参考点,S1-U,E-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）,X2,eNodeB,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,网络基本架构,协议架构,接口协议主要分,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,。,18,数据链路层同,时,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,。,数据链路层,网络层,LTE,网络基本架构,协议架构,LTE,总体的协议结构,19,UE,eNodeB,的空口协议栈,20,L2-PDCP,层,用户面和控制面数据传送,头压缩功能,(,仅数据面,),加密,完整性保护,(,仅控制面,),切换时的处理,21,L2-RLC,层,无线,链路控制协议,RLC,层位于,MAC,层之上，为用户和控制数据提供分段和重传业务。每个,RLC,实体由,RRC,配置,，并且根据业务类型有三种模式：,透明模式（,TM,）、非确认模式（,UM,）、确认模式（,AM,）,。在控制平面，,RLC,向上层提供的业务为无线信令承载（,SRB,）；在用户平面，当,PDCP,和,BMC,协议没有被该业务使用时，,RLC,向上层提供无线承载（,RB,）；否则,RB,业务由,PDCP,或,BMC,承载。,22,L2,-,MAC,层,逻辑信道到传输信道的映射,逻辑信道数据的复用,/,解复用,空口调度,是,L2,的核心协议层和发动机,每用户一个数据,MAC,调度器每小区一个,23,RRC,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,的状态为,RRC_IDLE,和,RRC_CONNECTED,两类,UMTS,的,RRC,状态,CELL_DCH,，,CELL_FACH,，,CELL_PCH,，,URA_PCH,，,IDLE,24,RRC,功能,广播由非接入层（核心网）提供的信息,广播,与接入层相关的信息,建立,、维持及释放,UE,和,UTRAN,之间的一个,RRC,连接,建立,、重配置及释放无线承载,分配,、重配置及释放用于,RRC,连接的无线资源,RRC,连接移动功能,控制,所需的,QoS,UE,测量的报告和对报告的控制,外环,功率控制,加密,控制,慢速,动态信道分配,寻呼,初始,小区选择和重选,上行链路,DCH,上无线资源的仲裁,RRC,消息完整性保护,25,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,26,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。,27,LTE,网络基本架构,信道类型,信令流、数据流在各层之间传送，要通过不同的信道来承载，各逻辑信道、物理信道对应关系如下所示,(,逻辑信道，传输信道,，物理信道,),：,28,LTE,网络基本架构,信道类型,29,LTE,网络基本架构,帧结构,LTE,网络中信息的传输是以,帧,来传送的，对于,TDD,和,FDD,来说，帧的结构是不同的。,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,，如下图所示：,30,LTE,网络基本架构,帧结构,对于,TDD,，一个无线帧,10ms,，每个无线帧由,两个半帧,构成，每个半帧长度为,5ms,。每一个半帧由,8,个常规时隙和,DwPTS(Downlink Pilot Timeslot),、,GP(Guard Period),和,UpPTS,(Uplink Pilot Timeslot),三个特殊时隙构成，总长度为,1ms,。,31,目 录,32,LTE,业务流程,LTE,关键技术,LTE,网络概述,LTE,网络基本架构,LTE,现状,LTE,网络关键技术,33,多载波技术,下行：,OFDMA(,正交频分多址接入,Orthogonal Frequency Division Multiple Access,),上行：,SC-FDMA(,单载波频分多址接入,Single Carrier Frequency Division Multiple Access,),多天线技术,分集增益,阵列增益,空间复用增益,新的扁平网络架构,接入网仅由,eNode,B,构成,OFDM,的引入,通信系统中的数据传输速率越来越高,数据传输速率提高后将直接导致每个码元的传输周期缩短,在无线通信系统中，存在多径效应，这样当码元传输周期缩短时，码间干扰会更加严重，从而导致检测性能下降,如果将并行传输技术引入通信系统中，则可以同时传输多个码元，这样在总数据传输速率相同时，每个码元的传输周期可以大大增长,OFDM,技术恰恰可以利用正交子载波组来实现并行传输，从而增强系统对码间干扰的鲁棒性,20,世纪五六十年代，美国军方创建了世界上第一个多载波调制系统,20,世纪七十年代，出现大规模子载波和频率重叠技术的,OFDM,系统,20,世纪九十年代，随着数字信号处理技术的发展，,OFDM,系统在发射端和接收端分别采用,IFFT,和,FFT,来实现，从而导致系统实现复杂度大大降低，使得该技术开始广泛应用,34,OFDM,原理,将数据进行串并转换，得到,N,路并行的数据流，并将它们调制到相互正交的子载波上，各个子载波的频谱相互交叠,OFDM,系统的发射信号中，各个载波之间是完全正交的,OFDM,系统的子载波间隔为,OFDM,符号周期的倒数，每个子载波的频谱均为,SINC,函数，该函数以子载波间隔为周期周期性地出现零值，这样恰好在其他子载波的峰值位置处贡献为零,35,OFDM,技术的优点和缺点,优点：,频谱利用率高（保护频带小,/,子频带相互正交）,抗多径干扰（符号传递时间长,/,额外增加,CP,）,抗频率选择性衰落（频选调度）,信道估计与均衡实现简单,缺点：,对频率偏移特别敏感，收发两端晶振的不一致会引起,ICI,，虽然在接收端可以通过频率同步来获取频率偏移并进行校正，但由于频偏估计的不精确而引起的残留频偏将会使信号检测性能下降,在移动环境下，由于终端移动而引起的多普勒频谱扩展，同样会引起,ICI,，这就要求系统设计时合理地配置各种参数以尽量降低,ICI,对检测性能的影响,PAPR,较大，对功放和削波提出了更高的要求,OFDM,是,TD-LTE,区别于,3G,系统最关键的技术；,36,多天线简介,多天线技术可以理解为：在发射端和,(,或,),接收端使用多个天线，并结合一定的信号处理技术的相关技术的通称,根据要达到的目的不同，可以采用不同的多天线技术,多天线可以用来提供分集，抵抗无线信道的衰落。这种情况下，不同天线上的衰落应该具有低的相关性；,多天线也可以进行波束成型，如最大化目标指定方向上的天线增益或者抑制特定的主要干扰信号。根据天线之间相关性的不同，可以采用不同的波束成型方式；,发射和接收端同时使用多天线时，可以进行空间复用。在没有降低功率利用率前提下提高带宽利用率，或不降低覆盖的前提下在有限的带宽上提供更高的输出传输速率。有时空间复用也称为,MIMO,37,扁平化网络,LTE,的无线接入网（,E-UTRAN,）砍掉,RNC,后，就剩下基站（,eNodeB,）了，这个基站承接了很多原来,RNC,的功能。,eNodeB,和核心网的接口为,S1,，包括,S1-MME,（与,MME,相连的接口）和,S1-U,（与,SGW,相连的接口）。,S1-U,相当于,WCDMA,中的,Iu-CS,（,RNC-MSC,）和,Iu-PS,（,RNC-SGSN,）的用户面部分，也就是纯粹走话音和数据的，由于,LTE,中话音和数据都是走的分组域的,IP,包，则不再有,Iu-CS,、,Iu-PS,接口之分。走的都是信令。,MME,（移动性管理实体），负责位置更新、鉴权加密等工作，因为无线资源管理（切换、功控等）这个本来,RNC,的功能由,eNodeB,承包了，所以只剩下这部分功能了。基站间的接口,X2,，相当于原来的,Iur,（,RNC-RNC,）接口,38,扁平化网络,在,LTE,系统架构中，,RAN,将演进成,E-UTRAN,且只有一个结点：,eNodeB,。,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,40,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,41,目 录,42,LTE,业务流程,LTE,关键技术,LTE,网络概述,LTE,网络基本架构,LTE,现状,LTE,网络主要业务流程,系统广播消息,系统信息广播的内容被划分为多个系统信息块,(System Information Blocks,SIB),，系统广播信息就被划分为,MIB(,主信息块,)+several SIBs,。,43,SIB,2,SIB,3,SIB,4,SIB,5,SIB,6,SIB,7,SIB,8,SIB,9,SIB,10,SIB,11,MIB,SIB,1,系统信息广播（,System Information Broadcast,）,LTE,网络主要业务流程,系统广播消息,MIB,在,BCH,上发送，,MIB,上传输几个比较重要的系统信息参数,:,1,、下行链路系统带宽；,2,、,PHICH,配置信息；,3,、系统帧号。,SIBs,包含了其它的必要信息，在,DL-SCH,上发送。其中,SIB1,上传输与评估一个,UE,是否被允许接入小区有关的信息以及其他系统信息的调度信息：,1,、小区接入相关信息；,2,、小区选择信息；,3,、,SIB,调度信息；,4,、,TDD,参数配置等。,44,LTE,网络主要业务流程,系统广播消息,45,SIB2,SIB3,SIB4,SIB5,SIB6,SIB7,SIB8,SIB9,SIB10,SIB11,小区无线配置，其它基本配置,小区重选信息，主要关于服务小区,频内邻区列表，白,/,黑名单,频间邻区列表,UTRAN,邻区列表,(W+TD),GSM,邻区列表,CDMA2000,邻区列表,Home eNB Identifer,ETWS,通知,ETWS,信息，语音图片,LTE,网络主要业务流程,UE,附着过程,UE,发送附着消息给,MME,，进行网络注册，也就是网络附着（,network attachment,）,鉴权,MME,发送创建默认承载消息给,S-GW,S-GW,把创建默认承载消息转发给,P-GW,PDN-GW,为新的会话建立，向,PCRF,申请策略,然后安装必要的过滤器（,SDF,）,46,UE,附着到网络、创建默认承载的过程中，,PCRF,扮演了顾问的角色，主要负责做出策略及计费判决。,47,48,LTE,网络主要业务流程,业务请求过程,EPC,支持两种业务请求：,UE,发起的业务请求：,UE,发给,MME,，要求业务接入；,网络发起的业务请求：,当,PDN-GW,接到,DL,数据包时，由网络对注册用户发起业务请求。,任一业务请求都可以触发专用承载的建立（取决于业务请求的,QoS,）,49,50,51,LTE,网络主要业务流程,寻呼过程,对于处于空闲状态的,UE,，当下行数据到达,EPC(,演进的分组核心网,Evolved Packet Core Network),时，数据终结在,S-GW,，,S-GW,发起寻呼：,S-GW,向,MME,发出下行数据通知,(downlink Data notification),；,S-GW,开始缓存下行数据包；,MME,向,UE,注册的,TA,列表内的所有,eNB,发出寻呼消息，要求,eNB,在其覆盖范围内寻呼,UE,；,收到寻呼后，,UE,发起业务请求流程,(UE-triggered service-request procedure),，重建无线承载和,S1-U,承载，,S-GW,开始清空缓存。,52,LTE,网络主要业务流程,寻呼过程,53,54,目 录,55,LTE,业务流程,LTE,关键技术,LTE,网络概述,LTE,网络基本架构,LTE,现状,LTE-,牌照发放,据媒体报道，工信部已将三个发牌时间点上报，分别是,11,月,28,日、,12,月,8,日和,12,月,18,日。也就是说，,4G,牌照发放最晚不会迟于,12,月,18,日。,据了解，目前关于,4G,牌照的发放形式已定：将先对三大运营商中国移动、中国电信、中国联通同时发放,TD-LTE,的,4G,牌照，另一制式,LTE-FDD,的,4G,牌照将延后发放。,国内三家运营商中，中国移动是,TD-LTE,网络的中坚力量。中国电信和中国联通在从,3G,升级到,4G,的过程中，选择,LTE-FDD,更符合两者的利益。若,TD-LTE,牌照先发放，另外两家不排除租用中国移动的,4G,网络，或者与中国移动共建的可能性。,56,LTE-,用户体验,据,介绍，消费者不需要改变号码，也不需要重新登记和签约，只需要到指定营业厅更换一张,SIM,卡，购买一部,4G,手机，就可以体验中国移动的,4G,服务。,最新消息,显示，,12,月,17,日，中国移动将正式推出全新的商务品牌“和”，涵盖旗下,2G,、,3G,和,4G,，未来的资费套餐都在这个品牌之下。,据,了解，中国移动在广州和北京的,4G,覆盖已超过,3G,，而随着爱立信、华为和中兴等设备商交付能力的提高，,4G,网络覆盖全国的时间将大大缩短。依据电信专家胡权的介绍，目前,4G,基站大部分通过,3G,基站硬件和软件升级完成，,4G,覆盖速度远超,3G,。,57,LTE,频段划分,58,中国,4G,频谱划分情况,中国,LTE,频谱基本集中在,1.8GHz,、,2.1GHz,、,2.3GHz,、,2.6GHz,等频段。去年,10,月，,2.3Ghz,2.6GHz,已确定全部划归,TDD,。至于另两个频段,1.8G,与,2.1G,，近日有消息称其归属也已落定。,1.8GHz,与,2.1GHz,都将用于,FDD LTE,网络建设。只是前者给了中国电信用，后者给了中国联通。,工信部正式分配,TD-LTE 4G,频段,(21,号新闻,),中国移动获得,130MHz,分别为,1880-1900MHz,、,2320-2370MHz,、,2575-2635MHz,中国联通获得,40MHz,分别为,2300-2320MHz,、,2555-2575MHz;,中国电信获得,40MHz,分别为,2370-2390MHz,、,2635-2655MHz,；,59,中国移动,频段,60,全球,TDD,频谱分配进展,61,广东移动公布,4G,套餐资费详情,通信世界网讯,(CWW)9,月,29,日消息，广东移动在其官方网站上公布了,4G,同一组合套餐资费内容，套餐最低,138,元起，包含国内数据流量（,2G/TD/LTE)600M,省内数据流量（,LTE,）,400M,，以及国内主叫分钟数,500,分钟。目前，广东移动已经开始预约办理,4G,业务。官方消息显示，预计在,10,月底将开始正式办理。目前此活动仅限广州、深圳的移动客户。,62,广东移动公布,4G,合约机详情,合约终端包括三星,N7108D,、华为,716,以及华为,E5 LTE MiFi,。合约方案如下：,63,