第七课：LTE空中接口分层详解
LTE无线接口协议
LTE无线接口协议篇一：LTE培训材料-7 LTE接口协议分析一、LTE接口概述——LTE系统总体架构EPS通过IP连接是用户通过公共数据网（PDN）接入互联网，以及提供诸如VoIP等业务。
一个EPS承载通常具有一定的QoS。
一个用户可建立多个EPS承载，从而具有不同的QoS等级或连接到不同的PDN。
通过几个承担不同角色的EPS网元可以实现用户的安全性和私密性保护。
整体网络架构如图所示，其包括网元和标准化的接口。
在高层，该网络是由核心网（EPC）和接入网（E-UTRAN）组成的。
核心网由许多逻辑节点组成，而接入网基本上只有一个节点，即与用户终端（UE）相连的eNode B。
所有网元都通过接口相互连接。
通过对接口的标准化可满足众多供应商产品间的互操作性，从而使运营商可以从不同的供应商获取不同的网元产品。
事实上，运营商可以根据商业考虑在他们的物理实现上选择对逻辑网元进行分裂或合并。
——EPC和E-UTRAN间的功能分布如图所示。
下面对EPC和E-UTRAN的网元进行详细描述——eNode B实现的功能——MME实现的功能——S-GW实现的功能——P-GW实现的功能——E-UTRAN地面接口通用协议模型E-UTRAN接口的通用协议模型如图所示，适用于E-UTRAN相关的所有接口，即S1和X2接口。
E-UTRAN接口的通用协议模型继承了UMTS系统中UTRAN接口的定义原则，即控制平面与用户平面相分离，无线网络层与传输层相分离。
除了能够保持控制平面和用户平面、无线网络层与传输层技术的独立演进之外，由于具有良好的继承性，这种定义方法带来的另一个好处是能够减少LTE系统接口标准化工作的代价。
——控制面协议栈结构——用户面协议栈结构二、空中接口协议栈分析无线接口是指终端和接入网之间的接口，简称Uu接口，通常我们也称之为空中接口。
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eNode B之间的接口。
LTE物理层空中接口
通过本节的学习，我们将了解到
` LTE时频资源是如何组织，与码分系统相比，具有什么特点 ` LTE-FDD与LTE-TDD的帧结构是怎样的 ` 下行控制信道如何设计
` 下行共享信道如何设计
` 上行控制信道如何设计
` 上行共享信道如何设计
LTE时频资源
` RE(Reosurce Element), LTE最小的资源 ` REG(RE Group), 将4个RE组合在一起，作为更大的粒度 ` RB(Resource Block), 12subcarrier*1slot，是LTE基本调度单元 ` RB Pair，在一个TTI中两个时间上连续的，频率相同的RB
` MCS的选择由调度器根据信道质量（对应到具体的RB上）决定
CCE（Control Channel Element）
` 所谓CCE，是PDCCH时频资源的一种组织方式，CCE在PDCCH时频资源上 的物理分布是离散的，CCE编号将这些物理上离散的资源（REGs）标识起来
` CCE用于承载DCI
` 1CCE=9 REGs =36 REs ` LTE定义一个DCI使用1、2、4、8个CCE来传输，称作Aggregation Level，
物理层帧结构 – Type 1(FDD)
1 frame = 10 ms 1 frame = 10 subframe 1 subframe = 2 slot(0.5ms) Maximum FFT size (20 MHz Bandwidth) = 2048(110x12=1320
subcarrier used) Subcarrier spacing = 15 kHz Subcarrier Bandwidth 2048x15kHz = 30.72 MHz
LTE空中接口技术基础
LTE空中接口技术基础LTE（Long Term Evolution）是第4代移动通信技术（4G）的一种标准，为用户提供高速、高质量的移动通信体验。
LTE通过优化空中接口技术，显著提高了数据速率、容量和覆盖范围。
本文将介绍LTE空中接口技术的基础知识，包括LTE的架构、基础频段、多址技术、调制解调技术等。
1.LTE架构LTE采用分层架构，包括用户平面和控制平面。
用户平面负责传输用户数据，控制平面则负责建立和管理用户连接。
LTE的架构包括基站（eNodeB）、核心网（EPC）和用户设备（UE）。
基站是与用户设备进行无线通信的设备，核心网负责用户数据的传输和处理，用户设备则是终端设备，如手机、平板电脑等。
2.基础频段LTE采用了多个频段，以增加系统的容量和覆盖范围。
LTE的频段包括FDD（Frequency Division Duplexing）和TDD（Time Division Duplexing）。
FDD采用不同的频率进行上行和下行通信，而TDD采用同一频率进行上行和下行通信。
LTE还采用了多载波聚合技术（CA），将多个频段的带宽合并在一起，提供更高的数据速率。
3.多址技术LTE采用了正交频分复用（OFDMA）和单载波频分复用（SC-FDMA）两种多址技术。
OFDMA将频谱划分为多个子载波，每个子载波负责传输一个用户的数据。
这样可以同时服务多个用户，提高系统的容量和频谱效率。
SC-FDMA则在上行链路上使用，将窄带信号映射到多个子载波上，降低了功耗和干扰。
4.调制解调技术LTE采用了多种调制解调技术，以提高数据速率和传输效率。
LTE使用了QPSK、16QAM和64QAM等调制方式，QPSK适用于较差的信号环境，而16QAM和64QAM则适用于良好的信号环境。
此外，LTE还引入了空间复用技术，如多输入多输出（MIMO），通过多个天线进行信号传输和接收，提高系统的容量和覆盖范围。
5.其他技术LTE还采用了大规模天线阵列（Massive MIMO）技术，通过增加天线数量来提高系统的容量和覆盖范围。
鲜枣课堂-LTE空中接口
PBCH PCFICH PHICH
物理下行 控制信道
PDCCH
DL-SCH 物理下行 共享信道
PDSCH
物理随机 RACH 接入信道
PRACH
物理上行 控制信道
PUCCH
UL-SCH 物理上行 共享信道
UE
MAC PHY
LTE空中接口协议栈
RLC（Radio Link Control，无线链路控制）
提供无线链路的控制功能。包含TM、AM、UM三种传输模式，主要提供纠错、
UE
NAS RRC PDCP RLC
分段、级联、重组等功能。
TM（Transparent Mode）透明模式 AM（Acknowledged Mode）确认模式 UM（ Unacknowledged Mode ）非确认模式
DCCH
专用业务 UM/AM 信道
DTCH
一般控制 TM 信道
CCCH
专用控制 UM/AM 信道
DCCH
专用业务 UM/AM 信道
DTCH
逻辑信道
MAC层
BCH
PCH
DL-SCH
RACH
UL-SCH
物理层
PBCH PCFICH PHICH PDCCH PDSCH PRACH PUCCH PUSCH
LTE信道
Resource element mapper
OFDM signal generation
物理信道
CCCH
加/解密 UM/AM
DTCH
RLC层
TM
PCCH
TM
CCCH
UM/AM
DCCH
UM/AM
LTE空中接口技术与性能课件
主讲: 西安邮电大学 孙友伟 教授 2012.10.23
LTE空中接口技术与性能
1
第一章 LTE系统概述
❖ LTE启动的原动力 ❖ LTE技术原理 ❖ LTE系统架构
LTE空中接口技术与性能
2
LTE启动的原动力
技术背景
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（Long Term Evolution ，LTE）技术的研究。这项受人瞩目 的技术被称为“演进型3G”（ Evolved 3G，E3G）。但只要对这
LTE+ (?)
R6
R7
R8
R9(?)
2004
Release 99/4
2007
2010
Release 5/6/7
LTE/SAE
LTE的进一步演进将会满足 IMT-Advanced的技术要求
LTE空中接口技术与性能
9
物理层技术演进
LTE空中接口技术与性能
10
发展过程
2G GSM
2.5G 2.75G 3G
应对来自于WiMAX的市场压力
为应对ITU的4G标准征集做准备
LTE空中接口技术与性能
4
产业与业务
LTE空中接口技术与性能
5
技术趋势：
• 无线宽带 广域，IP 多媒体为 主导业务， 呈现宽带 移动化、 移动宽带 化
LTE空中接口技术与性能
6
接入多元 化、网络 一体化、 应用综合
LTE空中接口技术与性能
GERAN
SGSN
UTRAN
HSS
S3
S6a
S1MME
MME
LTE空中接口技术与性能空中接口流程
结束
利用主、辅同步信号相对位置的不同，终端可 以在小区搜索的初始阶段识别系统是TDD还 是FDD
PBCH（物理广播信道）
PBCH承载BCH包含的系统信息MIB（共24比特），系统信息包括下 行系统带宽、系统帧序号(SFN)、PHICH持续时间以及PHICH资源大 小指示信息 时域上位于子帧0时隙1的前4个OFDM符号，频域上位于系统频带中央 的72个子载波。
6
5 ms
D
S
U
U
U
D
S
U
U
D
无线资源的分组
RE（Resource Element）为最小的资源单位，时域上为一个符号， 频域上为一个子载波 RB（Resource Block）为业务信道资源分配的资源单位，时域上为 一个时隙（7个符号），频域上为12个子载波 CRB（Combined Resource Block）为业务信道资源分配的资源单位， 时域上为一个子帧（14个符号），频域上为12个子载波，是用户资 源的最小分配单位 REG（Resource Element Group）为控制信道资源分配的资源单位， 由4个RE组成 CCE（Channel Control Element）为PDCCH资源分配的资源单位， 由9个REG组成 RBG （Resource Block Group）为业务信道资源分配（类型0）的资 源单位，由一组RB组成
LTE空中接口技术与性能 空中接口流程
周晓津
目录
空中接口概述 空中接口流程
小区搜索 系统信息广播 随机接入 HARQ CQI/PMI/RI上报 功率控制
4G移动通信与技术-LTE空中接口
4G移动通信与技术-LTE空中接口4G 移动通信与技术——LTE 空中接口在当今这个信息高速发展的时代，移动通信技术的不断进步为人们的生活带来了翻天覆地的变化。
其中，4G 移动通信技术中的 LTE 空中接口更是扮演了至关重要的角色。
LTE 即 Long Term Evolution，长期演进技术，它是 3GPP 组织制定的 UMTS 技术标准的长期演进。
而空中接口则是移动通信系统中，基站和移动终端之间的无线接口，它负责传输用户数据和控制信息。
LTE 空中接口采用了一系列先进的技术，以实现更高的数据传输速率、更低的延迟和更好的频谱效率。
其中，正交频分复用（OFDM）技术是 LTE 空中接口的核心技术之一。
OFDM 将可用的频谱资源划分成多个正交的子载波，每个子载波可以独立地进行调制和解调。
这种方式有效地对抗了多径衰落，提高了频谱利用率，同时降低了符号间干扰。
与传统的单载波传输方式相比，OFDM 技术具有许多优势。
首先，它能够在宽带信道中实现高速的数据传输，适应了 4G 时代对大带宽的需求。
其次，由于子载波之间的正交性，不同子载波之间的干扰可以忽略不计，从而提高了系统的抗干扰能力。
此外，OFDM 还便于实现动态频谱分配和自适应调制解调，进一步提高了频谱效率。
多输入多输出（MIMO）技术也是 LTE 空中接口的重要组成部分。
MIMO 利用多个发射和接收天线，通过空间复用和空间分集等方式，显著提高了系统的容量和可靠性。
在空间复用模式下，多个数据流可以同时在不同的天线上传输，从而增加了数据传输速率。
而在空间分集模式下，通过在多个天线上发送相同的数据，可以提高信号的可靠性，降低误码率。
LTE 空中接口还引入了自适应调制编码（AMC）技术。
根据无线信道的质量状况，系统可以动态地选择合适的调制方式（如 QPSK、16QAM、64QAM 等）和编码速率，以在保证传输质量的前提下，最大限度地提高数据传输速率。
当信道条件较好时，采用高阶调制和高编码速率，以提高传输效率；当信道条件较差时，则采用低阶调制和低编码速率，保证数据的可靠传输。
LTE逻辑分层和接口协议
LTE逻辑分层和接⼝协议本⽂链接：，感谢作者。
LTE学习笔记三：接⼝协议上⼀笔记说明了LTE⽹络的⽹元组成，⽹元之间的联系是通过标准化的接⼝。
接下来学习LTE终端和⽹络的空中接⼝Uu、基站之间的X2接⼝、基站与核⼼⽹之间的S1接⼝，以及LTE接⼝协议栈和以往⽆线制式相⽐的特点。
1.接⼝协议栈接⼝是指不同⽹元之间的信息交互⽅式。
既然是信息交互，就应该使⽤彼此都能看懂的语⾔，这就是接⼝协议。
接⼝协议的架构称为协议栈。
根据接⼝所处位置分为空中接⼝和地⾯接⼝，响应的协议也分为空中接⼝协议和地⾯接⼝协议。
空中接⼝是⽆线制式最个性的地⽅，不同⽆线制式，其空⼝的最底层（物理层）的技术实现差别巨⼤。
LTE空中接⼝是UE和eNodeB的LTE-Uu接⼝，地⾯接⼝主要是eNodeB之间的X2接⼝，以及eNodeB和EPC之间的S1接⼝。
1.1 三层协议栈的分层结构有助于实现简化设计。
底层协议为上层提供服务；上层使⽤下层的提供的功能，上层不必清楚下层过程处理的细节。
⽐较常见的分层协议有OSI七层参考模型和TCP/IP四层协议。
⽆线制式的接⼝协议也分层，粗略分为物理层（层⼀，L1，PHY)、数据链路层（层⼆，L2，DLL）、⽹络层（层三，L3，NL）。
物理层主要功能是提供两个物理实体间的可靠⽐特率传输，适配传输媒介。
⽆线空⼝中，适配的是⽆线环境；地⾯接⼝中，适配的则是E1，⽹线，光纤等传输媒介。
数据链路层的主要功能是信道复⽤和解复⽤、数据格式的封装、数据包调度等。
完成的主要功能是具有个性的业务数据向没有个性的通⽤数据帧的转换。
⽹络层的主要功能是寻址、路由选择、连接的建⽴和控制、资源的配置策略等。
eUTRAN和UTRAN的分层结构类似，但为了灵活承载业务、简化⽹络结构、缩短处理时延，rUTRAN接⼝协议栈以下功能从层三转移到层⼆：（1）动态资源管理和Qos保证功能转移到MAC（媒介接⼊控制）层。
（2）DTX/DRX（不连续发射/接收）控制转移到MAC层。
4G移动通信与技术-LTE空中接口
速率
1/3
1/3 速率 1/3 1/16 1/3 可变 1/3
码块级联
码块级联功能可对前面分段的码块进行有效级联
3800位 3840位
码块CRC添加和分段
4200位 4224位
信道编码
信道编码
速率匹配 ek
码块级联
速率匹配 ek
fk
Page13
目录
移动通信系统空中接口概述 LTE空中接口 LTE无线接口信道
目录
移动通信系统空中接口概述 LTE空中接口 LTE无线接口信道
Page1
移动通信系统空中接口概述
1、 多址技术 2、 双工方式 3、 LTE信道编码
Page2
多址技术简介
FDM A
多址技术
OFDM A
TDM A
CDM A
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频分多址
功率
Page4
时间
FDMA 每个用户分配一个不 同的子频段/信道
Page14
Uu接口
LTE空中接口: E-UTRA（Evolved - Universal Terrestrial Radio Access）
E-UTRA Uu
1.4MHz, 3MHz, eNodeB
5MHz, 10MHz,
UE
15MHz, 20MHz
Page15
LTE空中接口的基本功能分类
用户面
发射分集
波束赋形
射频处理
NAS信令 RRC PDCP RLC MAC PHY
eNodeB
Page25
空中接口的特点
确保无线发送的可靠：
重传，编码等
灵活地适配业务活动性及信道的多变性
MAC动态决定编码率，调制方式 RLC分段、级联，适配MAC调度
LTE空中接口技术基础
P
e企学
C
P
e企学
UE检测窗口
加CP操作
Frequency
CP
CP
CP
CP
CP
CP
CP
CP
CP
CP
CP
CP
Symbol Period T(s)
Cyclic Prefix
Bit Period T(b)
T(g)
Symbol Period T(s)
Time
CP的长度
无线帧结构类型1(FS1)
FDD帧结构 --- 帧结构类型1，适用于FDD与H-FDD
PCRF
S6a
S10
S9
UMTS
控制面和用户面
的分离
LTE
多制式接入
E-UTRAN
MME
NodeB RNC
S1-MME
S4
Gx
S11
S12
S5/8
S1-U
eNodeB
Serving GW
A10/A11
S2a
cdma2000
BTS
BSC
PDSN
PDN GW
SGi
LTE Uu接口
LTE的空中接口(Air Interface)称为Uu接口，是E-NodeB和UE之
半帧, 153600Ts = 5 ms
时隙,
Tslot=15360Ts
30720Ts
子帧 #0
子帧#2
子帧 #3
子帧 #4
子帧 #5
子帧 #7
子帧, 30720Ts
DwPTS
GP
UpPTS
DwPTS
GP
UpPTS
LTE空中接口协议结构及RRC层研究
万方数据图１Ｅ－ＵＴＲＡＮ结构图每个ＬＴＥ基站ｅＮＢ都通过Ｓｌ接口和ＭＭＥ以及ＳＡＥ网关相连接。
ｅＮＢ功能有无线资源管理功能，用户平面数据服务网关的选择，调度和传输寻呼信息、广播信息，上下行资源分配，ＲＢ控制、配置信息的测量及结果报告，调度和传输ＥＴＷＳ信息等。
接口ｓ１功能有：ＳＡＥ承载业务的设置和释放，在激活状态下的移动性管理功能，ＬＴＥ小区切换以及与不同ＲＡＴ系统间切换，寻呼功能，非接人层ＮＡＳ信令传送功能，ｓ１接口管理功能，漫游与地区限制功能等…。
２．２协议栈层次结构同ＵＭＴＳ系统一样，ＬＴＥ的ｕｕ接口按协议栈的功能和任务来分，包括如下协议层：物理层、数据链路层和无线资源控制层。
数据链路层又分为媒介接入控制（ｍｅｄｉｕｍｃｏｎｔｒｏｌ，ＭＡＣ）层、无线链路控制（ｒａｄｉｏｌｉｎｋｃｏｎｔｒｏｌ，ＲＬＣ）层、分组数据会聚协议（ｐａｃｋｅｔｄａｔｅｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｐｒｏｔｏｃｏｌ，ＰＤＣＰ）层。
根据分层结构，低层通过ＳＡＰ向高层提供服务，这些服务通过原语来实现。
对于控制ＳＡＰ，可以跨过不同的层或子层来向高层提供服务¨Ｊ。
３ＧＰＰ改写了ＵＭＴＳ的网络和协议架构，图２所示为ＬＴＥ空中接口协议结构图。
图２协议架构图——２０——ＤＩＧＩＴＡＬＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ／２００９．１ＬＴＥ是完全面向分组的技术，是根据３ＧＰＰ系统架构演进（ＳＡＥ）开发。
ｅＮＢ在空中接口上启动连接，它还分配空中接口资源并进行资源调度。
ＬＴＥ不再需要以前ＵＭＴＳ中的无线网络控制器（ＲＮＣ），大幅减少网络内部接口的数量。
演进型ＵＲＡＮ用户平面（Ｕ—ｐｌａｎｅ）和控制平面（Ｃ—ｐｌａｎｅ）协议栈架构如图３和图４所示旧１。
在无线接入网用户平面协议栈中ＲＬＣ和ＭＡＣ层完成调度、ＡＲＱ、ＨＡＲＱ等功能，ＰＤＣＰ层完成报头压缩、完整性保护、加密等功能。
ＲＲＣ完成广播、寻呼、ＲＲＣ连接管理、ＲＢ控制、移动型管理、用户设备测量报告和控制等功能。
LTE空中接口物理层过程浅析
1 概述LTE是3GPP在2005年启动的新一代无线系统研究项目。
LTE采用了基于OFDM技术的空中接口设计，目标是构建出高速率、低时延、分组优化的无线接入系统，提供更高的数据速率和频谱利用率。
图1-1LTE系统网络架构整个系统由核心网络（EPC）、无线网络（E-UTRAN）和用户设备（UE）3部分组成，见上图。
其中EPC负责核心网部分；E-UTRAN（LTE）负责接入网部分，由eNodeB节点组成；UE指用户终端设备。
系统支持FDD和TDD两种双工方式，并对传统UMTS网络架构进行了优化，其中LTE仅包含eNodeB，不再有RNC；EPC也做了较大的简化。
这使得整个系统呈现扁平化特性。
系统的扁平化设计使得接口也得到简化。
其中eNodeB与EPC通过S1接口连接；eNodeB之间通过X2接口连接；eNodeB与UE 通过Uu接口连接。
2 物理层过程本文重点讨论LTE空中接口物理层的一些主要过程。
2.1 下行物理层过程2.1.1 小区搜索过程UE使用小区搜索过程识别并获得小区下行同步，从而可以读取小区广播信息。
此过程在初始接入和切换中都会用到。
为了简化小区搜索过程，同步信道总是占用可用频谱的中间63个子载波。
不论小区分配了多少带宽，UE只需处理这63个子载波。
UE通过获取三个物理信号完成小区搜索。
这三个信号是P-SCH信号、S-SCH信号和下行参考信号（导频）。
一个同步信道由一个P-SCH信号和一个S-SCH信号组成。
同步信道每个帧发送两次。
规范定义了3个P-SCH信号，使用长度为62的频域Zadoff-Chu序列。
每个P-SCH 信号与物理层小区标识组内的一个物理层小区标识对应。
S-SCH信号有168种组合，与168个物理层小区标识组对应。
故在获得了P-SCH和S-SCH信号后UE可以确定当前小区标识。
下行参考信号用于更精确的时间同步和频率同步。
完成小区搜索后UE可获得时间/频率同步，小区ID识别，CP长度检测。
【LTE基础知识】LTE空口协议分析
【LTE基础知识】LTE空⼝协议分析转载⾃控制⾯协议控制⾯协议结构如下图所⽰。
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、ECM idle状态下发起寻呼、安全控制功能。
⽤户⾯协议⽤户⾯协议结构如下图所⽰。
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。
空⼝协议功能介绍1. 物理层功能LTE系统中空中接⼝的物理层主要负责向上层提供底层的数据传输服务。
为了提供数据传输服务，物理层将包含如下功能。
●传输信道的错误检测并向⾼层提供指⽰。
●传输信道的前向纠错编码（FEC）与译码。
●混合⾃动重传请求（HARQ）软合并。
●传输信道与物理信道之间的速率匹配及映射。
●物理信道的功率加权。
●物理信道的调制与解调。
●时间及频率同步。
●射频特性测量并向⾼层提供指⽰。
● MIMO天线处理。
●传输分集。
●波束赋形。
●射频处理。
下⾯简要介绍⼀下LTE系统的物理层关键技术⽅案。
●系统带宽：LTE系统载波间隔采⽤15kHz，上下⾏的最⼩资源块均为180kHz，也就是12个⼦载波宽度，数据到资源块的映射可采⽤集中式或分布式两种⽅式。
通过合理配置⼦载波数量，系统可以实现1.4~20MHz的灵活带宽配置。
● OFDMA与SC-FDMA：LTE系统的下⾏基本传输⽅式采⽤正交频分多址OFDMA⽅式，OFDM传输⽅式中的CP（循环前缀）主要⽤于有效的消除符号间⼲扰，其长度决定了OFDM系统的抗多径能⼒和覆盖能⼒。
为了达到⼩区半径100km的覆盖要求，LTE系统采⽤长短两套循环前缀⽅案，根据具体场景进⾏选择：短CP⽅案为基本选项，长CP⽅案⽤于⽀持⼤范围⼩区覆盖和多⼩区⼴播业务。
7.4.4 LTE空中接口协议[共2页]
![7.4.4 LTE空中接口协议[共2页]](https://img.taocdn.com/s3/m/8dc729e531126edb6e1a10a3.png)
第7章 移动通信网203 MME 和S-GW 两个网元来完成，其中，MME 负责移动性管理、鉴权和信令处理等功能，S-GW 负责媒体流处理、路由转发和计费等功能。
P-GW 承担原来3G 网络中的网关GPRS 支持节点（Gateway GPRS Support Node ，GGSN ）职能，负责与其他各种数据网络的连接。
由此可见，与3G 网络相比，4G 网络结构有如下几个不同之处。
（1）4G 网络取消了RNC 网元，将其功能分散到了eNodeB 和MME/S-GW 上。
eNodeB 直接通过S1接口与MME 、S-GW 互通，简化了移动通信网络的结构，降低了用户可感知的时延，大幅提升用户的移动通信体验。
（2）实现了控制与承载的分离，MME 负责移动性管理、信令处理等功能，S-GW 负责媒体流处理及转发等功能。
（3）核心网取消了电路域，全部采用IP 技术，实现了网络全IP 化，能够支持各类技术的统一接入，实现固网和移动融合（Fixed Mobile Convergence ，FMC ），灵活支持V oIP 及基于IP 多媒体子系统的（IP Multimedia Subsystem ，IMS ）业务，逐步趋近于典型的IP 宽带网结构。
（4）接口连接方面，引入S1-Flex 和X2接口，移动承载需实现多点到多点的连接，X2是相邻eNB 间的分布式接口，主要用于用户移动性管理；S1-Flex 是从eNB 到EPC 的多到多动态接口，主要用于提高网络冗余性以及实现负载均衡。
7.4.4 LTE 空中接口协议空中接口协议主要用来建立、重配置和释放各种无线承载业务。
LTE 协议栈分为用户平面协议栈和控制平面协议栈。
用户平面用于承载用户业务，负责用户数据的发送和接收；控制平面用于承载信令，负责用户无线资源的管理、无线连接的建立、业务的QoS 保证和最后的资源释放。
LTE 空中接口的用户面协议栈如图7-14所示，从下到上共分为4层：物理层（PHY ）、媒介访问控制层（MAC ）、无线链路控制层（Radio Link Control ，RLC ）和分组数据汇聚协议层（Packet Data Convergence Protocol ，PDCP ）。
LTE空中接口
LTE空中接口 Uu定义Uu空中接口实现UE和EUTRAN的通信，可支持1.4MHz至20MHz的可变带宽。
U表示用户网络接口：User to Network interface；u表示通用：Universal基本功能、Uu接口实现的交互数据分为两类：用户面数据：用户业务数据，如上网、语音、视频等；∙∙控制面数据：主要指RRC（无线资源控制）消息，实现对UE的接入、切换、广播、寻呼等有效控制。
Uu分层协议空中接口总体分为三层：层一：物理层（PHY），为高层的数据提供无线资源，如调制编码、OFDM等// PHY: Physical Layer，物理层物理层实现数据的最终处理，如编码、调制、MIMO、发射分集等。
层二：链路层（MAC/RLC/PDCP），实现对不同的层三数据进行区分标示，为高层数据的传送提供必要的处理和有效的服务；∙// PDCP: Packet Data Convergence Protocol Layer，分组数据汇聚协议层；对于控制面的RRC和NAS信令消息进行加密/解密和完整性校验；对于用户面，只进行加密/解密，为提高空口效率，对用户的IP报文进行头压缩。
// RLC: Radio Link Control Layer，无线链路控制层；RLC层对高层数据进行大小适配，保证可靠传送。
// MAC: Medium Acess Control Layer，媒体接入控制层；MAC负责无线资源的分配调度，如基于QoS的调度、信道的映射和复用。
层三：网络层（RRC信令及用户面数据），控制接口服务的使用者；// 层三：NASNAS: Non Access Stratum，非接入层，NAS是UE和MME之间交互的信令，主要承载的是SAE控制信息、移动性管理信息和安全控制等，eNode只负责对NAS信令的透明传输。
NAS信令分为EMM(EPS Mobility Management：移动性管理-如注册和位置更新)和ESM(EPS Session Management-会话管理-如通话建立)// 层三：RRCRRC: Radio Resource Control Layer ，无线资源控制层，主要负责无线管理功能，如切换、接入、NAS信令处理，相当于eNodeB的司令部，负责对UE的管理。
第七课：LTE空中接口分层详解
第七课：LTE空中接口分层详解前面一课我们了解到，LTE空中接口协议栈主要分为三层两面，三层是指物理层、数据链路层、网络层，两面是指控制平面和用户平面。
从用户平面看，主要包括物理层、MAC 层、RLC层、PDCP层，从控制平面看，除了以上几层外，还包括RRC层，NAS层。
下面我们分别对这些分层进行详解。
一、MAC 媒体接入控制层1. MAC层功能概述不同于UMTS，MAC子层只有一个MAC实体，包括传输调度功能、MBMS功能、MAC控制功能、UE级别功能以及传输块生成等功能块。
MAC层结构如图1图1 MAC层结构图MAC层的各个子功能块提供以下的功能：（1） 实现逻辑信道到传输信道的映射；（2） 来自多个逻辑信道的MAC服务数据单元（SDU）的复用和解复用；（3） 上行调度信息上报，包括终端待发送数据量信息和上行功率余量信息。
基于HARQ机制的错误纠正功能；（4） 通过HARO机制进行纠错；（5） 同一个UE不同逻辑信道之间的优先级管理；（6） 通过动态调度进行UE之间的优先级管理；（7） 传输格式的选择，通过物理层上报的测量信息，用户能力等，选择相应的传输格式（包括调制方式和编码速率等），从而达到最有效的资源利用；（8） MBMS业务识别；（9） 填充功能，即当实际传输数据量不能填满整个授权的数据块大小时使用。
各功能与位置和链路方向的对应关系如图2所示。
图2 MAC功能与位置和链路方向的关系2. MAC层关键过程1. 调度与UMTS不同，LTE完全取消了专用信道，并引入了共享信道的概念。
在不同UE不同逻辑信道之间划分共享信道资源的功能成为调度。
早期的很多接入系统每个用户的业务都有专门的信道，虽然到了HSPA时已经有共享信道的概念，但是主要还是针对数据业务。
LTE的几乎所有的应用与业务都是使用共享信道，由于各个业务与应用的对服务质量（QoS）的要求是不同的，如何为具有不同带宽要求、不同时延保障、不同QOS等级的各种业务合理地分配资源，在满足业务需求的基础上，提高网络的总体吞吐量和频谱效率，是分组调度的核心任务。
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第七课：LTE空中接口分层详解前面一课我们了解到，LTE空中接口协议栈主要分为三层两面，三层是指物理层、数据链路层、网络层，两面是指控制平面和用户平面。
从用户平面看，主要包括物理层、MAC 层、RLC层、PDCP层，从控制平面看，除了以上几层外，还包括RRC层，NAS层。
下面我们分别对这些分层进行详解。
一、MAC 媒体接入控制层1. MAC层功能概述不同于UMTS，MAC子层只有一个MAC实体，包括传输调度功能、MBMS功能、MAC控制功能、UE级别功能以及传输块生成等功能块。
MAC层结构如图1图1 MAC层结构图MAC层的各个子功能块提供以下的功能：（1） 实现逻辑信道到传输信道的映射；（2） 来自多个逻辑信道的MAC服务数据单元（SDU）的复用和解复用；（3） 上行调度信息上报，包括终端待发送数据量信息和上行功率余量信息。
基于HARQ机制的错误纠正功能；（4） 通过HARO机制进行纠错；（5） 同一个UE不同逻辑信道之间的优先级管理；（6） 通过动态调度进行UE之间的优先级管理；（7） 传输格式的选择，通过物理层上报的测量信息，用户能力等，选择相应的传输格式（包括调制方式和编码速率等），从而达到最有效的资源利用；（8） MBMS业务识别；（9） 填充功能，即当实际传输数据量不能填满整个授权的数据块大小时使用。
各功能与位置和链路方向的对应关系如图2所示。
图2 MAC功能与位置和链路方向的关系2. MAC层关键过程1. 调度与UMTS不同，LTE完全取消了专用信道，并引入了共享信道的概念。
在不同UE不同逻辑信道之间划分共享信道资源的功能成为调度。
早期的很多接入系统每个用户的业务都有专门的信道，虽然到了HSPA时已经有共享信道的概念，但是主要还是针对数据业务。
LTE的几乎所有的应用与业务都是使用共享信道，由于各个业务与应用的对服务质量（QoS）的要求是不同的，如何为具有不同带宽要求、不同时延保障、不同QOS等级的各种业务合理地分配资源，在满足业务需求的基础上，提高网络的总体吞吐量和频谱效率，是分组调度的核心任务。
LTE中引入了动态调度和半持续调度两种调度模式，其中半持续调度是在动态调度基础上为支持VoIP等业务引入的。
（1） 动态调度这种方法由MAC层（调度器）实时动态地分配时频资源和允许传输的速率，灵活性很高，但控制信令开销也大，适合突发特征明显的业务。
动态调度的基本过程是：a) eNodeB在控制信道上发送资源调度信令；b) UE检测控制信道，如果发现针对自己的资源调度信令，则按照信令中的信息进行数据传输。
上行和下行的动态调度过程如图3、4所示。
图3 上行动态调度过程 图4 下行动态调度过程上行调度具体过程如下：（1）eNodeB通过PDCCH发送调度信令，其中包括了资源分配信息、传输块格式信息和相关的HARQ信息。
（2） UE解析相应的调度信令，并生成相应的上行传输块，通过UL-SCH发送到eNodeB。
在下行调度的过程中，eNodeB在同一个子帧发送PDCCH调度信令和相应的下行业务数据，UE通过解析PDCCH获得资源分配信息、传输块格式信息和相关的HARQ信息，在DL-SCH上解析相应的业务数据传输块。
（2） 半持续调度（Semi-Persistent Scheduling，SPS）SPS是在动态调度的基础上引入的，它是一种优化的方式（例如对于UL & DL VoIP)，用于支持分组大小相对固定、到达具有周期性特点的业务。
RRC信令负责静态调度参数(周期)的配置，PDCCH信令负责激活/去激活半持续调度资源。
既然是周期性需要的，不采用事先配置的原因是因为在LTE中，PDCCH的资源是非常宝贵，上下行共用，这样做可以减少PDCCH资源的占用。
半持续调度方式是指在LTE的调度传输过程中，eNodeB在初始调度通过PDCCH指示UE 当前的调度信息，UE识别是半持续调度，则保存当前的调度信息，每隔固定周期在相同的时频资源位置上进行该业务数据的发送或接收。
容易理解，使用半持续调度传输，可以充分利用话音数据包周期到达的特点，一次授权，周期使用，可以有效的节省LTE系统用于调度指示的PDCCH资源。
以典型的VoIP业务为例，VoIP业务激活期间其数据包到达周期为20ms，如果采用动态调度方式，调度每一个话音分组都需要单独发送PDCCH，将进入很大的控制开销。
但如果采用半持续调度方式，则eNodeB只要通过PDCCH给UE半持续调度指示，UE即按照PDCCH 的指示进行本次调度数据的传输或者接收，并且在每隔20ms之后，在相同的SPS资源上进行新到达的VoIP数据包的传输或者接收，直到SPS资源被释放。
SPS资源的释放有隐式释放和显式释放两种方式。
隐式释放仅应用于上行，当eNodeB检测到连续多个MAC PDU中不包含MAC SDU时，就会释放SPS资源。
显式释放应用于上行和下行，由eNodeB发送特殊格式的PDCCH，通知UE释放当前的SPS资源。
由SPS调度原理可知，为了支持VoIP业务激活期间的数据传输，需要配置周期为20ms 的SPS资源，但在TDD几种典型的上/下行子帧配置中，上行HARQ RTT（Round Trip Time）为10ms，并且由于采用同步HARQ过程，当前一个SPS资源上的传输块进行第二次重传时，将会和下一个SPS资源上的传输发生在同一个子帧，导致冲突。
如图5所示，其中SPS资源1上传输块的第二次HARQ重传时发生在第二个SPS资源相同的子帧，这种情况在LTE中是不允许的。
图5 SPS冲突为了避免上述冲突的发生，在LTE中引入了双间隔的SPS机制，如图4-11所示，图中第一个SPS资源和第二个SPS资源之间的 为T1，第二个SPS资源和第三个SPS资源之间的间隔为T2，第三个SPS资源和第四个SPS资源之间的间隔为T1。
依次类推，SPS资源之间真的间隔的T1、T2、T1、T2…，其中T1和T2之和等于40ms，但T1不等于T2。
在激活SPS资源时，只要设置T1和T2不是10ms的整数倍，就可以避免第二次HARQ重传和SPS资源之间的冲突。
图6 TDD双间隔半持续调度示意图MAC规范中定义了如下计算公式来生成双间隔的SPS资源图案：(10 * SFN + subframe) = [(10 * SFNstart time + subframestart time) + N *semiPersistSchedIntervalUL + Subframe_Offset * (N modulo 2)] modulo 10240, N>0.公式中个参数含义如下：① SFN ：系统帧号；② Subframe：子帧号；③ SFNstart time：激活SPS时系统帧号；④ subframestart time： 激活SPS时的子帧号；⑤ semiPersistSchedIntervalUL：RRC协议配置的SPS资源周期，如20ms；⑥ Subframe_Offset：T1和T2之间的差，由激活上行SPS的PDCCH的子帧号决定；对于下行，由于采用异步自适应的HARQ机制，当HARQ重传和SPS资源发生冲突时，可采用动态调度的方法避免冲突，所以不存在上述冲突问题。
下行SPS资源位置的计算公式为：(10 * SFN + subframe) = [(10 * SFNstart time + subframestart time) + N *semiPersistSchedIntervalDL] modulo 10240, N>0.其中，SFN、subframe、SFNstart time 、subframestart time的含义和上行相同，semiPersistSchedIntervalDL是高层协议配置的下行SPS资源周期。
2. HARQMAC层协议实现对物理层HARQ功能的控制。
每个UE中存在一个UL HARQ实体和一个DL HARQ实体，每个实体包含多个并行操作的HARQ进程。
HARQ实体响应调度信令，并操作HARQ进程，HARQ进程针对传输块进行HARQ操作。
在动态调度和SPS下的HARQ过程是不同的，对比表如图7.图7动态调度与SPS调度比较表中，NDI表示新数据标识符，NDI翻转则表示这次要是一次新的传输，而与NDI每次具体的值无关，只看其值翻转与否；若NDI没有翻转，则不是新传输。
上表中的对比基于HARQ（用于LTE下行传输），上行HARQ机制既可以采用自适应HARQ，也可以采用非自适应HARQ。
当采用非自适应HARQ时，HARQ重传不需要PDCCH，此时重传所使用的资源和传输属性与初始HARQ传输相同。
3. 随机接入过程随机接入过程用于UE没有分配上行无线资源但有数据要发送的情况下、或者当UE在上行方向还未时间同步的情况下。
随机接入信道控制是MAC层功能的一个重要部分，在后面6.2章节会有详细讨论。
4. 调度请求调度请求（SR）用于向eNodeB请求UL-SCH资源发送上行数据所用，当触发了SR时，它就会一直处于挂起的状态直到它被取消为止，也就是要么当这次请求得到满足或者这个SR没有必要等了。
调度请求SR由常规缓存状态报告（Regular BSR）触发，BSR将UE当前缓冲区中待发送数据情况告诉eNodeB，为eNodeB提供上行调度的信息。
而BSR信息也是需要上行共享资源来发送的，那么如何获得用于发送BSR的上行资源呢？这就要先在PUCCH上发送调度请求SR或者通过PRACH发送调度请求SR。
由于分配给UE的PUCCH是周期性的独占式的资源，UE应该总是有资源的；但是如果在PUCCH上发送的SR总是失败，那么也就需要通过PRACH 的竞争方式来获得调度机会。
如果触发了一个SR，则SR处于挂起状态，那么在每一个子帧内，UE都要按照下面流程处理：（1） 如果UE有可用的上行资源PUCCH发送SR，那么就取消所有挂起的SR，因为此时请求已经得到eNodeB的确认，并且被eNodeB调度了。
（2） 如果UE没有合法的PUCCH资源用于发送SR，那么就要通过随机接入来PRACH发送SR，并取消所有的挂起。
（3） 如果用户使用PUCCH发送SR到达最大传输次数，将释放eNodeB配置的PUCCH和SRS资源。
5. 缓冲区状态报告（BSR）缓冲区状态报告过程告知eNodeB UE共有多少数据存在上行的缓冲区里需要发送，为eNodeB 提供上行调度的信息。
过于精细的BSR会导致较大的信令开销，因此LTE上行的调度是针对一个逻辑信道组而不是一个逻辑信道的。
UE内部共设置了4个逻辑信道，每个逻辑信道组中可以包括一个或多个逻辑信道，每次上报的信息是同一组中的逻辑信道缓冲区中的数据量之和。