LTE网络结构协议栈及物理层

ENodeB功能
具有现3GPP Node B全部和RNC大部分功能，包括：
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
DwPTS、GP、UpPTS长度配置
Configuration
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Normal cyclic prefix DwPTS GP UpPTS
3
10
9
4
1 OFDM
10
3 symbols
11
2
12
1
3
9
9
3 2 OFDM
10
2 symbols
11
1
Extended cyclic prefix DwPTS GP UpPTS
eNB
RRC PDCP RLC MAC PHY
MME NAS
UE
eNode-B
MME
UE NAS
RRC
PDCP
RLC
PDCP 子层执行的M功A能C:
加密和完整性保护
PHY
控制面协议架构
NAS 子层执行的功能: 认证、鉴权 安全控制 Idle 模式移动性处理 Idle 模式寻呼发起
eNB
MME
物理信道 一系列资源粒子（RE）的集合，用于承载源于高层的信息
物理信号 一系列资源粒子（RE）的集合，这些RE不承载任何源于高层的信息
上行物理信道
PUSCH——QPSK, 16QAM, 64QAM PUCCH——QPSK, 16QAM, 64QAM PRACH——QPSK
上行物理信号
LTE的MME功能与网关功能分离，实现如下控制功能：
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ETW传输
下行物理信号
同步信号（Synchronization Signal） Zadoff-Chu， Pseudo sequence
参考信号（Reference Signal） PN码（信道估计）
下行物理信道功能概述
• 物理下行控制信道(PDCCH） – 用于指示PDSCH相关的传输格式，资源分配，HARQ信息等
3
8
8
3 1 OFDM
9
2 symbols
10
1
3
7
2 OFDM
8
2
symbols
9
1
-
-
-
-
-
-
物理资源概念
1个子帧 = 1ms = 14个OFDM符号 （常规CP）
1个时隙 = 0.5ms = 7个OFDM符 号（常规CP）
l=0 k=0
时间/OFDM符号（序号l）
RE (Resource Element) 最小的资源单位，时域上为1个符号， 频域上为1个子载波 用 (k, l) 标记
用户面协议架构
物理层(L1)执行的功能： 无线接入 功率控制 MIMO
UE
PDCP
RLC
MAC
PHY
eNB PDCP RLC MAC PHY
PDCP 子层执行的功能: 头压缩 加密
SAE Gateway
RLC 子层执行的功能: PDU传输 ARQ 包的组合和拆分
MAC 子层执行的功能: 调度 HARQ 逻辑信道优先级处理 PDU组包和解复用
FDD
half-duplex FDD
TDD
fDL
fDL
fDL/UL
fUL
fUL
物理资源概念
子帧
无线帧
时隙-slot
物理资源
Ts 1 15000 2048秒
OFDM符号
基本时间 单位
天线端口
接收机用来区分资源在 空间上的差别，包括三 类天线端口： CRS： 天线端口0~3 MBSFN：天线端口4 DRS： 天线端口5
1个时隙 Tslot=15360TS
30720TS
子帧 #0
…
1个子帧
DwPTS GP
UpPTS
子帧 #4
子帧 #5
…
1个子帧
DwPTS GP
UpPTS
子帧 #9
帧结构
TDD帧结构－上下行配置
Uplink-
Downlink-to-Uplink
Subframe number
downlink configuration
立）
下行分组数据缓存和 上下行传输层数据 RRC功能
寻呼控制
寻呼支持
包标记
资源调度
切换控制
数据包路由和转发 上下行业务级计费、 无线资源管理（含
上下行传输层数据 门控
小区间）
包标记
基于聚合最大比特 无线接入控制许可
基于用户的计费、 速率（AMBR）的下 接入移动性管理
统计
行速率控制
合法侦听
MME功能
X2 eNode B
X2 X2
eNode B
E-UTRAN中只有一种网元——eNode B 演进分组核心网——EPC 演进分组系统——EPS
移动性管理 服务网关
MME/SGW 与 eNode B的接口
RNC
Node B
eNode B
+=
eNode B间的接口
E-UTRAN 和 EPC的功能划分
PDSCH 调度RBG 用于传输用户数据
带宽
1.4MHz 3MHz 5MHz 10MHz 15MHz 20MHz
RB数
6 15 25 50 75 100
System Bandwidth（RB） ≤10
11 – 26 27 – 63 64 – 110
RBG Size(PRB) 1 2 3 4
物理信道和信号
参考信号（Reference Signal） Zadoff-Chu（估计与探测）
下行物理信道
PCFICH——QPSK PDCCH——QPSK PBCH——QPSK PHICH——BPSK PDSCH——QPSK, 16QAM, 64QAM PMCH——QPSK, 16QAM, 64QAM
Active Resource Blocks
DC carrier (downlink only)
Channel edge
Resource block
Channel edge
双工方式
FDD:
上行传输和下行传输在不同的载波频段上进行；
TDD:
上行传输和下行传输在相同的载波频段上进行； 基站/终端在不同的时间进行信道的发送/接收或者接收/发送 ；
第二个OFDM符号 (1/2个公共天线端口)
控制信道单元（CCE）
第二个OFDM符号 (4个公共天线端口)
36RE，9REG组成
PDCCH调度CCE
第三个OFDM符号
物理资源概念
RBG （Resource Block Group）
为业务信道资源分配的资源单位，由一组RB组成，分组大小与系统带宽 有关
NAS
RRC PDCP RLC MAC
RRC 子层执行的功能: 广播 寻呼 链接管理 无线承载控制 移动性 UE测量上报和控制
PHY
UE
eNode-B
MME
用户面协议架构
UE PDCP RLC MAC PHY
UE
eNB PDCP RLC MAC PHY
eNode-B
SAE Gateway
MME
LTE网络结构、协议栈及物理层
该部分内容重点：
– LTE协议栈结构 – LTE资源的基本概念 – LTE上下行物理信道的映射作用和配置 – LTE信号的概念、作用和配置 – LTE的L2
LTE全网架构
GERAN
SGSN
UTRAN S3
HSS
S6a
S1-MME
MME
LTE-Uu
UE
E-UTRAN
S10 S1-U
eNB 功能:
无线资源管理 IP头压缩和用户数据流加密 UE附着时的MME选择 用户面数据向S-GW的路由 寻呼消息和广播信息的调度
和发送 移动性测量和测量报告的配
置
MME 功能: 分发寻呼信息给eNB 安全控制 空闲状态的移动性管理 SAE 承载控制 非接入层（NAS）信令的加密及完整性 保护
RB ( Resource Block) 业务信道的资源单位，时域上为1个时 隙，频域上为12个子载波
PRB(physical RB) PRB的时域大小为一个时隙，即0.5ms。 PRB的大小和下行数据的最小载荷相匹 配。
VRB(virtual RB)
频率/子载波（序号k）
物理资源概念
资源单元组 (REG)
S4 S11
S5
Serving Gateway
S8
S7即Gx
S9
PCRF
Rx+
PDN Gateway
SGi Operator's IP Services
(e.g. IMS, PSS etc.)
LTE 网络构架
EPC EPS
E-UTRAN Uu
MME / S-GW MME / S-GW
S1
eNode B
S-GW 功能: 终止由于寻呼原因产生的用户平面数据 包 支持由于UE移动性产生的用户面切换
LTE网元功能
MME
Serving GW
PDN GW
E-Node B
用户接入控制
支持UE的移动性切 基于用户的包过滤 物理层功能
业务承载管理功能 换用户面数据的功能 合法监听
MAC、RLC、
（包括专用承载的建 E-UTRAN空闲模式 UE的IP地址分配 PDCP功能
信道带宽与传输带宽配置有如下对应关系：
信道带宽
1.4 3 5 10 15 20
传输带宽配置（RB
数目）
6 15 25 50 75 100
Channel Bandwidth [MHz]
Transmission Bandwidth Configuration [RB] Transmission Bandwidth [RB]
天线端口0-5
帧结构
FDD帧结构 --- 帧结构类型1，适用于FDD
一个长度为10ms的无线帧由10个长度为1ms的子帧构成；
每个子帧由两个长度为0.5ms的时隙构成；
0.5ms 时隙
10ms无线帧
子帧0 子帧1 子帧2 子帧3 子帧4 子帧5 子帧6 子帧7 子帧8 子帧9
1ms子帧 最小TTI
常规CP
0
1
2
3
4
5
6
采用常规CP的ຫໍສະໝຸດ Baidu隙结构
扩展CP
下行OFDM符号； 上行DFT-S-OFDM块
0
1
2
3
4
5
采用扩展CP的时隙结构
帧结构
TDD帧结构 --- 帧结构类型2，适用于TDD
一个长度为10ms的无线帧由2个长度为5ms的半帧构成
1个无线帧 Tf = 307200 Ts = 10 ms 1个半帧 153600 TS = 5 ms
H-FDD:
上行传输和下行传输在不同的载波频段上进行；
基站/终端在不同的时间进行信道的发送/接收或者接收/发送 ；
H-FDD与FDD的差别在于终端不允许同时进行信号的发送与接收，即H-FDD基 站与FDD基站相同，但是H-FDD终端相对FDD终端可以简化，只保留一套收发信 机并节省双工器的成本。
Switch-point periodicity
0 1234567 89
0
5 ms
D SUUUDSU UU
1
5 ms
D SUUDDSU UD
2
5 ms
D SUDDDSU DD
3
10 ms
D SUUUDDD DD
4
10 ms
D SUUDDDD DD
5
10 ms
D SUDDDDD DD
6
5 ms
D SUUUDSU UD
UE
eNode-B
MME
信道带宽
支持的信道带宽（Channel Bandwidth）
1.4MHz，3.0MHz，5MHz，10MHz，15MHz以及20MHz
LTE系统上下行的信道带宽可以不同
下行信道带宽大小通过主广播信息（MIB）进行广播 上行信道带宽大小通过系统信息（SIB）进行广播
LTE/SAE的协议结构
UE APP
NAS RRC
PDCP
RLC
MAC
PHY
eNB
RRC PDCP RLC MAC PHY
S1AP X2AP SCTP IP GTPU UDP
信令流 数据流
MME NAS S1AP SCTP IP
SGW GTPU UDP IP
控制面协议架构
UE NAS RRC PDCP RLC MAC PHY
控制区域中RE集合，用于映射下行控制信道
每个REG中包含4个数据RE PCFICH 4个Reg，PHICH 3个Reg
RS
REG n+1
RS
REG n+2
RS
REG n+1
REG n+1
RS
REG n+2 REG n+1
RS
REG n
REG n
RS
REG n
REG n
RS
RS
第一个OFDM符号
• 物理下行共享信道(PDSCH) – 传输数据块
• 物理广播信道(PBCH) – 传递UE接入系统所必需的系统信息，如带宽，天线数目等