3-LTE网络结构、协议栈及物理层
3GPP-LTE物理层
Data modulation Data modulation
RB mapping Resource mapping
Modulation scheme Resource/power assignment Antenna mapping
Resource demapping
Antenna demapping
DFT
NTX symbols
IFFT
Size-NTX
Size-NFFT
3) 两种子载波映射方案：Localized mapping 和 Distributed mapping; 后者可以获得额外的频率分集； 两者间的切换由链路自适应体制负责；
0 0 L-1 zeros from DFT to IFFT from DFT L-1 zeros to IFFT
subcarriers
N symb
UL
SC-FDMA symbols
Resource block
N symb N sc
UL RB
resource elements
每个resource grid包含 多个resource block；
subcarriers
N RB N sc
RB
Resource element ( k , l )
QPSK only
Data demodulation
Resource mapping
Resource demapping
Antenna mapping
Antenna demapping
2.2.6 寻呼信道(PCH)的物理层模型
Node B
Single Transport blocks (dynamic size S)
LTE 物理层解析
Extended cyclic prefix DwPTS GP UpPTS
0
3
10
3
8
“D”代表此子帧用于 下行传输，“U” 代表
此子帧用于上行传输， “S”是由DwPTS、GP 和UpPTS组成的特殊 子帧。
1
9
4
8
3 1 OFDM
2
10
3
1 OFDM symbols
9
2 symbols
3
11
2
10
LTE物理信道
下行物理信道
信道类型 PDSCH(Physical Downlink Shared Channel ) PBCH (Physical Broadcast Channel)
功能 承载下行业务数据 承载广播信息
下行Unicast/MBSFN子帧，控制区 域与数据区域进行时分；
下行MBSFN专用载波子帧中不存在 控制区域，即控制区域OFDM符号数 目为0；
上行常规子帧中控制区域与数据区域 进行频分
控制区域
数据区域
下行Unicast/MBSFN子帧
控制区域与数据区域进行 时分
控制区域OFDM符号数目可 配置
PHY
逻辑信道和传输信道的映射功能 HARQ 传输格式选择 UE内部逻辑信道之间优先级调度功能 UE间根据优先级动态调度功能
S1接口
协议栈
用户平面接口位于E-NodeB 和S-GW之间，传输网络层 建立在IP传输之上， UDP/IP之上的GTP-U用来 携带用户平面的PDU。
S1控制平面接口位于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曾之 上添加了SCTP；应用层的 信令协议为S1-AP。
lte协议栈
lte协议栈LTE（Long Term Evolution）是第四代移动通信网络（4G）的一种技术标准，其协议栈是指在LTE网络中用于实现通信功能的一系列协议。
LTE协议栈包括物理层、数据链路层、网络层和应用层等组成部分，下面将对LTE协议栈的各个层进行介绍。
物理层是整个协议栈的最底层，主要负责对无线信号的调制解调、信道编码和解码等任务。
其具体功能包括无线信号调制解调、功率控制、调度和调制解调器功耗管理等。
物理层的设计需要考虑带宽、频率复用、多天线技术等因素，以提供高吞吐量和低时延的通信性能。
数据链路层负责将物理层传输的信号分割成较小的数据单元，并提供数据传输的可靠性和安全性保证。
其主要功能包括信道编码与解码、错误检测和纠错、调度和资源分配、混合自动重传请求（HARQ）等。
数据链路层还负责和物理层之间的协作，以确保数据的可靠交付和高效传输。
网络层是实现网络互连和路由功能的层，其主要任务是将数据传输到目标终端设备。
网络层的功能包括寻址与路由、移动性管理、IP数据包的分组交换和转发等。
在LTE中，网络层采用IP协议作为基础，支持IPv4和IPv6两种寻址方式，以适应不同的网络需求和应用场景。
应用层是整个协议栈的最上层，其主要任务是提供各种高层服务和功能。
应用层的协议包括HTTP、FTP、DNS等，用于实现互联网接入、内容下载和域名解析等功能。
此外，应用层也支持多媒体业务的传输和处理，如语音通话、视频流媒体等。
除了以上四个主要层次外，LTE协议栈还包括安全层和控制层。
安全层用于提供通信的保密性、完整性和认证等安全功能，以防止数据泄露和网络攻击。
控制层则负责网络的管理和控制功能，包括寻呼、接入控制、呼叫建立和释放等。
总之，LTE协议栈是实现LTE网络功能的核心部分，其各个层次之间密切协作，共同实现数据的传输和处理。
物理层提供无线信号的调制解调和信道编码解码等功能，数据链路层负责对数据进行分割和编码纠错，网络层实现数据的路由和转发，应用层提供各种高层服务和功能。
LTE的关键技术介绍
王斌
wangbin7062@
LTE的系统架构
LTE的协议堆栈和功能划分 LTE用户面
PDCP RLC
MAC
LTE 控制面 LTE的关键技术 LTE-A的关键技术
中继技术
载波聚合技术
增强技术
3GPP标准组织与制定阶段
阶段1：需求 阶段2：结构 阶段3：详细实现 RAN1 - 物理层 RAN2 - L2与L3无线 协议 RAN3 - 结构与 S1/X2接口 RAN4 - RF与RRM 性能要求 RAN5 - 终端测试
RLC模式
AM模式： AM模式是为可靠性要求很高并且分组的长 度可变的业务提出的。它的典型特征是支持ARQ和分 组的切割和串接。 M模式：UM模式是为可靠性要求不高的业务提出的。 它的典型特征是支持分组的切割和串接，但不支持 ARQ。 TM模式：TM模式是直接将高层的分组传到下层，在 RLC层不封装协议头。在TM模式下，高层的数据是 不分段的。目前，LTE仅仅确定了在随机接入阶段对 于控制平面支持TM模式，。
压缩的分组 (Compressed Header + Payload)
压缩的分组 (Compressed Header + Payload)
增加PDCP SN
去掉 PDCP SN
PDCP SN + 压缩的分组
PDCP SN +压缩的分组
加密参数(HFN, key, etc.)
加密
解密
解密参数(HFN, key, etc.)
RLC SDU 和 RLC PDU 缓存管理
SDU 缓存管理
LTE网络结构协议栈及物理层
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。
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
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
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
Active Resource Blocks
DC carrier (downlink only)
Channel edge
Resource block
LTE网络架构和协议栈
LTE网络架构和协议栈随着移动通信技术的不断发展，LTE（Long Term Evolution）成为4G移动通信的主流技术。
LTE网络架构和协议栈是构建LTE系统的核心组成部分，下面将对LTE网络架构和协议栈进行详细介绍。
一、LTE网络架构LTE网络架构由两部分组成：E-UTRAN（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network）和EPC（Evolved Packet Core）。
1. E-UTRAN（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network）E-UTRAN是LTE系统的无线接入网络，包括基站和与之相连的核心网。
基站被称为eNodeB，负责无线信号的传输和接收。
eNodeB通过X2接口相连，用于基站之间的信号传输和协同。
与核心网的连接通过S1接口实现，包括控制面和用户面的传输。
2. EPC（Evolved Packet Core）EPC是LTE系统的核心网络，负责用户数据的传输和控制信息的处理。
EPC由三个主要组成部分构成：MME（Mobility Management Entity）、SGW（Serving Gateway）和PGW（Packet Data Network Gateway）。
MME负责移动性管理和控制平面的处理；SGW负责用户数据的传输；PGW连接到外部数据网络，负责数据分组的处理和路由。
二、LTE协议栈LTE协议栈由各种协议组成，实现系统中不同层次之间的通信和控制。
LTE协议栈按照OSI（Open Systems Interconnection）参考模型分为七层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
1. 物理层物理层负责数据的传输和调制解调。
LTE使用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术进行信号的调制和解调，以提高传输效率和抗干扰性能。
lte协议栈
lte协议栈LTE协议栈。
LTE（Long Term Evolution）是第四代移动通信技术，其协议栈是支撑LTE网络正常运行的基础。
LTE协议栈由不同层次的协议组成，包括物理层、数据链路层、网络层和应用层。
本文将对LTE协议栈的各个部分进行详细介绍。
首先，物理层是LTE协议栈的最底层，负责无线信号的调制解调和传输。
在物理层，LTE使用正交频分复用（OFDM）技术来实现高速数据传输。
物理层还包括MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术，可以提高信号传输的稳定性和速度。
此外，物理层还包括了无线信道的管理和调度功能，确保数据的高效传输。
其次，数据链路层负责数据的分组、传输和错误检测。
在LTE协议栈中，数据链路层包括了MAC（Medium Access Control）层和RLC（Radio Link Control）层。
MAC层负责对数据进行调度和管理，确保不同用户之间的公平竞争和高效传输。
而RLC层则负责数据的分段和重组，以及错误检测和纠正。
数据链路层的工作是保证数据的可靠传输和高效利用无线资源。
接下来是网络层，网络层负责数据的路由和转发。
LTE协议栈中的网络层包括了RRC（Radio Resource Control）层和PDCP（Packet Data Convergence Protocol）层。
RRC层负责无线资源的管理和控制，包括小区搜索、切换和功率控制等功能。
PDCP层则负责数据的压缩和加密，以及数据的传输和重组。
网络层的工作是确保数据在LTE网络中的顺利传输和处理。
最后是应用层，应用层负责用户数据的处理和交互。
在LTE协议栈中，应用层包括了IP（Internet Protocol）层和TCP/UDP（Transmission Control Protocol/User Datagram Protocol）层。
IP层负责数据的路由和转发，确保数据能够在LTE网络和外部网络之间进行传输。
LTE各层速率
L3网络高层—RRC（Radio Resource Control无线资源控制）L2数据链路层--MAC+RLC+PDCPMedium Access Control介质访问控制L1物理层--PHY (physical layer物理层)LTE分为横向三层：物理层、数据链路层、网络高层。
物理层给高层提供数据传输服务。
数链层分为MAC子层,RLC子层，和两个依赖于服务的子层：PDCP协议层，BMC协议层。
网络高层即RRC层。
RRC处理UE(User Equipment)和eNodeB(Evolved Node-B)之间控制平面的第三层信息。
其中，第一层是物理层（Physical Layer），第二层是媒介访问控制层（Medium Access Control），RRC是第三层。
RRC对无线资源进行分配并发送相关信令，UE和UTRAN之间控制信令的主要部分是RRC 消息，RRC消息承载了建立、修改和释放层2和物理层协议实体所需的全部参数，同时也携带了NAS(非接入层）的一些信令，如MM、CM、SM等。
PDCP(Packet Data Convergence Protocol)分组数据汇聚协议PDCP 是对分组数据汇聚协议的一个简称。
它是UMTS中的一个无线传输协议栈，它负责将IP头压缩和解压、传输用户数据并维护为无损的无线网络服务子系统(SRNS)设置的无线承载的序列号。
LTE中PHY.MAC,RLC,PDCP为什么越往高层速率越低？没往下一层都是要加包头，也就是开销比如物理层，可以10bit其中一个bit是开销的话，那么mac实际上只传了9bit。
lte测试看哪一层的速率，不同的厂家设备，规定一样吗？看PDCP层速率，有效信息比例最多，越往低层无用保护冗余bit越多。
对于网络侧下行传输来说，数据按PDCP-》RLC-》MAC-》PHY的方向传输，没经过一层都会进行一次封装，添加对应层协议的头开销，而本层的头开销对下层来说，就体现为数据量，应计入数据吞吐率中。
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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
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
保护
S-GW 功能:
PDSCH 调度RBG 用于传输用户数据
带宽 1.4MHz
RB数 6
System Bandwidth（RB）
≤10 11 – 26 27 – 63 64 – 110
RBG Size(PRB)
1 2 3 4
3MHz 5MHz
10MHz
15 25
50
15MHz 20MHz
75 100
物理信道和信号
DwPTS、GP、UpPTS长度配置
Configuration 0 1 2 Normal cyclic prefix DwPTS 3 9 10 GP 10 4 3 1 OFDM symbols UpPTS Extended cyclic prefix DwPTS 3 8 9 GP 8 3 2 1 OFDM symbols UpPTS
信道带宽与传输带宽配置有如下对应关系：
Channel edge
Channel edge
信道带宽 传输带宽配置（RB
1.4 6
3 15
5 25
10 50
15 75
20 100
Resource block
数目）
Active Resource Blocks
பைடு நூலகம்
DC carrier (downlink only)
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
Channel Bandwidth [MHz] Transmission Bandwidth Configuration [RB] Transmission Bandwidth [RB]
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
频率/子载波（序号k）
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)
时间/OFDM符号（序号l）
UE
PCRF
S4 S7即Gx Rx+
E-UTRAN
S1-U
Serving Gateway
S5
PDN Gateway
SGi Operator's IP Services (e.g. IMS, PSS etc.)
S8
LTE 网络构架
MME / S-GW MME / S-GW
EPC
S1
移动性管理 服务网关 MME/SGW 与 eNode B的接口
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 S1-MME
HSS
S6a S9
MME
S11 S10 LTE-Uu
RS
REG n
REG n
RS
RS
第一个OFDM符号
第二个OFDM符号 (1/2个公共天线端口)
第二个OFDM符号 (4个公共天线端口)
第三个OFDM符号
控制信道单元（CCE）
36RE，9REG组成 PDCCH调度CCE
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
D S U U U D S U U U
0
5 ms
1
2
5 ms
5 ms
D S U U D D S U U D
D S U D D D S U D D
3
4 5 6
10 ms
10 ms 10 ms 5 ms
D S U U U D D D D D
D S U U D D D D D D D S U D D D D D D D D S U U U D S U U D
UE
eNode-B
MME
控制面协议架构
UE NAS RRC PDCP RLC
PDCP 子层执行的功能 : MAC 加密和完整性保护
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 NAS RRC PDCP RLC MAC PHY
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
1个时隙 Tslot=15360TS 30720TS
子帧 #0
…
子帧 #4
子帧 #5
移动性测量和测量报告的配
置
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
物理层功能 MAC、RLC、
用户接入控制
支持UE的移动性切 基于用户的包过滤
合法监听
业务承载管理功能
换用户面数据的功能
（包括专用承载的建
立）
寻呼控制
E-UTRAN空闲模式 UE的IP地址分配
上下行传输层数据
PDCP功能
RRC功能 资源调度
下行分组数据缓存和 寻呼支持
数据包路由和转发
上下行传输层数据
包标记
切换控制
上下行业务级计费、 无线资源管理（含
门控
基于聚合最大比特
小区间）
无线接入控制许可 接入移动性管理
LTE/SAE的协议结构
MME UE NAS APP RRC PDCP RLC MAC PHY RRC PDCP RLC MAC PHY GTPU UDP S1AP X2AP eNB NAS S1AP SCTP IP SCTP IP SGW GTPU UDP IP
信令流 数据流
控制面协议架构
UE NAS RRC PDCP RLC MAC PHY RRC PDCP RLC MAC PHY eNB MME NAS
l=0 k=0
物理资源概念
资源单元组 (REG)
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
REG n+2
RS
REG n+1
REG n+2
RS
REG n+1
RS
REG n+1
RS
REG n
REG n
UE PDCP RLC MAC PHY
eNB PDCP RLC MAC PHY
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
UE
eNode-B
MME
信道带宽
EPS
eNode B
RNC E-UTRAN
X2 X2 eNode B eNode B X2
Node B
eNode B
+
=
Uu
eNode B间的接口
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
E-UTRAN 和 EPC的功能划分
eNB 功能:
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 ；
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 ；
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 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；
漫游
鉴权 包括专用承载建立的承载管理功能 支持ETW传输
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