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／２００９．１

ＬＴＥ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。ＮＡＳ控制协议完成ＳＡＥ承载管理、鉴权、空闲模式移动性处理、ＬＴＥ空闲状态下发起寻呼和安全性控制等功能。

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图３用户平面协议栈

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图４控制平面协议棱

３无线资源控制

３．１ＲＲＣ概述

在空中接口中，ＲＲＣ子层位于层３的最底层，属接人层。无线资源控制的目的可概括为：灵活分配和动态调整系统的可用资源，最大限度地提高无线频谱利用率，防止网络阻塞和保持尽可能小的信令负荷，同时又为网络内无线用户终端提供业务的ＱｏＳ保证。

３．２ＲＲＣ的状态简化

ＲＲＣ状态在ＬＴＥ中也简化了许多，将ＵＴＭＳ中万方数据

的ＲＲＣ状态和ＰＭＭ状态合并为一个状态集，并且只包含ＲＲＣ—ＩＤＬＥ，ＲＲＣ—ＡＣＴＩＶＥ和ＲＲＣ—ＤＥ—ＴＡＣＨＥＤ这３种状态。在ａＧＷ网元中，ＵＥ的上下文必须区分这３种状态。而在Ｅ—ＮｏｄｅＢ中只保留ＲＲＣ—ＡＣＴＩＶＥ状态的ＵＥ上下文，即合并了原先的ＣＥＬＬ＿ＤＣＨ，ＣＥＬＬ—ＦＡＣＨ，ＣＥＬＬ—ＰＣＨ和ＵＲＡ—ＰＣＨ多种状态。

３．３ＬＴＥ分布式网络架构

ＲＲＣ的实施有集中式和分布式两种。集中式控制是指各无线接入网络之上有一个集中控制的实体，这一实体能测量、分配和统一管理它所管辖范围内多个网络的无线资源。相反，分布式模式没有一个集中的管理实体来统一协调各种无线接入资源，管理和计算功能均分配给各个分布式节点。

先来看一下ＳＡＥ的网络结构图（图５）。中圈部分为新增加的功能接口及实体。ＥＵＴＲＡＮ采用只有ｅＮＢ构成的单层结构，简化网络和减少延时。此结构实际上已趋于典型的ＩＰ宽带网络。而且ＳＡＥ结构中所以接口均支持ＩＰ协议一ｊ。

图５ＳＡＥ的网络结构图

传统的３ＧＰＰ接入网ＵＴＲＡＮ由ＮｏｄｅＢ和ＲＮＣ两层节点构成，但在ＬＴＥ中，ＥＵＴＲＡＮ完全由ｅＮＢ组成。ＬＴＥ系统的网络架构主要由ｅＮＢ和接入网关ａＧＷ构成。ｅＮＢ之间逻辑上通过Ｘ２接口互相连接，即形成Ｍｅｓｈ型网络。这样的结构设计主要用于支持ＵＥ在整个网络内的移动性，保证用户的无缝切换。每个ｅＮＢ通过Ｓ１接口和ａＧＷ连接，一个ｅＮＢ可以和多个ａＧｗ互连，反之亦然。ａＧＷ实际上是一个边界节点，可将它看作核心网的一部分，所以接入网是由ｅＮＢ一层构成。ＳＡＥ网络架构降低了无线资源分配过程中小区间协调需要考虑的信令开销和控制时延。３．４动态资源分配

ＬＴＥ系统中无线资源分配机制有着与传统方式不同的特点，接下来将简单讨论动态资源分配中调度和功率控制２部分。

３．４．１调度

频率资源的调度在基于分组交换的无线网络中起着至关重要的作用。３ＧＰＰ对调度的定义：基站调度器动态地控制时频资源的分配，在一定的时间内分配给某一个用户。一个好的调度算法要求在保证用户ＱｏＳ同时要获得最大化系统容量，因此要在系统与用户之间进行折衷。调度需要在充分利用信道状态和用户业务信息的同时，尽量减少信令及其他各方面的开销。

ＬＴＥ系统中，可以利用无线信道衰落特性进行时频二维调度，在保证用户ＱｏＳ的同时，最大化系统容量。如图６所示，整个频段被划分成大小相等的资源块，在每一个子帧的开始，根据特定的调度算法将这些资源块分配给不同用户旧ｊ。

图６时频二维调度

３．４．２功率控制

下行链路中的功率控制要求可以补偿路径损耗和阴影衰落，这通过慢速功率控制就可以达到，但是为了充分利用频率分集效用，在每个调度周期内还需要考虑每个子信道上的功率分配问题。功率分配和子载波的分配一般联合考虑，以保证用户ＱｏＳ要求和系统总吞吐量。

目前比较简单有效的下行功率控制方法有：平均分配法和路径损耗补偿法。平均分配法：将每个扇区的功率平分到每个子载波上，每个用户的发射功率即可以根据所占用的子载波数来确定。路径损耗补偿法：系统中所使用的方法，取扇区功率一部分用于补偿用户的大尺度和阴影衰落，剩余的功率用于功率注水。

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