LTE系統(tǒng)架構

層結構

PHY（物理層）進行信道編碼和調(diào)制后將數(shù)據(jù)發(fā)送到無線接口

MAC（媒體接入控制）負責數(shù)據(jù)調(diào)度和快速重傳，MAC主要任務是進行邏輯信道和物理信道間的映射和復用

RLC（無線鏈路控制）提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分段和自動重傳機制

PDCP（分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）主要作用是頭壓縮，實現(xiàn)加密和完整性保護

RRC（無線資源控制）支持所有終端和e-NodeB間的信令過程，包括移動過程和終端連接管理

NAS（非接入層）完全獨立于接入技術的功能和過程，包括會話管理、用戶管理、安全管理和計費

網(wǎng)絡結構

MME

信令處理、移動性管理

•       NAS信令加密和完整性保護

•       跟蹤區(qū)域列表的管理

•       P-GW和S-GW的選擇

•       跨MME切換時對于MME的選擇

•       向2G/3G切換過程中SGSN的選擇

•       鑒權、漫游控制以及承載管理

•       不同接入網(wǎng)絡的核心網(wǎng)絡節(jié)點之間的移動性管理

•       信令面的合法監(jiān)聽

Serving Gateway

•       分組路由和轉(zhuǎn)發(fā)功能

•       IP頭壓縮

•       IDLE態(tài)終結點，下行數(shù)據(jù)緩存

•       E-NodeB間切換的錨點

•       基于用戶和承載的計費

•       路由優(yōu)化和用戶漫游時QoS和計費策略實現(xiàn)功能

PDN Gateway

•       分組路由和轉(zhuǎn)發(fā)

•       3GPP和非3GPP網(wǎng)絡間的Anchor功能[HA功能]

•       UE IP地址分配，接入外部PDN的網(wǎng)關功能

•       計費和QoS策略執(zhí)行功能

•       基于業(yè)務的計費

PCRF：策略和計費控制單元

•       在非漫游場景時，在HPLMN中只有一個PCRF跟UE的IP-CAN會話相關。PCRF終結Rx接口和Gx接口

•       在漫游場景時，并且業(yè)務流是local breakout時，有兩個PCRF跟一個UE的IP-CAN會話相關

HSS：用戶歸屬寄存器

•       存儲了LTE/SAE網(wǎng)絡中用戶所有與業(yè)務相關的數(shù)據(jù)

SGSN：Serving GPRS Support Node

•       GPRS服務支持節(jié)點，它通過Gb接口與GERAN網(wǎng)絡BSC的連接，或通過Iu-PS口與UTRAN網(wǎng)絡RNC連接，進行移動數(shù)據(jù)的管理

關鍵技術

高階調(diào)制對吞吐量的改善

高階調(diào)制增益受信道條件影響較大

l    PA3 Channel (64QAM vs 16QAM)         PA3或PB3是協(xié)議設計的某種信道環(huán)境   

p   小區(qū)邊緣: 0% 增益。            PA是：Pedestrian（步行） A

p   小區(qū)中心: 0%~10% 增益。        PB是Pedestrian B

p   靠近基站: 30%~50% 增益。       3指UE移動速度3km/h

l  PB3 Channel (64QAM vs 16QAM)            PB3比PA3信道環(huán)境更惡劣

p   小區(qū)邊緣: 0% 增益。             PB3比PA3時延更長，干擾更大

p   小區(qū)中心: 0% 增益。

p   靠近基站: 10%~20% 增益。

自適應調(diào)制和編碼（AMC）

信道質(zhì)量的信息反饋 Channel Quality Indicator （CQI）

–      UE測量信道質(zhì)量，并報告（每1ms或者是更長的周期）給eNodeB

–      eNodeB基于CQI來選擇調(diào)制方式，數(shù)據(jù)塊的大小和數(shù)據(jù)速率

HARQ

混合HARQ

–  接收端接收數(shù)據(jù)塊，并解編碼

–  根據(jù)CRC解校驗，得到誤塊率

–  如果誤塊率較高

•    暫時保存錯誤的數(shù)據(jù)塊

•    接收端要求發(fā)送端重發(fā)

•    接收端將暫存的數(shù)據(jù)塊和重發(fā)的數(shù)據(jù)混合后再解編碼

OFDM

OFDM：Orthogonal Frequency Division  Multiplexing正交頻分復用     有效的克服多徑效應

下行：OFDMA

上行：SC-FDMA

OFDM技術的優(yōu)勢                                OFDM技術的不足

•       頻譜效率高                                  峰均比高

•       帶寬擴展性強                                對頻率偏移特別敏感

•       抗多徑衰落                                  多小區(qū)多址和干擾抑制

•       頻域調(diào)度和自適應                           

•       實現(xiàn)MIMO技術較為簡單                     

應對符號間干擾-插入CP

MIMO

傳輸模式

•       TM1  單天線端口傳輸：主要應用于單天線傳輸?shù)膱龊?/span>

•       TM2  發(fā)送分集模式：適合于小區(qū)邊緣信道情況比較復雜，干擾較大的 

             情況，有時候也用于高速的情況，分集能夠提供分集增益

•       TM3  開環(huán)空間分集：合適于終端高速移動的情況

•       TM4  閉環(huán)空間分集：適合于信道條件較好的場合，用于提供高的數(shù)據(jù)率傳輸

•       TM5  MU-MIMO傳輸模式：主要用來提高小區(qū)的容量

•       TM6  Rank1的傳輸：主要適合于小區(qū)邊緣的情況

•       TM7  單流Beamforming模式：主要也是小區(qū)邊緣，能夠有效對抗干擾

•       TM8  雙流Beamforming模式： 可以用于小區(qū)邊緣也可以應用于其他場景

•       TM9  傳輸模式9是LTE-A中新增加的一種模式，可以支持最大到8層的傳輸，主 

                     要為了提升數(shù)據(jù)傳輸速率

從MIMO的效果分類：

p  傳輸分集（Transmit Diversity）

n  利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關性，發(fā)射或接收一個數(shù)據(jù)流，避免單個信道衰落對整個鏈路的影響。

p  波束賦形（Beamforming）

n  利用較小間距的天線陣元之間的相關性，通過陣元發(fā)射的波之間形成干涉，集中能量于某個（或某些）特定方向上，形成波束，從而實現(xiàn)更大的覆蓋和干擾抑制效果。

p  空間復用（Spatial Multiplexing）

n  利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關性，向一個終端/基站并行發(fā)射多個數(shù)據(jù)流，以提高鏈路容量（峰值速率）。

p  空分多址（SDMA）

n  利用較大間距的天線陣元之間或賦形波束之間的不相關性，向多個終端并向發(fā)射數(shù)據(jù)流，或從多個終端并行接收數(shù)據(jù)流，以提高用戶容量。

SON（自組織網(wǎng)絡）

•       主要功能

–      自配置

–      ANR（自動鄰區(qū)規(guī)劃）

–      MRO（切換自優(yōu)化）

LTE入網(wǎng)流程

                          PLMN搜索（小區(qū)搜索）：當UE開機后，它的首要任務就是找到網(wǎng)絡并和網(wǎng)絡取得聯(lián)系。實質(zhì)是一個下行同步過程。

                          系統(tǒng)消息接收：對L2、L1進行配置，才能進行后續(xù)準入和駐留的流程。

                       隨機接入：解決不同UE間的競爭，取得上行同步。

Attach：建立UE與MME之間相同的移動性上下文，UE和PDN GW之間的缺省承載。通過EPS  ATTACH流程，UE還可以獲取到網(wǎng)絡分配的IP地址。

小區(qū)搜索

小區(qū)初搜基本流程

l  1）檢測PSS，獲得5ms定時，并獲得小區(qū)ID

l  2）檢測SSS，獲得10ms定時，并獲得小區(qū)組ID

l  3）按照以上兩步的結果經(jīng)過計算得到CELL_ID（PCI）

l  4）在固定的時頻位置上接收并解碼PBCH，得到主信息塊MIB，包含公共天線端口    

數(shù)目、SFN（子幀號）、下行系統(tǒng)帶寬、PHICH配置信息

l  5）在下行子幀內(nèi)接收使用SI-RNTI標識的PDCCH信令調(diào)度的系統(tǒng)信息塊SIB

a)       UE開機時并不知道系統(tǒng)帶寬的大小，但它知道自己支持的頻帶和帶寬，UE一開機，就會在可能存在LTE小區(qū)的幾個中心頻點上接收數(shù)據(jù)并計算帶寬RSSI，以接收信號強度來判斷這個頻點周圍是否可能存在小區(qū)(應該說只是可能)，如果UE能保存上次關機時的頻點和運營商信息，則開機后可能會先在上次駐留的小區(qū)上嘗試駐留；如果沒有先驗信息，則很可能要全頻段搜索，發(fā)現(xiàn)信號較強的頻點，再去嘗試駐留。

b)       要完成小區(qū)搜索，僅僅接收PBCH是不夠的，還需要接收SIB，即UE接收承載在PDSCH上的BCCH信息。為此必須進行如下操作：  a) 接收PCFICH，此時該信道的時頻資源就是固定已知的了，可以接收并解析得到PDCCH的symbol數(shù)目；  b) 接收PHICH，根據(jù)PBCH中指示的配置信息接收PHICH；  c) 在控制區(qū)域內(nèi)，除去PCFICH和PHICH的其他CCE上，搜索PDCCH并做譯碼；  d) 檢測PDCCH的CRC中的RNTI，如果為SI-RNTI，則說明后面的PDSCH是一個SIB，于是接收PDSCH，譯碼后將SIB上報給高層協(xié)議棧；  e)不斷接收SIB，HLS會判斷接收的系統(tǒng)消息是否足夠，如果足夠則停止接收SIB 至此，小區(qū)搜索過程才差不多結束。

LTE小區(qū)搜索優(yōu)點 

l   預先固定小區(qū)搜索頻段

l  無論小區(qū)采用何種傳輸帶寬，用戶終端只需要利用中央頻段就能快速獲得小區(qū)信息

隨機接入

隨機接入是UE和網(wǎng)絡之間建立無線鏈路的必經(jīng)過程，只有在隨機接入完成之后，eNB和UE之間才能正常進行數(shù)據(jù)互操作

競爭的隨機接入流程

p  UE端通過在特定的時頻資源上，發(fā)送可以標識其身份的preamble序列，進行上行同步

p  基站端在對應的時頻資源對preamble序列進行檢測，完成序列檢測后，發(fā)送隨機接入響應。

p  UE端在發(fā)送preamble序列后，在后續(xù)的一段時間內(nèi)檢測基站發(fā)送的隨機接入響應

UE在檢測到屬于自己的隨機接入響應，該隨機接入響應中包含UE進行上行傳輸?shù)馁Y源調(diào)度信息

p  基站發(fā)送沖突解決響應，UE判斷是否競爭成功

競爭隨機接入場景

（1）UE的初始接入（Initial access from RRC_IDLE）。此時RRC層的狀態(tài)為RRC_IDLE，UE需要CONNECTION REQUEST，而eNB無法知道，因此需要UE執(zhí)行競爭接入過程。

（2）UE的重建（RRC Connection Re-establishment procedure）。重建的原因有多種，比如UE側的RLC上行重傳達到最大次數(shù)，就會觸發(fā)重建，此時eNB也不知道UE的重建狀態(tài)，也需要UE執(zhí)行競爭接入過程。

（3）UE有上行數(shù)據(jù)發(fā)送，但檢測到上行失步（UL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure when UL synchronisation status is "non-synchronised"）。這個情況與初始接入類似，eNB無法知道UE什么時候有上行業(yè)務要做，因此需要UE執(zhí)行競爭接入過程。

（4）UE有上行數(shù)據(jù)發(fā)送，但沒有SR資源（UL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure when there are no PUCCH resources for SR available"）。一般的，如果沒有UL_GRANT用于發(fā)送BSR，UE會通過SR發(fā)送上行資源申請，但如果也沒有SR資源，則只能通過競爭接入過程申請UL_GRANT。此時，eNB顯然也不知道UE是否有上行數(shù)據(jù)發(fā)送。

（5）如果非競爭接入過程中，eNB發(fā)現(xiàn)沒有了非競爭資源，此時也會轉(zhuǎn)到競爭接入過程（定位過程除外）。

LTE匯總.docx

                Msg1   Random Access Preamble

            隨機接入前導序列碼集合是由物理層生成的最大數(shù)目為64個Zadoff-Chu序列及其移位序列組成。

eNB側的RRC分配部分或全部Preamble序列的索引值用于競爭隨機接入，并通過系統(tǒng)信息SIB2廣播到UE。UE隨機接入需要的PRACH物理信道資源如PRACH個數(shù)和時頻位置等也由RRC通過系統(tǒng)消息SIB2廣播到UE。

（1）       UE側的RRC收到SIB2后，解析出其中的Preamble信息并配置到MAC

（2）       由MAC根據(jù)路損等信息在Preamble集合中隨機選擇一個Preamble索引配置給物理層

（3）       物理層根據(jù)MAC的Preamble索引，通過查表/公式生成有效的Preamble ZC序列并發(fā)送到eNB

                Msg2   Random Access Response

           eNB會在PRACH中盲檢測前導碼，如果eNB檢測到了隨機接入前導序列碼Radom Access Preamble，則上報給MAC，后續(xù)會在隨機接入響應窗口內(nèi)，在下行共享信道PDSCH中反饋MAC的隨機接入響應Radom Access Response。解碼PDSCH信道內(nèi)容，需要UE先通過RA-RNTI解碼出PDCCH資源分配信息，然后繼續(xù)解碼PDSCH信道內(nèi)容。而RA-RNTI是由承載MSG1的PRACH時頻資源位置確定的，UE和eNB均可以計算出RA-RNTI值，因此空口中并不需要傳輸RA-RNTI。

Msg3   Scheduled Transmission

           UE根據(jù)RA Response中的TA調(diào)整量可以獲得上行同步，并在eNB為其分配的上行資源中傳輸MSG3，以便進行后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。

             MSG3可能攜帶RRC建鏈消息（RRC Connection Request），也可能攜帶RRC重建消息（RRC Connection Re-establishment Request ）。

Msg3   Connection Resolution

           eNB和UE最終通過MSG4完成競爭解決

非競爭隨機接入流程

非競爭隨機接入是UE根據(jù)eNB的指示，在指定的PRACH信道資源上使用指定的Preamble碼發(fā)起的隨機接入，適用于

（1）切換（Handover）

（2）eNB有下行數(shù)據(jù)發(fā)送，但檢測到上行失步（DL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure when UL synchronisation status is “non-synchronised”）。

（3）定位過程。------只有非競爭隨機接入

A.eNB向UE發(fā)送RA Preamble assignment

eNB向UE發(fā)送非競爭隨機接入過程需要的Preamble碼和PRACH信道接入資源。若此時前導碼資源不夠，eNB只能通知UE發(fā)起競爭隨機接入，方式是將PDCCH格式1a中的Preamble index設置為全0，UE解碼出的Preamble Index全0后，會執(zhí)行基于競爭的隨機接入過程。

對于切換，非競爭前導碼通過切換命令發(fā)到UE；而其他的兩種場景，需要通過CRNTI加擾的DCI1A發(fā)到UE。

B.UE向eNB發(fā)送Preamble碼

如果指定了多個PRACH信道資源，UE在連續(xù)三個可用的、有PRACH信道資源的子幀中隨機選擇一個指定的PRACH信道資源用于承載MSG1。eNB側MAC處理過程同基于競爭的隨機接入過程。

C.eNB向UE反饋隨機接入響應Radom Access Response

eNB側MAC處理過程同基于競爭的隨機接入過程