【正文】 第6章 典型信令流程LTE協(xié)議原理設(shè)計LTE整體架構(gòu)下圖為LTE系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖。圖 01 LTE整體架構(gòu)與UMTS系統(tǒng)相比，LTE/SAE網(wǎng)絡(luò)中無線傳輸技術(shù)、空中接口協(xié)議和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面都發(fā)生了革命性的變化。對應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)被稱為EUTRAN和EPC（Evolved Packet Core），并將整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)命名為EPS（Evolved Packet System，演進的分組系統(tǒng)）。在EUTRAN中，eNodeB之間底層采用IP傳輸，在邏輯上通過X2接口相互連接，也就是常說的Mesh型網(wǎng)絡(luò)。這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以有效地支持UE在整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動性，保證用戶的無縫切換。每個eNodeB通過S1接口，與MME/SGW相連接，而S1接口，也是采用了全部或部分Mesh型的連接形式，即一個eNodeB可用于多個MME/SGW互連，反之亦然?？梢钥闯?，與UTRAN系統(tǒng)相比，EUTRAN系統(tǒng)將NodeB和RNC融合為一個網(wǎng)元eNodeB，因此，系統(tǒng)中將不再存在Iub接口，而X2接口類似于原系統(tǒng)中的Iur接口，S1接口類似于Iu接口。具體來講，eNodeB是指在UMTS系統(tǒng)NodeB原有功能基礎(chǔ)上，增加了RNC的物理層、MAC層、RRC層、以及調(diào)度、接入控制、承載控制、移動性管理和小區(qū)間無線資源管理等功能，即eNodeB實現(xiàn)了接入網(wǎng)的全部功能。MME/SGW則可以看成一個邊界節(jié)點，作為核心網(wǎng)的一部分，類似于UMTS系統(tǒng)中的SGSN。綜上，新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以帶來以下好處：● 網(wǎng)絡(luò)扁平化使得系統(tǒng)延時減少，從而改善了用戶體驗，可開展更多業(yè)務(wù)；● 網(wǎng)元數(shù)目減少，使得網(wǎng)絡(luò)部署更為簡單，網(wǎng)絡(luò)的維護更加容易；● 取消了RNC的集中控制，避免單點故障，有利于提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。 LTE協(xié)議架構(gòu)EUTRAN系統(tǒng)的空中接口協(xié)議棧根據(jù)用途可以分為用戶平面協(xié)議棧和控制平面協(xié)議棧。用戶平面協(xié)議棧與UMTS系統(tǒng)相似，主要包括物理（PHY）層、媒體訪問控制（MAC）層、無線鏈路控制（RLC）層以及分組數(shù)據(jù)匯聚（PDCP）層四個層次，這些子層在網(wǎng)絡(luò)側(cè)均終止于eNodeB實體。如下圖所示。圖 1 空中接口用戶平面協(xié)議棧控制平面協(xié)議棧如下圖所示。圖 2 空中接口控制平面協(xié)議?？刂破矫鎱f(xié)議棧主要包括非接入層（NAS）、RRC、PDCP、RLC、MAC、PHY層。其中，PDCP層提供加密和完整性保護功能，RLC及MAC層中控制平面執(zhí)行的功能與用戶平面一致。RRC層協(xié)議終止于eNodeB，主要提供廣播、尋呼、RRC連接管理、無線承載（RB）控制、移動性管理、UE測量上報和控制等功能。NAS子層則終止于MME，主要實現(xiàn)EPS承載管理、鑒權(quán)、空閑狀態(tài)下的移動性處理、尋呼消息以及安全控制等功能。下圖簡要描述了LTE協(xié)議不同層次的結(jié)構(gòu)、主要功能以及各層之間的交互流程。該圖給出的是eNodeB側(cè)協(xié)議架構(gòu)，UE側(cè)的協(xié)議架構(gòu)與之類似。3 LTE協(xié)議架構(gòu)示意圖（下行）與UMTS系統(tǒng)及大多數(shù)移動通信系統(tǒng)類似，LTE系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過程被分解成不同的協(xié)議層。上圖闡述了LTE系統(tǒng)下行傳輸?shù)目傮w協(xié)議架構(gòu)，下行數(shù)據(jù)以IP包的形式進行傳送，在空中接口傳送之前，IP包將通過多個協(xié)議層實體進行處理，具體描述如下：● PDCP層：負責執(zhí)行頭壓縮以減少無線接口必須傳送的比特流量。頭壓縮機制基于ROHC，ROHC是一個標準的頭壓縮算法，已被應(yīng)用于UMTS及多個移動通信規(guī)范中。PDCP層同時負責傳輸數(shù)據(jù)的加密和完整性保護功能；在接收端，PDCP協(xié)議將負責執(zhí)行解密及解壓縮功能。對于一個終端每個無線承載有一個PDCP實體?！?RLC層：負責分段與連接、重傳處理，以及對高層數(shù)據(jù)的順序傳送。與UMTS系統(tǒng)不同，LTE系統(tǒng)的RLC協(xié)議位于eNodeB，這是因為在LTE系統(tǒng)對無線接入網(wǎng)的架構(gòu)進行了扁平化，僅僅只有一層節(jié)點eNodeB。RLC層以無線承載的方式為PDCP層提供服務(wù)，其中，每個終端的每個無線承載配置一個RLC實體。 ● MAC層：負責處理HARQ重傳與上下行調(diào)度。MAC層將以邏輯信道的方式為RLC層提供服務(wù)?！?PHY層：負責處理編譯碼、調(diào)制解調(diào)、多天線映射以及其它電信物理層功能。物理層以傳輸信道的方式為MAC層提供服務(wù)。第2章 物理層協(xié)議amp。 知識點l 物理層功能l 物理層幀結(jié)構(gòu)l 物理資源分配l 物理層信道及映射關(guān)系 物理層功能LTE系統(tǒng)中空中接口的物理層主要負責向上層提供底層的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。為了提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，物理層將包含如下功能?！?傳輸信道的錯誤檢測并向高層提供指示?！?傳輸信道的前向糾錯編碼（FEC）與譯碼?！?混合自動重傳請求（HARQ）軟合并?！?傳輸信道與物理信道之間的速率匹配及映射。● 物理信道的功率加權(quán)。● 物理信道的調(diào)制與解調(diào)。● 時間及頻率同步?！?射頻特性測量并向高層提供指示。● MIMO天線處理?！?傳輸分集。● 波束賦形?！?射頻處理。下面簡要介紹一下LTE系統(tǒng)的物理層關(guān)鍵技術(shù)方案?！?系統(tǒng)帶寬：LTE系統(tǒng)載波間隔采用15kHz，上下行的最小資源塊均為180kHz，也就是12個子載波寬度，數(shù)據(jù)到資源塊的映射可采用集中式或分布式兩種方式。通過合理配置子載波數(shù)量，~20MHz的靈活帶寬配置?！?OFDMA與SCFDMA：LTE系統(tǒng)的下行基本傳輸方式采用正交頻分多址OFDMA方式，OFDM傳輸方式中的CP（循環(huán)前綴）主要用于有效的消除符號間干擾，其長度決定了OFDM系統(tǒng)的抗多徑能力和覆蓋能力。為了達到小區(qū)半徑100km的覆蓋要求，LTE系統(tǒng)采用長短兩套循環(huán)前綴方案，根據(jù)具體場景進行選擇：短CP方案為基本選項，長CP方案用于支持大范圍小區(qū)覆蓋和多小區(qū)廣播業(yè)務(wù)。上行方向，LTE系統(tǒng)采用基于帶有循環(huán)前綴的單載波頻分多址（SCFDMA）技術(shù)。選擇SCFDMA作為LTE系統(tǒng)上行信號接入方式的一個主要原因是為了降低發(fā)射終端的峰值平均功率比，進而減小終端的體積和成本?！?雙工方式：LTE系統(tǒng)支持兩種基本的工作模式，即頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）；支持兩種不同的無線幀結(jié)構(gòu)，幀長度均為10ms?！?調(diào)制方式：LTE系統(tǒng)上下行均支持如下調(diào)制方式：QPSK、16QAM及64QAM。● 信道編碼：LTE系統(tǒng)中對傳輸塊使用的信道編碼方案為Turbo編碼，編碼速率為R=1/3，它由兩個8狀態(tài)子編碼器和一個Turbo碼內(nèi)部交織器構(gòu)成。其中，在Turbo編碼中使用柵格終止方案?！?多天線技術(shù)：LTE系統(tǒng)引入了MIMO技術(shù)，通過在發(fā)射端和接收端同時配置多個天線，大幅度地提高了系統(tǒng)的整體容量。LTE系統(tǒng)的基本MIMO配置是下行2上行12個天線，但同時也可考慮更多的天線配置（最多44）。LTE系統(tǒng)對下行鏈路采用的MIMO技術(shù)包括發(fā)射分集、空間復(fù)用、空分多址、預(yù)編碼等，對于上行鏈路，LTE系統(tǒng)采用了虛擬MIMO技術(shù)以增大容量。● 物理層過程：LTE系統(tǒng)中涉及多個物理層過程，包括小區(qū)搜索、功率控制、上行同步、下行定時控制、隨機接入相關(guān)過程、HARQ等。通過在時域、頻域和功率域進行物理資源控制，LTE系統(tǒng)還隱含支持干擾協(xié)調(diào)功能?！?物理層測量：LTE系統(tǒng)支持UE與eNodeB之間的物理層測量，并將相應(yīng)的測量結(jié)果向高層報告。具體測量指標包括：同頻和異頻切換的測量、不同無線接入技術(shù)之間的切換測量、定時測量以及無線資源管理的相關(guān)測量。 無線幀結(jié)構(gòu)LTE系統(tǒng)的時域幀結(jié)構(gòu)如下圖所示。每個無線幀的總長度Tframe = 10ms，進一步可以分成10個長度為Tsubframe = 1ms的子幀。為了提供一致且精確的時間定義，LTE系統(tǒng)以Ts= 1/30720000s作為基本時間單位，系統(tǒng)中所有的時隙都是這個基本單位的整數(shù)倍。下圖中的時隙可表示為Tframe = 307200Ts，Tsubframe = 30720Ts。圖 1 LTE系統(tǒng)的時域幀結(jié)構(gòu)每個10ms無線幀包括2個長度為5ms的半幀，每個半幀由4個數(shù)據(jù)子幀和1個特殊子幀組成。特殊子幀包括3個特殊時隙：DwPTS