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1、LTE 系统结构,3GPP长期演进,移动通信系统发展历程,IMT-Advanced,LTE,2G,蜂窝组网，广泛应用的标准有AMPS、TACS等，采用模拟技术和频分多址,使用址(FDMA)等技术,目前应用最广泛的通信系统，主要包括GSM、IS-95等,完全采用数字技术，使用FDM、TDM、CDMA等技术。提供数字化的语音业务及低速数据业务,国际标准有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、WiMax。技术指标：室内速率2Mbps，室外速率384kbps，行车速率144kbps。能够实现语音业务、高速率传输及宽带多媒体、无线接入Internet等服务。,OFMA及MIMO技术，在200M
2、Hz系统带宽下，下行峰值速率100Mbps，上行峰值速率50MHz，提供VoIP及IMS等高速率数据传输服务。,？,1G,LTE演进路线,3GPP（3rd Generation Partnership Project）于1998年12月成立，是一个由无线工业及商贸联合会ARIB、CCSA、欧洲电信标准研究所ETSI、电信行业解决方案联盟ATIS、电信技术协会TTA和电信技术委员会TTC合作成立的通信标准化组织。 3GPP是一个致力于制定3G、LTE、IMT-Advanced标准的全球标准化组织。,3GPP2(第三代合作伙伴计划2): 该组织是于1999年1月成立，由北美TIA、日本的ARIB、
3、日本的TTC、韩国的TTA四个标准化组织发起，主要是制订以ANSI-41核心网为基础，CDMA2000为无线接口的第三代技术规范。,3GPP组织制定的4G标准,第二条演进路线是 IEEE802.16系列的宽带无线接入标准，被称作WiMax。,LTE的主要技术特征,3GPP从“系统性能要求”、“网络的部署场景”、“网络架构”、“业务支持能力”等方面对LTE进行了详细的描述。与3G相比，LTE具有如下技术特征： (1)通信速率有了提高，下行峰值速率为100Mbps、上行为50Mbps。 (2)提高了频谱效率，下行链路5(bit/s)/Hz，(3-4倍于R6版本的HSDPA);上行链路2.5(bit
4、/s)/Hz，是R6版本HSU-PA的2-3倍。 (3)以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。 (4)QoS保证，通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务(如VoIP)的服务质量。 (5)系统部署灵活，能够支持1.25MHz-20MHz间的多种系统带宽。保证了将来在系统部署上的灵活性。 (6)降低无线网络时延：子帧长度0.5ms和0.675ms，解决了向下兼容的问题并降低了网络时延，时延可达U-plan5ms，C-plan100ms。 (7)增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率。如MBMS(多媒体广播和组播业务)在小区边界可提供1bi
5、t/s/Hz的数据速率。 (8)强调向下兼容，支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。 与3G相比，LTE更具技术优势，具体体现在：高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容。,LTE的关键技术,多载波技术,多天线技术,分组交换,多载波技术,传统的频分复用/频分多址（FDM/FDMA）技术将较宽的频带分成若干较窄的子载波进行并行发送。为了避免各子载波之间的干扰，不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔。 正交频分复用（OFDM）各个子载波重叠排列，同时保持子载波之间的正交性，以避免子载波之间的干扰。部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率。,传统FDM频谱,OFDM频谱,多载波
6、技术,LTE下行链路采用正交频分多址(OFDMA)技术。 LTE上行链路采用单载波频分多址(SC-FDMA)技术，避免OFDM调制中因高PARA(峰均比)带来的对功放的线性化要求。,OFDM与SC-FDMA的频谱结构,OFDM系统框图,串并转换,IFFT,并串转换,加入循环前缀,数模变换,多径传播,模数变换,去除循环前缀,串并转换,FFT,并串转换,Sn,Rn,n(t),OFDM调制,OFDM解调,SC-FDMA系统框图,LTE下行链路SC-FDMA采用DFT-S-OFDM方式实现,DFT-S-OFDM系统框图,M点FFT,N点IFFT,串并转换,循环前缀,串并转换,调制,调制,用户数据,调制
7、,调制,LTE的关键技术,多载波技术,多天线技术,分组交换,MIMO系统,空间-时间 编码器,空间-时间 解码器,MIMO系统示意图,s1,s2,sMr,r1,r2,rMR,s,H,r,使用多天线的MIMO技术能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天线发射总功率的情况下，可有效对抗无线信道衰落的影响，大大提高系统的频谱利用率和信道容量。,多天线技术,分集增益：利用多个天线提供的空间分集，可以改进多径衰落信道中传输的可靠性。 阵列增益：通过预编码或波束成形，集中一个或多个指定方向上的能量。这也允许不同方向上的多个用户同时获得服务。 空分复用增益：利用空间信道的强弱相关性，在多个相互独立的空间信
8、道上，传递不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。,空分复用增益,阵列增益,分集增益,LTE的关键技术,多载波技术,多天线技术,分组交换,分组交换,LTE是完全面向分组的多服务系统。 使用分组交换，可以令分组的长度与相关时间可比，使得分组都落在信道质量较好的时间段。,时间,无线衰落信道,快速自适应的分组调度,电路交换的资源分配,LTE网络结构,LTE采用 “扁平”的无线访问网络结构，取消RNC节点，简化网络设计。实现了全IP路由，各个网络节点之间与Internet没有什么太大的区别，网络结构趋近于IP宽带网络结构。,EPS概述,LTE致力于无线接入网的演进（ E-UTRAN ）。 系统架构演
9、进（SAE）则致力于分组网络的演进（演进型分组核心网EPC）。 LTE和SAE共同组成演进型分组系统（EPS）。,EPS网络结构,EPC,E-UTRAN,用户设备,EPS的功能划分,E-UTRAN组成结构,EPS网络节点示意图,网络结构包括CN(EPC)、E-UTRAN、UE，eNodeB通过X2接口连接，构成E-UTRAN(接入网)，eNodeB通过S1接口与EPC(CN)连接，UE通过LTE-Uu接口与eNodeB连接。,eNodeB实现的功能,无线资源管理 无线承载控制 无线准入控制 连接移动性控制 UE上下行动态资源分配 IP数据包头压缩和用户数据流加密 UE连接期间选择MME 寻呼消
10、息的调度和传输 广播信息的调度和传输 移动和调度的测量，并进行测量和测量报告的配置,E-UTRAN总体架构,核心网(EPC),HSS,P-GW,S-GW,MME,PCRF,E-UTRAN,SGi,S5/S8,S1-U,S6a,S1-MME,Gx,Rx,Operators IP services(e.g. IMS, PSS),LTE/SAE核心网负责UE的控制和承载建立，EPC包含的逻辑节点有： PDN Gateway(P-GW)、Serving Gateway(S-GW)、Mobility Management Entity(MME) 、Home Subscribier Server(HSS)
11、 、Policy Control and Charging Rules Function(PCRF)。,EPC组成结构,核心网节点功能,P-GW主要实现功能,S-GW主要实现功能,UE的IP地址分配 QoS保证 计费 IP数据包过滤,所有IP数据包均通过S-GW UE在小区间切换时，作为移动性控制锚点 下行数据缓存 LTE与其他3GPP技术互联时作为移动性锚点,无线接口协议,无线接口协议根据用途分为用户面(User plane)协议栈和控制面(Control plane)协议栈。,用户面,控制面,用户面主要执行头压缩、调度、加密等功能,控制面主要执行系统 信息广播、RRC连接 管理、RB控制、
12、寻呼、移动性管理、测量配置及报告等,E-UTRAN用户面,Application,IP,RLC,MAC,PDCP,L1,RLC,MAC,PDCP,L1,GTP-U,UDP/IP,L1,Relay,UDP/IP,GTP-U,L1,GTP-U,UDP/IP,L1,Relay,L2,L2,IP,UDP/IP,L2,GTP-U,L1,L2,UE,eNodeB,Serving GW,PDN GW,LTE-Uu,S1-U,S5/S8,用户面协议栈,E-UTRAN控制面,NAS,RRC,RLC,MAC,PDCP,L1,RLC,MAC,PDCP,L1,SCTP,L1,Relay,S1-AP,IP,L2,SCT
13、P,L1,L2,UE,eNodeB,MME,LTE-Uu,S1-MME,RRC,S1-AP,IP,NAS,NAS,控制面协议栈,S1接口,S1接口连接E-UTRAN与CN，S1控制平面接口(S1 -MME)位于eNB和MME之间，S1用户平面接口(S1-U)位于eNB和S-GW之间。,S1-MME控制面协议栈,S1-U用户面协议栈,传输网络层建立在IP传输之上，GTP-U用来携带用户平面PDU,传输网络层利用IP传输，为可靠传输信令，在IP之上，添加SCTP，应用层信令协议为S1-AP,X2接口,X2接口实现eNodeB之间的互联，X2接口控制平面和用户平面接口定义域S1接口一致。,X2接口控
14、制面协议栈,X2接口用户面协议栈,EPS承载与QoS,承载(Bearer)是UE和网关之间有相应QoS(Quality of Service)保障的IP数据包。 为了应对同时发生的多种形式的服务，EPS根据不同的服务对QoS的不同要求，将Bearer分为两类：,GBR bearer Minimum Guaranteed Bit Rate bearer(保证比特率承载) 可应用于VoIP等面向连接的服务,bearer可分配到持久的无线资源。,Bearer,NON-GBR bearer 不保证比特率，可用于浏览网页或ftp等服务，不分配持久的无线资源。,EPS承载与QoS,每一个bearer都有一
15、个QoS等级标记(QCI)及分配与保留优先级(ARP)。brearer与其对应服务如下图所示。,LTE QCI标记,EPS承载与QoS,在LTE/SAE系统中，EPS承载(brearer)需要经过多层接口，逐渐映射为较低层次的承载。,EPS承载经过多层接口示意图,基本概念,层次结构：分层将一个复杂的通信问题划分为多个不同层次的工作，每一层实现一种相对独立的功能，通过层间的接口使用下层提供的服务，并向上层提供服务。 协议：控制两个或多个对等实体、对等层次进行通信的规则的集合。 服务访问点：在同一系统中，相邻两层的实体进行交互的逻辑接口称为服务访问点(Service Access Point)。 平面：同一个系统中，实现某一方面功能的协议栈，称作平面。LTE将系统分为控制面(Control Plane)和用户面(User Plane)。,用户设备的状态,用户设备(User Equipment, UE)的无线资源控制(Radio Resource Control, RRC)状态决定了接入层所执行的操作和过程。RRC状态有两种：空闲状态(RRC_I
