TD-LTE技術原理

TD-LTE技術原理

​ 2019-9-3 陰

網絡結構

**UE：**用戶設備

**eNodeB：**它爲用戶提供空中接口（air interface），也就是我們常說的基站，一臺基站(eNB)要接受很多臺UE的接入，所以eNB要負責管理UE，包括資源分配，調度，管理接入策略等等。

**MME：**提供NAS 信令傳輸，用戶鑑權與漫遊管理（S6a），移動性管理，EPS承載管理。移動性管理主要是有尋呼，TAI管理和切換。

**S-GW：**Serving Gateway，負責本地網絡用戶數據處理部分。

**P-GW：**PDN Gateway，負責用戶數據包與其他網絡的處理。

**HSS：**歸屬用戶服務器，這是存在與核心網中的一個數據庫服務器，裏面存放着所有屬於該核心網的用戶的數據信息。當用戶連接到MME的時候，用戶提交的資料會和HSS數據服務器中的資料進行比對來進行鑑權。

**PCRF：**策略與計費規則，它會根據不同的服務制定不同的PCC計費策略。

**X2接口：**eNodeB之間的接口，支持數據和信令的直接傳輸，x2接口是4G新增的但不是必備的

**S1接口：**連接eNodeB與核心網EPC的接口

系統架構演進

• 接入網：扁平化，IP化，去掉RNC的物理實體，功能實體分解到基站和核心網元
  • 大部分功能放在了eNodeB，以減少時延和增強調度能力
  • 少部分功能放在了核心網，加強移動性管理
• 核心網：用戶面和控制面分離
  • 原有SGSN實體分解爲MME(控制面實體)和Gateway（用戶面實體）

LTE設計目標（三高，兩低，一平）

• 三高

  • 高峯值速率：下行峯值100Mbps，上行峯值50Mbps
  • 高頻譜效率：頻譜效率是3G的3-5倍
  • 高移動性：支持350km/h(在某些頻段甚至支持500km/h)

• 兩低

  • 低時延: 控制面<100ms, 用戶面<10ms
  • 低成本: SON(自組織網絡)，支持多頻段靈活配置

• 一平

  • 扁平化架構：取消了基站控制器

LTE主要網元功能

• eNodeB：
  • 無線資源管理功能，動態資源分配調度
  • MME的選擇
  • 實現SGW用戶面數據的路由選擇
• MME：
  • 信令的加密和完整性保護
  • 接入層安全性控制，移動性控制
  • 承載控制
• SGW：
  • 路由及轉發
  • 移動性及切換支持
  • 計費
• PGW：
  • UE的IP地址分配
  • 限速

LTE協議棧

**無線制式的接口協議分爲三層：**物理層（PHY），L2數據鏈路層（PDCP：分組數據匯聚協議層，RLC：無線鏈路控制層，MAC：媒體接入層），L3網絡層（NAS：非接入層協議，RRC：無線資源控制層）。

**NAS：**處理UE和MME之間信息的傳輸，傳輸的內容可以是用戶信息或控制信息。如業務的建立、釋放或者移動性管理信息。NAS子層則終止於MME。

**RRC：**支持終端和eNodeB間多種功能的最爲關鍵的信令協議。

**PDCP：**負責執行頭壓縮以減少無線接口必須傳送的比特流量。頭壓縮機制基於ROHC，PDHP層在控制面對RRC和NAS層消息進行完整性校驗，在用戶面不進行完整性校驗。以及對數據和信令的加密。

**RLC：**負責分段與連接、重傳處理，以及對高層數據的順序控制。RLC提出了三種模式：透明模式（不保證準確，順序）、非確認模式（保證順序）和確認模式（保證準確，順序）。

**MAC：**負責處理HARQ重傳與上下行調度。應該說，L2的精華就在這邊，重傳和調度能做好，對於整個產品來說，速率就能體現出來。

**PHY：**負責處理編譯碼、調製解調、多天線映射以及其它電信物理層功能。最爲複雜的一層，也是最考驗產品的一層協議。實際設計中，涉及諸多算法也最能體現實際芯片的性能。和硬件緊密相關，需要協同工作。

UE處於空閒狀態時，接收到的系統信息有小區選擇或重選的配置參數、鄰小區信息；在UE處於連接狀態時，接收到的是公共信道配置信息。

用戶面協議和控制面協議。用戶面負責業務數據的傳送和處理，控制面負責協調和控制信令的傳送和處理。用戶面和控制面都是邏輯上的概念。

主要技術（3，2，1，1）

• 空口速率
  • 高階調製
    • BPSK(最穩定，1B)，64QAM比16QAM速率提升50%，高性能的對信號質量（信噪比）要求也高
  • MIMO
    • 工作模式
      • 複用模式：發射不同數據，容量提升1倍
      • 分集模式：發射相同數據，提高接受質量
    • 傳輸方式
      • 傳輸模式1 – 單天線傳輸，使用端口0，不使用MIMO
      • 傳輸模式2 – 開環發射分集
      • 傳輸模式3 –開環空間複用 信號條件好，高速
      • 傳輸模式4 –閉環空間複用 低速普通速率
      • 傳輸模式5 –多用戶MIMO（即多個用戶被分配到相同的傳輸塊上）
      • 傳輸模式6 –閉環發射分集
      • 傳輸模式7 –單流Beamforming技術 小區邊緣
      • 傳輸模式8 – 雙流Beamforming技術 小區邊緣
  • CA載波聚合（多個小區一起服務，增加帶寬）
    • 最高可5個載波進行聚合，提升小區邊緣用戶體驗
• 頻譜效率
  • OFDMA正交頻分複用（載波相互正交重疊）
    • 優點：頻譜利用率高，對抗頻率選擇性衰落
    • 缺點：對頻率偏移特別敏感，峯均比(PAPR)高
  • HARQ混合自動重傳
    • Chase 合併
    • 遞增冗餘
• 抗干擾
  • ICIC：解決同頻干擾，改善小區邊緣體驗，但是犧牲1/3容量
• 自動規劃
  • SON自組織網絡：自動規劃，部署，自優化，易維護

無線接口多址技術（區分用戶）

無線幀

• 定義：一個無線幀10ms，一共有10個子幀（其中2個特殊幀，8個正常幀），時隙0.5ms

• 特殊子幀：下行導頻時隙，保護週期，上行導頻時隙

• 正常子幀配比 0:（3：1）,1:（2：2）,3:（1：3）

• 特殊子幀配比 6:（9：3：2），7：（10：2：2）

• 調度朔計算

  子幀配比爲1 ，特殊配比爲7 ，求上下行的幀數？

  • 上：4*100=400
  • 下：4*100+200=600

LTE資源塊基本概念

• RE——物理層資源的最小粒度，1個子載波

• RB——資源分配頻域最小單位，12個連續子載波

• CCE——控制信道的資源單位

• TTL物理層數據傳輸調度的時域基本單位

  1CCE=9REG=4*9=36RE

  1TTL = 1subframe = 2 slofs

  1TTL = 14個OFDM(Normal cp)

  1TTL = 12個OFDM(Extended cp)

LTE信道

邏輯信道

關注的是傳輸什麼內容，什麼類別的信息。信息首先要被分爲兩種類型：控制消息（控制平面的信令，如廣播類消息、尋呼類消息）和業務消息（業務平面的消息，承載着高層傳來的實際數據）。

• 五個控制信道

  • 廣播控制信道（BCCH）是廣而告之的消息入口，面向轄區內的所有用戶廣播控制信息。
  • 尋呼控制信道（PCCH）是尋人啓事類消息的入口。當不知道用戶具體處在哪個小區的時候，用於發送尋呼消息。
  • 公共控制信道（CCCH）CCCH是上、下行雙向和點對多點的控制信息傳送信道，在UE和網絡沒有建立RRC連接的時候使用。
  • 專用控制信道（DCCH）DCCH是上、下行雙向和點到點的控制信息傳送信道，是在UE和網絡建立了RRC連接以後使用。
  • 多播控制信道（MCCH）MCCH是點對多點的從網絡側到UE側（下行）的MBMS控制信息的傳送信道。一個MCCH可以支持一個或多個MTCH（MBMS業務信道）配置。

• 兩個業務信道

  • 專用業務信道（DTCH）DTCH是UE和網絡之間的點對點和上、下行雙向的業務數據傳送渠道。
  • 多播業務信道（MTCH）MTCH是LTE中區別於以往制式的一個特色信道，是一個點對多點的從網絡側到UE（下行）傳送多播業務MBMS的數據傳送渠道。

傳輸信道

關注的是怎樣傳？形成怎樣的傳輸塊（TB）？不同類型的傳輸信道對應的是空中接口上不同信號的基帶處理方式，如調製編碼方式、交織方式、冗餘校驗方式、空間複用方式等內容。根據對資源佔有的程度不同，傳輸信道還可以分爲共享信道和專用信道。

• 四個下行信道

  • 廣播信道（BCH），爲廣而告之消息規範了預先定義好的固定格式、固定發送週期、固定調製編碼方式，不允許靈活機動。BCH是在整個小區內發射的、固定傳輸格式的下行傳輸信道，用於給小區內的所有用戶廣播特定的系統消息。
  • **尋呼信道（PCH），**規定了尋人啓示傳輸的格式，將尋人啓示貼在公告欄之前（映射到物理信道之前），要確定尋人啓示的措辭、發佈間隔等。尋呼信道是在整個小區內進行發送尋呼信息的一個下行傳輸信道。爲了減少UE的耗電，UE支持尋呼消息的非連續接收（DRX）。爲支持終端的非連續接收，PCH的發射與物理層產生的尋呼指示的發射是前後相隨的。
  • **下行共享信道（DL-SCH），**規定了待搬運貨物的傳送格式。DL-SCH是傳送業務數據的下行共享信道，支持自動混合重傳（HARQ）；支持編碼調製方式的自適應調製（AMC）；支持傳輸功率的動態調整；支持動態、半靜態的資源分配。
  • **多播信道（MCH）**規定了給多個用戶傳送節目的傳送格式，是LTE的規定區別於以往無線制式的下行傳送信道。在多小區發送時，支持MBMS的同頻合併模式MBSFN。MCH支持半靜態的無線資源分配，在物理層上對應的是長CP的時隙。

• 兩個上行信道

  • **隨機接入信道（RACH），**規定了終端要接入網絡時的初始協調信息格式。RACH是一個上行傳輸信道，在終端接入網絡開始業務之前使用。由於終端和網絡還沒有正式建立鏈接，RACH信道使用開環功率控制。RACH發射信息時是基於碰撞（競爭）的資源申請機制（有一定的冒險精神）。
  • **上行共享信道（UL-SCH）**和下行共享信道一樣，也規定了帶搬運貨物的傳送格式，只不過方向不同。UL-SCH是傳送業務數據的從終端到網絡的上行共享信道，同樣支持混合自動重傳HARQ，支持編碼調製方式的自適應調整（AMC）；支持傳輸功率動態調整；支持動態、半靜態的資源分配。

物理信道

就是信號在無線環境中傳送的方式，即空中接口的承載媒體。物理信道對應的是實際的射頻資源，如時隙（時間）、子載波（頻率）、天線口（空間）。物理信道就是確定好編碼交織方式、調製方式，在特定的頻域、時域、空域上發送數據的無線通道。

• 六個下行物理信道

  • 物理廣播信道（PBCH）：轄區內的大喇叭，但並不是所有廣而告之的消息都從這裏廣播（映射關係在下一節介紹），部分廣而告之的消息是通過下行共享信道（PDSCH）通知大家的。PBCH承載的是小區ID等系統信息，用於小區搜索過程。
  • 物理下行共享信道（PDSCH）：踏踏實實幹活的信道，而且是一種共享信道，爲大家服務，不偷懶，略有閒暇就接活幹。PDSCH承載的是下行用戶的業務數據。
  • 物理下行控制信道（PDCCH）：發號施令的嘴巴，不幹實事，但幹實事的PDSCH需要它的協調。PDCCH傳送用戶數據的資源分配的控制信息。
  • 物理控制格式指示信道（PCFICH）：類似藏寶圖，指明瞭控制信息（寶藏）所在的位置。PCFICH是LTE的OFDM特性強相關的信道，承載的是控制信道在OFDM符號中的位置信息。
  • 物理HARQ指示信道（PHICH）：主要負責點頭搖頭的工作，下屬以此來判斷上司對工作是否認可。PHICH承載的是混合自動重傳（HARQ）的確認/非確定（ACK/NACK）信息。
  • 物理多播信道（PMCH）：類似可點播節目的電視廣播塔，PMCH承載多播信息，負責把高層來的節目信息或相關控制命令傳給終端。

• 三個上行物理信道

  • 物理隨機接入信道（PRACH）：乾的是拜訪領導時叩門的活，領導開了門才能進行下面的事，如果叩門失敗後面的事就沒法幹了。PRACH承載UE想接入網絡時的叩門信號——隨機接入前導，網絡一旦答應了，UE便可進一步和網絡溝通信息。
  • 物理上行共享信道（PUSCH）：這是一個上行方向踏踏實實幹活的信道。PUSCH也採用共享的機制，承載上行用戶數據。
  • 物理上行控制信道（PUCCH）：上行方向發號施令的嘴巴，但幹實活的PUSCH需要它的協調。PUCCH承載着HARQ的ACK/NACK，調度請求（Scheduling Request），信道質量指示（Channel Quality Indicator）等信息。

同步信號

UE開機以後第一個搜索的信號就是SS，在UE成功解調SS，它能夠實現下行幀同步，獲取物理小區ID （PCI）

pci(0-503) PCI=PSS+3*SSS

• 主同步信號pss（0-2）
• 從同步信號sss (0-167)