LTE系統(tǒng)架構(gòu)

層結(jié)構(gòu)

PHY（物理層）進(jìn)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)調(diào)度和快速重傳，MAC主要任務(wù)是進(jìn)行邏輯信道和物理信道間的映射和復(fù)用

RLC（無線鏈路控制）提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分段和自動(dòng)重傳機(jī)制

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

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(dòng)過程和終端連接管理

NAS（非接入層）完全獨(dú)立于接入技術(shù)的功能和過程，包括會(huì)話管理、用戶管理、安全管理和計(jì)費(fèi)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

MME

信令處理、移動(dòng)性管理

•       NAS信令加密和完整性保護(hù)

•       跟蹤區(qū)域列表的管理

•       P-GW和S-GW的選擇

•       跨MME切換時(shí)對(duì)于MME的選擇

•       向2G/3G切換過程中SGSN的選擇

•       鑒權(quán)、漫游控制以及承載管理

•       不同接入網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的移動(dòng)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(jié)點(diǎn)，下行數(shù)據(jù)緩存

•       E-NodeB間切換的錨點(diǎn)

•       基于用戶和承載的計(jì)費(fèi)

•       路由優(yōu)化和用戶漫游時(shí)QoS和計(jì)費(fèi)策略實(shí)現(xiàn)功能

PDN Gateway

•       分組路由和轉(zhuǎn)發(fā)

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

•       UE IP地址分配，接入外部PDN的網(wǎng)關(guān)功能

•       計(jì)費(fèi)和QoS策略執(zhí)行功能

•       基于業(yè)務(wù)的計(jì)費(fèi)

PCRF：策略和計(jì)費(fèi)控制單元

•       在非漫游場(chǎng)景時(shí)，在HPLMN中只有一個(gè)PCRF跟UE的IP-CAN會(huì)話相關(guān)。PCRF終結(jié)Rx接口和Gx接口

•       在漫游場(chǎng)景時(shí)，并且業(yè)務(wù)流是local breakout時(shí)，有兩個(gè)PCRF跟一個(gè)UE的IP-CAN會(huì)話相關(guān)

HSS：用戶歸屬寄存器

•       存儲(chǔ)了LTE/SAE網(wǎng)絡(luò)中用戶所有與業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)

SGSN：Serving GPRS Support Node

•       GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)，它通過Gb接口與GERAN網(wǎng)絡(luò)BSC的連接，或通過Iu-PS口與UTRAN網(wǎng)絡(luò)RNC連接，進(jìn)行移動(dòng)數(shù)據(jù)的管理

關(guān)鍵技術(shù)

高階調(diào)制對(duì)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(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)延更長(zhǎng)，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(yīng)調(diào)制和編碼（AMC）

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

–      UE測(cè)量信道質(zhì)量，并報(bào)告（每1ms或者是更長(zhǎng)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(yàn)，得到誤塊率

–  如果誤塊率較高

•    暫時(shí)保存錯(cuò)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(fù)用     有效的克服多徑效應(yīng)

下行：OFDMA

上行：SC-FDMA

OFDM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)                                OFDM技術(shù)的不足

•       頻譜效率高                                  峰均比高

•       帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)                                對(duì)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(yīng)                           

•       實(shí)現(xiàn)MIMO技術(shù)較為簡(jiǎn)單                     

應(yīng)對(duì)符號(hào)間干擾-插入CP

MIMO

傳輸模式

•       TM1  單天線端口傳輸：主要應(yīng)用于單天線傳輸?shù)膱?chǎng)合

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

             情況，有時(shí)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(dòng)的情況

•       TM4  閉環(huán)空間分集：適合于信道條件較好的場(chǎng)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(duì)抗干擾

•       TM8  雙流Beamforming模式： 可以用于小區(qū)邊緣也可以應(yīng)用于其他場(chǎng)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(guān)性，發(fā)射或接收一個(gè)數(shù)據(jù)流，避免單個(gè)信道衰落對(duì)整個(gè)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(guān)性，通過陣元發(fā)射的波之間形成干涉，集中能量于某個(gè)（或某些）特定方向上，形成波束，從而實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋和干擾抑制效果。

p  空間復(fù)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(guān)性，向一個(gè)終端/基站并行發(fā)射多個(gè)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(guān)性，向多個(gè)終端并向發(fā)射數(shù)據(jù)流，或從多個(gè)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(luò)）

•       主要功能

–      自配置

–      ANR（自動(dòng)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(dāng)UE開機(jī)后，它的首要任務(wù)就是找到網(wǎng)絡(luò)并和網(wǎng)絡(luò)取得聯(lián)系。實(shí)質(zhì)是一個(gè)下行同步過程。

                          系統(tǒng)消息接收：對(duì)L2、L1進(jìn)行配置，才能進(jìn)行后續(xù)準(zhǔn)入和駐留的流程。

                       隨機(jī)接入：解決不同UE間的競(jìng)爭(zhēng)，取得上行同步。

Attach：建立UE與MME之間相同的移動(dòng)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(luò)分配的IP地址。

小區(qū)搜索

小區(qū)初搜基本流程

l  1）檢測(cè)PSS，獲得5ms定時(shí)，并獲得小區(qū)ID

l  2）檢測(cè)SSS，獲得10ms定時(shí)，并獲得小區(qū)組ID

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

l  4）在固定的時(shí)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(hào)）、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(biāo)識(shí)的PDCCH信令調(diào)度的系統(tǒng)信息塊SIB

a)       UE開機(jī)時(shí)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(jī)，就會(huì)在可能存在LTE小區(qū)的幾個(gè)中心頻點(diǎn)上接收數(shù)據(jù)并計(jì)算帶寬RSSI，以接收信號(hào)強(qiáng)度來判斷這個(gè)頻點(diǎn)周圍是否可能存在小區(qū)(應(yīng)該說只是可能)，如果UE能保存上次關(guān)機(jī)時(shí)的頻點(diǎn)和運(yùn)營(yíng)商信息，則開機(jī)后可能會(huì)先在上次駐留的小區(qū)上嘗試駐留；如果沒有先驗(yàn)信息，則很可能要全頻段搜索，發(fā)現(xiàn)信號(hào)較強(qiáng)的頻點(diǎn)，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(jìn)行如下操作：  a) 接收PCFICH，此時(shí)該信道的時(shí)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(cè)PDCCH的CRC中的RNTI，如果為SI-RNTI，則說明后面的PDSCH是一個(gè)SIB，于是接收PDSCH，譯碼后將SIB上報(bào)給高層協(xié)議棧；  e)不斷接收SIB，HLS會(huì)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(jié)束。

LTE小區(qū)搜索優(yōu)點(diǎn) 

l   預(yù)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(jī)接入

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

競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入流程

p  UE端通過在特定的時(shí)頻資源上，發(fā)送可以標(biāo)識(shí)其身份的preamble序列，進(jìn)行上行同步

p  基站端在對(duì)應(yīng)的時(shí)頻資源對(duì)preamble序列進(jìn)行檢測(cè)，完成序列檢測(cè)后，發(fā)送隨機(jī)接入響應(yīng)。

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

UE在檢測(cè)到屬于自己的隨機(jī)接入響應(yīng)，該隨機(jī)接入響應(yīng)中包含UE進(jìn)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(yīng)，UE判斷是否競(jìng)爭(zhēng)成功

競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入場(chǎng)景

（1）UE的初始接入（Initial access from RRC_IDLE）。此時(shí)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(jìng)爭(zhēng)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(cè)的RLC上行重傳達(dá)到最大次數(shù)，就會(huì)觸發(fā)重建，此時(shí)eNB也不知道UE的重建狀態(tài)，也需要UE執(zhí)行競(jìng)爭(zhēng)接入過程。

（3）UE有上行數(shù)據(jù)發(fā)送，但檢測(cè)到上行失步（UL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure when UL synchronisation status is "non-synchronised"）。這個(gè)情況與初始接入類似，eNB無法知道UE什么時(shí)候有上行業(yè)務(wù)要做，因此需要UE執(zhí)行競(jìng)爭(zhēng)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(huì)通過SR發(fā)送上行資源申請(qǐng)，但如果也沒有SR資源，則只能通過競(jìng)爭(zhēng)接入過程申請(qǐng)UL_GRANT。此時(shí)，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(jìng)爭(zhēng)接入過程中，eNB發(fā)現(xiàn)沒有了非競(jìng)爭(zhēng)資源，此時(shí)也會(huì)轉(zhuǎn)到競(jìng)爭(zhēng)接入過程（定位過程除外）。

LTE匯總.docx

                Msg1   Random Access Preamble

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

eNB側(cè)的RRC分配部分或全部Preamble序列的索引值用于競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入，并通過系統(tǒng)信息SIB2廣播到UE。UE隨機(jī)接入需要的PRACH物理信道資源如PRACH個(gè)數(shù)和時(shí)頻位置等也由RRC通過系統(tǒng)消息SIB2廣播到UE。

（1）       UE側(cè)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(jī)選擇一個(gè)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(huì)在PRACH中盲檢測(cè)前導(dǎo)碼，如果eNB檢測(cè)到了隨機(jī)接入前導(dǎo)序列碼Radom Access Preamble，則上報(bào)給MAC，后續(xù)會(huì)在隨機(jī)接入響應(yīng)窗口內(nèi)，在下行共享信道PDSCH中反饋MAC的隨機(jī)接入響應(yīng)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(shí)頻資源位置確定的，UE和eNB均可以計(jì)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(jìn)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(jìng)爭(zhēng)解決

非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入流程

非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)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(jī)接入，適用于

（1）切換（Handover）

（2）eNB有下行數(shù)據(jù)發(fā)送，但檢測(cè)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(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入

A.eNB向UE發(fā)送RA Preamble assignment

eNB向UE發(fā)送非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入過程需要的Preamble碼和PRACH信道接入資源。若此時(shí)前導(dǎo)碼資源不夠，eNB只能通知UE發(fā)起競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入，方式是將PDCCH格式1a中的Preamble index設(shè)置為全0，UE解碼出的Preamble Index全0后，會(huì)執(zhí)行基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過程。

對(duì)于切換，非競(jìng)爭(zhēng)前導(dǎo)碼通過切換命令發(fā)到UE；而其他的兩種場(chǎng)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(gè)PRACH信道資源，UE在連續(xù)三個(gè)可用的、有PRACH信道資源的子幀中隨機(jī)選擇一個(gè)指定的PRACH信道資源用于承載MSG1。eNB側(cè)MAC處理過程同基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過程。

C.eNB向UE反饋隨機(jī)接入響應(yīng)Radom Access Response

eNB側(cè)MAC處理過程同基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過程