了解LTE的系统架构

理解TD-LTE的三个核心技术

掌握物理层帧结构

了解LTE的演进过程

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2G的多址方式重点突出的是TDMA(时分多址)

3G的多址方式重点突出的是CDMA(码分多址)

3.9/4G的多址方式重点突出的是OFDMA(正交频分多址)

3G各种制式峰值速率及小区吞吐量

制式 峰值速率 小区吞吐量
WCDMA 5.76/14.4Mbps 1.5/3Mbps
TD-SCDMA 0.55/1.68Mbps 0.36/1Mbps
CDMA 2000 1.8/3.1Mbps 0.4/0.8Mbps

3.9G各种制式峰值速率

制式 上行峰值速率(20MHz) 下行峰值速率(20MHz)
FDD 50Mbps 150Mbps
TDD 10Mbps 110Mbps

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4G峰值速率:500M~1Gbps

4G出现之前为什么会出现3.9G?

解析:4G在研发的过程当中遇到了一个大的竞争对手WiMAX,WiMAX主要研发的是在一个比较宽的带宽里面如何能够做到城市里面的用户移动化的去进行系统的应用。为了缓解一个较大的冲击,所以3GPP从4G研发过程当中抽身推出了3.9G。


同样是LTE的系统,为什么FDD的峰值速率比TDD的峰值速率要高呢?

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1、FDD是上下行对称的,TDD上下行是非对称的

2、TDD有SA和SSP设置,FDD没有。

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峰值速率要求:20M带宽下,下行速率能够达到100Mbps,上行速率能够达到50Mbps。

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控制面的延迟从驻留状态到激活状态下的延迟需低于100ms。

想要给用户带来更好的体验,需要从以下两点来考虑:

  1. 速率:

$$
C = B·log_2(1+\frac{S}{N})
$$

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B:信道带宽
S:信号的平均功率
N:噪声平均功率
S/N:信噪比

提高用户速率有两种方法:

  • 提高带宽(B),2G系统里面带宽为200KHz,3G(TD-SCDMA)固定的带宽为1.6MHz,4G(LTE)最高可以达到20MHz。
  • 提高信噪比,即降低干扰,降低干扰有很多方式,例如MIMO技术的波束赋形。
  1. 降低时延。

什么是LTE?

LTE是Long Term Evolution的缩写,即长期演进。

LTE是3GPP制定的下一代无线通信标准。

TD-LTE是LTE的TDD模式。

LTE是以OFDMA为核心的技术,为了降低用户面的延迟,取消了无线网络控制器(RNC),采用了扁平网络架构。


LTE有两种双工方式:TDD(TD-LTE)和FDD(LTE FDD)。

FDD(频分双工):上行和下行是不同的频段。

TDD(时分双工):上行和下行共享同一个频段。


4G技术的特点:大带宽,高速率。


4G网络与3G网络的区别?

  • 核心网只有PS域
  • 控制与承载相分离应用于PS域中:

系统容量和性能需求

名称 需求
峰值数据率 20MHz系统带宽下,下行瞬间峰值速率100Mbps(频谱效率2.5bps/Hz),上行瞬间峰值速率50Mbps(频谱效率2.5bps/Hz)
控制面延迟 从驻留状态转换到激活状态的时延小于100ms。
从睡眠状态转换到激活状态的时延小于50ms。
用户面延迟 零负载(单用户/单数据流),小IP分组条件下时延小于5ms。
控制面容量 每个小区在5MHz带宽下最少支持200个用户。
用户吞吐量 下行每兆赫兹平均用户吞吐量为R6 HSDPA的3~4倍;上行每兆赫兹平均用户吞吐量为R6 HSUPA的2~3倍。
频谱效率 在真实负载的网络中,下行频谱效率为R6 HSPDA的3~4倍;上行频谱效率为R6 HSUPA的2~3倍。

UE的两种状态

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Idle态:RRC建立连接没有成功,则处于Idle态。
connected态:RRC连接成功,UE就会进入连接态。

系统部署和无线资源管理需求

频谱灵活性:支持不同大小的频带尺寸,从1.4~20MHz。

与3GPP无线接入技术的共存和互操作:和GERAN/UTRAN系统可以邻频共站址共存;支持UTRAN/GERAN操作的E-UTRAN终端应支持对UTRAN/GERAN的测量,以及E-UTRAN和UTRAN/GERAN之间的切换。实时业务在E-UTRAN和UTRAN/GERAN之间的切换中断时间小于300ms。

系统架构和演进:单一基于分组的E-UTRAN系统架构,通过分组架构支持实时业务和会话业务最大限度的避免淡点失败;支持端到端QoS,优化回转通信协议。

无线资源管理:增强的端到端QoS;有效支持高层传输;支持不同的无线接入技术之间的负载均衡和政策管理。


TD-LTE核心技术

MIMO技术

多进多出(MIMO)是为极大地提高信道容量,在发送端和接收端都使用多根天线,在收发之间构成多个信道的天线系统。MIMO系统的一个明显特点就是具有极高的频谱利用效率,在对现有频谱资源充分利用的基础上通过利用空间资源来获取可靠性与有效性两方面增益,其代价是增加了发送端与接收端的处理复杂度。大规模MIMO技术采用大量天线来服务数量相对较少的用户,可以有效提高频谱效率。

扁平网络

删除了RNC网络单元,网络组成减少,时延就降低了。

频分多址系统

OFDMA技术与OFDM技术相比,每个用户可以选择信道条件较好的子信道进行数据传输,而不像OFDM技术在整个频带内发送,从而保证了各个子载波都被对应信道条件较优的用户使用,获得了频率上的多用户分集增益。在OFDMA中,一组用户可以同时接入到某一信道。

干扰抑制技术ICIC

小区在进行同频组网的过程中,不同的小区之间可以通过信息的交互来了解到这些同频资源当中哪些资源收到的干扰较高,那么在本小区进行资源分配的时候尽量避开这些高干扰的资源,从而降低小区间的干扰来提高用户的感知。


E-UTRAN扁平网络架构

  • 取消RNC(中央控制节点),只保留一层RAN节点——eNodeB
  • NodeB和核心网采用基于IP路由的灵活多重连接——S1-flex接口
  • 相邻eNodeB采用Mesh连接——X2接口
  • 扁平网络架构,减少设备投入
  • 减少接口数量,IP的网络接口
  • 增强的端对端QoS

UE:终端

eNodeB:LTE系统中基站称之为eNodeB

NodeB:3G里面基站称之为NodeB

E-UTRAN:基站之间构成了一个网络,称之为无线接入网(E-UTRAN)

EPC:核心分组网演进,4G的核心网


LTE网元功能

eNodeB

具有现3GPP NodeB全部和RNC大部分功能,包括:

  • 物理层功能
  • MAC,RLC,PDCP功能
  • RRC功能
  • 资源调度和无线资源管理
  • 无线接入控制
  • 移动性管理

MME

  • NAS信令以及安全性功能
  • 3GPP接入网络移动性导致的CN节点间信令
  • 空闲模式下UE跟踪和可达性
  • 漫游
  • 鉴权
  • 承载管理功能(包括专用承载的建立)

SGW

  • 支持UE的移动性切换用户面数据的功能
  • E-UTRAN空闲模式下行分组数据缓存和寻呼支持
  • 数据包路由和转发
  • 上下行传输层数据包标记

PGW

  • 基于用户的包过滤
  • 合法监听
  • IP地址分配
  • 上下行传输层数据包标记
  • DHCPv4和DHCPv6(client,relay,server)

LTE各种接口协议


承载用户业务分类

  • 话音类业务:例如打电话,此类业务时延要求高
  • 交互类:例如网络游戏,此类业务对丢包率要求很高
  • 流类:例如视频点播下载
  • 背景类:例如收发电子邮件,此类业务对丢包率要求很高

E-UTRAN

eNodeB功能划分

  • PHY(物理层):负责处理编译码、调制解调、多天线映射以及其它电信物理层功能。物理层以传输信道的方式为MAC层提供服务。
  • MAC(媒体接入控制层):负责处理HARQ重传与上下行调度。MAC层将以逻辑信道的方式为RLC层提供服务。
  • RLC(无线链路控制层):负责分段与连接、重传处理,以及对高层数据的顺序传送。与UMTS系统不同,LTE系统的RLC协议位于eNodeB,这是因为在LTE系统对无线接入网的架构进行了扁平化,仅仅只有一层节点eNodeB。RLC层以无线承载的方式为PDCP层提供服务,其中,每个终端的每个无线承载配置一个RLC实体。
  • PDCP:提供加密和完整性保护功能。负责执行头压缩以减少无线接口必须传送的比特流量。头压缩机制基于ROHC,ROHC是一个标准的头压缩算法,已被应用于UMTS及多个移动通信规范中。PDCP层同时负责传输数据的加密和完整性保护功能;在接收端,PDCP协议将负责执行解密及解压缩功能。对于一个终端每个无线承载有一个PDCP实体。
  • RRC:RRC层协议终止于eNodeB,主要提供广播、寻呼、RRC连接管理、无线承载(RB)控制、移动性管理、UE测量上报和控制等功能。
  • 动态资源分配(调度集)
  • eNodeB测量配置与提供
  • 无线许可控制
  • 连接移动性控制
  • 无线承载控制
  • 小区间RRM

EPC

MME主要功能

  • NAS安全性
  • Idle状态移动性管理
  • EPS承载控制

SGW主要功能

  • 移动性锚定

PGW主要功能

  • UE IP地址分配
  • 包过滤

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