LTE快速指南

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LTE概述

LTE代表长期演进，它是由被称为第三代合作伙伴计划（3GPP）的电信机构于2004年启动的一个项目。SAE（系统架构演进）是GPRS/3G分组核心网络演进的相应演进。术语LTE通常用于表示LTE和SAE。

LTE发展自早期的3GPP系统，称为通用移动通信系统（UMTS），而UMTS又发展自全球移动通信系统（GSM）。甚至相关的规范也被正式称为演进的UMTS陆地无线接入（E-UTRA）和演进的UMTS陆地无线接入网络（E-UTRAN）。LTE的第一个版本记录在3GPP规范的第8版中。

移动数据使用量的快速增长以及MMOG（多媒体在线游戏）、移动电视、Web 2.0、流媒体内容等新应用的出现，促使第三代合作伙伴计划（3GPP）致力于长期演进（LTE），迈向第四代移动。

LTE的主要目标是提供一种高数据速率、低延迟和面向分组的无线接入技术，支持灵活的带宽部署。同时，其网络架构的设计目标是支持分组交换流量，实现无缝移动性和卓越的服务质量。

LTE演进

关于LTE的事实

• LTE不仅是UMTS的后续技术，也是CDMA 2000的后续技术。

• LTE很重要，因为它将使蜂窝网络的性能提高多达50倍，并显著提高频谱效率。

• 引入LTE是为了获得更高的数据速率，峰值下行链路300Mbps，峰值上行链路75 Mbps。在20MHz载波下，在信号条件非常好的情况下，可以实现超过300Mbps的数据速率。

• LTE是支持语音通话（VOIP）、流媒体、视频会议甚至高速蜂窝调制解调器等服务的高数据速率的理想技术。

• LTE使用时分双工（TDD）和频分双工（FDD）模式。在FDD中，上行链路和下行链路传输使用不同的频率，而在TDD中，上行链路和下行链路都使用相同的载波，并在时间上分离。

• LTE支持灵活的载波带宽，从1.4 MHz到20 MHz，以及FDD和TDD。LTE设计了一个可扩展的载波带宽，从1.4 MHz到20 MHz，使用的带宽取决于频段和网络运营商可用的频谱数量。

• 所有LTE设备都必须支持（MIMO）多输入多输出传输，这允许基站同时通过同一载波传输多个数据流。

• LTE中网络节点之间所有接口现在都是基于IP的，包括到无线基站的后传连接。与早期基于E1/T1、ATM和帧中继链路的技术相比，这是一个很大的简化，其中大多数是窄带且昂贵的。

• 在所有接口上都标准化了服务质量（QoS）机制，以确保当容量限制达到时，语音呼叫对恒定延迟和带宽的要求仍然可以满足。

• 与GSM/EDGE/UMTS系统一起工作，利用现有的2G和3G频谱以及新频谱。支持切换和漫游到现有的移动网络。

LTE的优势

• 高吞吐量：在下行链路和上行链路中都可以实现高数据速率。这导致高吞吐量。

• 低延迟：连接到网络所需的时间在几百毫秒的范围内，并且现在可以非常快速地进入和退出省电状态。

• 同一平台上的FDD和TDD：频分双工（FDD）和时分双工（TDD）这两种方案都可以在同一平台上使用。

• 卓越的最终用户体验：连接建立和其他空中接口和移动性管理过程的优化信令进一步改善了用户体验。延迟降低（至10毫秒）以获得更好的用户体验。

• 无缝连接：LTE还将支持与现有网络（如GSM、CDMA和WCDMA）的无缝连接。

• 即插即用：用户不必手动安装设备驱动程序。相反，系统会自动识别设备，并在需要时加载新的硬件驱动程序，并开始使用新连接的设备。

• 简单的架构：由于架构简单，运营支出（OPEX）低。

LTE - QoS

LTE架构支持硬QoS，具有端到端的服务质量和无线承载的保证比特率（GBR）。就像以太网和互联网具有不同类型的QoS一样，例如，可以对不同应用程序的LTE流量应用各种级别的QoS。由于LTE MAC是完全调度的，因此QoS非常自然。

演进分组系统（EPS）承载与RLC无线承载一一对应，并支持流量流模板（TFT）。EPS承载有四种类型

• GBR承载资源由接入控制永久分配

• 非GBR承载无接入控制

• 专用承载与特定TFT（GBR或非GBR）相关联

• 默认承载非GBR，万能用于未分配的流量

LTE基本参数

本节将总结LTE的基本参数

E-UTRA工作频段

以下是取自LTE规范36.101(v860)表5.5.1的E-UTRA工作频段表

LTE网络架构

LTE的高级网络架构由以下三个主要组件组成

• 用户设备（UE）。

• 演进的UMTS陆地无线接入网络（E-UTRAN）。

• 演进的分组核心（EPC）。

演进的分组核心与外部世界的分组数据网络（如互联网、私有企业网络或IP多媒体子系统）通信。系统不同部分之间的接口分别表示为Uu、S1和SGi，如下所示

用户设备（UE）

LTE用户设备的内部架构与UMTS和GSM使用的架构相同，实际上是一个移动设备（ME）。移动设备包含以下重要模块

• 移动终端（MT）：处理所有通信功能。

• 终端设备（TE）：终止数据流。

• 通用集成电路卡（UICC）：这也被称为LTE设备的SIM卡。它运行一个称为通用用户识别模块（USIM）的应用程序。

USIM存储用户特定的数据，非常类似于3G SIM卡。它保存有关用户电话号码、归属网络标识和安全密钥等信息。

E-UTRAN（接入网络）

演进的UMTS陆地无线接入网络（E-UTRAN）的架构如下所示。

E-UTRAN处理移动设备和演进分组核心之间的无线通信，只有一个组件，即演进的基站，称为eNodeB或eNB。每个eNB都是一个基站，控制一个或多个小区中的移动设备。与移动设备通信的基站称为其服务eNB。

LTE移动设备一次只与一个基站和一个小区通信，eNB支持以下两个主要功能

• eNB使用LTE空中接口的模拟和数字信号处理功能向所有移动设备发送和接收无线传输。

• eNB通过发送信令消息（如切换命令）来控制其所有移动设备的低级操作。

每个eNB通过S1接口连接到EPC，还可以通过X2接口连接到附近的基站，X2接口主要用于切换期间的信令和分组转发。

家庭eNB（HeNB）是用户购买的基站，用于在家中提供微小区覆盖。家庭eNB属于封闭用户组（CSG），并且只能被也属于封闭用户组的USIM的移动设备访问。

演进的分组核心（EPC）（核心网络）

演进的分组核心（EPC）的架构如下所示。为了简化起见，图中没有显示一些其他组件。这些组件如地震和海啸预警系统（ETWS）、设备标识寄存器（EIR）和策略控制和计费规则功能（PCRF）。

以下是上面架构中所示的每个组件的简要说明

• 家庭用户服务器（HSS）组件是从UMTS和GSM中继承过来的，是一个中央数据库，包含有关所有网络运营商用户的信息。

• 分组数据网络（PDN）网关（P-GW）使用SGi接口与外部世界（即分组数据网络PDN）通信。每个分组数据网络都由一个接入点名称（APN）标识。PDN网关的作用与UMTS和GSM中的GPRS支持节点（GGSN）和服务GPRS支持节点（SGSN）相同。

• 服务网关（S-GW）充当路由器，并在基站和PDN网关之间转发数据。

• 移动性管理实体（MME）通过信令消息和家庭用户服务器（HSS）控制移动设备的高级操作。

• 策略控制和计费规则功能（PCRF）是上面图中未显示的组件，但它负责策略控制决策，以及控制策略控制执行功能（PCEF）中的基于流的计费功能，PCEF驻留在P-GW中。

服务网关和PDN网关之间的接口称为S5/S8。它有两个略微不同的实现，如果这两个设备在同一个网络中，则称为S5；如果它们在不同的网络中，则称为S8。

E-UTRAN和EPC之间的功能分割

下图显示了LTE网络中E-UTRAN和EPC之间的功能分割。

2G/3G与LTE

下表比较了2G/3G和LTE中使用的各种重要的网络元素和信令协议。

LTE漫游架构

一个运营商在一个国家运营的网络称为公共陆地移动网络（PLMN），当订阅用户使用其运营商的PLMN时，则称其为归属PLMN，但漫游允许用户移动到其归属网络之外，并使用其他运营商网络的资源。这个其他网络称为被访问PLMN。

漫游用户连接到被访问LTE网络的E-UTRAN、MME和S-GW。但是，LTE/SAE允许使用被访问网络或归属网络的P-GW，如下所示

归属网络的P-GW允许用户即使在被访问网络中也能访问归属运营商的服务。被访问网络中的P-GW允许“本地出口”到被访问网络中的互联网。

服务网关和PDN网关之间的接口称为S5/S8。它有两个略微不同的实现，如果这两个设备在同一个网络中，则称为S5；如果它们在不同的网络中，则称为S8。对于没有漫游的移动设备，服务网关和PDN网关可以集成到单个设备中，这样S5/S8接口就会完全消失。

LTE漫游计费

支持4G漫游所需的新计费机制的复杂性比3G环境中要丰富得多。下面简要介绍了LTE漫游的预付费和后付费计费。

• 预付费计费 - 在3G中启用预付费服务的CAMEL标准在LTE中不受支持；因此，必须将预付费客户信息路由回归属网络，而不是由本地被访问网络处理。因此，运营商必须依靠新的计费流程来访问预付费客户数据，例如通过其在IMS和非IMS环境中的P-网关或通过IMS环境中的CSCF。

• 后付费计费 - 后付费数据使用计费在LTE中的工作方式与3G相同，使用TAP 3.11或3.12版本。对于IMS服务的本地出口，需要TAP 3.12。

在本地出口场景中，运营商对用户活动的可见性不如家庭路由场景中那样多，因为用户数据会话保留在被访问网络中；因此，为了让归属运营商捕获预付费和后付费客户的实时信息，它必须在计费系统和被访问网络的P-网关之间建立Diameter接口。

在IMS服务的本地出口场景中，被访问网络从S-网关创建呼叫详细记录（CDR），但是，这些CDR不包含创建TAP 3.12移动会话或服务使用消息事件记录所需的所有信息。因此，运营商必须将核心数据网络CDR与IMS CDR相关联以创建TAP记录。

LTE编号和寻址

LTE网络区域划分为三种不同类型的地理区域，如下所述

因此，LTE网络将包含许多MME池区域、许多S-GW服务区域和许多跟踪区域。

网络ID

网络本身将使用公共陆地移动网络标识（PLMN-ID）进行识别，该标识将具有三位移动国家代码（MCC）和两位或三位移动网络代码（MNC）。例如，英国的移动国家代码为234，而沃达丰的英国网络使用15的移动网络代码。

MME ID

每个MME具有三个主要标识。MME代码（MMEC）在所有池区域中唯一标识MME。一组MME被分配一个MME组标识（MMEGI），它与MMEC一起构成MME标识符（MMEI）。MMEI在特定网络中唯一标识MME。

如果我们将PLMN-ID与MMEI组合，则得到全局唯一MME标识符（GUMMEI），它标识世界任何地方的MME

跟踪区域ID

每个跟踪区域有两个主要标识。跟踪区域代码（TAC）标识特定网络中的跟踪区域，如果将其与PLMN-ID组合，则得到全局唯一跟踪区域标识（TAI）。

小区ID

网络中的每个小区具有三种类型的标识。E-UTRAN小区标识（ECI）标识特定网络中的小区，而E-UTRAN小区全局标识符（ECGI）标识世界任何地方的小区。

物理小区标识，它是一个从0到503的数字，它将小区与其直接邻居区分开来。

移动设备ID

国际移动设备标识（IMEI）是移动设备的唯一标识，国际移动用户标识（IMSI）是UICC和USIM的唯一标识。

临时移动用户标识（M-TMSI）将移动设备标识给其服务MME。在M-TMSI中添加MME代码会产生临时移动用户标识（S-TMSI），它标识MME池区域中的移动设备。

最后，将MME组标识和PLMN标识与S-TMSI一起添加会产生全局唯一临时标识（GUTI）。

LTE无线协议架构

LTE的无线协议架构可以分为控制平面架构和用户平面架构，如下所示

在用户平面方面，应用程序创建由TCP、UDP和IP等协议处理的数据包，而在控制平面中，无线资源控制（RRC）协议编写在基站和移动设备之间交换的信令消息。在这两种情况下，信息都由分组数据收敛协议（PDCP）、无线链路控制（RLC）协议和介质访问控制（MAC）协议处理，然后传递给物理层进行传输。

用户平面

eNode B和UE之间的用户平面协议栈包含以下子层

• PDCP（分组数据收敛协议）

• RLC（无线链路控制）

• 介质访问控制（MAC）

在用户平面上，核心网络（EPC）中的数据包封装在特定的EPC协议中，并在P-GW和eNodeB之间进行隧道传输。根据接口使用不同的隧道协议。GPRS隧道协议（GTP）用于eNodeB和S-GW之间的S1接口以及S-GW和P-GW之间的S5/S8接口。

层接收到的数据包称为服务数据单元（SDU），而层的输出数据包称为协议数据单元（PDU），用户平面上的IP数据包从上到下层流动。

控制平面

控制平面还包括无线资源控制层（RRC），它负责配置下层。

控制平面处理特定于无线的功能，这些功能取决于用户设备的状态，包括两种状态：空闲或连接。

UE和MME之间控制平面的协议栈如下所示。栈的灰色区域表示接入层（AS）协议。除控制平面没有报头压缩功能外，下层执行与用户平面相同的功能。

LTE协议栈层

让我们仔细看看E-UTRAN协议栈中所有可用的层，我们在上一章中已经看到过。以下是E-UTRAN协议栈的更详细的图。

物理层（第1层）

物理层通过空中接口承载来自MAC传输信道的所有信息。负责链路自适应（AMC）、功率控制、小区搜索（用于初始同步和切换目的）以及其他测量（在LTE系统内部和系统之间）以供RRC层使用。

介质访问层（MAC）

MAC层负责逻辑信道与传输信道之间的映射，将来自一个或多个逻辑信道的MAC SDU复用到要发送到物理层的传输块(TB)上，将来自一个或多个逻辑信道的MAC SDU从物理层发送的传输块(TB)中解复用，调度信息报告，通过HARQ进行纠错，通过动态调度处理UE之间的优先级，处理一个UE的逻辑信道之间的优先级，逻辑信道优先级。

无线链路控制(RLC)

RLC有三种工作模式：透明模式(TM)、无确认模式(UM)和确认模式(AM)。

RLC层负责传输上层PDU，通过ARQ进行纠错（仅限于AM数据传输），RLC SDU的连接、分段和重组（仅限于UM和AM数据传输）。

RLC还负责RLC数据PDU的重新分段（仅限于AM数据传输），RLC数据PDU的重新排序（仅限于UM和AM数据传输），重复检测（仅限于UM和AM数据传输），RLC SDU丢弃（仅限于UM和AM数据传输），RLC重新建立和协议错误检测（仅限于AM数据传输）。

无线资源控制(RRC)

RRC子层的服务和功能主要包括：广播与非接入层(NAS)相关的系统信息，广播与接入层(AS)相关的系统信息，寻呼，UE与E-UTRAN之间RRC连接的建立、维护和释放，安全功能，包括密钥管理，点到点无线承载的建立、配置、维护和释放。

分组数据汇聚控制(PDCP)

PDCP层负责IP数据的报头压缩和解压缩，数据的传输（用户平面或控制平面），PDCP序列号(SN)的维护，在下层重新建立时上层PDU的按序传递，在下层重新建立时对映射到RLC AM的无线承载的低层SDU进行重复消除，用户平面数据和控制平面数据的加密和解密，控制平面数据的完整性保护和完整性验证，基于定时器的丢弃，重复丢弃，PDCP用于映射到DCCH和DTCH类型逻辑信道的SRB和DRB。

非接入层(NAS)协议

非接入层(NAS)协议构成用户设备(UE)和MME之间控制平面的最高层。

NAS协议支持UE的移动性和会话管理过程，以建立和维护UE与PDN GW之间的IP连接。

LTE层数据流

下面是E-UTRAN协议层的逻辑图，其中描述了数据在各层之间的流动。

层接收到的数据包称为服务数据单元(SDU)，层输出的数据包称为协议数据单元(PDU)。让我们看看数据从上到下的流动。

• IP层将PDCP SDU（IP数据包）提交给PDCP层。PDCP层进行报头压缩，并向这些PDCP SDU添加PDCP报头。PDCP层将PDCP PDU（RLC SDU）提交给RLC层。

  PDCP报头压缩：PDCP从PDU中移除IP报头（最小20字节），并添加1-4字节的标记。这极大地节省了原本需要通过空中传输的报头数量。

  

• RLC层对这些SDU进行分段以生成RLC PDU。RLC根据RLC的工作模式添加报头。RLC将这些RLC PDU（MAC SDU）提交给MAC层。

  RLC分段：如果RLC SDU很大，或者可用的无线数据速率很低（导致传输块很小），则RLC SDU可能会被分成多个RLC PDU。如果RLC SDU很小，或者可用的无线数据速率很高，则多个RLC SDU可能会打包到一个PDU中。

• MAC层添加报头并进行填充，以将此MAC SDU放入TTI中。MAC层将MAC PDU提交给物理层以将其发送到物理信道上。

• 物理信道将这些数据传输到子帧的时隙中。

LTE通信信道

不同协议之间信息流动称为信道和信号。LTE使用几种不同类型的逻辑信道、传输信道和物理信道，它们根据承载的信息类型和信息处理方式进行区分。

• 逻辑信道：定义什么类型的信息通过空中传输，例如流量信道、控制信道、系统广播等。数据和信令消息通过RLC和MAC协议之间的逻辑信道传输。

• 传输信道：定义如何通过空中传输信息，例如使用哪些编码、交织选项来传输数据。数据和信令消息通过MAC和物理层之间的传输信道传输。

• 物理信道：定义在哪里通过空中传输信息，例如DL帧中的前N个符号。数据和信令消息通过物理层的不同层级之间的物理信道传输。

逻辑信道

逻辑信道定义传输的数据类型。这些信道定义了MAC层提供的传输服务。数据和信令消息通过RLC和MAC协议之间的逻辑信道传输。

逻辑信道可以分为控制信道和流量信道。控制信道可以是公共信道或专用信道。公共信道表示小区中所有用户共用（点到多点），而专用信道表示信道只能由一个用户使用（点到点）。

逻辑信道根据它们承载的信息进行区分，可以分为两种。首先，逻辑流量信道在用户平面上承载数据，而逻辑控制信道在控制平面上承载信令消息。下表列出了LTE使用的逻辑信道

传输信道

传输信道定义物理层如何以及以何种特性传输数据。数据和信令消息通过MAC和物理层之间的传输信道传输。

传输信道根据传输信道处理器处理它们的方式进行区分。下表列出了LTE使用的传输信道

物理信道

数据和信令消息通过物理层不同层级之间的物理信道传输，并因此分为两部分

• 物理数据信道

• 物理控制信道

物理数据信道

物理数据信道根据物理信道处理器处理它们的方式以及它们如何映射到正交频分复用(OFDMA)使用的符号和子载波的方式进行区分。下表列出了LTE使用的物理数据信道

传输信道处理器组合几种类型的控制信息，以支持物理层的低层操作。这些信息列在下表中

物理控制信道

传输信道处理器还创建支持物理层低层操作的控制信息，并将此信息以物理控制信道形式发送到物理信道处理器。

信息传输到接收端的传输信道处理器，但对较高层完全不可见。类似地，物理信道处理器创建物理信号，以支持系统的最低层方面。

物理控制信道列在下表中

基站还传输其他两种物理信号，帮助移动设备在首次开机后获取基站。它们被称为主同步信号(PSS)和辅同步信号(SSS)。

LTE OFDM技术

为了克服UMTS中存在的多径衰落问题，LTE在下行链路（即从基站到终端）中使用正交频分复用(OFDM)来传输数据，即在许多带宽为180 KHz的窄带载波上传输数据，而不是将一个信号扩展到整个5MHz载波带宽上，即OFDM使用大量窄带子载波进行多载波传输以承载数据。

正交频分复用(OFDM)是一种频分复用(FDM)方案，用作数字多载波调制方法。

OFDM满足LTE对频谱灵活性的要求，并为具有高峰值速率的超宽载波提供经济高效的解决方案。基本的LTE下行物理资源可以看作是时频网格，如下图所示

OFDM符号被分组到资源块中。资源块在频域上的总大小为180kHz，在时域上的总大小为0.5ms。每个1ms传输时间间隔(TTI)包含两个时隙(Tslot)。

每个用户在时频网格中分配一定数量的所谓资源块。用户获得的资源块越多，以及在资源元素中使用的调制越高，比特率越高。用户在特定时间点获得哪些资源块以及多少资源块，取决于频域和时域中的高级调度机制。

LTE的调度机制与HSPA类似，能够在不同的无线环境中为不同的服务提供最佳性能。

OFDM的优点

• 与单载波方案相比，OFDM的主要优势在于它能够应对严重的信道条件（例如，长铜线中高频的衰减、窄带干扰以及由于多径引起的频率选择性衰落），而无需复杂的均衡滤波器。

• 信道均衡得到了简化，因为OFDM可以被视为使用许多缓慢调制的窄带信号，而不是一个快速调制的宽带信号。

• 较低的符号速率使得在符号之间使用保护间隔变得可行，从而可以消除符号间干扰（ISI）。

• 这种机制还有助于单频网络（SFN）的设计，在单频网络中，几个相邻的发射机同时以相同的频率发送相同的信号，因为来自多个距离较远的发射机的信号可以相加，而不是像传统单载波系统中那样发生干扰。

OFDM的缺点

• 峰均功率比高

• 对频率偏移敏感，因此也对多普勒频移敏感

SC-FDMA技术

LTE在上行链路中使用OFDM的预编码版本，称为单载波频分多址（SC-FDMA）。这样做是为了弥补普通OFDM的一个缺点，即峰均功率比（PAPR）非常高。

高PAPR需要昂贵且效率低下的功率放大器，对线性度的要求很高，这增加了终端的成本并更快地耗尽电池电量。

SC-FDMA通过以某种方式对资源块进行分组来解决这个问题，从而减少了对功率放大器线性度的需求，从而降低了功耗。低PAPR还可以改善覆盖范围和小区边缘性能。

LTE术语表