LTE系统架构

层结构

PHY（物理层）进行信道编码和调制后将数据发送到无线接口

MAC（媒体接入控制）负责数据调度和快速重传，MAC主要任务是进行逻辑信道和物理信道间的映射和复用

RLC（无线链路控制）提供可靠的数据传输，实现数据分段和自动重传机制

PDCP（分组数据汇聚协议）主要作用是头压缩，实现加密和完整性保护

RRC（无线资源控制）支持所有终端和e-NodeB间的信令过程，包括移动过程和终端连接管理

NAS（非接入层）完全独立于接入技术的功能和过程，包括会话管理、用户管理、安全管理和计费

网络结构

MME

信令处理、移动性管理

•       NAS信令加密和完整性保护

•       跟踪区域列表的管理

•       P-GW和S-GW的选择

•       跨MME切换时对于MME的选择

•       向2G/3G切换过程中SGSN的选择

•       鉴权、漫游控制以及承载管理

•       不同接入网络的核心网络节点之间的移动性管理

•       信令面的合法监听

Serving Gateway

•       分组路由和转发功能

•       IP头压缩

•       IDLE态终结点，下行数据缓存

•       E-NodeB间切换的锚点

•       基于用户和承载的计费

•       路由优化和用户漫游时QoS和计费策略实现功能

PDN Gateway

•       分组路由和转发

•       3GPP和非3GPP网络间的Anchor功能[HA功能]

•       UE IP地址分配，接入外部PDN的网关功能

•       计费和QoS策略执行功能

•       基于业务的计费

PCRF：策略和计费控制单元

•       在非漫游场景时，在HPLMN中只有一个PCRF跟UE的IP-CAN会话相关。PCRF终结Rx接口和Gx接口

•       在漫游场景时，并且业务流是local breakout时，有两个PCRF跟一个UE的IP-CAN会话相关

HSS：用户归属寄存器

•       存储了LTE/SAE网络中用户所有与业务相关的数据

SGSN：Serving GPRS Support Node

•       GPRS服务支持节点，它通过Gb接口与GERAN网络BSC的连接，或通过Iu-PS口与UTRAN网络RNC连接，进行移动数据的管理

关键技术

高阶调制对吞吐量的改善

高阶调制增益受信道条件影响较大

l    PA3 Channel (64QAM vs 16QAM)         PA3或PB3是协议设计的某种信道环境   

p   小区边缘: 0% 增益。            PA是：Pedestrian（步行） A

p   小区中心: 0%~10% 增益。        PB是Pedestrian B

p   靠近基站: 30%~50% 增益。       3指UE移动速度3km/h

l  PB3 Channel (64QAM vs 16QAM)            PB3比PA3信道环境更恶劣

p   小区边缘: 0% 增益。             PB3比PA3时延更长，干扰更大

p   小区中心: 0% 增益。

p   靠近基站: 10%~20% 增益。

自适应调制和编码（AMC）

信道质量的信息反馈 Channel Quality Indicator （CQI）

–      UE测量信道质量，并报告（每1ms或者是更长的周期）给eNodeB

–      eNodeB基于CQI来选择调制方式，数据块的大小和数据速率

HARQ

混合HARQ

–  接收端接收数据块，并解编码

–  根据CRC解校验，得到误块率

–  如果误块率较高

•    暂时保存错误的数据块

•    接收端要求发送端重发

•    接收端将暂存的数据块和重发的数据混合后再解编码

OFDM

OFDM：Orthogonal Frequency Division  Multiplexing正交频分复用     有效的克服多径效应

下行：OFDMA

上行：SC-FDMA

OFDM技术的优势                                OFDM技术的不足

•       频谱效率高                                  峰均比高

•       带宽扩展性强                                对频率偏移特别敏感

•       抗多径衰落                                  多小区多址和干扰抑制

•       频域调度和自适应                           

•       实现MIMO技术较为简单                     

应对符号间干扰-插入CP

MIMO

传输模式

•       TM1  单天线端口传输：主要应用于单天线传输的场合

•       TM2  发送分集模式：适合于小区边缘信道情况比较复杂，干扰较大的 

             情况，有时候也用于高速的情况，分集能够提供分集增益

•       TM3  开环空间分集：合适于终端高速移动的情况

•       TM4  闭环空间分集：适合于信道条件较好的场合，用于提供高的数据率传输

•       TM5  MU-MIMO传输模式：主要用来提高小区的容量

•       TM6  Rank1的传输：主要适合于小区边缘的情况

•       TM7  单流Beamforming模式：主要也是小区边缘，能够有效对抗干扰

•       TM8  双流Beamforming模式： 可以用于小区边缘也可以应用于其他场景

•       TM9  传输模式9是LTE-A中新增加的一种模式，可以支持最大到8层的传输，主 

                     要为了提升数据传输速率

从MIMO的效果分类：

p  传输分集（Transmit Diversity）

n  利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，发射或接收一个数据流，避免单个信道衰落对整个链路的影响。

p  波束赋形（Beamforming）

n  利用较小间距的天线阵元之间的相关性，通过阵元发射的波之间形成干涉，集中能量于某个（或某些）特定方向上，形成波束，从而实现更大的覆盖和干扰抑制效果。

p  空间复用（Spatial Multiplexing）

n  利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，向一个终端/基站并行发射多个数据流，以提高链路容量（峰值速率）。

p  空分多址（SDMA）

n  利用较大间距的天线阵元之间或赋形波束之间的不相关性，向多个终端并向发射数据流，或从多个终端并行接收数据流，以提高用户容量。

SON（自组织网络）

•       主要功能

–      自配置

–      ANR（自动邻区规划）

–      MRO（切换自优化）

LTE入网流程

                          PLMN搜索（小区搜索）：当UE开机后，它的首要任务就是找到网络并和网络取得联系。实质是一个下行同步过程。

                          系统消息接收：对L2、L1进行配置，才能进行后续准入和驻留的流程。

                       随机接入：解决不同UE间的竞争，取得上行同步。

Attach：建立UE与MME之间相同的移动性上下文，UE和PDN GW之间的缺省承载。通过EPS  ATTACH流程，UE还可以获取到网络分配的IP地址。

小区搜索

小区初搜基本流程

l  1）检测PSS，获得5ms定时，并获得小区ID

l  2）检测SSS，获得10ms定时，并获得小区组ID

l  3）按照以上两步的结果经过计算得到CELL_ID（PCI）

l  4）在固定的时频位置上接收并解码PBCH，得到主信息块MIB，包含公共天线端口    

数目、SFN（子帧号）、下行系统带宽、PHICH配置信息

l  5）在下行子帧内接收使用SI-RNTI标识的PDCCH信令调度的系统信息块SIB

a)       UE开机时并不知道系统带宽的大小，但它知道自己支持的频带和带宽，UE一开机，就会在可能存在LTE小区的几个中心频点上接收数据并计算带宽RSSI，以接收信号强度来判断这个频点周围是否可能存在小区(应该说只是可能)，如果UE能保存上次关机时的频点和运营商信息，则开机后可能会先在上次驻留的小区上尝试驻留；如果没有先验信息，则很可能要全频段搜索，发现信号较强的频点，再去尝试驻留。

b)       要完成小区搜索，仅仅接收PBCH是不够的，还需要接收SIB，即UE接收承载在PDSCH上的BCCH信息。为此必须进行如下操作：  a) 接收PCFICH，此时该信道的时频资源就是固定已知的了，可以接收并解析得到PDCCH的symbol数目；  b) 接收PHICH，根据PBCH中指示的配置信息接收PHICH；  c) 在控制区域内，除去PCFICH和PHICH的其他CCE上，搜索PDCCH并做译码；  d) 检测PDCCH的CRC中的RNTI，如果为SI-RNTI，则说明后面的PDSCH是一个SIB，于是接收PDSCH，译码后将SIB上报给高层协议栈；  e)不断接收SIB，HLS会判断接收的系统消息是否足够，如果足够则停止接收SIB 至此，小区搜索过程才差不多结束。

LTE小区搜索优点 

l   预先固定小区搜索频段

l  无论小区采用何种传输带宽，用户终端只需要利用中央频段就能快速获得小区信息

随机接入

随机接入是UE和网络之间建立无线链路的必经过程，只有在随机接入完成之后，eNB和UE之间才能正常进行数据互操作

竞争的随机接入流程

p  UE端通过在特定的时频资源上，发送可以标识其身份的preamble序列，进行上行同步

p  基站端在对应的时频资源对preamble序列进行检测，完成序列检测后，发送随机接入响应。

p  UE端在发送preamble序列后，在后续的一段时间内检测基站发送的随机接入响应

UE在检测到属于自己的随机接入响应，该随机接入响应中包含UE进行上行传输的资源调度信息

p  基站发送冲突解决响应，UE判断是否竞争成功

竞争随机接入场景

（1）UE的初始接入（Initial access from RRC_IDLE）。此时RRC层的状态为RRC_IDLE，UE需要CONNECTION REQUEST，而eNB无法知道，因此需要UE执行竞争接入过程。

（2）UE的重建（RRC Connection Re-establishment procedure）。重建的原因有多种，比如UE侧的RLC上行重传达到最大次数，就会触发重建，此时eNB也不知道UE的重建状态，也需要UE执行竞争接入过程。

（3）UE有上行数据发送，但检测到上行失步（UL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure when UL synchronisation status is "non-synchronised"）。这个情况与初始接入类似，eNB无法知道UE什么时候有上行业务要做，因此需要UE执行竞争接入过程。

（4）UE有上行数据发送，但没有SR资源（UL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure when there are no PUCCH resources for SR available"）。一般的，如果没有UL_GRANT用于发送BSR，UE会通过SR发送上行资源申请，但如果也没有SR资源，则只能通过竞争接入过程申请UL_GRANT。此时，eNB显然也不知道UE是否有上行数据发送。

（5）如果非竞争接入过程中，eNB发现没有了非竞争资源，此时也会转到竞争接入过程（定位过程除外）。

LTE汇总.docx

                Msg1   Random Access Preamble

            随机接入前导序列码集合是由物理层生成的最大数目为64个Zadoff-Chu序列及其移位序列组成。

eNB侧的RRC分配部分或全部Preamble序列的索引值用于竞争随机接入，并通过系统信息SIB2广播到UE。UE随机接入需要的PRACH物理信道资源如PRACH个数和时频位置等也由RRC通过系统消息SIB2广播到UE。

（1）       UE侧的RRC收到SIB2后，解析出其中的Preamble信息并配置到MAC

（2）       由MAC根据路损等信息在Preamble集合中随机选择一个Preamble索引配置给物理层

（3）       物理层根据MAC的Preamble索引，通过查表/公式生成有效的Preamble ZC序列并发送到eNB

                Msg2   Random Access Response

           eNB会在PRACH中盲检测前导码，如果eNB检测到了随机接入前导序列码Radom Access Preamble，则上报给MAC，后续会在随机接入响应窗口内，在下行共享信道PDSCH中反馈MAC的随机接入响应Radom Access Response。解码PDSCH信道内容，需要UE先通过RA-RNTI解码出PDCCH资源分配信息，然后继续解码PDSCH信道内容。而RA-RNTI是由承载MSG1的PRACH时频资源位置确定的，UE和eNB均可以计算出RA-RNTI值，因此空口中并不需要传输RA-RNTI。

Msg3   Scheduled Transmission

           UE根据RA Response中的TA调整量可以获得上行同步，并在eNB为其分配的上行资源中传输MSG3，以便进行后续的数据传输。

             MSG3可能携带RRC建链消息（RRC Connection Request），也可能携带RRC重建消息（RRC Connection Re-establishment Request ）。

Msg3   Connection Resolution

           eNB和UE最终通过MSG4完成竞争解决

非竞争随机接入流程

非竞争随机接入是UE根据eNB的指示，在指定的PRACH信道资源上使用指定的Preamble码发起的随机接入，适用于

（1）切换（Handover）

（2）eNB有下行数据发送，但检测到上行失步（DL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure when UL synchronisation status is “non-synchronised”）。

（3）定位过程。------只有非竞争随机接入

A.eNB向UE发送RA Preamble assignment

eNB向UE发送非竞争随机接入过程需要的Preamble码和PRACH信道接入资源。若此时前导码资源不够，eNB只能通知UE发起竞争随机接入，方式是将PDCCH格式1a中的Preamble index设置为全0，UE解码出的Preamble Index全0后，会执行基于竞争的随机接入过程。

对于切换，非竞争前导码通过切换命令发到UE；而其他的两种场景，需要通过CRNTI加扰的DCI1A发到UE。

B.UE向eNB发送Preamble码

如果指定了多个PRACH信道资源，UE在连续三个可用的、有PRACH信道资源的子帧中随机选择一个指定的PRACH信道资源用于承载MSG1。eNB侧MAC处理过程同基于竞争的随机接入过程。

C.eNB向UE反馈随机接入响应Radom Access Response

eNB侧MAC处理过程同基于竞争的随机接入过程