移動通信技術 課件 周彬 第6-12章 LTE無線網絡系統(tǒng)- - LTE移動通信網絡維護

6.1LTE系統(tǒng)結構

6.2LTE協(xié)議結構

6.3LTE編號和識別

6.4LTE幀結構

6.5無線承載和信道

6.6物理信號

6.7物理層過程

6.8功率控制過程

6.9尋呼過程

6.10測量過程

6.11共享信道物理過程

6.12EPC網絡

6.13LTE網絡下關鍵信令流程

6.14LTE語音解決方案LTE系統(tǒng)分為兩部分，包括演進分組核心網(EPC)和演進UMTS陸地無線接入網(E-UTRAN)，EPC和E-UTRAN合在一起稱為EPS(演進分組系統(tǒng))。演進后的接入網由eNodeB組成，去掉了2G/3G系統(tǒng)中的BSC/RNC功能實體，以減少用戶面和控制面的時延。演進后的核心網EPC主要包括移動管理實體(MME)、業(yè)務網關(S-GW)、分組數據網關(P-GW)、歸屬用戶服務器(HSS)和策略與計費規(guī)則功能單元(PCRF)。EPS的網絡結構如圖6.1(a)所示。EPC提供通向外部數據網絡和運營商業(yè)務的通道，支持多種不同接入技術之間的移動切換。E-UTRAN負責所有激活終端與無線相關的功能。終端直接接入無線網絡的演進基站eNodeB，然后通過EPC獲得相應的服務。E-UTRAN負責所有激活終端與無線相關的功能。終端直接接入無線網絡的演進基站eNodeB，然后通過EPC獲得相應的服務。EPC包括控制平面和用戶平面，移動性管理實體MME是工作在控制平面的節(jié)點。用戶平面由服務網關S-GW和分組數據網網關P-GW組成。P-GW是所有接入技術的通用錨點，無論它們是在一種接入技術之內移動，還是在多種接入技術之間移動，都為所有用戶提供一個穩(wěn)定的IP接入點。S-GW是3GPP移動網絡內的錨點，負責接入eNodeB，為LTE接入用戶的移動提供服務。移動性管理實體功能與網關功能分離，即控制平面/用戶平面分離，有助于網絡部署、單個技術的演進以及全面靈活的擴容。系統(tǒng)架構演進(SAE)是分組交換網(PS)核心網網絡架構向4G演進的工作項目的名稱。它是一個同時支持GSM、WCDMA/HSPA和LTE技術的通用分組核心網，實現(xiàn)用戶在LTE系統(tǒng)和其他系統(tǒng)之間無縫移動，實現(xiàn)從3G到LTE的靈活遷移，也能夠集成采用基于客戶端和網絡的移動IP、WiMAX等的非3GPP接入技術。為了便于理解，可以這么認為：SAE和LTE所研究的對象，分別被稱為EPC和E-UTRAN，這兩個概念構成了我們要學習的4G網絡。6.1LTE系統(tǒng)結構LTE采用了與2G、3G均不同的空中接口技術，即基于OFDM技術的空中接口技術，并對傳統(tǒng)3G的網絡架構進行了優(yōu)化，采用扁平化的網絡架構，亦即接入網E-UTRAN不再包含RNC，僅包含節(jié)點eNodeB，提供E-UTRA用戶面PDCP/RLC/MAC/物理層協(xié)議的功能和控制面RRC協(xié)議的功能，實現(xiàn)了承載控制分離，全IP組網。網絡扁平化指的是無線接入部分從3G時代的RNC與NodeB兩個設備演進為eNodeB一個節(jié)點。用戶面在核心網網絡部分只經過S-GW一個節(jié)點，不再經過對等2G、3G網絡SGSN的MME網元。MME只處理信令相關流程。通過這種結構，移動數據網絡在4G時代實現(xiàn)了承載控制分離。EPC網絡的另一個特點是全面IP化，指的是整個移動數據網絡除空口部分外的其他全部接口均已實現(xiàn)IP化。4G網絡的網絡架構LTE系統(tǒng)結構如圖6.1(b)所示。在日常生活中，UE可看作是我們的手機終端，E-UTRAN可以看作是遍布城市的各個基站，而EPC可以看作是運營商的核心網服務器，核心網包括很多服務器，有處理信令的，有處理數據的，還有處理計費策略的等等。其中，EPC負責核心網部分，EPC控制處理部分稱為MME，數據承載部分稱為S-GW；eNodeB負責接入網部分，也稱E-UTRAN；UE指用戶終端設備。下面詳細地介紹每一個網元的名稱與作用。1.?UE用戶設備UE是指用戶的手機、平板電腦、智能手表，和其他可以利用LTE上網的設備。Release8和Release9版本中分為5個等級，其中，等級5終端能提供的速率最高。Release10版本新增加了3個終端等級。不同等級終端支持的調制方式和接收MIMO空間復用的層數也有所不同。2.?eNBeNB是eNodeB的簡寫，它是LTE網絡中的基站，為用戶提供空中接口(AirInterface)，用戶設備可以通過無線連接到eNB，然后基站再通過有線連接到運營商的核心網。LTE的eNB除了具有原來NodeB的功能之外，還承擔了原來RNC的大部分功能，負責無線資源管理、上下行數據分類和QoS執(zhí)行、空口的數據壓縮和加密。eNB和MME完成信令處理，與S-GW一起完成用戶面數據轉發(fā)等。eNB相當于面向終端的一個匯聚節(jié)點。在這里注意，我們所說的無線通信，僅僅只是手機和基站這一段是無線的，其他部分例如基站與核心網的連接，基站與基站之間互相的連接，核心網中各設備的連接全部都是有線連接。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。3.移動管理實體MMEMME是核心網中最重要的實體之一，主要負責控制面的移動性管理、會話管理、用戶鑒權和密鑰管理、分配用戶臨時身份標識、NAS層信令的加密和完整性保護、TAlist管理、S-GW選擇、漫游控制、合法監(jiān)聽等。MME相當于LTE網絡總的管家，所有的內部事務和外部事務均由MME總體協(xié)調完成。MME功能與網關功能分離，這種控制平面/用戶平面分離的架構，有助于網絡部署、單個技術的演進以及全面靈活的擴容。MME池區(qū)是一個移動臺可通過它移動而不改變MME服務器的地區(qū)。每個池區(qū)由一個或多個MME控制，而每一個基站通過S1-MME接口連接到一個池區(qū)內的所有MME，池區(qū)可以重疊。通常情況下，網絡運營商可能配置一個池區(qū)去覆蓋一個網絡大區(qū)域，例如主城市，當主城市信令負載增加時網絡運營商也會增加MME池區(qū)。4.服務網關S-GWS-GW主要負責UE用戶面處理、路由和數據的轉發(fā)、3GPP定義的不同接入方式間的接入、eNB間切換、分組路由和轉發(fā)功能、IP頭壓縮、IDLE態(tài)終結點、下行數據緩存、基于用戶和承載的計費、路由優(yōu)化和用戶漫游時QoS和計費策略實現(xiàn)功能等。除切換外，對于每個與EPS系統(tǒng)相關聯(lián)的UE，每個時刻僅有一個S-GW為之服務。S-GW服務區(qū)是有一個或多個服務網關的地區(qū)，移動臺通過它可移動而不改變服務網關。每一個基站通過S1-U接口連接到一個服務區(qū)域的所有網關。S-GW服務區(qū)不一定對應MME池區(qū)。MME池區(qū)與S-GW服務區(qū)都是由較小的、不重疊的單元即跟蹤區(qū)域(TA)形成的，這些都是用來追蹤待機和類似于UMTE和GSM定位和路由區(qū)的移動臺位置。5.公共數據網關P-GWP-GW負責用戶數據包與其他網絡的處理。P-GW是整個LTE架構與互聯(lián)網的接口，所以UE如果想訪問互聯(lián)網就必須途經P-GW實體；P-GW作為數據承載的錨點，提供包轉發(fā)、包解析、合法監(jiān)聽、基于業(yè)務的計費、業(yè)務的QoS控制，以及負責和非3GPP網絡間的互聯(lián)等。6.歸屬用戶服務器HSSHSS是EPS中用于存儲用戶簽約和登記信息的服務器，是2G/3G網元HLR的演進和升級，它主要負責管理用戶的簽約數據及移動用戶的位置信息。HSS用于4G網絡，而HLR用于2G/3G網絡。實際部署時，由于HSS與HLR在網絡中功能類似，所存儲數據有較多重復，故多合設，對外呈現(xiàn)為HSS與HLR融合設備。MME要依賴于終端用戶的簽約信息來建立和管理數據連接。MME還要將終端連接到網絡的狀態(tài)記錄到HSS中。HSS中還保存了用戶可接入的外部網絡標識，以接入點名稱(APN)形式記錄。HSS中的認證中心(AuC)負責安全通信的密鑰管理。7.策略與計費規(guī)則功能單元PCRFPCRF完成動態(tài)QoS策略控制和動態(tài)的業(yè)務數據流的計費控制功能，同時還提供基于用戶簽約信息的授權控制功能。P-GW識別業(yè)務流，通知PCRF，PCRF再下發(fā)規(guī)則，決定業(yè)務是否可用，以及提供給該業(yè)務的QoS。6.2LTE協(xié)議結構6.2.1空中接口協(xié)議?？罩薪涌谑侵附K端和接入網之間的接口，通常也稱之為無線接口。通?？湛诙x了基站和終端間的鏈路層和物理層的通信協(xié)議。終端操作系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧封裝好IP數據包后，交付給空口鏈路層協(xié)議棧。鏈路層對IP數據包進行一系列處理，使其安全、可靠、有效地在物理層傳遞，而在空口物理層則定義了無線信號在無線信道的傳輸方式和物理層控制信息的交互方式?？罩薪涌谑侵窾E和eNB之間的接口Uu，通常也稱之為無線接口。由于Uu接口位于終端與基站之間，在這中間，終端跟基站會建立兩種連接，即信令連接和數據連接，信令連接叫做RRCConnection，相應的信令在信令無線承載上進行傳輸，而數據的連接是邏輯信道，相關的數據在數據無線承載(DRB)上傳輸。這兩個連接是終端與網絡進行通信所必不可少的。LTE中，SRB作為一種特殊的無線承載(RB)，僅僅用來傳輸RRC和NAS消息，在協(xié)議36.331中，定義了SRBs的傳輸信道：SRB0用來傳輸RRC消息，在公共(通用)控制信道(CCCH)上傳輸。SRB1用來傳輸RRC消息(也許會包含NAS消息)，在SRB2承載的建立之前，具有比SRB2更高的優(yōu)先級。在專用控制信道(DCCH)上傳輸。SRB2用來傳輸NAS消息，具有比SRB1更低的優(yōu)先級，并且總是在安全模式激活之后才配置SRB2。無線接口協(xié)議主要是用來建立、重配置和釋放各種無線承載業(yè)務的。無線接口協(xié)議棧根據用途分為用戶平面協(xié)議棧和控制平面協(xié)議棧。用戶面的協(xié)議處理用戶感興趣的數據，而控制面的協(xié)議處理只有網絡元素本身感興趣的信令消息。協(xié)議棧有兩個主要的層，上層在特定的LTE操縱信息，下層從一個點向另一個點傳輸信息。這些層在E-UTRAN稱為無線網絡層和傳輸網絡層。協(xié)議有三種類型：(1)信令協(xié)議。信令協(xié)議定義一種兩個設備可以相互交換信令消息的語言。(2)用戶協(xié)議。用戶協(xié)議在用戶名操控數據，最常幫助路由網絡中的數據。(3)底層傳輸協(xié)議。底層傳輸協(xié)議從一個點向另一個點傳輸數據和信令信息?？罩薪涌谳^復雜，MME通過發(fā)送信號信息控制著移動臺的高級行為。然而，MME和移動臺之間的信息傳輸沒有直達的路徑。為解決該問題，空中接口分為接入層AS和非接入層NAS，高層信令消息位于NAS層，利用S1和Uu接口的AS層協(xié)議被傳輸。1.控制平面協(xié)議控制平面協(xié)議負責用戶無線資源的管理、無線連接的建立、業(yè)務的QoS保證和最終的資源釋放，控制面協(xié)議結構如圖6.2所示。控制平面協(xié)議棧主要包括非接入層NAS、無線資源控制子層RRC、分組數據匯聚子層PDCP、無線鏈路控制子層RLC及媒體接入控制子層MAC。控制平面的主要功能由上層的RRC層和NAS實現(xiàn)。NAS控制協(xié)議實體位于終端UE和移動管理實體MME內，主要負責非接入層的管理和控制。實現(xiàn)的功能包括：EPC承載管。理、鑒權、產生LTE‐IDLE狀態(tài)下的尋呼消息、移動性管理、安全控制等。RRC協(xié)議實體位于UE和eNodeB網絡實體內，主要負責接入層的管理和控制，實現(xiàn)的功能包括：系統(tǒng)消息廣播，尋呼建立、管理、釋放，RRC連接管理，無線承載(RadioBearer，RB)管理，移動性功能，終端的測量和測量上報控制。PDCP在網絡側終止于eNB，需要完成控制面的加密、完整性保護等功能。RLC和MAC在網絡側終止于eNB，在用戶面和控制面執(zhí)行功能沒有區(qū)別2.用戶平面協(xié)議用戶平面協(xié)議用于執(zhí)行無線接入承載業(yè)務，主要負責用戶發(fā)送和接收的所有信息的處理，如圖6.3所示。用戶平面協(xié)議棧主要由MAC、RLC、PDCP三個子層構成。(1)PDCP主要任務是頭壓縮，用戶面數據加密。(2)MAC子層實現(xiàn)與數據處理相關的功能，包括信道管理與映射、數據包的封裝與解封裝、HARQ功能、數據調度、邏輯信道的優(yōu)先級管理等。(3)RLC實現(xiàn)的功能包括數據包的封裝和解封裝、ARQ過程、數據的重排序和重復檢測、協(xié)議錯誤檢測和恢復等。接口是指不同網元之間的信息交互方式。既然是信息交互，就應該使用彼此都能看懂的語言，這就是接口協(xié)議。接口協(xié)議的框架稱為協(xié)議棧。根據接口所處的位置分為空中接口和地面接口，相應的協(xié)議也分為空中接口協(xié)議和地面接口協(xié)議。6.2.2S1接口協(xié)議棧LTE空中接口是UE和eNodeB的LTE-Uu接口，地面接口主要是eNodeB之間的X2接口，以及eNodeB和EPC之間的S1接口。eNB之間由X2接口互連，每個eNB又和EPC通過S1接口相連。S1接口的用戶面終止在S-GW上，S1接口的控制面終止在MME上?？刂泼婧陀脩裘娴牧硪欢私K止在eNB上。1.?S1接口用戶平面S1接口用戶平面位于eNodeB和S-GW之間，連接eNodeB和S-GW之間的接口為S1-U(S1UserPlane)。S1-U接口提供eNodeB和S-GW之間用戶平面協(xié)議數據單元(PDU)的非保障傳輸。S1接口用戶平面協(xié)議棧如圖6.4所示。GTP-U協(xié)議具備以下特點：GTP-U協(xié)議既可以基于IPv4/UDP傳輸，也可以基于IPv6/UDP傳輸；隧道端點之間的數據通過IP地址和UDP端口號進行路由；UDP頭與使用的IP版本無關，兩者獨立。S1用戶平面無線網絡層協(xié)議功能如下：在S1接口目標節(jié)點中指示數據分組所屬的SAE接入承載；移動過程中盡量減少數據的丟失；錯誤處理機制；多媒體廣播組播業(yè)務(MultimediaBroadcastMulticastService，MBMS)支持功能；分組丟失檢測機制。2.?S1接口控制平面S1接口控制平面位于eNodeB和MME之間，連接eNodeB和MME之間的接口為S1-C(S1ControlPlane)。S1接口控制平面協(xié)議棧如圖6.5所示。與用戶平面類似，傳輸網絡層建立在IP傳輸基礎上；為了可靠傳輸信令消息，在IP層之上增加了SCTP層；應用層的信令協(xié)議為S1-AP(S1應用協(xié)議)。在IP傳輸層，PDU的傳輸采用點對點方式。每個S1-C接口實例都關聯(lián)一個單獨的SCTP，與一對流指示標記作用于S1-C公共處理流程中；只有很少的流指示標記作用于S1-C專用處理流程中。MME分配的針對S1-C專用處理流程的MME通信上下文指示標記，以及eNodeB分配的針對S1-C專用處理流程的eNodeB通信上下文指示標記，都應當對特定UE的S1-C信令傳輸承載進行區(qū)分。通信上下文指示標記在各自的S1-AP消息中單獨傳送。S1接口控制面主要具備以下功能：(1)EPS承載服務管理功能，包括EPS承載的建立、修改和釋放。(2)S1接口UE上下文管理功能。(3)LTE-ACTIVE狀態(tài)下針對UE的移動性管理功能。包括Intra-LTE切換和Inter-3GPP-RAT切換。(4)?S1接口尋呼功能。(5)NAS信令傳輸功能。提供UE與核心網之間非接入層的信令的透明傳輸。(6)S1接口管理功能。如錯誤指示、S1接口建立等。(7)網絡共享功能。(8)漫游與區(qū)域限制支持功能。(9)NAS節(jié)點選擇功能。(10)初始上下文建立功能。(11)S1接口的無線網絡層不提供流量控制和擁塞控制功能。6.2.3X2接口協(xié)議棧X2接口是eNodeB之間的互連接口，支持數據和信令的直接傳輸。eNodeB之間通過X2接口互相連接，形成了網狀網絡。這是LTE相對傳統(tǒng)移動通信網的重大變化，產生這種變化的原因在于網絡結構中沒有了RNC，原有的樹型分支結構被扁平化，使得基站承擔更多的無線資源管理任務，需要更多地和相鄰基站直接對話，從而保證用戶在整個網絡中的無縫切換。X2也分為兩個接口，一個為X2-C，連接X2接口控制平面，一個為X2-U，連接X2接口用戶平面。1.?X2接口用戶平面X2接口用戶平面提供eNodeB之間的用戶數據傳輸功能。X2的用戶平面協(xié)議棧如圖6.6所示，與S1-U協(xié)議棧類似，X2-U的傳輸網絡層基于IP傳輸，UDP/IP之上采用GTP-U，來傳輸eNodeB之間的用戶面PDU。2.X2接口控制平面X2接口控制平面(X2-CP)定義為連接eNB之間接口的控制面。X2接口控制面的協(xié)議棧如圖6.7所示，傳輸網絡層建立在SCTP上，SCTP是在IP上。應用層的信令協(xié)議表示為X2-AP(X2應用協(xié)議)。當每個X2-C接口含一個單一的SCTP并具有雙流標識時，將被應用于X2-C的一般流程。當具有多對流標識時，僅應用于X2-C的特定流程。源eNB為X2-C的特定流程分配源eNB通信的上下文標識，目標eNB為X2-C的特定流程分配目標eNB通信的上下文標識。這些上下文標識用來區(qū)別UE特定的X2-C信令傳輸承載。通信上下文標識通過各自的X2-AP進行消息傳輸。X2-AP協(xié)議主要支持以下功能：

(1)?UE在EMM-CONNECTED狀態(tài)時的LTE接入系統(tǒng)內的移動性管理功能。如在切換過程中由源eNB到目標eNB的上下文傳輸；源eNB與目標eNB之間用戶平面隧道的控制、切換取消等。(2)上行負載管理功能。(3)一般性的X2接口管理和錯誤處理功能，如錯誤指示等。(4)eNB之間應用層數據交換。(5)跟蹤功能。6.3LTE編號和識別在4G之前的網絡中，每個網絡都與公共陸地移動網標識PLMN相關聯(lián)，其包含三位移動臺國家碼(MCC)和兩位移動臺網絡代碼(MNC)。MME標識MMEI能在特定網絡識別MME，它包括8位MME組代碼(MMEC)和16位MME組標識(MMEGI)，通過引入網絡標識，和MMEI順序連接起來，就獲得了全球唯一MME標識GUMMEI，它可識別世界任何地方的MME。同樣，每個跟蹤區(qū)有兩個主要標識。16位跟蹤區(qū)域代碼TAC識別特定網絡內的小區(qū)，而E-UTRAN小區(qū)全球標識(ECGI)識別世界任何地方的小區(qū)。對于空中接口，物理小區(qū)標識也很重要，它是一個從0到503的數字，能把小區(qū)與它的近鄰區(qū)分開。移動臺也與幾個不同的標識相關聯(lián)。其中最重要的是國際移動設備標識IMEI，這是對于移動設備的獨一無二的標識，另外，國際移動用戶標識IMSI是對于UICC和USIM的獨一無二的標識。IMSI是入侵者需要復制移動臺的一個量，所以我們需盡可能地避免在空中接口傳送它。相反，一個服務MME使用臨時標識識別移動臺，并定期更新。有三種類型的臨時標識比較重要：32位MME臨時移動用戶標識(M-TMSI)，唯一識別MME中的UE。40位的SAE臨時移動用戶標識(S-TMSI)，在M-TMSI前面添加8位MME代碼生成，用于在MME池內識別移動臺，是臨時UE識別號。在S-TMSI前依次添加PLMN-ID和MMEGI，生成最重要的全球唯一臨時標識GUTI，這是移動臺使用的臨時標識，可以減少IMSI、IMSI等用戶私有參數暴露在網絡傳輸中。6.4LTE幀結構上、下行信息如何復用有限的無線資源，這是所有無線制式必須考慮的雙工技術問題。LTE標準支持兩種雙工模式。于是，LTE定義了兩種幀結構：FDD幀結構和TDD幀結構。FDD和TDD兩種雙工方式分配的頻段不同、范圍大小也不同。運營商已獲得的FDD頻段更多一些。由于各廠家利益不同，取得的頻段不同，產業(yè)鏈成熟狀況不同，因而二者的發(fā)展有所不同。在3G制式中，WCDMA采用FDD雙工技術，在全球范圍內應用較廣；而TD-SCDMA采用TDD雙工技術，在中國獲得了比較成功的應用。受此影響，LTEFDD標準化與產業(yè)化程度領先于LTETDD，支持LTEFDD的陣營更加強大。2007年年底，3GPPRANl會議通過了多家公司聯(lián)署的LTETDD統(tǒng)一幀結構。在TD-SCDMA的幀結構基礎上發(fā)展起來的LTETDD幀結構，為TD-SCDMA向LTE的演進奠定了技術基礎。3GPP在制定3G標準時，并沒有考慮FDD和TDD在一個體系中實現(xiàn)。LTE則在整個標準的制定過程中充分考慮了FDD和TDD雙工方式在實現(xiàn)過程的異同，增大二者實現(xiàn)的共同點，減少二者的差異之處。LTEFDD和LTETDD幀結構設計的差別，會導致系統(tǒng)實現(xiàn)方面相應的不同，不過主要的不同集中在物理層(PHY)的實現(xiàn)上，而在媒質接入控制(MAC)層、無錢鏈路控制(RLC)層的差別不大，在更高層的設計上幾乎沒有不同。從設備實現(xiàn)的角度來講，LTETDD和LTEFDD相比，差別僅在于物理層軟件和射頻模塊硬件(如濾波器)，網絡側絕大多數網元可以共用，這就使得TDD的相關廠家可以共享FDD成熟的產業(yè)鏈帶來的便利。但終端射頻模塊存在差異，這樣，終端的發(fā)展成熟度決定了LTETDD和LTEFDD各自網絡的競爭力。6.4.1頻段分配LTE不但支持1.4?MHz、3?MHz、5?MHz、10?MHz、15?MHz、20?MHz等多種帶寬配置，還支持從700?MHz到2.6?GHz等多種頻段。根據協(xié)議規(guī)定，LTE系統(tǒng)定義的工作頻段有40個，使用的頻段考慮了對現(xiàn)有無線制式頻段的再利用。每個頻段都有一個編號和一定的范圍，部分工作頻段之間會有重疊。編號1～32為FDD頻段，如表6.1所示。編號33～40為TDD頻段，如表6.2所示。其中，F(xiàn)DD的一些編號還沒有分配具體頻點，如表6.1中15、16、18到32。6.4.2FDD幀結構FDD雙工方式為對稱的(上下行不同的頻點)頻段配置，LTEFDD類型的無線幀長為l0ms，每幀含10個子幀、20個時隙，每個子幀有2個時隙，每個時隙為0.5?ms，如圖6.8所示，LTE的每個時隙又可以有若干個物理資源塊(PhysicalResourceBlock，PRB)，每個PRB含有多個子載波。LTE的時隙顆粒度取得很細的原因是：LTE有很苛刻的時延要求，在負載較輕的情況下，用戶面延遲小于5?ms。為了滿足這么苛刻的數據傳輸延遲要求，LTE系統(tǒng)必須使用很短的交織長度(TTI)和自動重傳請求(ARQ)周期。LTE的時隙長度為0.5?ms，但若在這么短的時間內進行一次調度的話，信令面的開銷會很大，因此對器件的要求較高。一般將調度周期TTI設為一個子幀的長度(1?ms)，包括兩個資源塊RB的時間長度。因此，一個調度周期內，資源塊RB都是成對出現(xiàn)的。FDD幀結構不但支持半雙工FDD技術，還支持雙工FDD技術。半雙工(HalfDuplex)技術就是指上、下行兩個方向的數據傳輸可以在一個傳輸通道上進行，但是不能同時進行。全雙工(FullDuplex)技術是上、下行兩個方向的數據不但可以在一個傳輸通道上進行，而且可以同時進行。一個常規(guī)時隙包含7個連續(xù)的OFDM符號，為了克服符號間干擾(ISI)，需要加入CP，CP的長度與覆蓋半徑有關，要求的覆蓋范圍越大，需要配置的CP長度就越長。但過長的CP配置也會導致系統(tǒng)開銷過大。在一般覆蓋要求下，配置普通長度的CP即可滿足要求。但是需要廣覆蓋的場景則要配置增長的擴展CP。MBMS應用的場景，由于需要多個同頻小區(qū)同時進行數據發(fā)送，為了避免不同位置的基站多徑時延的不同，需要采用擴展的CP。上、下行普通CP配置下的時隙結構如圖6.9所示。在一個時隙中，第0個OFDM符號的循環(huán)前綴CP長度和其他OFDM符號的CP長度是不一樣的。第0個OFDM符號的CP長度為160Ts，約為5.2?μs；而其他6個OFDM符號的CP長度為144Ts，約為4.7?μs；每個OFDM周期內有用符號的長度為2048Ts，約為66.7?μs。7個OFDM符號的周期，有用符號長度和CP長度之和正好為15?360Ts，約合0.5?ms。上、下行擴展CP配置下的時隙結構如圖6.10所示。擴展CP配置下，每個時隙的OFDM符號數目為6，而且一個時隙內，每個OFDM符號周期的長度是一樣的，每個OFDM符號中有用符號的長度為2048Ts，約為66.7?μs，但CP的長度擴展為512Ts，約為16.7?μs。這樣在擴展模式下，比普通CP模式下的符號周期增加了約12μs，因此一個時隙0.5ms內的符號個數減少了一個。在下行方向(且只有在下行方向)，為了支持獨立載波的MBSFN傳播，增加了子載波間隔Δf?=?7.5?kHz情況下擴展CP配置的時隙結構，其情況如表6.3所示，分析Δf?=?7.5?kHz的擴展CP的時隙結構，每時隙OFDM符號數目降低為3個，OFDM符號周期增長了很多，能夠支持較大覆蓋范圍的數據傳送，在一個時隙內，每個OFDM符號周期的長度由擴展的CP和擴展的有用符號組成。每個OFDM符號中有用符號的長度增加為4096Ts，約為133.3?μs；擴展CP的長度為1024Ts，約為33.3?μs。因此，Δf?=?7.5?kHz的擴展CP的時隙結構比Δf?=?15?kHz的時隙結構的OFDM符號周期增加一倍。6.4.3TDD幀結構LTETDD幀格式的形成過程比較復雜。最初的提案中有兩個版本：一個是與FDD幀結構類似的幀格式FS1，另外一個是兼容現(xiàn)有的TD-SCDMA的幀格式FS2。在標準形成過程中，經過各個利益集團的博弈、讓步，最后形成了融合二者特色的幀結構，與LTEFDD幀長度一致，但保留了TD-SCDMA的一些特色元素。LTETDD也采用OFDM技術，子載波間隔和時間單位均與FDD相同，幀結構與FDD類似，如圖6.11所示。每個10ms幀由10個1ms的子幀組成，每個子幀包含2個0.5?ms的時隙。LTE的TDD幀結構和FDD的不同之處有兩個：存在特殊子幀(由DwPTS、GP以及UpPTS構成)，總長度為1?ms；存在上、下行轉換點。TD-LTE和傳統(tǒng)的TD-SCDMA的TDD幀結構相比，相同的是每幀長度是10?ms，每半幀長度是5?ms，也分常規(guī)時隙和特殊時隙，存在上、下行時隙轉換點且上、下行時隙轉換點可調，但二者也有如下不同：每半幀包含的時隙數目不同；兩者時隙的長度不同。LTE特殊時隙的長度是可調的。TD-SCDMA的TDD子幀有7個常規(guī)時隙(TS0～TS6)，每個時隙的長度為0.675?ms；TD-LTE的TDD每個常規(guī)時隙長度為0.5?ms，但每兩個時隙組成一組進行調度。TD-SCDMA有3個特殊時隙：DwPTS(下行導頻時隙，長為75?μs)、GP(保護間隔，長為75?μs)和UpPTS(上行導頻時隙，長為125?μs)，特殊時隙總長度為0.275?ms。TD-LTE的TDD也有三個特殊時隙，總長度為1?ms，DwPTS/GP/UpPTS的長度是可調的。在TD-LTE的10?ms幀結構中，上、下行子幀的分配策略是可以設置的。每個幀的第一個子幀固定地用做下行時隙來發(fā)送系統(tǒng)廣播信息，第二個子幀固定地用做特殊時隙，第三個子幀固定地用做上行時隙。后半幀的各子幀的上、下行屬性是可變的，常規(guī)時隙和特殊時隙的屬性也是可調的。協(xié)議規(guī)定了0～6共7種TD-LTE幀結構上、下行配置策略，如表6.4所示。幀長為10?ms，每個無線幀由兩個5?ms長的半幀組成。每個半幀由5個1?ms長的子幀組成，每個半幀包括8個時長0.5?ms的時隙和DwPTS、GP和UpPTS3個特殊時隙，3個特殊時隙的總時長為1ms。每個特殊時隙的長度可變。其他時隙的長度和OFDM符號的長度與FDD保持一致。在表6.4中，D代表下行，S代表特殊時隙(也算下行)，U代表上行。從表中可以看出，幀結構支持5?ms和10?ms切換點周期。如果下行到上行轉換點周期為5?ms，特殊子幀存在于兩個半幀中；如果下行到上行轉換點周期為10?ms，特殊子幀只存在于第一個半幀中。子幀0和子幀5以及DwPTS總是用于下行傳輸。UpPTS和緊跟于特殊子幀后的子幀專用于上行傳輸。DwPTS傳什么和特殊子幀的配置有關，某些配置下的DwPTS只能傳主同步信號(PrimarySynchronizationSignal，PSS)，某些配置下的DwPTS可以同時傳下行數據，只是可用的PRB數有限制。DwPTS和UpPTS的長度可配置，DwPTS的長度為3～12個OFDM符號，UpPTS的長度為1～2個OFDM符號，相應的GP長度為1～10個OFDM符號。DwPTS也可用于傳輸PCFICH、PDCCH、PHICH、PDSCH和P-SCH(主同步信號)等控制信道和控制信息。其中，DwPTS時隙中下行控制信道的最大長度為兩個符號，且主同步信道固定位于DwPTS的第三個符號。不同的特殊時隙DwPTS、GP、UpPTS的長度，在LTE的TDD幀中也是可配置的，如表6.5所示。TDD的－個子頓長度包括2個時隙，普通CP配置的情況下，TDD的一個子幀長度是14個OFDM符號周期，而在擴展CP配置的情況下，TDD的一個子幀長度為12個OFDM符號周期。相對而言，UpPTS的長度比較固定，只支持一個符號和兩個符號兩種長度，以避免過多的選項，簡化系統(tǒng)設計。GP和DwPTS具有很大的靈活性，這主要是為了實現(xiàn)可變的GP長度和GP位置，以支持各種尺寸的小區(qū)半徑。6.4.4物理資源的相關概念無線信號在LTE空口是以頻分和時分復用進行傳輸的，就像車輛運輸貨物需要道路空間資源一樣，無線信號傳輸所使用的資源是時間和頻率?？梢詮臅r域和頻域兩個維度定義和理解LTE空口資源，時頻資源可以形象地表示成網格的形式，一個或多個“時頻格”用來傳輸某一類信息，通過協(xié)議的預先約定以及控制信令的實時指示，基站和終端可以對哪些時頻資源上是何種信號及如何接收和解調信號達成一致。終端除了要知道時頻資源劃分，還要知道基站所使用的工作頻段、帶寬和頻點，才能與基站在同一無線鏈路上通信。在時域中，LTE空口傳輸的時間軸分為連續(xù)的、單位長度為10?ms的無線幀，每個無線幀包含10個長為1?ms的子幀，每個子幀又進一步分為兩個長為0.5?ms的時隙，如圖6.12所示。在頻域中，OFDM系統(tǒng)的最小單位是子載波間隔Δf，LTE中Δf?=?15?kHz。在空口資源分配時，往往將N個子載波一起使用，稱為一個子帶，并將NΔf稱為子帶帶寬。空口資源分配中的N為12，即頻域子帶帶寬為15×12=180kHz。LTE物理資源相關的概念包括物理資源塊、資源粒子、資源組和控制信道單元，下面分別對它們進行介紹。(1)物理資源塊(PRB)。?PRB是一個0.5?ms時隙和12個連續(xù)的子載波組成的區(qū)域，也就是說，一個PRB時域長為0.5?ms，頻域帶寬為180?kHz，可容納7?×?12?=?84個資源粒子RE)。人們在衡量頻域大小時會經常用RE或PRB的編號來指明。有了RE和PRB的定義后，LTE空口時頻資源可以用網格來表示，如圖6.12所示。在資源分配時，并不直接指定PRB，而是指定虛擬RB(VRB)，VRB定義了資源的分配方式，其大小和PRB是一樣的，也是一個時隙(0.5?ms)和12個連續(xù)的子載波。很多文獻中PRB和RB是一個概念，即RB占用一個時隙，由12個連續(xù)的子載波和7個OFDM組成，本書中不做區(qū)分。在上行和下行的數據傳輸中，基站的調度器以RB為單位給終端分配時頻資源，資源大小取決于多種因素，例如待發(fā)送的數據、信道質量等。每個終端在每個子幀使用的RB數(以及調制編碼方式)可以靈活改變。RB是基站調度器進行資源分配的最小單元，主要用于資源分配。根據配置的擴展循環(huán)前綴或普通循環(huán)前綴不同，每個PRB占0.5?ms，12個子載波，7個OFDM符號(前2個傳送控制信令，后5個傳送數據)。RB的結構如圖6.12所示，一個無線幀共有10個子幀，每個子幀1ms，包含2個時隙，如圖所示代表2個資源塊，橫軸14個格子代表14個OFDM符號，縱軸12個格子代表12個子載波。參考信號是為了讓用戶對信號質量進行測量以及信道估計所用，因此對于多天線端口的情況，如在某一天線端口上存在參考信號的話，它所對應的另外的天線端口相應的位置就不能夠傳送任何信號，以避免對參考信號造成干擾。在無線通信中，導頻信號是一串收發(fā)雙方都知道的固定序列，若導頻信號在傳輸中出現(xiàn)失真問題，到接收端根據已知的固定序列進行比對，就能對信道進行校正。圖6.12中所示的參考信號就是參考導頻信號，從圖中可以看出，兩個RB中含有8個參考信號，也即每3個子載波有1個導頻符號，比起每個子載波都放導頻信號來說還是節(jié)約了不少資源。當使用常規(guī)CP時，一個下行時隙包含7個OFDM符號；當使用擴展CP時，一個下行時隙包含6個OFDM符號。(2)資源粒子(RE)。RE是網絡的最小資源單位。傳輸數據時，時域的一個OFDM符號和頻域的一個子載波構成了LTE空口二維時域的最小單位，稱為資源粒子RE。由圖6.12可知，一個RB由84個RE組成。RE可以用來承載調制信息、參考信息或不承載信息。對于多天線應用，每個發(fā)射天線都會對應一個RE，同一個RE可以被多個發(fā)射天線復用。在傳輸控制信息的物理控制信道上，LTE還使用資源組(ResourceElementGroup，REG)和控制信道單元(ControlChannelElement，CCE)作為時頻資源單位。(3)資源組(REG)。每個REG包含了4個資源粒子RE，它是為控制信道資源分配的資源單位，主要針對物理控制格式指示信道PCFICH和物理HARQ指示信道PHICH速率很小的控制信道資源分配，提高資源的利用效率和分配靈活性。(4)控制信道單元(CCE)。每個CCE對應9個REG。CCE用于數據量相對較大的PDCCH的資源分配，每個用戶的物理下行控制信道PDCCH只能占用1、2、4、8個CCE，稱為聚合級別。REG和CCE主要用于一些下行控制信道的資源分配，比如PHICH、PCFICH等。6.4.5LTE物理層LTE物理層是4G系統(tǒng)區(qū)別于其他移動通信系統(tǒng)的最主要之處。對于負責向高層提供數據傳輸服務的LTE物理層，可以通過MAC子層并使用傳輸信道來接入這些服務。可以支持成對的和不成對的頻譜，支持頻分雙工FDD模式和時分雙工TDD模式。物理層是基于資源塊，以帶寬不可知的方式進行定義的，從而允許LTE物理層適用于不同的頻譜分配。一個資源塊在頻域上或者占用12個帶寬為15?kHz的子載波，或者占用24個寬度為7.5?kHz的子載波，在時域上持續(xù)時間為0.5?ms。在具體的實現(xiàn)過程中，系統(tǒng)的發(fā)送側和接收側需要區(qū)分比特級處理和符號級處理。以發(fā)送側為例，比特級處理是數據處理的前端，主要是將二進制數據進行添加CRC校驗位、信道編碼、速率匹配以及加擾的處理之后發(fā)送至下一級處理；符號級處理則是將加擾之后數據進行調制、層映射、傳輸預編碼、資源塊映射并經過天線將數據發(fā)送出去。6.5無線承載和信道4G移動通信系統(tǒng)使用“承載”的概念將IP數據傳遞進一步細分，具有相同QoS指標的一個或多個業(yè)務數據流構成一個EPS承載。LTE空口為EPS承載提供了無線承載。從協(xié)議模型上，可以把無線承載看作LTE空口的鏈路層為上層提供的通信服務。無線承載分為以下兩類：(1)數據無線承載DRB：傳輸IP數據包。一個DRB對應一個EPS承載。(2)信令無線承載SRB：傳遞RRC信令，在RRC消息中還可攜帶NAS信令。SRB有3種，分別為SRB0、SRB1和SRB2。每個無線承載(包括DRB和SRB)在PDCP層和RLC層都有獨立的協(xié)議實體為它服務。所謂實體Entity，是指協(xié)議的一個具體運行實例。協(xié)議與實體的關系類似于程序代碼與進程的關系。一個無線承載有一對分別位于基站和終端的PDCP實體，而一個PDCP實體對應一個或兩個RLC實體。而在MAC層，不再區(qū)分一個MACSDU中的信息是來自一個無線承載的還是多個無線承載的，即MAC實體與承載無對應關系，基站或終端中僅存在一個MAC實體。在PDCP和RLC層，數據的傳遞服務可以用無線承載來標記和區(qū)分，兩個層間的服務接入點(SAP)與承載一一對應。在MAC層和物理層，不再區(qū)分無線承載，而是使用信道來區(qū)分各子層向上層提供的服務接入點。信道就是信息的通道。不同的信息類型需要經過不同的處理過程。廣義地講，發(fā)射端信源信息經過層三(網絡層)、層二(數據鏈路層)、層一(物理層)處理，再通過無線環(huán)境到接收端，經過層一、層二、層三的處理被用戶高層所識別的全部環(huán)節(jié)，就是信道。也可以說，信道就是信息處理的流水線。上一道工序和下一道工序是相互配合、相互支撐的關系。上一道工序把自己處理完的信息交給下一道工序時，要有一個雙方都認可的標準，這個標準就是業(yè)務接入點SAP。協(xié)議的層與層之間需要許多這樣的業(yè)務接入點，以便接收不同類別的信息。狹義地講，不同協(xié)議之間的SAP就是信道。信道是不同類型的信息按照不同傳輸格式，用不同的物理資源承載的信息通道。根據信息類型和處理過程的不同可將LTE信道分為邏輯信道、傳輸信道、物理信道三種，這與UMTS的信道分類方法一樣。從協(xié)議棧角度來看，邏輯信道在MAC層和RLC層之間，傳輸信道在物理層和MAC層之間，物理信道位于物理層。邏輯信道與傳輸信道的映射由MAC層負責，在物理層用物理信道來區(qū)分數據和控制信息的發(fā)送和接收，如圖6.13所示。邏輯信道關注的是傳輸什么樣的內容，什么類別的信息。信息首先要被分為兩種類型：控制消息(控制平面的信令，如廣播類消息、尋呼類消息)和業(yè)務消息(業(yè)務平面的消息，承載著高層傳來的實際數據)。邏輯信道是高層信息傳到MAC層的SAP。傳輸信道關注的是怎樣傳和形成怎樣的傳輸塊(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，如調制編碼方式、交織方式、冗余校驗方式、空間復用方式等。根據資源占有程度的不同，傳輸信道還可以分為共享信道和專用信道。前者是多個用戶共同占用信道資源，而后者是由某一個用戶獨占信道資源。傳輸信道和邏輯信道與MAC層強相關。傳輸信道是物理層提供給MAC層的服務，MAC可以利用傳輸信道向物理層發(fā)送和接收數據；而邏輯信道則是MAC層向RLC層提供的服務，RLC層可以使用邏輯信道向MAC層發(fā)送和接收數據。MAC層一般包括很多功能模塊，如傳輸調度模塊、MBMS功能模塊、傳輸塊TB產生模塊等。經過MAC層處理的消息向上傳給RLC層的業(yè)務接入點，要變成邏輯信道的消息；向下傳送到物理層的業(yè)務接入點，要變成傳輸信道的消息。物理信道就是信號在無線環(huán)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和調制方式，在特定的頻域、時域、空域上發(fā)送數據的無線通道。根據物理信道所承載的上層信息不同，定義了不同類型的物理信道。LTE和UMTS的信道結構相比，其信道結構做了很大簡化。傳輸信道從原來的9個減為現(xiàn)在的5個，物理信道從20個簡化為LTE的上行3個、下行6個，再加上2個參考信號。6.5.1邏輯信道MAC層通過邏輯信道向RLC層提供數據傳輸服務，邏輯信道是由它所攜帶信息的類型定義的。MAC層將不同類型的數據(IP層數據或信令數據)進行分類，分派到邏輯定義的信道上傳輸。根據邏輯信道里傳輸的信息類型，將其分為傳輸RRC信令的控制邏輯信道和傳輸用戶數據(即IP層數據)的數據邏輯信道。1.五個控制信道MAC層提供的控制信道有以下五個：(1)廣播控制信道。廣播控制信道BCCH是廣播消息的通道，面向轄區(qū)內的所有用戶傳輸廣播控制信息。BCCH是網絡到用戶的一個下行信道，它傳送的信息是在用戶實際工作開始之前，做一些必要的通知工作。它是協(xié)調、控制、管理用戶行為的重要信息。(2)尋呼控制信道。尋呼控制信道PCCH類似于尋人啟事，當不知道用戶具體處在哪個小區(qū)的時候，用于發(fā)送尋呼消息。PCCH是一個網絡到用戶的下行信道，一般用于被叫流程(主叫流程比被叫流程少一個尋呼消息)。(3)公共控制信道。公共控制信道CCCH類似主管和員工之間多人工作時協(xié)調工作時信息交互的通道。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。(4)專用控制信道。專用控制信道DCCH類似領導和某個親信之間面授機宜、協(xié)調彼此工作的信息通道。DCCH是上、下行雙向和點到點的控制信息傳送信道，在UE和網絡建立了RRC連接以后使用。(5)多播控制信道。多播控制信道(MCCH)類似領導給多個下屬下達搬運一批貨物命令，指揮多個下屬干活時協(xié)調彼此工作的信息渠道。MCCH是點對多點從網絡側到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多播業(yè)務信道(MTCH)配置。MCCH在UMTS的信道結構中沒有相關定義。網絡側類似一個電視臺節(jié)目源，UE則是接收節(jié)目的電視機，而MCCH則是為了順利發(fā)送電視臺節(jié)目給電視機而發(fā)送的控制命令，讓電視機做好相關接收準備。當使用演進型組播廣播多媒體業(yè)務(eMBMS)系統(tǒng)支持多媒體廣播組播業(yè)務MBMS時，需要專用的點對點邏輯信道，MCCH和多播業(yè)務信道MTCH分別承載eMBMS的控制信令和數據。2.兩個業(yè)務信道MAC層提供的業(yè)務信道有以下兩個：(1)專用業(yè)務信道。專用業(yè)務信道(DTCH)類似待搬運貨物的通道，這個入口按照控制信道的命令或指示，把貨物從這里搬到那里，或從那里搬到這里。DTCH是UE和網絡之間的點對點和上、下行雙向的業(yè)務數據傳送渠道。(2)多播業(yè)務信道。多播業(yè)務信道MTCH類似要搬運大批貨物的通道，也類似一個電視臺到電視機的節(jié)目傳送通道。MTCH是LTE中區(qū)別于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(yè)務MBMS的數據傳送渠道。3.?LTE與UMTS邏輯信道的比較LTE邏輯信道和UMTS中定義的邏輯信道對比如表6.6所示，BCCH、PCCH、CCCH、DCCH這四個控制信道和DTCH業(yè)務信道是兩者共有的?？刂菩诺繫CCH、業(yè)務信道MTCH是LTE為了支持MBMS而設立的邏輯信道，在UMTS中沒有定義。6.5.2傳輸信道傳輸信道定義了空中接口中數據傳輸的方式和特性。傳輸信道可以配置物理層的很多實現(xiàn)細節(jié)，同時物理層可以通過傳輸信道為MAC層提供服務。傳輸信道關注的不是傳什么，而是怎么傳。物理層通過傳輸信道為MAC層提供數據傳輸服務。與邏輯信道不同的是，傳輸信道是由它發(fā)送信息的方式來定義的。傳輸信道并不在意其內部傳輸的數據是什么類型，因此沒有“控制/數據傳輸信道”這樣的劃分，而是分為下行和上行傳輸信道。UMTS的傳輸信道分為兩類：專用信道和公共信道。公共信道資源是小區(qū)內的所有用戶或一組用戶共同分配使用的；而專用信道是由單個用戶使用的資源。LTE傳輸信道沒有定義專用信道，只有公共信道，一個可行的分類方法是將LTE傳輸信道分為上行和下行信道。但LTE的共享信道(SCH)支持上、下行兩個方向，為了區(qū)別，將SCH分為DL-SCH和UL-SCH。LTE與UMTS傳輸信道的對比如表6.7所示。1.?LTE的四個下行傳輸信道(1)廣播信道。廣播信道(BroadcastChannel，BCH)，為廣而告之的消息規(guī)范了預先定義好的固定格式、固定發(fā)送周期、固定調制編碼方式，不允許靈活機動。BCH是在整個小區(qū)內發(fā)射的、固定傳輸格式的下行傳輸信道，用于給小區(qū)內的所有用戶廣播特定的系統(tǒng)消息。(2)尋呼信道。尋呼信道(PagingChannel，PCH)規(guī)定了“尋人啟事”傳輸的格式，將“尋人啟事”貼在公告欄之前(映射到物理信道之前)，要確定“尋人啟事”的措辭、發(fā)布間隔等。尋呼信道是在整個小區(qū)內發(fā)送尋呼信息的一個下行傳輸信道。為了減少UE的耗電，UE支持尋呼消息的非連續(xù)接收(DiscontinuousReception，DRX)。為支持終端的非連續(xù)接收，PCH的發(fā)射與物理層產生的尋呼指示的發(fā)射是前后相隨的。(3)下行共享信道。下行共享信道(DownlinkSharedChannel，DL-SCH)規(guī)定了待搬運貨物的傳送格式。DL-SCH是傳送業(yè)務數據的下行共享信道，支持自動混合重傳(HARQ)；支持編碼調制方式的自適應調制(AMC)；支持傳輸功率的動態(tài)調整；支持動態(tài)、半靜態(tài)的資源分配。(4)多播信道。多播信道(MulticastChannel，MCH)規(guī)定了給多個用戶傳送節(jié)目的傳送格式，是LTE的規(guī)定區(qū)別于以往無線制式的下行傳送信道。在多小區(qū)發(fā)送時，支持MBMS的同頻合并模式MBSFN。MCH支持半靜態(tài)的無線資源分配，在物理層上對應的是長CP的時隙。2.兩個上行信道LTE上行傳輸信道有以下兩個：(1)隨機接入信道。隨機接入信道(RACH)規(guī)定了終端要接入網絡時的初始協(xié)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(yè)務之前使用。由于終端和網絡還沒有正式建立連接，RACH信道使用開環(huán)功率控制。RACH發(fā)射信息時是基于碰撞的資源申請機制。(2)上行共享信道。上行共享信道(UL-SCH)和下行共享信道一樣，也規(guī)定了待搬運貨物的傳送格式，只不過方向不同。UL-SCH用來傳送業(yè)務數據，是從終端到網絡的上行共享信道，同樣支持混合自動重傳HARQ，支持編碼調制方式的自適應調整(AMC)；支持傳輸功率動態(tài)調整；支持動態(tài)、半靜態(tài)的資源分配。上述傳輸信道所采用的編碼方案如表6.8所示。6.5.3物理信道物理信道承載MAC層遞交給物理層的傳輸塊(TB)。物理信道是高層信息在無線環(huán)境中的實際承載。在LTE中，物理信道是由一個特定的子載波、時隙和天線口確定的。即在特定的天線口上，對應的是一系列資源粒子RE。一個物理信道是有開始時間、結束時間、持續(xù)時間的。物理信道在時域上可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的。連續(xù)的物理信道持續(xù)時間由開始時刻到結束時刻，不連續(xù)的物理信道則須明確指示清楚由哪些時間片組成。物理信道通過OFDM的時分和頻分復用在下行時頻傳輸資源上。在時間上，下行的每個子幀分為控制域和數據域。控制域占用下行子幀的前1個、2個或者3個OFDM符號，用于傳輸物理層和MAC的控制信息。物理層控制信道都在控制域內。注意，TDD系統(tǒng)的1和6子幀上的控制域只占用前1個或2個OFDM符號。數據域占用剩余的OFDM符號，用于傳輸MAC層交付的用戶面或控制面數據。發(fā)送廣播消息的PBCH和攜帶同步信息的下行同步信號使用固定的、周期出現(xiàn)的時頻位置。其余的時隙資源主要用于物理層數據信道PDSCH。在一個子幀中，可以同時有發(fā)向多個終端的DL-SCH/PDSCH，這些信道通過OFDMA復用在一起。CRS(小區(qū)專用參考信號)散布在控制域和數據域中，URS(UE專用參考信號)和信道狀態(tài)信息參考信號(CSI-RS)則只隨PDSCH發(fā)送。在LTE中，度量時間長度的單位是采樣周期Ts。UMTS中度量時間長度的單位則是碼片周期Tchip。物理信道主要用來承載傳輸信道來的數據，但還有一類物理信道無需傳輸信道的映射，直接承載物理層本身產生的控制信令或物理信令。這些物理信令和傳輸信道映射的物理信道一樣，是有著相同的空中載體的，可以支持物理信道的功能。1.兩大處理過程物理信道一般要進行兩大處理過程：比特級處理和符號級處理。從發(fā)射端角度看，比特級處理是物理信道數據處理的前端，主要是在二進制比特數據流上添加CRC校驗，進行信道編碼、交織、速率匹配以及加擾。加擾之后進行的是符號級處理，包括調制、層映射、預編碼、資源塊映射、天線發(fā)送等過程。在接收端，處理順序與發(fā)射端剛好相反，即先為符號級處理，然后為比特級處理。2.下行物理信道下行方向有六個物理信道，它們分別為：(1)物理廣播信道PBCH：轄區(qū)內的大喇叭，但并不是所有廣而告之的消息都從這里廣播，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(qū)ID等系統(tǒng)信息，用于小區(qū)搜索過程。(2)物理下行共享信道PDSCH：用于承載下行用戶的業(yè)務數據。(3)物理下行控制信道PDCCH：用于指示PDSCH相關的傳輸格式、資源分配和HARQ信息等。好比發(fā)號施令的嘴巴，不干實事，但干實事的PDSCH需要它的協(xié)調。PDCCH傳送用戶數據的資源分配的控制信息。(4)物理控制格式指示信道PCFICH：類似藏寶圖，指明了控制信息(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。(5)物理HARQ指示信道PHICH：用于eNB向UE反饋和PUSCH相關的確認/非確定(ACK/NACK)信息，承載的是混合自動重傳HARQ的消息。(6)物理多播信道PMCH：用于傳播MBMS的相關數據。類似可點播節(jié)目的電視廣播塔，PMCH承載多播信息，負責把從高層來的節(jié)目信息或相關控制命令傳給終端。每一種物理信道根據其承載的信息不同，對應著不同的調制方式，如表6.9所示。3.上行物理信道上行方向有三個物理信道。(1)物理隨機接入信道。物理隨機接入信道PRACH用于隨機接入、發(fā)送隨機接入需要的信息、Preamble等，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。(2)物理上行共享信道。物理上行共享信道PUSCH是一個上行方向踏踏實實干活的信道。PUSCH也采用共享的機制，承載上行用戶數據。當基站為終端分配了PUSCH時，終端就可以在發(fā)送上行數據的同時，使用PUSCH發(fā)送上行控制信息UCI。如圖6.14所示，控制信息與數據(UL-SCH信道)通過單載波頻分多址(SC-FDMA)復用在相同RB中。對于不支持PUSCH的PUCC同時發(fā)送的LTE終端，它們在發(fā)送PUSCH時不再發(fā)送PUCCH；而基站可以預知哪些PUSCH會替代PUCCH發(fā)送UC1。PUSCH上發(fā)送的控制信息只包括ACK/NACK和CSI。在上行傳輸中，終端可以通過MAC層的緩沖狀態(tài)報告，告訴基站還有多少數據有待發(fā)送，因此，終端不再需要使用PUSCH發(fā)送SR信息。控制信息在PUSCH上發(fā)送時，使用AMC和功率控制實現(xiàn)鏈路自適應?？刂菩畔φ`塊率的要求較高，嚴于數據的要求。但此時控制信息雖然與UL-SCH數據一起發(fā)送，卻沒有HARQ重傳，因此，要讓控制信息使用更低階的MCS。為了避免專門的信令來指示該MCS，LTE協(xié)議規(guī)定控制信息的調制方式與數據是一樣的，但編碼速率不同?？刂菩畔⒑蛿祿木幋a率差異相對固定，這樣PUSCH上的數據業(yè)務在基站的控制下做AMC時，控制信息也在同時做AMC，不需要PDCCH信道指示額外的MSC值。物理上行控制信道PUCCH承載物理層工作所需的信令。與下行不同的是，用于處理上行信號和數據傳輸的輔助信息是由基站指配的，不需要終端再告知基站，因此不需要類似的PDCCH下行控制消息(DCI)的相關內容。PUCCH好比上行方向發(fā)號施令的嘴巴，但干實活的PUSCH需要它的協(xié)調。PUCCH承載著HARQ的ACK/NACK，調度請求SR信息，信道質量指示CQI等信息。由表6.10可知，PUSCH可根據信道質量好壞選擇相應的調制方式。PUCCH有兩種調制方式，PRACH則采用ZC(Zadoff-Chu)隨機序列。ZC序列是自相關特性較好的一種序列，在LTE中，發(fā)送端和接收端的子載波頻率容易出現(xiàn)偏差，接收端需要對這個頻偏進行估計，使用ZC序列可以進行頻偏的粗略估計。6.6物理信號物理信號是物理層產生并使用的、有特定用途的一系列無線資源粒子RE。物理信號并不攜帶從高層來的任何信息，類似沒有高層背景的底層員工，在配合其他員工工作時，彼此約定好使用的信號。它們對高層而言不是直接可見的，即不存在高層信道的映射關系，但從系統(tǒng)觀點來講是必需的。在基站向終端的下行數據傳輸中，基站的MAC層通過傳輸信道將MACPDU遞交給物理層。一個MACPDC在物理層稱為一個傳輸塊TB。物理層使用下行物理信道將傳輸塊編碼、調制，經過OFDM和MIMO處理，通過無線信號發(fā)送到無線信道。終端的物理層在下行物理信道上接收到信號后，將其恢復為MAC層PDU。在無線信道上有多個OFDMA同時傳輸數據，因此基站的物理層在發(fā)送時要把多個傳輸信道復用到一起，終端在接收時要將它們區(qū)分開來。下行方向上定義了兩種物理信號：參考信號(RS)和同步信號(SS)，上行方向只定義了一種物理信號RS。6.6.1下行參考信號終端使用相干接收來檢測和解調無線信號時，要利用某個已知的信號序列來獲取信道信息，該信號稱為導頻信號或參考信號。參考信號除了用于下行信道估計外，還用于下行信道質量測量、小區(qū)選擇/重選、路損估計等。參考信號是LTE物理層進行相干解調和鏈路自適應的關鍵所在，物理層技術的實現(xiàn)離不開合理的參考信號設計。下行物理層有兩類信號。1.參考信號參考信號RS也可稱為導頻信號，是由發(fā)射端提供給接收端用于信道估計或信道探測的一種已知信號，下行參考信號以RE為單位。RS本質上是一種偽隨機序列，不含任何實際信息。這個隨機序列通過時間和頻率組成的資源單元RE發(fā)送出去，便于接收端進行信道估計，也可以為接收端進行信號解調提供參考，類似CDMA系統(tǒng)中的導頻信道。RS信號如同潛藏在人群中的特務分子，不斷把一方的重要信息透露給另一方，便于另一方對這一方的情況進行判斷。頻譜、衰落、干擾等因素都會使得發(fā)送端信號與接收端收到的信號存在一定偏差。信道估計的目的是使接收端找到此偏差，以便正確接收信息。信道估計并不需要時時刻刻進行，只需關鍵位置出現(xiàn)一下即可。即RS離散的分布在時、頻域上，它只是對信道的時、頻域特性進行抽樣而已。為保證RS能夠充分且必要地反映信道時頻特性，RS在天線口的時、頻單元上必須有一定規(guī)則。RS分布越密集，則信道估計越準確，但開銷會很大，占用過多無線資源會降低系統(tǒng)傳遞有用信號的容量。RS分布不宜過密，也不宜過分散。RS在時、頻域上的分布遵循以下準則：?RS在頻域上的間隔為6個子載波。?RS在時域上的間隔為7個OFDM符號周期。為最大程度降低信號傳送過程中的相關性，不同天線口的RS出現(xiàn)位置不宜相同。LTE的參考信號設計在不斷地演進和完善。LTE的下行物理層有多種參考信號，R8/9版本的下行參考信號為CRS和URS。由于這些參考信號設計與MIMO技術使用密切相關，結合相應章節(jié)會更好地理解它們。LTE-A定義了新的用于下行信道狀態(tài)信息測量的CSI-RS；用于MBSFN的參考信號MRS，此外，下行還有用于定位R10版本引入的參考信號PRS，終端可根據多個小區(qū)的PRS來定位。其中，CRS主要用于：下行各控制信道(PBCH、PDCCH、PCFICH、PHICH)的相干解調；下行數據信道(PDSCH)的大多數傳輸模式的相干解調；下行信道質量估計；路徑損耗估算；測量參考信號接收功率(RSRP)和參考信號接收質量(RSRQ)，用于小區(qū)選擇、重選和切換判斷的服務小區(qū)和鄰區(qū)測量。CRS被稱為小區(qū)特定的參考信號，也叫公共參考信號，是一串特殊的序號序列，所謂小區(qū)特定是指這個參考信號與一個基站端的天線口(天線端口0～天線端口3)相對應。在每個小區(qū)中，基站在特定的時頻資源上發(fā)送特定的CRS符號，這些位置和符號都是由協(xié)議規(guī)定并與物理小區(qū)標識PCI相關的。終端通過下行同步過程獲知PCI，就可以知道這個小區(qū)CRS時頻資源位置和CRS符號序列是如何約定的。CRS用于波束成型技術(不基于碼本)以外的其他下行傳輸技術的信道估計和相關解調。LTE下行所有子幀的所有RB內都包含有CRS(嚴格來說，MBSFN子幀的數據域除外)，這樣發(fā)送PDSCH的所有RB內都有CRS符號。CRS序列的各個符號呈柵格狀分散在RB中，這樣有助于時頻二維的信道估計和差值。如圖6.15所示。為支持MIMO技術，除了時域和頻域，CRS還要讓終端分辨出信道的空域維度，不管下行信號是從基站的多少路物理天線通道發(fā)送出來的，從終端的角度來看，從空間上可區(qū)分出多少路參考信號，就可以有多少個分集或復用的維度。換句話說，終端并不能直接“看到”基站的物理天線通道數，而是通過參考信號“分辨出”發(fā)送不同參考信號序列的天線個數。終端看到的天線是通過參考信號作為參照物區(qū)分出來的，稱為邏輯的天線端口。如圖6.15所示，圖中只標記了一個CRS序列，意味著該小區(qū)使用單天線端口。此時CRS序列出現(xiàn)在每個子幀中的第1、5、8、12個OFDM符號上，從頻域上來看，CRS符號間隔為6個子載波，符號間的CRSRE位置在頻域上錯開了3個子載波，這樣每個RB有4個CRSRE。當小區(qū)在空間維度上發(fā)送兩個CRS序列時，稱小區(qū)使用兩天線端口。此時，仍是每個RB的第1、5、8、12個OFDM符號上發(fā)送CRS。對每個天線端口來說，這些OFDM符號上間隔為3個子載波的4個RE位置上，有兩個發(fā)送CRS符號，另外兩個留空，不發(fā)送任何符號。在一個天線端口發(fā)送的CRS的RE位置上，另一個天線端口發(fā)送功率為零，這樣兩個天線端口的CRS間無相互干擾，即通過頻分復用獲得正交性，使終端可以在空間維度上區(qū)分這兩個端口的信道，從而提高空間分集和復用的接收性能。從每個天線端口看，CRSRE的頻域間隔仍為6個子載波，每個RB共有8個CRSRE位置，每個天線端口使用其中4個發(fā)送CRS，導頻開銷約為9.5%。當CRS序列在空間上有4個時，稱小區(qū)使用4天線端口。4天線端口的CRS比兩天線端口占用更多的時頻資源。前兩個天線端口CRS位置與兩天線端口的是一樣的，第3和第4個天線端口的CRS則在第2和第9的OFDM符號上。在任何一個天線端口發(fā)送的CRS的RE位置上，其他天線端口發(fā)射功率為零。第3天線端口的CRS位置與第1天線端口在第1個和第8個OFDM符號上的CRS位置相鄰，第4個天線端口的CRS位置與第2個天線端口在第1個和第8個OFDM符號上的CRS位置相鄰。這樣每個RB共有12個CRSRE位置，第1、2天線端口CRS各使用其中的4個，第3、4天線端口CRS各使用其中的兩個。導頻開銷約為14.3%，比2端口時略大。后兩個天線端口的CRS密度只有前兩個的一半，這主要考慮到4流空分復用一般只適用于低速場景，頻域上較稀疏的導頻對信道估計的準確度影響不大，因此沒必要增加過多的導頻開銷。圖6.16為2/4天線端口的CRS時頻資源映射情況。參考信號的位置因天線數和CP類型(使用的是普通CP還是擴展CP)而不同。由于CRS的重要性，人們希望它受到的干擾越小越好。不同天線端口的CRS在頻域上錯開，可確保同一小區(qū)的CRS在空間維度無相互干擾。而為了降低同頻相鄰小區(qū)間的CRS相互干擾，也要將相鄰小區(qū)的CRS-RE在頻域相互錯開。單天線端口系統(tǒng)，CRS-RE頻域的位置由PCI模6值作為偏移來確定，若兩個相鄰小區(qū)的PCI模6值不同，則它們的CRS頻域位置不同，相互無干擾。對于2/4天線端口的系統(tǒng)，相鄰小區(qū)PCI模3值的不同可以讓它們的CRS無相互干擾。因此，在配置小區(qū)PCI時要讓同頻相鄰小區(qū)的PCI模3或模6錯開。當PDSCH使用非碼本的單流或多流波束賦形進行傳輸時，要使用終端專用參考信號URS進行信道估計和解調。波束賦形要動態(tài)調整下行發(fā)送信號的幅度和相位，形成指向特定終端的波束。在非碼本的波束賦形中，終端需要知道基站對信號的加權情況，才能正確接收信號。而CRS是不能進行波束賦形的，否則會影響到其他無法使用波束賦形的信道的解調。因此，需要使用URS替代CRS。URS和PDSCH一起進行MIMO預編碼和波束賦形，每層數據都有一個相應的URS，終端使用URS獲得的信道就是一個經過賦形權值變換的等效信道，從而直接對數據信號進行相干解調。URS只需出現(xiàn)在使用波束賦形進行傳輸的RB上，否則會帶來不必要的開銷。LTE的R8/9協(xié)議分別定義了兩種URS，稱為R8URS和R9URS，分別用于傳輸模式7和傳輸模式8的相干解調。LTE-AR10協(xié)議定義了R10URS，用于傳輸模式9。R11為更好支持COMP對URS做了進一步改進。2.下行同步信號下行同步信號包括PSS和輔同步信號(SSS)，供同步接入使用。在LTE中，同步在通信的過程中扮演著重要的角色，LTE的每個子載波的信號都需要同步，因此每個無線幀(10?ms)都存在同步信號。LTE中的同步信息包含兩部分：主同步信號PSS和從同步信號SSS。PSS總是處于第1個時隙或第11個時隙的最后一個OFDM符號上，而SSS和PSS緊挨著，一般位于倒數第二個OFDM符號上。具體而言，LTETDD和LTEFDD幀結構中，同步信號的位置/相對位置不同，如圖6.17所示。在TDD幀結構中，PSS位于DwPTS的第三個符號，SSS位于5?ms第一個子幀的最后一個符號；在FDD幀結構中，主同步信號和輔同步信號位于5?ms的第一個子幀內的前一個時隙的最后兩個符號。利用主、輔同步信號相對位置的不同，終端可以在小區(qū)搜索的初始階段識別系統(tǒng)是TDD還是FDD。當支持最大8層的MIMO傳輸時，終端需要獲得從基站多個發(fā)射天線通道到終端多個接收天線之間的信道信息，特別是信道的空間特征。CRS最大支持4個天線端口，不能滿足8層傳輸的需要(發(fā)射和接收天線通道的個數不能小于MIMO)。URS是經過預編碼(賦形)后發(fā)送的，不能用于估計信道狀態(tài)信息。因此，LTE-AR10為多層MIMO傳輸定義了專門的信道狀態(tài)信息參考信號CSI-RS，可以支持基站天線通道為1、2、4、8等多種情況下的下行信道信息測量，這些測量信息只用于鏈路自適應，不用于相干解調。為了準確獲得空間信道信息，通常每個物理發(fā)射天線通道都需要發(fā)送一個CSI-RS，因此CSI-RS端口和物理天線通道一般情況下是等同的。終端必須區(qū)分出不同天線通道的CSI-RS，才能獲得信道的空間特征。這就要求一個小區(qū)可以發(fā)送多個正交的CSI-RS，在LTER10中最多8個，對應的天線端口為端口15～端口22。CSI-RS序列形式和CRS相似。終端除了測量本小區(qū)CSI-RS并將獲得的下行信道反饋給基站外，還可以通過測量鄰區(qū)的CSI-RS獲取鄰區(qū)信道信息，用于實現(xiàn)小區(qū)間協(xié)作多點處理。此時，相鄰小區(qū)的CSI-RS也需要正交，使終端可以獲準獲知和反饋多個小區(qū)的信道信息，這就需要讓更多的CSI-RS復用在一起。在一個RB中，一個天線通道的CSI-RS占用同一子載波上的兩個RE。屬于不同發(fā)射天線通道的CSI-RS通過頻分和碼分復用在一起。碼分復用的正交碼長度為2，即兩個RE可承載兩個CSI-RS，支持兩個天線通道。支持4/8天線的CSI-RS在碼分的基礎上通過頻分復用在一起，每個CSI-RS占用4個或8個RE?；就ㄟ^RRC專用信令(CSI-RS-Config)將CSI-RS的端口總數(1、2、4、8)、RE資源位置編號、周期和子幀位置、發(fā)射功率偏置等信息通知給終端。盡管使用了終端專用信令，但CSI-RS的參數配置一般是小區(qū)公用的，不同終端可使用不同周期測量CSI-RS?？紤]到頻域資源沖突或兼容R8/9終端等問題，在發(fā)送同步信號、廣播信道、關鍵系統(tǒng)信息SIB1和尋呼消息的子幀上，或是TDD模式的特殊子幀上，基站都不會發(fā)送CSI-RS。CSI-RS將鏈路自適應所使用的信道信息測量功能與信道估計相干解調功能分離，其密度和開銷比CRS小很多。數據解碼仍使用URS，這為參考信號的發(fā)送提供更大的靈活性。在不考慮后向兼容問題時，基站可不必在每個子幀上都發(fā)送CRS，甚至完全不發(fā)送CRS。6.6.2下行同步信號為了讓終端在接收MIB和其他下行數據之前獲取下行同步，LTE基站下行發(fā)送兩種物理同步信號：主同步信號PSS和輔同步信號SSS。它們各自的作用如下：?PSS提供終端獲取時隙、子幀(1ms)和半幀(5ms)的起止位置；用于符號時間對準，頻率同步以及部分小區(qū)的ID偵測。?SSS提供無線幀的邊界，即區(qū)分前半幀和后半幀，從而獲得10ms的幀同步；用于幀時間對準，CP長度偵測及小區(qū)組ID偵測。?PSS和SSS一方面讓終端獲得時間和頻率同步，另一方面讓終端獲知小區(qū)的PCI。在頻域里，不管系統(tǒng)帶寬是多少，主/從同步信號總是位于系統(tǒng)帶寬的中心，占據1.25MHz的頻帶寬度。這樣的好處是即使UE在剛開機的情況下還不知道系統(tǒng)帶寬，也可以在相對固定的子載波上找到同步信號，方便進行小區(qū)搜索，如圖6.18所示。時域上同步信號的發(fā)送也須遵循一定規(guī)則，為了方便UE尋找，要在固定的位置發(fā)送，不能過密也不能過疏。協(xié)議規(guī)定，F(xiàn)DD幀結構傳送的同步信號位于每幀(10?ms)的第0個和第5個子幀的第1個時隙中；主同步信號位于該傳送時隙的最后一個OFDM符號里；從同步信號位于該傳送時隙的倒數第二個OFDM符號里。時域中LTETDD的同步信號位置與FDD不一樣。TDD中，PSS位于特殊時隙DwPTS里，位置與特殊時隙的長度配置有一定關系；SSS位于0#?子幀的1#?時隙的最后一個符號里，如圖6.19所示。上行參考信號