TD-LTE技术原理

时间：2024-04-06 09:25:23

TD-LTE技术原理

​ 2019-9-3 阴

网络结构

TD-LTE技术原理

**UE：**用户设备

**eNodeB：**它为用户提供空中接口（air interface），也就是我们常说的基站，一台基站(eNB)要接受很多台UE的接入，所以eNB要负责管理UE，包括资源分配，调度，管理接入策略等等。

**MME：**提供NAS 信令传输，用户鉴权与漫游管理（S6a），移动性管理，EPS承载管理。移动性管理主要是有寻呼，TAI管理和切换。

**S-GW：**Serving Gateway，负责本地网络用户数据处理部分。

**P-GW：**PDN Gateway，负责用户数据包与其他网络的处理。

**HSS：**归属用户服务器，这是存在与核心网中的一个数据库服务器，里面存放着所有属于该核心网的用户的数据信息。当用户连接到MME的时候，用户提交的资料会和HSS数据服务器中的资料进行比对来进行鉴权。

**PCRF：**策略与计费规则，它会根据不同的服务制定不同的PCC计费策略。

**X2接口：**eNodeB之间的接口，支持数据和信令的直接传输，x2接口是4G新增的但不是必备的

**S1接口：**连接eNodeB与核心网EPC的接口

系统架构演进

  • 接入网：扁平化，IP化，去掉RNC的物理实体，功能实体分解到基站和核心网元
    • 大部分功能放在了eNodeB，以减少时延和增强调度能力
    • 少部分功能放在了核心网，加强移动性管理
  • 核心网：用户面和控制面分离
    • 原有SGSN实体分解为MME(控制面实体)和Gateway（用户面实体）

LTE设计目标（三高，两低，一平）

  • 三高

    • 高峰值速率：下行峰值100Mbps，上行峰值50Mbps
    • 高频谱效率：频谱效率是3G的3-5倍
    • 高移动性：支持350km/h(在某些频段甚至支持500km/h)

  • 两低

    • 低时延: 控制面<100ms, 用户面<10ms
    • 低成本: SON(自组织网络)，支持多频段灵活配置

  • 一平

    • 扁平化架构：取消了基站控制器

LTE主要网元功能

  • eNodeB：
    • 无线资源管理功能，动态资源分配调度
    • MME的选择
    • 实现SGW用户面数据的路由选择
  • MME：
    • 信令的加密和完整性保护
    • 接入层安全性控制，移动性控制
    • 承载控制
  • SGW：
    • 路由及转发
    • 移动性及切换支持
    • 计费
  • PGW：
    • UE的IP地址分配
    • 限速

LTE协议栈

TD-LTE技术原理

**无线制式的接口协议分为三层：**物理层（PHY），L2数据链路层（PDCP：分组数据汇聚协议层，RLC：无线链路控制层，MAC：媒体接入层），L3网络层（NAS：非接入层协议，RRC：无线资源控制层）。

**NAS：**处理UE和MME之间信息的传输，传输的内容可以是用户信息或控制信息。如业务的建立、释放或者移动性管理信息。NAS子层则终止于MME。

**RRC：**支持终端和eNodeB间多种功能的最为关键的信令协议。

**PDCP：**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，PDHP层在控制面对RRC和NAS层消息进行完整性校验，在用户面不进行完整性校验。以及对数据和信令的加密。

**RLC：**负责分段与连接、重传处理，以及对高层数据的顺序控制。RLC提出了三种模式：透明模式（不保证准确，顺序）、非确认模式（保证顺序）和确认模式（保证准确，顺序）。

**MAC：**负责处理HARQ重传与上下行调度。应该说，L2的精华就在这边，重传和调度能做好，对于整个产品来说，速率就能体现出来。

**PHY：**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。最为复杂的一层，也是最考验产品的一层协议。实际设计中，涉及诸多算法也最能体现实际芯片的性能。和硬件紧密相关，需要协同工作。

UE处于空闲状态时，接收到的系统信息有小区选择或重选的配置参数、邻小区信息；在UE处于连接状态时，接收到的是公共信道配置信息。

用户面协议和控制面协议。用户面负责业务数据的传送和处理，控制面负责协调和控制信令的传送和处理。用户面和控制面都是逻辑上的概念。

主要技术（3，2，1，1）

  • 空口速率
    • 高阶调制
      • BPSK(最稳定，1B)，64QAM比16QAM速率提升50%，高性能的对信号质量（信噪比）要求也高
    • MIMO
      • 工作模式
        • 复用模式：发射不同数据，容量提升1倍
        • 分集模式：发射相同数据，提高接受质量
      • 传输方式
        • 传输模式1 – 单天线传输，使用端口0，不使用MIMO
        • 传输模式2 – 开环发射分集
        • 传输模式3 –开环空间复用 信号条件好，高速
        • 传输模式4 –闭环空间复用 低速普通速率
        • 传输模式5 –多用户MIMO（即多个用户被分配到相同的传输块上）
        • 传输模式6 –闭环发射分集
        • 传输模式7 –单流Beamforming技术 小区边缘
        • 传输模式8 – 双流Beamforming技术 小区边缘
    • CA载波聚合（多个小区一起服务，增加带宽）
      • 最高可5个载波进行聚合，提升小区边缘用户体验
  • 频谱效率
    • OFDMA正交频分复用（载波相互正交重叠）
      • 优点：频谱利用率高，对抗频率选择性衰落
      • 缺点：对频率偏移特别敏感，峰均比(PAPR)高
    • HARQ混合自动重传
      • Chase 合并
      • 递增冗余
  • 抗干扰
    • ICIC：解决同频干扰，改善小区边缘体验，但是牺牲1/3容量
  • 自动规划
    • SON自组织网络：自动规划，部署，自优化，易维护

无线接口多址技术（区分用户）

TD-LTE技术原理

无线帧

  • 定义：一个无线帧10ms，一共有10个子帧（其中2个特殊帧，8个正常帧），时隙0.5ms

  • 特殊子帧：下行导频时隙，保护周期，上行导频时隙

  • 正常子帧配比 0:（3：1）,1:（2：2）,3:（1：3）

  • 特殊子帧配比 6:（9：3：2），7：（10：2：2）

  • 调度朔计算

    子帧配比为1 ，特殊配比为7 ，求上下行的帧数？

    • 上：4*100=400
    • 下：4*100+200=600

LTE资源块基本概念

  • RE——物理层资源的最小粒度，1个子载波

  • RB——资源分配频域最小单位，12个连续子载波

  • CCE——控制信道的资源单位

  • TTL物理层数据传输调度的时域基本单位

    1CCE=9REG=4*9=36RE

    1TTL = 1subframe = 2 slofs

    1TTL = 14个OFDM(Normal cp)

    1TTL = 12个OFDM(Extended cp)

TD-LTE技术原理

LTE信道

逻辑信道

关注的是传输什么内容，什么类别的信息。信息首先要被分为两种类型：控制消息（控制平面的信令，如广播类消息、寻呼类消息）和业务消息（业务平面的消息，承载着高层传来的实际数据）。

  • 五个控制信道
    • 广播控制信道（BCCH）是广而告之的消息入口，面向辖区内的所有用户广播控制信息。
    • 寻呼控制信道（PCCH）是寻人启事类消息的入口。当不知道用户具体处在哪个小区的时候，用于发送寻呼消息。
    • 公共控制信道（CCCH）CCCH是上、下行双向和点对多点的控制信息传送信道，在UE和网络没有建立RRC连接的时候使用。
    • 专用控制信道（DCCH）DCCH是上、下行双向和点到点的控制信息传送信道，是在UE和网络建立了RRC连接以后使用。
    • 多播控制信道（MCCH）MCCH是点对多点的从网络侧到UE侧（下行）的MBMS控制信息的传送信道。一个MCCH可以支持一个或多个MTCH（MBMS业务信道）配置。
  • 两个业务信道
    • 专用业务信道（DTCH）DTCH是UE和网络之间的点对点和上、下行双向的业务数据传送渠道。
    • 多播业务信道（MTCH）MTCH是LTE中区别于以往制式的一个特色信道，是一个点对多点的从网络侧到UE（下行）传送多播业务MBMS的数据传送渠道。

传输信道

关注的是怎样传？形成怎样的传输块（TB）？不同类型的传输信道对应的是空中接口上不同信号的基带处理方式，如调制编码方式、交织方式、冗余校验方式、空间复用方式等内容。根据对资源占有的程度不同，传输信道还可以分为共享信道和专用信道。

  • 四个下行信道

    • 广播信道（BCH），为广而告之消息规范了预先定义好的固定格式、固定发送周期、固定调制编码方式，不允许灵活机动。BCH是在整个小区内发射的、固定传输格式的下行传输信道，用于给小区内的所有用户广播特定的系统消息。
    • **寻呼信道（PCH），**规定了寻人启示传输的格式，将寻人启示贴在公告栏之前（映射到物理信道之前），要确定寻人启示的措辞、发布间隔等。寻呼信道是在整个小区内进行发送寻呼信息的一个下行传输信道。为了减少UE的耗电，UE支持寻呼消息的非连续接收（DRX）。为支持终端的非连续接收，PCH的发射与物理层产生的寻呼指示的发射是前后相随的。
    • **下行共享信道（DL-SCH），**规定了待搬运货物的传送格式。DL-SCH是传送业务数据的下行共享信道，支持自动混合重传（HARQ）；支持编码调制方式的自适应调制（AMC）；支持传输功率的动态调整；支持动态、半静态的资源分配。
    • **多播信道（MCH）**规定了给多个用户传送节目的传送格式，是LTE的规定区别于以往无线制式的下行传送信道。在多小区发送时，支持MBMS的同频合并模式MBSFN。MCH支持半静态的无线资源分配，在物理层上对应的是长CP的时隙。

  • 两个上行信道

    • **随机接入信道（RACH），**规定了终端要接入网络时的初始协调信息格式。RACH是一个上行传输信道，在终端接入网络开始业务之前使用。由于终端和网络还没有正式建立链接，RACH信道使用开环功率控制。RACH发射信息时是基于碰撞（竞争）的资源申请机制（有一定的冒险精神）。
    • **上行共享信道（UL-SCH）**和下行共享信道一样，也规定了带搬运货物的传送格式，只不过方向不同。UL-SCH是传送业务数据的从终端到网络的上行共享信道，同样支持混合自动重传HARQ，支持编码调制方式的自适应调整（AMC）；支持传输功率动态调整；支持动态、半静态的资源分配。

物理信道

就是信号在无线环境中传送的方式，即空中接口的承载媒体。物理信道对应的是实际的射频资源，如时隙（时间）、子载波（频率）、天线口（空间）。物理信道就是确定好编码交织方式、调制方式，在特定的频域、时域、空域上发送数据的无线通道。

  • 六个下行物理信道

    • 物理广播信道（PBCH）：辖区内的大喇叭，但并不是所有广而告之的消息都从这里广播（映射关系在下一节介绍），部分广而告之的消息是通过下行共享信道（PDSCH）通知大家的。PBCH承载的是小区ID等系统信息，用于小区搜索过程。
    • 物理下行共享信道（PDSCH）：踏踏实实干活的信道，而且是一种共享信道，为大家服务，不偷懒，略有闲暇就接活干。PDSCH承载的是下行用户的业务数据。
    • 物理下行控制信道（PDCCH）：发号施令的嘴巴，不干实事，但干实事的PDSCH需要它的协调。PDCCH传送用户数据的资源分配的控制信息。
    • 物理控制格式指示信道（PCFICH）：类似藏宝图，指明了控制信息（宝藏）所在的位置。PCFICH是LTE的OFDM特性强相关的信道，承载的是控制信道在OFDM符号中的位置信息。
    • 物理HARQ指示信道（PHICH）：主要负责点头摇头的工作，下属以此来判断上司对工作是否认可。PHICH承载的是混合自动重传（HARQ）的确认/非确定（ACK/NACK）信息。
    • 物理多播信道（PMCH）：类似可点播节目的电视广播塔，PMCH承载多播信息，负责把高层来的节目信息或相关控制命令传给终端。

  • 三个上行物理信道

    • 物理随机接入信道（PRACH）：干的是拜访领导时叩门的活，领导开了门才能进行下面的事，如果叩门失败后面的事就没法干了。PRACH承载UE想接入网络时的叩门信号——随机接入前导，网络一旦答应了，UE便可进一步和网络沟通信息。
    • 物理上行共享信道（PUSCH）：这是一个上行方向踏踏实实干活的信道。PUSCH也采用共享的机制，承载上行用户数据。
    • 物理上行控制信道（PUCCH）：上行方向发号施令的嘴巴，但干实活的PUSCH需要它的协调。PUCCH承载着HARQ的ACK/NACK，调度请求（Scheduling Request），信道质量指示（Channel Quality Indicator）等信息。

同步信号

UE开机以后第一个搜索的信号就是SS，在UE成功解调SS，它能够实现下行帧同步，获取物理小区ID （PCI）

pci(0-503) PCI=PSS+3*SSS

  • 主同步信号pss（0-2）
  • 从同步信号sss (0-167)

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