LTE无线网络优化(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:张敏

出版社:人民邮电出版社

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LTE无线网络优化

LTE无线网络优化试读:

前言

为了培养适应现代电信技术发展的应用型、技能型高级专业人才,保证 4G 技术优质高效推广应用,促进电信行业发展,我们在总结多年教学实践和工作实践的基础上,组织专业老师和企业专家编写《LTE 无线网络优化》一书。本书采用项目任务驱动式的内容结构形式,全面介绍LTE无线网络优化,分为8个项目。项目1是LTE概述,项目2是LTE基本原理及关键技术,项目3是LTE基本信令流程,项目4是LTE覆盖问题优化,项目5是接入问题优化,项目6是小区选择和重选问题优化,项目7是切换问题优化,项目8是功率控制问题优化。

本书在编写过程中,坚持“以就业为导向,以能力培养为本位”的改革方向;打破传统学科教材编写思路,根据岗位任务需要合理划分模块;做到“理论够用、突出岗位知识、重视技能应用、引入实践活动”的编写理念;较好地体现了面向应用型人才培养的高职高专教育特色。

本书由湖南邮电职业技术学院《LTE无线网络优化》编写组编写,张敏担任主编。项目1、项目3和项目5由张敏编写,项目2和项目4由杨学辉编写,项目6由蒋招金编写,项目7和项目8由毕杨编写,全书由张敏统稿并主审。

在本书的编写和审稿过程中,得到了湖南邮电职业技术学院领导和老师、中兴通讯 NC学院、中国电信湖南邮电规划设计院有限公司 4G 技术专家的大力支持和热心帮助并提出了很多有益的宝贵意见。本书的素材来自大量的参考文献和4G技术应用经验,特此感谢。

由于水平和时间的限制,书中错误和不当之处在所难免,敬请大家在使用过程中指正错误,并提供宝贵意见,以使本教材再版时提高质量。编者

项目1 LTE概述

【知识目标】掌握 LTE 演进需求及网络架构;领会移动通信演进历程、频谱划分;掌握3GPP 要求 LTE 支持的主要指标和需求、系统结构,领会无线协议结构、S1 接口和X2 接口、天线基础知识、天线选型;掌握 LTE 无线网络规划概述、频率规划、码规划、LTE 无线网络优化流程与方法、LTE RF优化的基本性能指标;了解LTE覆盖规划、LTE容量规划。【技能目标】能够进行LTE项目进展和LTE频谱规划资料收集;会S1接口简单信令分析、读懂 LTE 天线参数表、LTE 无线网优基本性能指标测试;能够进行 LTE 无线网络覆盖规划、容量仿真和LTE参数规划。

任务1 概述

【工作任务单】

【知识链接1】 移动通信演进历程

1.移动通信演进过程概述

移动通信发展的最终目标是实现任何人可以在任何时候、任何地方与其他任何人以任何方式进行通信。蜂窝移动通信系统从20世纪70年代发展至今,根据其发展历程和发展方向,可以划分为四个阶段,即:第一代,模拟蜂窝通信系统,简称 1G;第二代,数字蜂窝移动通信系统,简称2G;第三代,国际移动通信(IMT-2000),简称3G;第四代,高级国际移动通信(IMT-Advanced),简称4G。

移动通信从2G、3G到4G的发展过程,是从低速语音业务到高速多媒体业务发展的过程。第三代合作伙伴计划(3GPP)正逐渐完善 R8的LTE标准:2008年12月R8 LTE RAN1冻结,2008年12月R8 LTE RAN2、RAN3、RAN4完成功能冻结,2009年3月R8 LTE 标准完成,此协议的完成能够满足 LTE 系统首次商用的基本功能。无线通信技术发展和演进过程如图1-1所示。图1-1 无线通信技术发展和演进图

2.3G技术演进过程

在1985年,国际电信联盟(ITU)提出了第三代移动通信系统的概念,当时被称为未来公共陆地移动通信系统。后来考虑该系统预计在2000年左右开始商用,且工作于2000MHz的频段,故1996年 ITU 采纳日本等国的建议,将 FPLMTS 更名为国际移动通信系统(IMT-2000)。

目前国际上最具代表性的第三代移动通信技术标准有三种,它们分别是:cdma2000、WCDMA、TD-SCDMA。其中,cdma2000和WCDMA 属于频分双工(FDD)方式;TD-SCDMA属于时分双工(TDD)方式,其上、下行工作于同一频率。

3种3G制式的对比见表1-1。表1-1 3种3G制式的对比(1)WCDMA技术演进过程

WCDMA的技术演进过程如图1-2所示。图1-2 WCDMA技术演进过程(2)TD-SCDMA技术演进过程

TD演进可分为两个阶段,CDMA技术标准阶段和OFDMA技术标准阶段。CDMA技术标准阶段可平滑演进到HSPA+。频谱效率接近LTE。TD-SCDMA技术演进过程如图1-3所示。图1-3 TD-SCDMA技术演进过程(3)cdma2000技术演进过程

cdma One是基于IS-95标准的各种CDMA产品的总称,即所有基于cdma One技术的产品,其核心技术均以IS-95作为标准。cdma2000 1x在1.25MHz频谱带宽内,单载扇提供307.2kbit/s 高速分组数据速率,1xEV-DO Rev.0 提供 2.4Mbit/s 下行峰值速率,Rev.A 提供3.1Mbit/s下行峰值速率。cdma 2000技术演进过程如图1-4所示。

3.4G是什么

长期演进计划(Long Term Evolution,LTE)项目启动的背景是:其一,基于CDMA技术的3G标准在通过高速下行分组接入(HSDPA)以及增强型上行链路(Enhanced Uplink)等技术增强之后,可以保证未来几年内的竞争力,但需要考虑如何保证在更长时间内的竞争力。其二,在正交频率复用(OFDM)、多天线、调度、反馈等技术领域的研究成熟度已基本可以支撑标准化和产品开发的需要。其三,基于通信产业对“移动通信宽带化”的认识和应对“宽带接入移动化”挑战的需要,移动通信与宽带无线接入(BWA)技术的逐步融合,应对全球微波互联接入(WiMAX)标准的市场竞争。图1-4 cdma2000技术演进过程(1)4G是什么

4G 就是第四代移动通信系统。第四代移动通信系统可称为宽带接入和分布式网络,其网络结构将是一个采用全 IP的网络结构。4G 网络采用许多关键技术来支撑,包括:正交频率复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM),多载波调制技术,自适应调制和编码(Adaptive Modulation and Coding,AMC)技术,多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)和智能天线技术,基于 IP的核心网,软件无线电技术以及网络优化和安全性等。另外,为了与传统的网络互联需要用网关建立网络的互联,所以4G将是一个复杂的多协议网络。(2)4G有何特征

①传输速率更快:对于大范围高速移动用户(250km/h)数据速率为2Mbit/s;对于中速移动用户(60km/h)数据速率为20Mbit/s;对于低速移动用户(室内或步行者),数据速率为100Mbit/s;

②频谱利用效率更高:4G 在开发研制过程中使用和引入许多功能强大的突破性技术,无线频谱的利用比第二代和第三代系统有效得多,而且速度相当快,下载速率可达到 5~10Mbit/s;

③网络频谱更宽:每个 4G 信道将会占用 100MHz 或是更多的带宽,而 3G 网络的带宽则在5~20MHz之间。

④容量更大:4G 将采用新的网络技术(如空分多址技术等)来大幅度地提高系统容量,以满足未来大信息量的需求。

⑤灵活性更强:4G系统采用智能技术,可自适应地进行资源分配,采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行信号的正常收发。另外,用户将使用各式各样的设备接入到4G系统。

⑥实现更高质量的多媒体通信:4G网络的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等,大量信息透过宽频信道传送出去,让用户可以在任何时间、任何地点接入到系统中,因此4G也是一种实时的宽带的以及无缝覆盖的多媒体移动通信。

⑦兼容性更平滑:4G系统应具备全球漫游,接口开放,能跟多种网络互联,终端多样化以及能从第三代平稳过渡等特点。(3)4G牌照下发

4G 牌照是无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的第 4 代移动通信技术(4G)的经营许可权。许可权由中华人民共和国工业和信息化部许可发放。4G 是第四代移动通信及其技术的简称,是集 3G 与 WLAN 于一体并能够传输高质量视频图像且图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。2013年12月4日,工信部正式向三大运营商发布4G牌照,中国移动、中国电信和中国联通均获得TD-LTE牌照。【想一想】

1.无线通信技术的发展和演进过程。

2.4G是什么?有何特征?

【知识链接2】 LTE演进需求及网络架构

1.LTE演进需求(1)LTE项目启动的背景

其一,基于 CDMA 技术的3G 标准在通过高速下行分组接入(HSDPA)以及上行增强(Enhanced Uplink)等技术增强之后,可以保证未来几年内的竞争力,但需要考虑如何保证在更长时间内的竞争力。其二,在OFDM、多天线、调度、反馈等技术领域的研究成熟度已基本可以支撑标准化和产品开发的需要。其三,基于通信产业对“移动通信宽带化”的认识和应对“宽带接入移动化”挑战的需要,移动通信与宽带无线接入(BWA)技术的逐步融合,应对WiMAX标准的市场竞争。(2)LTE标准进展

LTE项目的时间进展如图1-5所示。3GPP于2004年12月开始LTE相关的标准工作,长期演进计划(Long Term Evolution,LTE)是关于 UTRAN和UTRA 改进的项目。3GPP标准制定分为LTE研究阶段(Study Item,SI)和LTE工作阶段(Work Item,WI)。LTE研究阶段原定于2006年6月完成,但在2006年9月才最终完成,延迟了3个月;LTE工作阶段原定于2007年6月完成,但直到2008年底才基本完成。

SI又可以称为第1阶段(Stage 1),这个阶段主要是以研究的形式确定LTE的基本框架和主要技术选择,对LTE标准化的可行性作出判断。WI阶段包括第2阶段(Stage 2)和第3阶段(Stage 3)。Stage 2是对Stage 1中初步讨论的系统基本框架进行确认,并进一步丰富系统的细节,形成规范TR36.300。Stage 3则最终完成R8 LTE规范。

LTE SI阶段由于尚未对LTE WI正式立项,故沿用了原来RAN使用的25系列为SI各个研究报告编号,如需求报告(TR25.913)、RAN1 研究报告(TR25.814)、RAN2 研究报告(TR25.813)、RAN3 研究报告(R3.018)等一系列研究报告。2006年9月,RAN 通过 LTE WI立项申请,WI正式开始。3GPP将36系列的规范编号分配给了LTE专用,如LTE物理层总体描述(TS36.201)、复用和信道编码(TS36.212)、物理层提供的服务(TS36.302)、架构描述(TS36.401)等30多个LTE技术规范。

3GPP以工作组(WG)的方式工作,与LTE直接相关的是RAN1/2/3/4/5工作组。图1-5 LTE项目的时间进展(3)3GPP组织架构

第 3代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project,3GPP)于1998年12月成立,是一个由无线工业及商贸联合会(ARIB)、中国通信标准化协会(CCSA)、欧洲电信标准研究所(ESTI)、电信行业解决方案联盟(ATIS)、电信技术协会(TTA)和电信技术委员会(TTC)合作成立的通信标准化组织。

按照3GPP成立之初确定的工作范畴,3GPP只能开展与IMT2000相关的研究和标准化工作。2007年7月,3GPP合作伙伴(Organizational Partners,OP)会议专门通过了扩大3GPP工作范围的决议,使3GPP可以开展针对IMT-Advanced的工作,这项工作即先进LTE(LTE-Advanced)。

3GPP的基本组织结构如图1-6所示,主要分为4个技术规范组(Technical Specification Group,TSG)。图1-6 3GPP组织架构

①TSG GERAN(GSM/EDGE RAN):负责GSM/EDGE无线接入网技术规范的制定。

②TSG RAN:负责3GPP除GERAN之外的无线接入网技术规范的制定。

③TSG SA(业务与系统方面):负责3GPP业务与系统方面的技术规范制定。

④TSG CT(核心网及终端):负责3GPP核心网及终端方面的技术规范定制。

在4个TSG之上,设立了一个项目协调组(PCG),代表OP对4个TSG的工作进行管理和协调。在每个TSG下面,又包含3~5个不等的工作组(WG)负责该TSG各个方面的工作。每个TSG每年一般召开4次会议,每个WG每年也一般开4次会议。

相对WG会议,TSG会议被称为“全会”(Plenary),TSG全会有设立研究和标准化项目的权力,研究项目又称为研究阶段(SI),标准化项目又称为工作阶段(WI)。SI 只输出研究报告(TR),WI 则输出技术规范(TS)。一个重要的课题通常会先经过 SI 阶段的研究,然后再进入WI阶段的标准化制定工作。TSG在设立了SI或WI后,会交由对口的WG去完成,WG在一阶段工作完成后会向TSG全会汇报该SI/WI的进展情况,以便TSG对这些SI/WI进行项目管理。例如,LTE就是一个由RAN1~RAN5各WG共同参与的项目,分成SI阶段和WI阶段。

2.LTE网络架构(1)LTE网络结构

LTE网络结构如图1-7所示。图1-7 LTE网络结构

图1-7说明如下:

UTRAN:UMTS Terrestrial Radio Access Network,UMTS陆地无线接入网;E-UTRAN:Evolved UTRAN,演进的通用陆地无线接入网;EPC:Evolved Packet Core network,演进型分组核心网;EPS:演进型分组系统;MME:Mobile Managenment Entity,移动管理实体;S-GW:Serving Gateway,服务网关。

E-UTRAN只有一种节点网元eNodeB,简称eNB,R NC+NodeB=eNodeB。(2)各网元功能

①eNodeB

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。

②MME

MME的功能主要有: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)。

③S-GW

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。

④P-GW

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)。(3)LTE网络结构的特点

①基于 ALL IP的网络扁平化,网络扁平化使得系统延时减少,从而改善用户体验,可开展更多业务。

②网元数目减少,使得网络部署更为简单,网络的维护更加容易。

③取消了RNC的集中控制,避免单点故障,有利于提高网络稳定性。

④真正实现网络控制和承载分离。

⑤支持多种制式共接入:2G/3G/LTE/WiMAX。

⑥网络控制的QoS策略控制和计费体系。【想一想】

1.LTE技术的发展历程。

2.3GPP是一个什么组织?它的组织架构是怎样的?

3.LTE网络结构怎样?有何特点?

【技能实训】 LTE项目进展资料收集

1.实训目标(1)培养良好的职业道德与习惯,增强团队意识。(2)能够利用Internet网络进行LTE项目发展情况的资料收集。(3)能够利用Internet网络进行本地LTE网络规划建设资料的收集。

2.实训设备

能连接Internet网络的计算机一台。

3.实训步骤及注意事项(1)通过Internet网络了解国际、国内LTE项目发展情况。(2)通过Internet网络了解本地经济情况、人文情况和网络现状。(3)通过前面的调查,对资料进行电子归档,并整理成一个文档。

4.实训考核单

任务2 LTE主要指标和需求

【工作任务单】续表

【知识链接1】 频谱划分

1.E-UTRA频谱划分

E-UTRA(演进的通用陆地无线接入网)的频谱划分如表1-2所示。表1-2 E-UTRA频段范围

2.中国LTE频谱规划

2013年12月4日,工信部颁发的是TDD-LTE牌照,移动获得130MHz频谱资源,分别为1880~1900MHz、2320~2370MHz、2575~2635MHz;电信获得40MHz频谱资源,分别为2370~2390MHz、2635~2655MHz;联通也获得 40MHz的频谱资源,分别为2300~2320MHz、2555~2575MHz。总的来看,分配的频谱主要集中在2.3GHz和2.6GHz,这与国际 TD-LTE 划分的整体情况吻合。其中,中国移动获得了 130M 频谱,其中包括 D 频段(2500MHz 至 2690MHz)的60M 频谱。中国电信和中国联通分别获得了 40M TDD-LTE 频谱,其中用于室内覆盖的E频段各20M,D频段各20M。

FDD-LTE 牌照未发放,据猜测电信可能获得 1800MHz 频段上的FDD 频谱,而联通则是2.1GHz频段上的频谱。【想一想】

1.国际上LTE频率的划分情况。

2.中国的LTE牌照的发放情况。

【知识链接2】 3GPP要求LTE支持的主要指标和需求

LTE具有FDD和TDD两种模式,采用了OFDM和MIMD等新技术,具有:(1)峰值速率高,下行峰值速率 100Mbit/s,上行峰值速率50Mbit/s;(2)采用扁平化、全 IP 网络架构,降低了系统时延,控制面延时小于100ms,用户面延时小于5ms;(3)频谱利用率相对于 3G 提高 2~3 倍;灵活支持不同带宽,带宽有 1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz 6种;增强了小区覆盖;更低的设备成本和维护成本等特性。3GPP要求LTE支持的主要指标和需求如图1-8所示。图1-8 3GPP要求LTE支持的主要指标和需求

1.峰值数据速率

下行链路的瞬时峰值数据速率在20MHz下行链路频谱分配的条件下,可以达到 100Mbit/s(5 bit/s/Hz)(网络侧2根发射天线,UE侧2根接收天线条件下);上行链路的瞬时峰值数据速率在20MHz 上行链路频谱分配的条件下,可以达到 50Mbit/s(2.5 bit/s/Hz)(UE侧1根发射天线情况下)。

宽频带、MIMO、高阶调制技术都是 LTE提高峰值数据速率的关键所在。

2.控制面延迟

从驻留状态到激活状态,也就是类似于从Release 6的空闲模式到CELL_DCH状态,控制面的传输延迟时间小于100ms,这个时间不包括寻呼延迟时间和NAS 延迟时间;从睡眠状态到激活状态,也就是类似于从 Release 6的CELL_PCH 状态到 CELL_DCH 状态,控制面传输延迟时间小于 50ms,这个时间不包括DRX间隔。

另外控制面容量是在频谱分配为5MHz的情况下,期望每小区至少支持 200个激活状态的用户。在更高的频谱分配情况下,期望每小区至少支持400个激活状态的用户。

3.用户面延迟

用户面延迟定义为一个数据包从 UE/RAN 边界节点(RAN edge node)的IP 层传输到RAN边界节点/UE的IP层的单向传输时间。这里所说的RAN边界节点指的是RAN和核心网的接口节点。

在“零负载”(即单用户、单数据流)和“小IP包”(即只有一个IP头、而不包含任何有效载荷)的情况下,期望的用户面延迟不超过5ms。

4.用户吞吐量

下行链路:在5% CDF(累计分布函数)处的每MHz用户吞吐量应达到R6 HSDPA的2~3倍;每MHz平均用户吞吐量应达到R6 HSDPA的3~4倍。此时R6 HSDPA的天线是1发1收,而LTE的天线是2发2收。

上行链路:在5% CDF处的每MHz用户吞吐量应达到R6 HSUPA的2~3倍;每MHz平均用户吞吐量应达到R6 HSUPA的2~3倍。此时R6 HSUPA的天线是1发2收,LTE的天线也是1发2收。

5.频谱效率

下行链路:在一个有效负荷的网络中,LTE频谱效率(用每站址、每Hz、每秒的比特数来衡量)的目标是R6 HSDPA的3~4倍。此时R6 HSDPA是1发1收,而LTE是2发2收。

上行链路:在一个有效负荷的网络中,LTE 频谱效率(用每站址、每 Hz、每秒的比特数来衡量)的目标是R6 HSUPA的2~3倍。此时R6 HSUPA是1发2收,LTE也是1发2收。

6.移动性

E-UTRAN 能为低速移动(0~15km/h)的移动用户提供最优的网络性能,能为15~120km/h的移动用户提供高性能的服务,对以 120~350km/h(甚至在某些频段下,可以达到500km/h)速度移动的移动用户能够保持蜂窝网络的移动性。

在R6 CS域提供的话音和其他实时业务在E-UTRAN中将通过PS域支持,这些业务应该在各种移动速度下都能够达到或者高于UTRAN的服务质量。E-UTRA系统内切换造成的中断时间应等于或者小于GERAN CS域的切换时间。

超过 250km/h的移动速度是一种特殊情况(如高速列车环境),E-UTRAN的物理层参数设计应该能够在最高350km/h的移动速度(在某些频段甚至应该支持500km/h)下保持用户和网络的连接。

7.频谱灵活性

频谱灵活性一方面支持不同大小的频谱分配,譬如 E-UTRA 可以在不同大小的频谱中部署,包括1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz以及20 MHz,支持成对和非成对频谱。

频谱灵活性另一方面还体现在:支持不同频谱资源的整合。

8.与现有3GPP系统的共存和互操作

E-UTRA与其他3GPP系统的互操作需求包括但不限于以下几点。

①E-UTRAN和UTRAN/GERAN 多模终端支持对 UTRAN/GERAN 系统的测量,并支持E-UTRAN系统和UTRAN/GERAN系统之间的切换。

②E-UTRAN应有效支持系统间测量。

③对于实时业务,E-UTRAN和UTRAN之间的切换中断时间应低于300ms。

④对于非实时业务,E-UTRAN和UTRAN之间的切换中断时间应低于500ms。

⑤对于实时业务,E-UTRAN和GERAN之间的切换中断时间应低于300ms。

⑥对于非实时业务,E-UTRAN和GERAN之间的切换中断时间应低于500ms。

⑦处于非激活状态(类似R6 Idle 模式或Cell_PCH状态)的多模终端只需监测GERAN,UTRA或E-UTRA中一个系统的寻呼信息。

9.减小CAPEX和OPEX

体系结构的扁平化和中间节点的减少使得设备成本(CAPEX)和维护成本(OPEX)得以显著降低。【想一想】

3GPP要求LTE支持的主要指标和需求主要有哪些方面?

【技能实训】 LTE频谱规划资料收集

1.实训目标(1)培养良好的职业道德与习惯,增强团队意识。(2)能够利用Internet网络进行国际LTE频谱规划资料收集。(3)能够利用Internet网络进行国内LTE频谱规划资料收集。

2.实训设备

有一台能连接Internet网络的计算机。

3.实训步骤及注意事项(1)通过Internet网络了解国际LTE频谱规划情况。(2)通过Internet网络了解国内LTE频谱规划情况。(3)通过前面的调查,对资料进行电子归档,并整理成一个文档。

4.实训考核单续表

任务3 LTE总体架构

【工作任务单】

【知识链接1】 系统结构

1.LTE的系统结构

整个TD-LTE系统由3部分组成:核心网(Evolved Packet Core,EPC)、接入网(eNodeB)、用户设备(UE)。其中,EPC 分为三部分:负责信令处理部分(Mobility Management Entity,MME)、负责本地网络用户数据处理部分(Serving Gateway,S-GW)、负责用户数据包与其他网络的处理(PDN Gateway,P-GW)。接入网(也称 E-UTRAN)由 eNodeB(简称 eNB)构成。网络接口有:S1 接口(eNodeB 与 EPC 之间)、X2 接口(eNodeB 之间)、Uu接口(eNodeB与UE之间)。

LTE 采用了与 2G、3G 均不同的空中接口技术、即基于 OFDM 技术的空中接口技术,并对传统 3G的网络架构进行了优化,采用扁平化的网络架构,亦即接入网(E-UTRAN)不再包含 RNC,仅包含节点 eNB,提供 E-UTRA 用户面 PDCP/RLC/MAC/物理层协议的功能和控制面RRC协议的功能。LTE的系统结构如图1-7所示。

在LTE 架构中,没有了原有的Iu和Iub 以及Iur接口,取而代之的是新接口S1和X2。eNB之间由X2接口互连,每个eNB又和演进型分组核心网EPC通过S1接口相连。S1接口的用户面终止在服务网关 S-GW 上,S1 接口的控制面终止在移动性管理实体 MME 上。控制面和用户面的另一端终止在eNB上。TD-LTE EPS的承载管理架构如图1-9所示。图1-9 TD-LTE EPS的承载管理架构

2.各网元节点的功能

E-UTRAN 即 LTE的接入网部分,包括 eNodeB 网元。SAE(系统架构演进)即 LTE的核心网部分,包括 MME、S-GW、P-GW、PCRF和HSS。SAE 网络类似于 3G 网络中的软交换系统,将信令和业务分开承载,MME负责信令部分,Serving GW负责业务的承载,SGW是LTE内的锚点网关;PGW是无线网络的锚点,是到Internet的网关。(1)eNB的功能

LTE的eNB 除了具有原来 NodeB的功能之外,还承担了原来 RNC的大部分功能,包括有物理层功能、MAC 层功能(包括 HARQ)、RLC 层(包括 ARQ 功能)、PDCP 功能、RRC 功能(包括无线资源控制功能)、调度、无线接入许可控制、接入移动性管理以及小区间的无线资源管理功能等。具体包括:

①无线资源管理:无线承载控制、无线接纳控制、连接移动性控制、上下行链路的动态资源分配(即调度)等功能;

②IP头压缩和用户数据流的加密;

③当从提供给UE的信息无法获知到MME的路由信息时,选择UE附着的MME;

④路由用户面数据到S-GW;

⑤调度和传输从MME发起的寻呼消息;

⑥调度和传输从MME或O&M发起的广播信息;

⑦用于移动性和调度的测量和测量上报的配置;

⑧调度和传输从MME发起的ETWS(即地震和海啸预警系统)消息。

E-UTRAN和EPC的功能划分如图1-10所示。(2)MME的功能

MME(移动管理实体)是 SAE的控制核心,主要负责用户接入控制、业务承载控制、寻呼、切换控制等控制信令的处理。MME 功能与网关功能分离。这种控制平面/用户平面分离的架构,有助于网络部署、单个技术的演进以及全面灵活的扩容。具体包括:

①NAS信令和NAS信令安全;

②AS安全控制;图1-10 E-UTRAN和EPC的功能划分

③3GPP无线网络的网间移动信令;

④Idle状态UE的可达性(包括寻呼信号重传的控制和执行);

⑤跟踪区列表管理;

⑥P-GW和S-GW的选择;

⑦切换中需要改变MME时的MME选择;

⑧切换到2G或3GPP网络时的SGSN选择;

⑨漫游;

鉴权;

包括专用承载建立的承载管理功能;

支持ETWS信号传输。(3)S-GW的功能

S-GW(服务网关)作为本地基站切换时的锚定点,主要负责以下功能:在基站和公共数据网关之间传输数据信息;为下行数据包提供缓存;基于用户的计费等。具体包括:

①eNB间切换时,本地的移动性锚点;

②3GPP系统间的移动性锚点;

③E-UTRAN Idle状态下,下行包缓冲功能以及网络触发业务请求过程的初始化;

④合法侦听;

⑤包路由和前转;

⑥上行、下行传输层包标记;

⑦运营商间的计费时,基于用户和QCI粒度统计;

⑧分别以UE、PDN、QCI为单位的上下行计费。(4)PDN网关(P-GW)的功能

公共数据网关(P-GW)作为数据承载的锚定点,提供以下功能:包转发、包解析、合法监听、基于业务的计费、业务的QoS 控制,以及负责和非 3GPP 网络间的互联等。具体包括有:

①基于每用户的包过滤(如借助深度包探测方法);

②合法侦听;

③UE的IP地址分配;

④下行传输层包标记;

⑤上下行业务级计费、门控和速率控制;

⑥基于聚合最大比特速率(AMBR)的下行速率控制。(5)PCRF的功能

策略与计费规则功能单元(Policy and charging Rules Function,PCRF)是账号秘密认证和资源分配,主要功能包括有:提供基于业务数据流的QoS控制、门控和计费控制等。(6)HSS的功能

归属用户服务器(Home Subscriber Server,HSS),类似 3G 中的HLR,主要功能包括:存储了LTE/SAE网络中用户所有与业务相关的数据。【想一想】

1.LTE系统结构。

2.LTE各功能节点的功能。

【知识链接2】 无线协议结构

1.接入层和非接入层

无线资源控制(Radio Resource Control,RRC)以下的都是接入层;RRC以上的都是非接入层。无线网络层能理解的都是接入层,不需要无线网络层解析的是非接入层消息。接入层就是UE和核心网之间需要读懂的东西。接入层和非接入层如图1-11所示。图1-11 接入层和非接入层

2.控制面协议结构

控制面协议结构如图1-12所示。图1-12 控制面协议栈

①PDCP在网络侧终止于eNB,需要完成控制面的加密、完整性保护等功能。

②RLC和MAC在网络侧终止于eNB,在用户面和控制面执行功能没有区别。

③RRC在网络侧终止于eNB,主要实现广播、寻呼、RRC连接管理、RB控制、移动性功能、UE的测量上报和控制功能。

④NAS 控制协议在网络侧终止于 MME,主要实现 EPS 承载管理、鉴权、ECM(EPS连接性管理)idle状态下的移动性处理、ECM Idle状态下发起寻呼、安全控制功能。

3.用户面协议结构

用户面协议结构如图1-13所示。图1-13 用户面协议栈

用户面 PDCP、RLC、MAC 在网络侧均终止于 eNB。其中,PDCP 功能是头压缩、加密;RLC 层功能是上层 PDU的传输、ARQ、包分段和重组;MAC 层功能是调度、HARQ、逻辑信道优先级管理、逻辑信道与传输信道的映射、RLC PDU的复用与解复用;PHY层(L1)功能是无线接入、功率控制、MIMO。

4.层2协议结构

层2下行的协议结构如图1-14所示。

层2上行的协议结构如图1-15所示。

5.逻辑信道、传输信道和物理信道映射关系(1)逻辑信道与传输信道的映射关系

逻辑信道与传输信道的映射关系如图1-16所示。图1-14 层2的协议结构(DL)图1-15 层2的协议结构(UL)(2)传输信道与物理信道的映射关系

传输信道与物理信道的映射关系如图1-17所示。图1-16 逻辑信道与传输信道的映射关系图1-17 传输信道与物理信道的映射关系(3)逻辑信道、传输信道和物理信道映射关系

逻辑信道、传输信道和物理信道映射关系如图1-18所示。

6.Uu口协议结构

E-UMTS 无线接口协议栈结构水平方向可分为:NAS 控制协议;L3 层:无线资源控制(RRC)层;L2 层:媒体接入控制(MAC)子层、无线链路控制(RLC)子层、分组数据集中协议(PDCP)子层;L1层:物理层、传输信道、传输信道与物理信道的映射,如图1-19所示。图1-18 逻辑信道、传输信道和物理信道映射关系图1-19 E-UMTS无线接口协议栈结构(1)Uu口控制面协议栈

Uu口控制面协议栈如图1-20所示。4G中控制平面不存在PDCP协议栈,由RLC层提供无线信令承载SRB;RLC层依然提供TM/UM /AM三种传输模式;4G中UM/AM传输模式下的加密由 RLC层实现,TM模式下的加密由 MAC层实现;4G中含有多个 MAC实体:MAC-b, MAC-c/sh, MAC-d, MAC-hs。图1-20 Uu口控制面和用户面协议栈(2)Uu口用户面协议栈

Uu口用户面协议栈如图1-20所示。4G中PDCP层仅用于承载PS业务,广播和多播业务由BMC层协议承载;4G中用户数据的加密和解密由RLC和MAC层完成;4G中含有多个MAC实体:MAC-b, MAC-c/sh, MAC-d, MAC-hs;RLC层依然提供TM/UM /AM三种传输模式。【想一想】

1.什么是NAS和AS?

2.LTE控制面协议结构和用户面协议结构。

【知识链接3】 S1接口和X2接口

1.LTE/SAE网络中的接口

LTE/SAE网络中的接口如图1-21所示。

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