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TD-LTE系统主要技术特点

3GPP长期演进(Long Term Evolution,LTE)项目是关于UTRA和UTRAN改进的项目,是对包括核心网在内的全网的技术演进。LTE也被通俗的称为3.9G,具有100Mbps的峰值数据下载能力,被视作从3G向4G演进的主流技术。LTE 是一个高数据率、低时延和基于全分组的移动通信系统,具体的目标主要包括:

a 实现灵活的频谱带宽配置,支持1.25~20MHz的可变频宽;

b 在数据率和频谱利用率方面,实现下行峰值速率100Mbps,上行峰值速率50Mbps;频谱利用率为HSPA的2~4倍,用户平均吞吐量为HSPA的2~4倍;

c 提高小区边缘传输速率,改善用户在小区边缘的业务体验,增强3GPP LTE 系统的覆盖性能;

d 用户面内部(单向)延迟小于5ms,控制平面从睡眠状态到激活状态的迁移时间低于50ms,UE从待机状态到开始传输数据,时延不超过100ms(不包括下行寻呼时延);

e 支持增强型的多媒体广播和组播业务(Multimedia Broadcast Multicast Service,MBMS);

f 降低建网成本,实现低成本演进;

g 取消电路交换(CS)域,采用基于全分组的包交换,CS域业务在PS域实现,语音部分由Vo I P实现;

h 实现合理的终端复杂度,降低终端成本并延长待机时间;

i 实现与3G和其他通信系统的共存。

[[中国移动获得130MHz频谱资源,分别为1880 -1900 MHz、2320-2370 MHz、2575-2635 MHz;中国联通获得40MHz频谱资源,分别为2300-2320 MHz、2555-2575 MHz;中国电信获得40MHz频谱资源,分别为2370-2390 MHz、2635-2655 MHz。]]

TD-LTE网络结构和接口

1、TD-LTE系统结构

TD-LTE对TD-SCDMA的网络架构进行了优化,采用扁平化的网络结构。取消RNC节点,接入网侧仅包含Node B一种实体,这简化了网络设计,降低了后期维护的难度。实现了全IP路由,网络结构趋近于IP宽带网络。整个TD-LTE系统由演进型分组核心网(Evolved Packet Core,EPC)、演进型基站(eNodeB)和用户设备(UE)三部分组成,如图1所示。其中,EPC负责核心网部分,EPC控制处理部分称为MME,数据承载部分称为SAE Gateway (S-GW);eNode B负责接入网部分,也称E-UTRAN;UE指用户终端设备。

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图1 TD-LTE系统架构图2 TD-SCDMA系统架构如图1所示,eNode B与EPC通过S1接口连接;eNode B之间通过X2接口连接;eNode B与UE之间通过Uu接口连接。与TD-SCDMA相比,由于NodeB和RNC融合为网元eNodeB,所以TD‐LTE少了Iub接口。X2接口类似于Iur接口,S1接口类似于Iu接口,但都有较大简化。

2、核心网和接入网的功能划分

因为TD ‐LTE 系统在TD ‐SCDMA 系统的基础上对网络架构做了较大的调整。相应的,其核心网和接入网的功能划分也有所变化,如图3所示

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S1

E-UTRAN

图3 功能划分

1)eNB

eNB 即evolved Node B ,主要功能包括空中接口的phy 、mac 、rlc 、rrc 各

层实体,用户通信过程中的控制面和用户面的建立、管理和释放,以及部分无线资源管理rrm 方面的功能。具体包括:

① 无线资源管理(RRM );

② 用户数据流IP 头压缩和加密;

③ UE 附着时MME 选择功能;

④ 用户面数据向Serving GW 的路由功能;

⑤ 寻呼消息的调度和发送功能;

⑥ 广播消息的调度和发送功能;

⑦ 用于移动性和调度的测量和测量报告配置功能;

⑧ 基于AMBR 和MBR 的上行承载级速率整型;

⑨上行传输层数据包的分类标示;

2) MME

MME即Mobile Managenment Entity其主要功能包括:

①NAS信令,NAS信令安全;

②认证;

③漫游跟踪区列表管理;

④3GPP接入网络之间核心网节点之间移动性信令;

⑤空闲模式UE的可达性;

⑥选择PDN GW 和Serving GW;

⑦MME改变时的MME选择功能;

⑧2G、3G切换时选择SGSN;

⑨承载管理功能(包括专用承载的建立);

3) S-GW

S-GW即服务网关其主要功能包括:

①eNodeB之间切换时本地移动性锚点和3GPP之间移动性锚点;

②在网络触发建立初始承载过程中,缓存下行数据包;

③数据包的路由[SGW可以连接多个PDN]和转发;

④切换过程中,进行数据的前转;

⑤上下行传输层数据包的分类标示;

⑥在漫游时,实现基于UE,PDN和QCI粒度的上下行计费;

⑦合法性监听;

4)P-GW

P-GW即分组数据网关其主要功能包括:

①基于单个用户的数据包过滤;

②UE IP地址分配;

③上下行传输层数据包的分类标示;

④上下行服务级的计费(基于SDF,或者基于本地策略);

⑤上下行服务级的门控;

⑥上下行服务级增强,对每个SDF进行策略和整形;

⑦基于AMBR的下行速率整形基于MBR的下行速率整上下行承载的绑定;

⑧合法性监听;

3、接口的主要功能

S1接口主要具备以下功能:

(1)EPS承载服务管理功能,包括EPS承载的建立、修改和释放。

(2)S1接口UE上下文管理功能。

(3)EMM‐CONNECTED 状态下针对UE的移动性管理功能。包括Intra‐LTE 切换、Inter‐3GPP‐RAT切换等。

(4)S1接口寻呼功能。寻呼功能支持向UE注册的所有跟踪区域内的小区中发送寻呼请求。基于服务MME中UE的移动性管理内容中所包含的移动信息,寻呼请求将被发送到相关eNode B。

(5)NAS信令传输功能。提供UE与核心网之间非接入层的信令的透明传输。

(6)S1接口管理功能。如错误指示、S1接口建立等。

(7)网络共享功能。

(8)漫游与区域限制支持功能。

(9)NAS节点选择功能。

(10)初始上下文建立功能。

X2接口的主要功能(这里主要介绍X2‐AP协议的功能)

(1)支持UE在EMM‐CONNECTED状态时的LTE接入系统内的移动性管理功能。

如在切换过程中由源eNB到目标eNB的上下文传输;源eNB与目标eNB 之间用户平面隧道的控制;切换取消等。

(2)上行负载管理功能。

(3)一般性的X2管理和错误处理功能,如错误指示等。

4 接口的协议栈

1)无线接口

无线接口是指终端和接入网之间的接口,简称Uu接口,通常我们也称为空中接口。无线接口协议主要是用来建立、重配置和释放各种无线承载

业务的。LTE技术中,无线接口是终端和eNB之间的接口。无线接口是一个完全开放的接口,只要遵守接口的规范,不同制造商生产的设备就能够互相通信。

无线接口协议栈主要分三层两面,三层主要包括了物理层、数据链路层和网络层,两面是指控制平面和用户平面。

数据链路层主要被分为3个子层,包括媒体接入控制(MAC)、无线链路控制(RLC)、和分组数据汇聚协议(PDCP)3个子层。数据链路层同时位于控制平面和用户平面:在控制平面负责无线承载信令的传输、加密和完整性保护;在用户平面主要负责用户业务数据的传输和加密。网络层是指无线资源控制(RRC)层,位于接入网的控制平面,负责完成接入网和终端之间交互的所有信令处理。

【无线接口控制平面协议栈】

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无线接口控制平面协议栈如上图所示,主要负责对无线接口的管理和控制,包括RRC协议、MAC/RLC/PDCP协议和管理层的协议。将非接入层(NAS)协议显示在这里,只是为了说明它是UE-EPC通信的一部分。控制平面协议栈各层主要功能如下。

1)NAS控制协议实体位于终端UE和移动管理实体MME内,主要负责提供对非接入层部分的控制和管理,主要功能包括演进数据

包传输系统(EPS)承载管理,鉴权,EPS连接管理模式的空闲状

态下的移动性管理,负责产生ECM-IDLE状态UE的寻呼消息,安

全控制等功能。

2)RRC协议实体位于UE和ENB网络实体内,主要负责对接入层的控制和管理,主要功能包括广播、寻呼、RRC连接管理、无线承

载控制、移动性管理以及UE测量报告和测量上报控制功能。

3)数据链路层的PDCP子层主要负责控制平面RRC协议数据的加解密和完整性保护功能。

4)数据链路层和物理层提供对RRC协议消息的数据传输功能。NAS 消息可以串接在RRC消息内,也可以单独在RRC消息中携带。在

切换等情况下NAS消息的丢失和重复有可能会发生,AS将提供

对NAS信令在小区内的有序传输功能。

【无线接口用户平面协议栈】

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用户平面无线接口协议栈如上图所示,主要为数据链路层协议(MAC、RLC、PDCP)和物理层协议。物理层为数据链路层提供数据传输功能。物理层通过传输信道为MAC子层提供相应的服务。MAC子层通过逻辑信道向RLC 子层提供相应的服务。

2)S1 接口协议栈

1、S1 接口用户平面

S1 用户面接口(S1-U)是指连接在eNode B 和S‐GW 之间的接口。S1-U 接口提供eNodeB 和S‐GW 之间用户平面协议数据单元(Protocol Date Unite,PDU)的非保障传输。S1 接口用户平面协议栈如下图所示。S1‐U 的传输网络层建立在IP 层之上,UDP/IP 协议之上采用GPRS 用户平面隧道协议(GPRS Tunneling Protocol for User Plane,GTP‐U)来传输S‐GW 和eNode B 之间的用户平面PDU。

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2、S1 控制平面接口

S1 控制平面接口(S1‐MME)是指连接在eNode B 和MME 之间的接口。S1 控制平面接口协议栈如下图所示。与用户平面类似,传输网络层建立在IP 传输基础上;不同之处在于IP 层之上采用SCTP 层来实现信令消息的可靠传输。

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在IP 传输层, PDU 的传输采用点对点方式。每个S1‐MME 接口实例都关联一个单独的SCTP,与一对流指示标记作用于S1‐MME 公共处理流程中;只有很少的流指示标记作用于S1‐MME 专用处理流程中。

MME 分配的针对S1‐MME 专用处理流程的MME 通信上下文指示标记,以及eNode B分配的针对S1‐MME 专用处理流程的eNode B 通信上下文指示标记,都应当对特定UE 的S1‐MME 信令传输承载进行区分。通信上下文指示标记在各自的S1‐AP 消息中单独传送。

3、X2 接口用户平面

X2 接口用户平面提供 eNode B 之间的用户数据传输功能。X2 的用户平面协议栈如下图所示,与 S1-UP 协议栈类似,X2-UP 的传输网络层基于 IP 传输,UDP/IP 之上采用 GTP-U、来传输 eNode B 之间的用户面 PDU。

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X2 接口控制平面

X2 控制面接口(X2-CP)定义为连接eNB 之间接口的控制面。X2 接口控制面的协议栈如下图所示,传输网络层是建立在SCTP 上,SCTP 是在IP 上。应用层的信令协议表示为X2-AP(X2应用协议)。

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每X2‐C 接口含一个单一的SCTP 并具有双流标识的应用场景应用X2‐C 的一般流程。具有多对流标识仅应用于X2‐C 的特定流程。源eNB 为X2‐C 的特定流程分配源eNB 通信的上下文标识,目标eNB 为X2‐C 的特定流程分配目标eNB 通信的上下文标识。这些上下文标识用来区别UE 特定的X2‐C 信令传输承载。通信上下文标识通过各自的X2‐AP 消息传输。

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