LTE移动通信系统概述

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重庆邮电大学网络管理原理与流量工程设计（论文）题目：LTE网络管理模型及系统方案学院名称：通信学院学生姓名：苏沁川专业：电子信息与通信工程学号：GS201401053填表时间：2015年1月-III- 摘要LTE（LongTermEvolution)是由3GPP（The3rdGenerationPartnershipProject，第三代合作伙伴计划）组织制定的UMTS（UniversalMobileTelecommunicationsSystem，通用移动通信系统）技术标准的长期演进，于2004年12月在3GPP多伦多TSGRAN#26会议上正式立项并启动。2013年12月，中国正式向三大运营商发放TD-LTE牌照，开启我国LTE网络技术运用序幕。本文第一章介绍了LTE网络的基本结构；第二章简单分析了LTE网络功能设计；第三章分析了LTE网络中主要关键技术的运用；第四章介绍了网络存在的问题及解决构想。【关键词】LTE网络eNodeB-III- 目录第一章LTE移动通信系统概述2第一节LTE网络介绍2LTE系统主要设计目标2目前中国LTE频道分配情况2第二节LTE系统的组成2第二章LTE网络管理设计4第一节eNodeB功能设计42.1S1接口管理：62.2X2接口管理：62.3无线资源管理72.4移动性管理82.5调度管理8第三章LTE系统的关键技术9第一节多天线技术9第二节导频设计9第三节正交频分复用技术10第四章存在问题及解决构想11第一节：CSFB解决CS域功能11第二节：VOLTE解决通话功能12-III-14 第一章LTE移动通信系统概述第一节LTE网络介绍LTE全名为：LongTermEvolution，LTE也被通俗的称为3.9G，具有100Mbps的数据下载能力，被视作从3G向4G演进的主流技术。它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率。LTE系统主要设计目标无线宽带灵活配置：支持1.4MHZ、3MHZ、5MHZ、10MHZ、15MHZ、20MHZ。峰值速率（20MHZ）：下行100Mbps，上行50Mbps接入时延：控制面时延小于100ms，用户面时延小于10ms移动服务：能为350KM/H速率以上用户提供100kbps的接入速率支持inter-rat移动性，例如GSM/WCDMA/HSPA取消CS域，CS域业务由PS域实现，如VOIP频谱效率:下行3-4倍于HSDPA,上行2-3倍于HSUPA目前中国LTE频道分配情况移动、联通、电信TD-LTE频段：中国移动频段为：1880-1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635MHz；（bands:39bands:40bands:41）中国联通频段为：2300-2320MHz、2555-2575MHz；(bands:40bands:41)中国电信频段为：2370-2390MHz、2635-2655MHz；(bands:40bands:41)第二节LTE系统的组成14 图1.1LTE网络组成UE：移动客户端E-UTRAN：演进的UTRAN无线接入网MME：移动管理实体SGSN:服务GPRS支持节点HSS:归属用户服务器一、e-NodeB（演进型基站）EvolvedNodeB，演进型NodeB，LTE中基站的名称，相比现有3G中的NodeB，集成了部分RNC的功能，减少了通信时协议的层次。eNB的功能包括：无线资源管理功能，即实现无线承载控制、无线许可控制、连接移动性控制，在上下行链路上完成UE上的动态资源分配；IP头压缩及用户数据流加密14 ；UE附着时的MME选择；寻呼信息的调度传输；广播信息的调度传输；完成有关移动性配置和调度的测量和测量报告；执行由MME发起的寻呼信息和广播信息的调度和传输。二、MME移动管理实体（MobileManagenmentEntity）MME是3GPP协议LTE接入网络的关键控制节点，它负责空闲模式的UE(UserEquipment)的定位，传呼过程，包括中继。它涉及到bearer激活/关闭过程，并且当一个UE初始化并且连接到时为这个UE选择一个SGW(SevingGateWay)。通过和HSS交互认证一个用户，为一个用户分配一个临时ID。MME同时支持在法律许可的范围内，进行拦截、监听。MME为2G/3G接入网络提供了控制函数接口，通过S3接口。为漫游UEs，面向HSS同样提供了S6a接口。MME主要功能有：NAS(Non-AccessStratum)非接入层信令的加密和完整性保护；AS(AccessStratum)接入层安全性控制，空闲状态移动性控制；EPS（EvolvedPacketSystem）承载控制；支持寻呼、切换、漫游、鉴权。第二章LTE网络管理设计第一节eNodeB功能设计在LTE系统架构中，RAN将演进成E-UTRAN,且只有一个结点：eNodeB。eNodeB之间为X2接口，eNodeB与核心网之间为S1接口14 RRC完成广播、寻呼、RRC连接管理、RB控制、移动性功能和UE的测量报告和控制功能。RLC和MAC子层在用户面和控制面执行功能没有区别。用户面各协议体主要完成信头压缩、加密、调度、ARQ和HARQ等功能。LTE中RRC子层功能与原有UTRAN系统中的RRC功能相同，包括有系统信息广播、寻呼、建立释放维护RRC连接等。RRC的状态设计为RRC_IDLE和RRC_CONNECTED两类。LTE的状态类型从NAS协议状态来看有以下三类：LTE_DETACHED状态，该状态下没有RRC实体存在。LTE_IDLE状态，该状态下RRC处于RRC-IDLE状态，一些信息已经存储在UE和网络（IP地址、安全关联的密钥等、UE能力信息、无线承载等）。LTE_ACTIVE状态，该状态下RRC处于RRC_CONNECTED状态。14 2.1S1接口管理：S1接口定义为E-UTRAN和EPC之间的接口。S1接口包括两部分：控制面的S1-C接口。用户面的S1-U接口。S1-C接口定义为eNB和MME功能之间的接口；S1-U定义为eNB和SAE网关之间的接口。S1接口的功能有：nSAE承载业务管理功能，例如建立和释放nUE在LTE_ACTIVE状态下的移动性功能，例如Intra-LTE切换和Inter-3GPP-RAT切换。nS1寻呼功能nNAS信令传输功能nS1接口管理功能，例如错误指示等n网络共享功能n漫游和区域限制支持功能nNAS节点选择功能n初始上下文建立功能2.2X2接口管理：X2接口定义为各个eNB之间的接口。X2接口包含X2-C和X2-U两部分。X2-C是各个eNB之间控制面间接口，X2-U是各个eNB之间用户面之间的接口。S1接口和X2接口类似的地方是：S1-U和X2-U使用同样的用户面协议，以便于eNB在数据前向时，减少协议处理。X2-C接口支持以下功能：移动性功能，支持UE在各个eNB之间的移动性，例如切换信令和用户面隧道控制。多小区RRM功能，支持多小区的无线资源管理，例如测量报告。通常的X2接口管理和错误处理功能。X2-U接口支持终端用户分组在各个eNB14 之间的隧道功能。隧道协议支持以下功能：在分组归属的目的节点处SAE接入承载指示减小分组由于移动性引起的丢失的方法2.3无线资源管理2.3.1无线承载控制RBCRBC功能体位于eNB，主要用于建立维护和释放无线承载包括配置与其关联的无线资源。当为一个业务建立一个无线承载时，无线承载控制要考虑E-UTRAN整体资源状况、正在进行的会话的QOS需求和新业务的QOS需求。RBC也需要考虑维护正在会话中的无线承载由于移动性或其他原因而改变无线资源环境时的处理。RBC同时需要考虑关联无线承载在会话终止、切换或其他场景时，释放无线资源的处理。2.3.2无线接纳控制RACRAC功能体位于eNB，主要任务是接纳或拒绝新的无线承载的建立请求。RAC需要考虑E-UTRAN的整体资源状况、QOS需求、优先级以及正在进行的会话所提供的QOS和新无线承载请求的QOS需求。RAC的目标是确保更好的利用无线资源（只要在无线资源可用时，即可接纳无线承载请求），同时要保证正在进行的会话的服务质量（如果影响到正在进行的会话，则拒绝无线承载请求）。2.3.3连接移动性控制CMC连接移动性控制功能位于eNB，主要用于管理在空闲模式或激活模式移动性时连接的无线资源。在空闲模式，小区选择算法通过设置参数来控制（门限和滞后参数值），定义最好小区或决定UE开始选择一个新小区的时间。同样，E-UTRAN的广播参数配置UE在激活模式下的测量和报告过程，需要支持无线连接的移动性。切换的决策可以通过UE或者是eNB14 的测量来作为依据。此外，切换决策也可以采用其他的输入，例如邻区的负荷、业务流的属性、传输和硬件资源以及其他运营商定义的策略等。2.3.4分组调度PS-动态资源分配DRA动态资源分配功能体位于eNB，动态资源分配或分组调度用于给用户和控制面包分配资源，或取消分配资源，也包括对资源块的缓冲和处理资源。动态资源分配包括几个子任务，包括选择要被调度的无线承载和管理必须的资源。分组调度典型的功能是考虑与无线承载关联的QOS需求、UE的信道质量信息、缓存状态以及干扰条件等。动态资源分配也需要在小区间干扰协调时，考虑限制或选择一些可用的资源块。2.3.5小区间干扰协调ICIC小区间干扰协调功能位于eNB，ICIC用于管理无线资源特别是无线资源块，以便于小区间的干扰可以被控制。本质上ICIC是一个多小区的无线资源管理功能，所以需要考虑来自多个小区的信息，例如资源使用状态和业务负荷情况。上行链路和下行链路的首选ICIC方法应不同。2.4移动性管理E-UTRAN内部的移动性过程E-UTRAN内部的移动性过程包括小区选择过程、小区重选过程、切换、数据前向、无线链路失败以及无线接入网共享等。待五月3GPP会议后补充内容。RAT间切换待3GPP会议确定后补充内容。2.5调度管理下行链路的调度：NodeB的调度程序(对于单播传输)动态控制，在给定时间，时间和频率资源分配给某一用户。下行链路控制信令通知UE分配给其的资源和对应的传输格式。调度程序可以同时从可用的方法中选择最好的复接策略。14 上行链路的调度：上行链路可以允许NodeB控制的调度和基于竞争的接入。下行链路自适应的核心技术是自适应调制和编码（AMC）。采用RB-commonAMC。也就是说，对于一个用户的一个数据流，在一个TTI内，一个层2的PDU只采用一种调制编码组合（但在MIMO的不同流之间可以采用不同的AMC组合）。编码和调制的完整过程参见右图所示来描述。第三章LTE系统的关键技术第一节多天线技术多天线技术是指采用下行MIMO和发射分集的技术。LTE最基本的多天线技术配置是下行采用双发双收的2*2天线配置，上行采用单发双收的1*2天线配置，现阶段考虑的最高要求是下行链路MIMO和天线分集支持四发四收的4*4的天线配置或者四发双收的4*2天线配置。考虑的MIMO技术包括空间复用（SM）、空分多址（SDMA）、预编码（Pre-coding）、秩自适应（Rankadaptation）、以及开环发射分集（STTD，主要用于控制信令的传输）。具体的技术仍在选择中尚未最终确定。如果所有空分复用（SDM）数据流都用于一个UE，则称为单用户（SU）MIMO，如果将多个SDM数据流用于多个UE，则称为多用户（MU）MIMO。小区侧的多发射天线的操作模式，即为MIMO模式，是指空间复用、波束成型、单数据流发射分集模式。MIMO模式受限于UE的能力，例如接收天线的个数。第二节导频设计参考信号（即，导频）设计分为上行和下行导频设计两类。下行导频设计：下行导频格式如下图所示，系统采用TDM（时分复用）的导频插入方式。每个子帧可以插入两个导频符号，第1和第2导频分别在第1和倒数第314 个符号。导频的频域密度为6个子载波，第1和第2导频在频域上交错放置。采用MIMO时须支持至少4个正交导频（以支持4天线发送），但对智能天线例外。在一个小区内，多天线之间主要采用FDM（频分复用）方式的正交导频。在不同的小区之间，正交导频在码域实现（CDM）。对多小区MBMS系统，可以考虑采用两种参考符号结构：各小区相同的（cell-common）的参考符号和各小区不同的（cell-specific）参考符号。目前假设cell-common结构为基本结构，是否支持cell-specific参考符号还有待于进一步研究。第三节正交频分复用技术OFDM（正交频分复用技术）技求是将一十较宽的频带分成一些较窄的相互重叠且正交的子载波．并行传送数据．提高频谱效率．抵抗信道衰落其主要思想是将信道丹或许多正变于信谨，在每个子信逋±进行窄带调制和传输，由于每个于信道上的信号带宽小于信道的相关带宽．因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的．大大消除了符号间干扰。在各类无线通信系统中，ISIfnterSymboInterference．符号问干扰)一直是影响通信质量的重要因素。目前的移动通信系统罘用自适应均衡器来解决这一问题。但是用户越多均衡器的抽头就越多．这对硬件的处理速度提出了很高的要求．并将太大提高设备的复杂程度和成本。因此，当同样能够有效对抗lsl的OFDM技术推出时、就目其频谱利用率高、抗击径衰落性能好、成本偏低而被普遍看好14 第四章存在问题及解决构想由于LTE没有CS域结构故不能承载传统语音业务，目前三大运营商LTE网络均只能承载数据业务，为了满足语音通话目前主要采用CSFB语音回落到2/3G网络，其次正在试验的VOLTE技术也可解决LTE的语音功能。第一节：CSFB解决CS域功能CSFB技术适用于2G/3G电路域与TD-LTE的无线网络重叠覆盖的场景，网络结构简单，不需要部署IMS系统，能有效利用现有CS网络投资;SRVCC技术适用于运营商已部署IMS网络，在TD-LTE网络已经能提供基于IMS的语音业务，但TD-LTE没有达到全网覆盖的场景;TD-LTE/TD-SCDMA/GSM(GPRS)多模双待终端可选择TD-SCDMA/GSM模式建立语音业务，选择PS域当前附着的网络建立分组域业务，对网络没有额外要求，但终端实现比较复杂。CSFB主叫信令流程如下：1.UE发起CSFallback语音业务请求。2.MME发送S1-APUECONTEXTMODIFICATIONREQUEST消息给eNodeB，包含CSFallbackIndicator。该消息指示eNodeB，UE因CS14 Fallback业务需要回落到UTRAN/GERAN。3.eNodeB要求UE开始异系统的小区测量，并获得UE上报的测量报告，确定重定向的目标系统小区。然后向UE发送目标系统具体的无线配置信息，并释放连接。4.UE接入目标系统小区，发起CS域的业务请求CMSERVICEREQUEST。5.如果目标系统小区归属的MSC与UE附着EPS网络时登记的MSC不同，则该MSC收到UE的业务请求时，由于没有该UE的信息，可以采取隐式位置更新流程，接受用户请求。如果MSC不支持隐式位置更新，且MSC没有用户数据（即服务MSC与EPS/IMSI登记的MSC不同），则拒绝该用户的业务请求。如果MSC拒绝用户的业务请求会导致UE发起一个CS域位置更新流程。6.CS域语音呼叫建立流程。第二节：VOLTE解决通话功能当LTE网络达到全覆盖时，VoLTE语音方案将成为运营商的终极解决方案。VoLTE是GSMA定义的标准LTE语音解决方案，其核心业务控制网络是IMS（IP多媒体子系统）网络，配合LTE和EPC网络实现端到端的基于分组域的语音、视频通信业务。通过IMS系统的控制，VoLTE解决方案可以提供和电路域性能相当的语音业务及其补充业务，包括号码显示、呼叫转移、呼叫等待、会议电话等。VoLTE解决方案中，实现VoIP语音业务时，除了由EPS系统提供承载，由IMS系统提供业务控制外，通常还要由PCC架构实现用户业务QoS控制以及计费策略的控制。主要呼叫流量如图：14