LTE快速指南

---

---

LTE概述

LTE代表長期演進，它是由被稱為第三代合作伙伴計劃（3GPP）的電信機構於2004年啟動的一個專案。SAE（系統架構演進）是GPRS/3G分組核心網路演進的相應演進。術語LTE通常用於表示LTE和SAE。

LTE發展自早期的3GPP系統，稱為通用移動通訊系統（UMTS），而UMTS又發展自全球移動通訊系統（GSM）。甚至相關的規範也被正式稱為演進的UMTS陸地無線接入（E-UTRA）和演進的UMTS陸地無線接入網路（E-UTRAN）。LTE的第一個版本記錄在3GPP規範的第8版中。

移動資料使用量的快速增長以及MMOG（多媒體線上遊戲）、移動電視、Web 2.0、流媒體內容等新應用的出現，促使第三代合作伙伴計劃（3GPP）致力於長期演進（LTE），邁向第四代移動。

LTE的主要目標是提供一種高資料速率、低延遲和麵向分組的無線接入技術，支援靈活的頻寬部署。同時，其網路架構的設計目標是支援分組交換流量，實現無縫移動性和卓越的服務質量。

LTE演進

關於LTE的事實

• LTE不僅是UMTS的後續技術，也是CDMA 2000的後續技術。

• LTE很重要，因為它將使蜂窩網路的效能提高多達50倍，並顯著提高頻譜效率。

• 引入LTE是為了獲得更高的資料速率，峰值下行鏈路300Mbps，峰值上行鏈路75 Mbps。在20MHz載波下，在訊號條件非常好的情況下，可以實現超過300Mbps的資料速率。

• LTE是支援語音通話（VOIP）、流媒體、視訊會議甚至高速蜂窩調變解調器等服務的高資料速率的理想技術。

• LTE使用時分雙工（TDD）和頻分雙工（FDD）模式。在FDD中，上行鏈路和下行鏈路傳輸使用不同的頻率，而在TDD中，上行鏈路和下行鏈路都使用相同的載波，並在時間上分離。

• LTE支援靈活的載波頻寬，從1.4 MHz到20 MHz，以及FDD和TDD。LTE設計了一個可擴充套件的載波頻寬，從1.4 MHz到20 MHz，使用的頻寬取決於頻段和網路運營商可用的頻譜數量。

• 所有LTE裝置都必須支援（MIMO）多輸入多輸出傳輸，這允許基站同時透過同一載波傳輸多個數據流。

• LTE中網路節點之間所有介面現在都是基於IP的，包括到無線基站的後傳連線。與早期基於E1/T1、ATM和幀中繼鏈路的技術相比，這是一個很大的簡化，其中大多數是窄帶且昂貴的。

• 在所有介面上都標準化了服務質量（QoS）機制，以確保當容量限制達到時，語音呼叫對恆定延遲和頻寬的要求仍然可以滿足。

• 與GSM/EDGE/UMTS系統一起工作，利用現有的2G和3G頻譜以及新頻譜。支援切換和漫遊到現有的行動網路。

LTE的優勢

• 高吞吐量：在下行鏈路和上行鏈路中都可以實現高資料速率。這導致高吞吐量。

• 低延遲：連線到網路所需的時間在幾百毫秒的範圍內，並且現在可以非常快速地進入和退出省電狀態。

• 同一平臺上的FDD和TDD：頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）這兩種方案都可以在同一平臺上使用。

• 卓越的終端使用者體驗：連線建立和其他空中介面和移動性管理過程的最佳化信令進一步改善了使用者體驗。延遲降低（至10毫秒）以獲得更好的使用者體驗。

• 無縫連線：LTE還將支援與現有網路（如GSM、CDMA和WCDMA）的無縫連線。

• 即插即用：使用者不必手動安裝裝置驅動程式。相反，系統會自動識別裝置，並在需要時載入新的硬體驅動程式，並開始使用新連線的裝置。

• 簡單的架構：由於架構簡單，運營支出（OPEX）低。

LTE - QoS

LTE架構支援硬QoS，具有端到端的服務質量和無線承載的保證位元率（GBR）。就像乙太網和網際網路具有不同型別的QoS一樣，例如，可以對不同應用程式的LTE流量應用各種級別的QoS。由於LTE MAC是完全排程的，因此QoS非常自然。

演進分組系統（EPS）承載與RLC無線承載一一對應，並支援流量流模板（TFT）。EPS承載有四種類型

• GBR承載資源由接入控制永久分配

• 非GBR承載無接入控制

• 專用承載與特定TFT（GBR或非GBR）相關聯

• 預設承載非GBR，萬能用於未分配的流量

LTE基本引數

本節將總結LTE的基本引數

E-UTRA工作頻段

以下是取自LTE規範36.101(v860)表5.5.1的E-UTRA工作頻段表

LTE網路架構

LTE的高階網路架構由以下三個主要元件組成

• 使用者裝置（UE）。

• 演進的UMTS陸地無線接入網路（E-UTRAN）。

• 演進的分組核心（EPC）。

演進的分組核心與外部世界的分組資料網路（如網際網路、私有企業網路或IP多媒體子系統）通訊。系統不同部分之間的介面分別表示為Uu、S1和SGi，如下所示

使用者裝置（UE）

LTE使用者裝置的內部架構與UMTS和GSM使用的架構相同，實際上是一個移動裝置（ME）。移動裝置包含以下重要模組

• 移動終端（MT）：處理所有通訊功能。

• 終端裝置（TE）：終止資料流。

• 通用積體電路卡（UICC）：這也被稱為LTE裝置的SIM卡。它執行一個稱為通用使用者識別模組（USIM）的應用程式。

USIM儲存使用者特定的資料，非常類似於3G SIM卡。它儲存有關使用者電話號碼、歸屬網路標識和安全金鑰等資訊。

E-UTRAN（接入網路）

演進的UMTS陸地無線接入網路（E-UTRAN）的架構如下所示。

E-UTRAN處理移動裝置和演進分組核心之間的無線通訊，只有一個元件，即演進的基站，稱為eNodeB或eNB。每個eNB都是一個基站，控制一個或多個小區中的移動裝置。與移動裝置通訊的基站稱為其服務eNB。

LTE移動裝置一次只與一個基站和一個小區通訊，eNB支援以下兩個主要功能

• eNB使用LTE空中介面的模擬和數字訊號處理功能向所有移動裝置傳送和接收無線傳輸。

• eNB透過傳送信令訊息（如切換命令）來控制其所有移動裝置的低階操作。

每個eNB透過S1介面連線到EPC，還可以透過X2介面連線到附近的基站，X2介面主要用於切換期間的信令和分組轉發。

家庭eNB（HeNB）是使用者購買的基站，用於在家中提供微小區覆蓋。家庭eNB屬於封閉使用者組（CSG），並且只能被也屬於封閉使用者組的USIM的移動裝置訪問。

演進的分組核心（EPC）（核心網路）

演進的分組核心（EPC）的架構如下所示。為了簡化起見，圖中沒有顯示一些其他元件。這些元件如地震和海嘯預警系統（ETWS）、裝置標識暫存器（EIR）和策略控制和計費規則功能（PCRF）。

以下是上面架構中所示的每個元件的簡要說明

• 家庭使用者伺服器（HSS）元件是從UMTS和GSM中繼承過來的，是一箇中央資料庫，包含有關所有網路運營商使用者的資訊。

• 分組資料網路（PDN）閘道器（P-GW）使用SGi介面與外部世界（即分組資料網路PDN）通訊。每個分組資料網路都由一個接入點名稱（APN）標識。PDN閘道器的作用與UMTS和GSM中的GPRS支援節點（GGSN）和服務GPRS支援節點（SGSN）相同。

• 服務閘道器（S-GW）充當路由器，並在基站和PDN閘道器之間轉發資料。

• 移動性管理實體（MME）透過信令訊息和家庭使用者伺服器（HSS）控制移動裝置的高階操作。

• 策略控制和計費規則功能（PCRF）是上面圖中未顯示的元件，但它負責策略控制決策，以及控制策略控制執行功能（PCEF）中的基於流的計費功能，PCEF駐留在P-GW中。

服務閘道器和PDN閘道器之間的介面稱為S5/S8。它有兩個略微不同的實現，如果這兩個裝置在同一個網路中，則稱為S5；如果它們在不同的網路中，則稱為S8。

E-UTRAN和EPC之間的功能分割

下圖顯示了LTE網路中E-UTRAN和EPC之間的功能分割。

2G/3G與LTE

下表比較了2G/3G和LTE中使用的各種重要的網路元素和信令協議。

LTE漫遊架構

一個運營商在一個國家運營的網路稱為公共陸地行動網路（PLMN），當訂閱使用者使用其運營商的PLMN時，則稱其為歸屬PLMN，但漫遊允許使用者移動到其歸屬網路之外，並使用其他運營商網路的資源。這個其他網路稱為被訪問PLMN。

漫遊使用者連線到被訪問LTE網路的E-UTRAN、MME和S-GW。但是，LTE/SAE允許使用被訪問網路或歸屬網路的P-GW，如下所示

歸屬網路的P-GW允許使用者即使在被訪問網路中也能訪問歸屬運營商的服務。被訪問網路中的P-GW允許“本地出口”到被訪問網路中的網際網路。

服務閘道器和PDN閘道器之間的介面稱為S5/S8。它有兩個略微不同的實現，如果這兩個裝置在同一個網路中，則稱為S5；如果它們在不同的網路中，則稱為S8。對於沒有漫遊的移動裝置，服務閘道器和PDN閘道器可以整合到單個裝置中，這樣S5/S8介面就會完全消失。

LTE漫遊計費

支援4G漫遊所需的新計費機制的複雜性比3G環境中要豐富得多。下面簡要介紹了LTE漫遊的預付費和後付費計費。

• 預付費計費 - 在3G中啟用預付費服務的CAMEL標準在LTE中不受支援；因此，必須將預付費客戶資訊路由迴歸屬網路，而不是由本地被訪問網路處理。因此，運營商必須依靠新的計費流程來訪問預付費客戶資料，例如透過其在IMS和非IMS環境中的P-閘道器或透過IMS環境中的CSCF。

• 後付費計費 - 後付費資料使用計費在LTE中的工作方式與3G相同，使用TAP 3.11或3.12版本。對於IMS服務的本地出口，需要TAP 3.12。

在本地出口場景中，運營商對使用者活動的可見性不如家庭路由場景中那樣多，因為使用者資料會話保留在被訪問網路中；因此，為了讓歸屬運營商捕獲預付費和後付費客戶的即時資訊，它必須在計費系統和被訪問網路的P-閘道器之間建立Diameter介面。

在IMS服務的本地出口場景中，被訪問網路從S-閘道器建立呼叫詳細記錄（CDR），但是，這些CDR不包含建立TAP 3.12移動會話或服務使用訊息事件記錄所需的所有資訊。因此，運營商必須將核心資料網路CDR與IMS CDR相關聯以建立TAP記錄。

LTE編號和定址

LTE網路區域劃分為三種不同型別的地理區域，如下所述

因此，LTE網路將包含許多MME池區域、許多S-GW服務區域和許多跟蹤區域。

網路ID

網路本身將使用公共陸地行動網路標識（PLMN-ID）進行識別，該標識將具有三位移動國家程式碼（MCC）和兩位或三位行動網路程式碼（MNC）。例如，英國的移動國家程式碼為234，而沃達豐的英國網路使用15的行動網路程式碼。

MME ID

每個MME具有三個主要標識。MME程式碼（MMEC）在所有池區域中唯一標識MME。一組MME被分配一個MME組標識（MMEGI），它與MMEC一起構成MME識別符號（MMEI）。MMEI在特定網路中唯一標識MME。

如果我們將PLMN-ID與MMEI組合，則得到全域性唯一MME識別符號（GUMMEI），它標識世界任何地方的MME

跟蹤區域ID

每個跟蹤區域有兩個主要標識。跟蹤區域程式碼（TAC）標識特定網路中的跟蹤區域，如果將其與PLMN-ID組合，則得到全域性唯一跟蹤區域標識（TAI）。

小區ID

網路中的每個小區具有三種類型的標識。E-UTRAN小區標識（ECI）標識特定網路中的小區，而E-UTRAN小區全域性識別符號（ECGI）標識世界任何地方的小區。

物理小區標識，它是一個從0到503的數字，它將小區與其直接鄰居區分開來。

移動裝置ID

國際移動裝置標識（IMEI）是移動裝置的唯一標識，國際移動使用者標識（IMSI）是UICC和USIM的唯一標識。

臨時移動使用者標識（M-TMSI）將移動裝置標識給其服務MME。在M-TMSI中新增MME程式碼會產生臨時移動使用者標識（S-TMSI），它標識MME池區域中的移動裝置。

最後，將MME組標識和PLMN標識與S-TMSI一起新增會產生全域性唯一臨時標識（GUTI）。

LTE無線協議架構

LTE的無線協議架構可以分為控制平面架構和使用者平面架構，如下所示

在使用者平面方面，應用程式建立由TCP、UDP和IP等協議處理的資料包，而在控制平面中，無線資源控制（RRC）協議編寫在基站和移動裝置之間交換的信令訊息。在這兩種情況下，資訊都由分組資料收斂協議（PDCP）、無線鏈路控制（RLC）協議和介質訪問控制（MAC）協議處理，然後傳遞給物理層進行傳輸。

使用者平面

eNode B和UE之間的使用者平面協議棧包含以下子層

• PDCP（分組資料收斂協議）

• RLC（無線鏈路控制）

• 介質訪問控制（MAC）

在使用者平面上，核心網路（EPC）中的資料包封裝在特定的EPC協議中，並在P-GW和eNodeB之間進行隧道傳輸。根據介面使用不同的隧道協議。GPRS隧道協議（GTP）用於eNodeB和S-GW之間的S1介面以及S-GW和P-GW之間的S5/S8介面。

層接收到的資料包稱為服務資料單元（SDU），而層的輸出資料包稱為協議資料單元（PDU），使用者平面上的IP資料包從上到下層流動。

控制平面

控制平面還包括無線資源控制層（RRC），它負責配置下層。

控制平面處理特定於無線的功能，這些功能取決於使用者裝置的狀態，包括兩種狀態：空閒或連線。

UE和MME之間控制平面的協議棧如下所示。棧的灰色區域表示接入層（AS）協議。除控制平面沒有報頭壓縮功能外，下層執行與使用者平面相同的功能。

LTE協議棧層

讓我們仔細看看E-UTRAN協議棧中所有可用的層，我們在上一章中已經看到過。以下是E-UTRAN協議棧的更詳細的圖。

物理層（第1層）

物理層透過空中介面承載來自MAC傳輸通道的所有資訊。負責鏈路自適應（AMC）、功率控制、小區搜尋（用於初始同步和切換目的）以及其他測量（在LTE系統內部和系統之間）以供RRC層使用。

介質訪問層（MAC）

MAC層負責邏輯通道與傳輸通道之間的對映，將來自一個或多個邏輯通道的MAC SDU複用到要傳送到物理層的傳輸塊(TB)上，將來自一個或多個邏輯通道的MAC SDU從物理層傳送的傳輸塊(TB)中解複用，排程資訊報告，透過HARQ進行糾錯，透過動態排程處理UE之間的優先順序，處理一個UE的邏輯通道之間的優先順序，邏輯通道優先順序。

無線鏈路控制(RLC)

RLC有三種工作模式：透明模式(TM)、無確認模式(UM)和確認模式(AM)。

RLC層負責傳輸上層PDU，透過ARQ進行糾錯（僅限於AM資料傳輸），RLC SDU的連線、分段和重組（僅限於UM和AM資料傳輸）。

RLC還負責RLC資料PDU的重新分段（僅限於AM資料傳輸），RLC資料PDU的重新排序（僅限於UM和AM資料傳輸），重複檢測（僅限於UM和AM資料傳輸），RLC SDU丟棄（僅限於UM和AM資料傳輸），RLC重新建立和協議錯誤檢測（僅限於AM資料傳輸）。

無線資源控制(RRC)

RRC子層的服務和功能主要包括：廣播與非接入層(NAS)相關的系統資訊，廣播與接入層(AS)相關的系統資訊，尋呼，UE與E-UTRAN之間RRC連線的建立、維護和釋放，安全功能，包括金鑰管理，點到點無線承載的建立、配置、維護和釋放。

分組資料匯聚控制(PDCP)

PDCP層負責IP資料的報頭壓縮和解壓縮，資料的傳輸（使用者平面或控制平面），PDCP序列號(SN)的維護，在下層重新建立時上層PDU的按序傳遞，在下層重新建立時對對映到RLC AM的無線承載的低層SDU進行重複消除，使用者平面資料和控制平面資料的加密和解密，控制平面資料的完整性保護和完整性驗證，基於定時器的丟棄，重複丟棄，PDCP用於對映到DCCH和DTCH型別邏輯通道的SRB和DRB。

非接入層(NAS)協議

非接入層(NAS)協議構成使用者裝置(UE)和MME之間控制平面的最高層。

NAS協議支援UE的移動性和會話管理過程，以建立和維護UE與PDN GW之間的IP連線。

LTE層資料流

下面是E-UTRAN協議層的邏輯圖，其中描述了資料在各層之間的流動。

層接收到的資料包稱為服務資料單元(SDU)，層輸出的資料包稱為協議資料單元(PDU)。讓我們看看資料從上到下的流動。

• IP層將PDCP SDU（IP資料包）提交給PDCP層。PDCP層進行報頭壓縮，並向這些PDCP SDU新增PDCP報頭。PDCP層將PDCP PDU（RLC SDU）提交給RLC層。

  PDCP報頭壓縮：PDCP從PDU中移除IP報頭（最小20位元組），並新增1-4位元組的標記。這極大地節省了原本需要透過空中傳輸的報頭數量。

  

• RLC層對這些SDU進行分段以生成RLC PDU。RLC根據RLC的工作模式新增報頭。RLC將這些RLC PDU（MAC SDU）提交給MAC層。

  RLC分段：如果RLC SDU很大，或者可用的無線資料速率很低（導致傳輸塊很小），則RLC SDU可能會被分成多個RLC PDU。如果RLC SDU很小，或者可用的無線資料速率很高，則多個RLC SDU可能會打包到一個PDU中。

• MAC層新增報頭並進行填充，以將此MAC SDU放入TTI中。MAC層將MAC PDU提交給物理層以將其傳送到物理通道上。

• 物理通道將這些資料傳輸到子幀的時隙中。

LTE通訊通道

不同協議之間資訊流動稱為通道和訊號。LTE使用幾種不同型別的邏輯通道、傳輸通道和物理通道，它們根據承載的資訊型別和資訊處理方式進行區分。

• 邏輯通道：定義什麼型別的資訊透過空中傳輸，例如流量通道、控制通道、系統廣播等。資料和信令訊息透過RLC和MAC協議之間的邏輯通道傳輸。

• 傳輸通道：定義如何透過空中傳輸資訊，例如使用哪些編碼、交織選項來傳輸資料。資料和信令訊息透過MAC和物理層之間的傳輸通道傳輸。

• 物理通道：定義在哪裡透過空中傳輸資訊，例如DL幀中的前N個符號。資料和信令訊息透過物理層的不同層級之間的物理通道傳輸。

邏輯通道

邏輯通道定義傳輸的資料型別。這些通道定義了MAC層提供的傳輸服務。資料和信令訊息透過RLC和MAC協議之間的邏輯通道傳輸。

邏輯通道可以分為控制通道和流量通道。控制通道可以是公共通道或專用通道。公共通道表示小區中所有使用者共用（點到多點），而專用通道表示通道只能由一個使用者使用（點到點）。

邏輯通道根據它們承載的資訊進行區分，可以分為兩種。首先，邏輯流量通道在使用者平面上承載資料，而邏輯控制通道在控制平面上承載信令訊息。下表列出了LTE使用的邏輯通道

傳輸通道

傳輸通道定義物理層如何以及以何種特性傳輸資料。資料和信令訊息透過MAC和物理層之間的傳輸通道傳輸。

傳輸通道根據傳輸通道處理器處理它們的方式進行區分。下表列出了LTE使用的傳輸通道

物理通道

資料和信令訊息透過物理層不同層級之間的物理通道傳輸，並因此分為兩部分

• 物理資料通道

• 物理控制通道

物理資料通道

物理資料通道根據物理通道處理器處理它們的方式以及它們如何對映到正交頻分複用(OFDMA)使用的符號和子載波的方式進行區分。下表列出了LTE使用的物理資料通道

傳輸通道處理器組合幾種型別的控制資訊，以支援物理層的低層操作。這些資訊列在下表中

物理控制通道

傳輸通道處理器還建立支援物理層低層操作的控制資訊，並將此資訊以物理控制通道形式傳送到物理通道處理器。

資訊傳輸到接收端的傳輸通道處理器，但對較高層完全不可見。類似地，物理通道處理器建立物理訊號，以支援系統的最低層方面。

物理控制通道列在下表中

基站還傳輸其他兩種物理訊號，幫助移動裝置在首次開機後獲取基站。它們被稱為主同步訊號(PSS)和輔同步訊號(SSS)。

LTE OFDM技術

為了克服UMTS中存在的多徑衰落問題，LTE在下行鏈路（即從基站到終端）中使用正交頻分複用(OFDM)來傳輸資料，即在許多頻寬為180 KHz的窄帶載波上傳輸資料，而不是將一個訊號擴充套件到整個5MHz載波頻寬上，即OFDM使用大量窄帶子載波進行多載波傳輸以承載資料。

正交頻分複用(OFDM)是一種頻分複用(FDM)方案，用作數字多載波調製方法。

OFDM滿足LTE對頻譜靈活性的要求，併為具有高峰值速率的超寬載波提供經濟高效的解決方案。基本的LTE下行物理資源可以看作是時頻網格，如下圖所示

OFDM符號被分組到資源塊中。資源塊在頻域上的總大小為180kHz，在時域上的總大小為0.5ms。每個1ms傳輸時間間隔(TTI)包含兩個時隙(Tslot)。

每個使用者在時頻網格中分配一定數量的所謂資源塊。使用者獲得的資源塊越多，以及在資源元素中使用的調製越高，位元率越高。使用者在特定時間點獲得哪些資源塊以及多少資源塊，取決於頻域和時域中的高階排程機制。

LTE的排程機制與HSPA類似，能夠在不同的無線環境中為不同的服務提供最佳效能。

OFDM的優點

• 與單載波方案相比，OFDM的主要優勢在於它能夠應對嚴重的通道條件（例如，長銅線中高頻的衰減、窄帶干擾以及由於多徑引起的頻率選擇性衰落），而無需複雜的均衡濾波器。

• 通道均衡得到了簡化，因為OFDM可以被視為使用許多緩慢調製的窄帶訊號，而不是一個快速調製的寬頻訊號。

• 較低的符號速率使得在符號之間使用保護間隔變得可行，從而可以消除符號間干擾（ISI）。

• 這種機制還有助於單頻網路（SFN）的設計，在單頻網路中，幾個相鄰的發射機同時以相同的頻率傳送相同的訊號，因為來自多個距離較遠的發射機的訊號可以相加，而不是像傳統單載波系統中那樣發生干擾。

OFDM的缺點

• 峰均功率比高

• 對頻率偏移敏感，因此也對多普勒頻移敏感

SC-FDMA技術

LTE在上行鏈路中使用OFDM的預編碼版本，稱為單載波分頻多重進接（SC-FDMA）。這樣做是為了彌補普通OFDM的一個缺點，即峰均功率比（PAPR）非常高。

高PAPR需要昂貴且效率低下的功率放大器，對線性度的要求很高，這增加了終端的成本並更快地耗盡電池電量。

SC-FDMA透過以某種方式對資源塊進行分組來解決這個問題，從而減少了對功率放大器線性度的需求，從而降低了功耗。低PAPR還可以改善覆蓋範圍和小區邊緣效能。

LTE術語表