1、移动通信简介,杨天绘 2017年08月03日,1,内容大纲,移动通信发展概述,2G:GSM GPRS/EDGE ，IS-95(cdmaOne)3G:WCDMA /TD-SCDMA/cdma2000,LTE的演化LTE接口协议LTE L1、L2、L3层相关协议介绍,LTE简介,GSM,GSM是全球移动通信系统(Global System of Mobile communication) 的简称。自90年代中期投入商用以来，被全球超过100个国家采用。它的空中接口主要采用时分多址技术，提供9.6kbps传输速度。,复用方式：频分复用（FDM）和时分复用(TDM),0,1,2,3,4,5,6,7,2
2、00kHz,业务信道,FCCH,SCH,BCCH,RACH,AGCH,PCH,TDMA帧,MSC/VLR,HLR/AuC,BSC,BSC,BSC,BTS,BTS,BTS,BTS,用户,Um,Abis,A,A,A,GSM,基带单元 载频单元 控制单元,切换，功率控制 无线资源管理 测量和统计,MMSCSC：,MSC:网络的核心 协调与控制GSM 网络中各个功能 实体,MMSCSC：,VLR:存储进入控制 区域内登记的移动 用户信息,HIR,HLR:存储用户入网时登记 的一些静态信息，以及动 态的用户位置信息,AuC: 鉴权和加密,MSC/VLR,HLR/AuC,BSC,BSC,基 站,BIS,B
3、IS,BIS,用户,Um,Abis,A,A,GPRS,PCU,SGSN,GGSN,Gb,internet,提供端到端，广域的IP连接 速率达到150kbps,3G时代,主要技术：,码分多址（CDMA）技术,三大标准：,欧洲：WCDMA 中国：TD-SCDMA 美国：cdma2000,特点：,比2G更大的系统容量，更好的通信质量，为用户提供话音、数据、多 媒体业务，并且与2G系统兼容。,MSC/VLR,HLR/AuC,RNC,RNC,基 站,NodeB,NodeB,NodeB,用户,Uu,Iub,Iu-CS,Iu-CS,WCDMA,SDSN,GGSN,Iu-PS,internet,R99,CDM
4、A,WCDMA,RRC协议层,RLC,MAC,物理层,编码、解码、交织、扩频和解扩,实现点到点数据可靠传输,透明模式（TM） 非确认模式（UM） 确认模式（AM）,接入网无线资源的管理,空中接口协议,NAS,呼叫控制实现，移动管理,PDCP,控制面,用户面,仅适用于PS域业务,复用、解复用,TD-SCDMA,智能天线,同步码分多址,接力切换,时分双工,频谱的灵活性 对不对称业务的支持 上下行链路的相关性 设备成本低,需要精确同步,#0,#1,#2,#3,#4,#5,#6,下行同步,保护时隙,上行同步,无线子帧1,无线子帧2,10ms,5ms,动态分配信道,软件无线电,R4,3GPP三大标准对比
5、,LTE简介,LTE的演化,LTE接口协议,空口协议X2口协议S1口协议,L1、L2、L3层介绍,LTE演进,GSM,移动宽带化,WCDMA TD-SCDMAcdma2000,802.3 LAN,宽带无线化,802.11 WLAN 802.16 WiMAX,LTE,带宽灵活配置 峰值速率更高 时延更小 支持高速 简化结构,CDMA 95,主导组织3GPP,主导组织IEEE,LTE系统构架演进,从四层到三层,核心网,UE,UE,UE,UE,UE,UE,UE,UE,RNC,RNC,NodeB,NodeB,NodeB,NodeB,eNodeB,eNodeB,eNodeB,eNodeB,X2,X2,S
6、1,Uu,节点数目减少，用户面的时延大大缩减,简化了控制面从休眠状态到激活状态的过程，减少了状态迁移时间,降低了系统复杂性，减少了接口类型,基站功能演进,“瘦”基站到“胖”基站,路由选择 附着,系统接入控制 承载控制 移动性管理 无线资源管理,射频处理 信道编、译码 复用、解复用 调制、解调,系统接入控制 承载控制 移动性管理 无线资源管理,路由选择 附着,射频处理 信道编、译码 复用、解复用 调制、解调,GGSN,SGSN,RNC,NodeB,LTE eNodeB主要功能,UTMS主要网元功能分布,LTE接口协议,地面接口,同级接口X2 上下级接口S1,X2接口协议,L1,L2,L3,X2接
7、口用户面协议,L1,L2,L3,X2接口控制面协议,用户面PDU,用户面PDU,X2 AP,X2 AP,X2接口用户面是在切换时eNodeB之间转发业务数据的接口。UDP/IP是基于TCP/IP协议族内容，是实时 性较差的，不可靠链接的分组数据包传送协议。GTP-U(GPRS用户平面隧道协议)传送用户分组数据单元。,eNodeB,eNodeB,eNodeB,eNodeB,X2接口控制面主要功能支持在LTE系统内，UE在连接状态下从一个eNodeB到另一个eNodeB的移动性管理。各eNodeB之间的资源状态、负荷状态进行监测，同时还负责X2连接的建立、复位、eNodeB配置更新等接口管理工作。
8、,X2接口为用户面提供了业务数据基于IP的不可靠连接，而为控制面提供了信令传输的基于IP的可靠连接。,流控制传输 协议，为IP分组 交换网提供可靠的信令传输,LTE接口协议,地面接口,同级接口X2 上下级接口S1,S1接口协议,L1,L2,L3,S1接口用户面协议,L1,L2,L3,S1接口控制面协议,用户面PDU,用户面PDU,S1 AP,S1 AP,eNodeB,eNodeB,eNodeB,eNodeB,S1用户面主要功能：在S1接口目标节点 指示数据分组所属的SAE接入承载；移动 性过程中尽量减少数据的丢失；错误处理 机制；MBMS处理功能；分组丢失检测 机制,S1控制面主要功能：EPC
9、承载服务管理功能； S1接口UE上下文释放；助力UE完成系统间切 换；S1接口的寻呼；NAS信令传输；NAS节 点选择；S1接口管理。,LTE接口协议,空中接口Uu协议栈三层两面,UE,eNodeB,Uu用户面协议栈,PHY,PDCP,PHY,L1,L2,L1,L2,压缩/解压缩，加密/解密,RLC,MAC,PDCP,RLC,MAC,分段，级联,复用/解复用，调度,数据流传输 （编码，译码，调制，解调）,Uu控制面协议栈,PHY,PDCP,PHY,L1,L2,L1,L2,+控制信令数据完整性保护和验证,RLC,MAC,PDCP,RLC,MAC,NAS,RRC,RRC,MME,NAS,系统信息的
10、广播、寻呼，RRC连接管理， 无线资源控制，移动性管理,L3,独立于无线接入网相关的功能和流程， 主要包括EPS承载管理、鉴权，移动性 管理,L1-物理层,L1-物理层,物理层资源,资源单元（RE） 一个OFDM或者SC-FDMA符号上的一个 子载波组成的资源 资源块（RB） 一个时隙中，频域上连续宽度为180kHz 的物理资源,帧结构,帧结构1：,支持全双工、半双工FDD,每个无线帧10ms，由10个子帧组成，每个子帧又可以分为两个时隙。 所以每个无线帧可以分为20个时隙，标号0-19。,帧结构,帧结构2：,仅支持TDD,每个无线帧10ms，由2个半帧组成，每个半帧由由5个子帧组成。,每个常
11、规子帧包含两个时隙，每个时隙0.5ms。每两个时隙组成一组进行 调度。特殊时隙由DwPTS,GP,UpPTS组成，共占1ms,长度可调。,子帧0和子帧5只能用于下行传输，5ms切换周期配置时子帧1和6用作特殊子帧，10ms切换 周期配置时子帧1用作特殊子帧，UpPTS之后的第一个常规子帧只能用于上行传输,物理层信道,CRC,CRC 校验,CRC 校验,Coding,Coding,Rate Matching,Rate Matching,信道 编码,速率 匹配,加扰,调制,层映射,预编码,RF映射,OFDM 符号产生,下行物理信道处理过程,CRC,CRC 校验,Coding,Rate Matchi
12、ng,信道 编码,速率 匹配,加扰,调制,传输 预编码,RF映射,SC-FDMA 符号产生,上行物理信道处理过程,比特级处理,符号级处理,物理层信道,小区ID等系统消息 用于小区搜索过程,下行数据业务，所有 用户数据都可以使用 包括部分广播信息及寻呼信息,用户数据资源分配的控制信息 PICH寻呼指示，AICH随机接入响应均在此信道传输,传输MBMS（多媒体广播 和多播业务）信息,HARQ(混合自动重传)的 确认/非确认(ACK/NACK)消息,指示在一个子帧内用于控制区域 的OFDM符号数。,参考信号RS 同步信号,物理层信道,上行用户数据,HARQ的ACK/NACK SR(调度请求),随机接
13、入前导,参考信号RS,CP,preamble,TG,开机,UE从空闲状态到连接状态,切换,L2层,MAC层简介 RLC层简介 PDCP简介,L2结构特点,的,下行：BCH(广播信道)，PCH（寻呼信道），DL-SCH(下行共享信道)，MCH(多播信道),上行：RACH(随机接入信道)，UL-SCH(上行共享信道),控制信道：BCCH(广播控制信道)，PCCH（寻呼控制信道），CCCH(公共控制信道)DCCCH(专用控制信道)，MCCH(多播控制信道) 业务信道：DTCH(专用业务信道)，MTCH(多播业务信道),信道映射,CCCH DCCH DTCH BCCH PCCH MCCH MTCH,R
14、ACH DL/UL-SCH BCH PCH MCH,PUCCH PRACH PUSCH PDSCH PBCH PMCH PDCCH PCFICH PHICH,逻辑信道,传输信道,物理信道,MAC层功能概述,实现逻辑信道到传输信道的映射,来自多个逻辑信道的MAC服务数据单元（SDU）复用与解复用,上行调度信息上报，包括终端待发送数据量信息和上行功率余量信息,基于HARQ机制的错误纠正功能。,同一个UE不同逻辑之间的优先级管理,通过动态调度进行UE之间的优先级管理,传输格式的选择，通过物理层上报的测量信息，用户能力等，选择相应的 传输格式（调制方式和编码速率），从而达到最有效的资源利用,MBMS业
15、务识别,填充功能，实际传输的数据不能填满整个授权的数据块大小时使用,MAC层之调度,动态调度DS：,调度：LTE取消了专用信道，并引入共享信道的概念。不同UE不同逻辑信道之间划分共享信道资源的功能成为调度,MAC层（调度器）实时动态地分配时频资源和允许传输的速率，灵活性高，但控制信令开销大， 适合突发特征明显的业务。 动态调度过程： eNodeB在控制信道上发布调度信令，包括资源分配信息，传输块格式信息和相关的HARQ信息。 UE检测控制信道，如果发现针对自己的资源调度信令，按照信令中的信息进行数据传输。,PDCCH,UL-SCH,PDCCH+DL-SCH,上行动态调度,下行动态调度,UE,U
16、E,eNodeB,eNodeB,MAC层之调度,半持续调度SPS：LTE中一些小数据量的应用，例如VoIP，制约系统容量的不再是带宽，而,是控制信道的容量。,随机接入过程,小区搜索过程：完成精确定时和频率同步，实现下行同步， PBCH收听广播获得下行系统带宽，天线配置，系统帧号。,随机接入过程：,目的：获得上行同步获取上行发送资源,场景：1、RRC_IDLE状态下的初始接入; 2、重建RRC连接； 3切换；4、RRC_CONNECTED状态下，下行数据到达而上行失步而触发RACH；5、RRC_CONNECTED状态下，UE上行数据发送时处于上行失步状态。,分类：竞争随机接入，可用于15非竞争随
17、机接入，用于34,RLC功能和传输模式,RLC 功能,传输高层PDU 通过ARQ进行检错（仅AM） 对RLC SDU 进行串接，分段和重组（AM和UM） RLC数据PDU重分段（仅AM） 对高层PDU的顺序递交（AM和UM） 重复检测（AM和UM） RLC SDU丢弃（AM和UM） RLC 重配置,RLC功能和传输模式,RLC 实体传输数据模式：,透明模式（TM）:提供单向数据传输，不执行任何操作，不附加任何RLC开销.广播消息，寻呼消息，SRB0采用TM模式。用户面数据不能使用TM模式,无确认模式（UM）:提供单向数据传输。主要用在时延敏感和容忍差错的实时应用上，如VoIP,MBMS.RLC
18、 SDU 分块、串接、增加RLC报头，重排序、重复检测、重组等。,发送处理过程,接受处理过程,确认模式（AM）:提供双向数据传输。主要用在错误敏感、时延容忍的非实时应用上，如WEB浏览。为了保证信令的可靠性，大多数RRC消息均采用AM模式。,PDCP协议层,序列号（SN）,头压缩（仅用于用户面）,与某个PDCP SDU 相关联的分组,完整性保护 （仅用于控制面）,加密,添加PDCP头,不与PDCP SDU 相关联的分组,去掉PDCP头,解密,完整性验证 （仅用于控制面）,解头压缩（仅用于用户面）,按序递交和重复检测（仅用于用户面）,与某个PDCP SDU 相关联的分组,不与PDCP SDU 相
19、关联的分组,无线接口Uu,UE/E-UTRAN,UE/E-UTRAN,发送PDCP实体,接受PDCP实体,L3-无线资源控制(RRC),RRC层简介连接移动性管理,RRC状态,RRC连接建立与释放,空闲状态,连接状态,PLMN(开机时选择网络),小区选择,小区重选,系统内切换,跨系统切换,RRC层简介,无线资源控制（RRC）层属于LTE协议栈L3，是整个控制平面的核心。位于接入网控制平面，负责完成接入网和终端的所有信令处理。,功能划分：,系统广播：空闲状态UE接受系统广播信息获取测量配置和小区选择、重选的门限，迟滞、时延等移动性参数以及空闲状态和连接状态都需要的一些信息，如公共信道参数配置。,
20、连接控制：完成RRC连接的建立、修改和释放；寻呼；RB的建立、修改和释放。,测量：建立、修改、释放测量配置参数；测量上报,其他：NAS消息传输；底层协议实体提供参数配置。,RRC状态,RRC连接建立,RRC连接释放,切换,当正在使用网络服务的用户从一个小区移动到另一个小区，或由于无线传输业务负 荷量调整、激活操作维护、故障设备等原因，为了保证通信的连续性和服务的质量， 系统要将该用户与原小区的通信链路转移到新的小区上，这个过程就是切换。,系统内切换,基站内小区切换(基于内部接口) 基站间小区切换(基于X2接口) MME/SGW小区切换(基于S1口切换),与WCDMA/TD-SCDMA间的切换
21、与GSM间的切换 与cdma2000的切换,切换：,切换三步走：,测量 判决 执行,空闲状态,连接状态,PLMN(开机时选择网络),小区选择,小区重选,跨系统切换,移动性管理,非接入层-NAS,EMM ESM,NAS,NAS(Non-Access Stratum):非接入层。位于终端UE和移动实体MME内，负责与接入无关独立于无线接入相关的功能和流程，主要包括EPS承载管理，鉴权， EPS连接管理模式的空闲状态下的（IDLE）的移动性管理。NAS消息可以分为EMM(EPS移动性管理)消息和ESM(EPS会话管理)消息EMM 即EPS移动性管理，一般包括GUTI(全球唯一临时标识)重分配、鉴权安
22、全模式命令、标识过程以及attach、Detach等几个模块功能。ESM即EPS会话管理，建立和维护UE和PDN GW之间的IP连接。包括1）网络侧激活、去激活和修改EPS承载上下文；2)UE请求资源(跟PDN的IP连接)，以及专用承载资源NAS消息和和RRC消息在空口共用同一传输块，比如在核心网建立成功的 消息中可以同时附加核心网测下发到UE的NAS消息。,NAS过程-EMM消息,Attach:为了从网络得到非接入层服务，网络中非接入节点必须知道有关UE的信 息因此需要UE主动发起附着过程，向网络注册UE信息，完成鉴权，身份验证，以 及EPC对该UE默认承载的建立，附着过程开机时和初始接入网
23、络时必须执行。,Detach：UE关机，USIM卡被拔掉，异常处理或者网络侧长时间没有获得UE信 息则发起去附着过程，完成UE在网络侧的注销和所有EPS承载的删除。 UE和网络侧均可发起,TUA(Tracking Area Updating):UE位置发生改变时，需要将最新的位置信 息通知给核心网；UE的能力信息比如支持的算法、DRX寻呼周期长度发生改变时 也可以通过位置更新通知核心网。,Service Request:UE在空闲模式下，有上行数据需要发送或者有下行数据到达 时，发起服务请求。,SMC(Security Mode Control):为UE和网络侧之间的信令交互提供加密和完 整性
24、保护。,NAS过程-ESM消息,Activate Default EPS Bearer Context: 网络侧激活默认EPS承载上下文。 由网络侧触发，作为对PDN connectivity request的响应。同时，可作为attach的 一部分。,Activate Dedicated EPS Bearer Context ：网络侧激活专用EPS承载上下文。,Modify EPS Bearer Context：网络侧修改EPS承载上下文。,Deactivate EPS Bearer Context ：网络侧去激活EPS承载上下文。,PDN Connectivity：UE请求资源(跟PDN的IP连接)。由UE发起请求，如果网络 侧接收，网络侧则发起Activate Default EPS Bearer Context,PDN Disconnect：UE请求和PDN断开过程,谢谢！,
