1、LTE系统协议架构 集团技术部 中国电信北京研究院 许森 目录 LTE系统 协议架构和 标准体系 LTE总体协议架构 LTE物理层协议 LTE高层协议 LTE网络功能与接口 LTE总体架构 网络侧架构 LTE系统由演进型分组核心网（EPC）、演进型基站（ eNodeB）两部分组成： 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； 网元间接口 eNode B与 EPC通过 S1接口连接 eNode B之间通过 X2接口连接； 和 UMTS相比，由于 NodeB 和 RNC 融合为
2、网元 eNodeB ,所以 LTE少了 Iub接口。 X2接口类似于 Iur接口， S1接口类似于 Iu接口 eNodeB功能概述 eNodeB功能 eNB除具有原来 UMTS NodeB的功能外，还承担了以前 RNC的大部分功能，如下图所示，黄框代表逻辑节点，白框代表控制面的功能实体，蓝框代表无线协议层。 无线资源管理相关的功能，包括无线承载控制、接纳控制、连接移动性管理、上 /下行动态资源分配 /调度等； IP头压缩与用户数据流加密； UE附着时的 MME选择； 提供到 S-GW的用户面数据的路由； 寻呼消息的调度与传输； 系统广播信息的调度与传输； 测量与测量报告的配置。 控制面协议栈的
3、特点 控制面特点 控制平面 RRC协议数据的加解密和完整性保护功能，在 LTE中交由 PDCP层完成 RRC子层主要承担广播、无线接口寻呼、 RRC连接管理、无线承载控制、移动性管理、 UE测量上报和控制等功能 仅存在一个 MAC实体 与 UMTS的差异 3G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 3G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 3G中含有多个 MAC实体： MAC-b, MAC-c/sh, MAC-d, MAC-hs e N BP H YU EP H YM
4、A CR L CM A CM M ER L CN A S N A SR R C R R CP D C P P D C PNAS: 支持移动性管理功能以及用户面承载的激活、修改与去激活，并负责 NAS信令的加密和完整性保护 . 用户面协议栈的特点 用户面特点 安全方面的功能，用户面的加密和解密功能由 PDCP子层完成 仅存在一个 MAC实体 与 UMTS的差异 UMTS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 UMTS中用户数据的加密和解密由RLC和 MAC层完成 UMTS中含有多个 MAC实体： MAC-b, MAC-c/sh, MAC-d, MAC-hs RLC
5、层依然提供 TM/UM /AM三种传输模式 e N BP H YU EP H YM A CR L CM A CP D C PP D C PR L CE-UTRAN接口通用协议模型 适用于 E-UTRAN相关的所有接口，即 S1和 X2接口 控制面和用户面相分离，无线网络层与传输网络层相分离 无线网络层：实现 E-UTRAN的通信功能 传输网络层：采用 IP传输技术对用户面和控制面数据进行传输 LTE规范介绍 3GPP规范的下载 ftp:/ftp.3gpp.org/Specs/archive/ 版本号的说明 3GPP的版本号分成三个部分，如 V8.5.1 最前面的是大版本号，用来标识技术上的重大
6、改变 中间的版本号用来标识技术上的小改变 最后的版本号用来标识别一些错误的修订（如编辑错误） 相关名词解释 TS（ Technical Specification）：技术规范，如 TS36.300 TR（ Technical Report）：技术报告，如TR36.902（ SON） 协议附录 协议附录有两种附录 normative(中文含义：标准的，规范的 )，该附录是协议的一部分，具有与协议中正文内容同等的意义，是需要执行的标准 informative(中文含义：提供信息的；增进知识的，有益的 )，该附录只是为了读者理解该协议而附的附录，不是协议标准的一部分。 RAN侧部分协议（ 1） 物理
7、层规范 高层规范 接口规范 射频规范 终端一致性规范 36.2XX 36.3XX 36.4XX 36.1XX 36.5XX 接口系列规范 TS 36.401 Architecture description E-UTRAN整体架构和整体功能描述，包括 E-UTRAN框架结构，信令和数据传输的逻辑划分，用户面和控制面协议等 TS 36.413 S1 AP(Application protocol) S1接口应用协议，是 S1接口最主要的协议，包括 S1接口信令过程， S1AP功能， S1AP过程， S1AP消息 TS 36.423 X2 AP(Application protocol) X2接口
8、应用协议，是 X2接口最主要的协议，包括 X2接口信令过程， X2AP功能， X2AP过程， X2AP消息 RAN侧部分协议（ 2） 物理层规范 TS 36.201 Physical layer:General description 物理层综述协议，讲述物理层在协议结构中的位置和作用，物理层 4个规范的主要内容和相关关系 TS 36.211 Physical channels and modulation 主要描述了物理层信道和调制方法，包括物理信道的定义、结构、帧格式，下行OFDM和上行 SC-FDMA描述，预编码设计，定时关系等内容 TS 36.212 Multiplexing and
9、channel coding 描述传输信道和控制信道的数据处理，包括复用、交织、速率匹配，信道编码，层1/层 2控制信息编码 TS 36.213 Physical layer procedures 描述物理层过程特性，包括同步，功率控制，随机接入，上下行共享信道相关过程等 TS 36.214 Physical layer: Measurements 描述物理层测量特性，包括 UE和 E-UTRAN的物理层测量，测量结果上报，切换测量和空闲模式测量等 高层协议规范 TS 36.300 Overall description 无线接口协议框架总体描述，包括 E-UTRAN协议框架，各功能实体功能划
10、分，无线接口协议栈，物理层框架描述，空口高层协议框架描述， RRC服务和功能等 TS 36.321 MAC protocol specification MAC层描述，包括 MAC层框架， MAC实体功能， MAC过程， MAC PDU格式和定义 TS 36.322 RLC protocol specification RLC层描述，包括 RLC层框架， RLC实体功能， RLC过程， RLC PDU格式和定义 TS 36.323 PDCP specification PDCP层描述，包括 PDCP层框架， PDCP实体功能， PDCP过程， PDCP PDU格式和定义 TS 36.331 R
11、RC protocol specification RRC层描述，包括 RRC层框架， RRC层对上下层提供的服务， RRC过程，RRC测量，系统消息定义，连接控制等 目录 LTE系统 协议架构和 标准体系 LTE物理层协议 LTE总体协议架构 LTE高层协议 LTE网络功能与接口 物理层概述 支持频分双工（ FDD）和时分双工（ TDD）两种模式 LTE物理层的多址方案：下行采用 OFDMA,上行采用 SC-FDMA 基于分组交换思想，使用共享信道 主要特征 支持多输入多输出（ MIMO）传输 LTE帧结构（ 1） Frame structure 1 支持全双工 FDD和半双工 FDD 每个
12、无线帧为 10 ms,由 10个子帧构成 ,每个子帧又可以分为 2个时隙 ,标号从 0-19 # 0 # 1 # 2 # 3 # 1 9# 1 8O n e r a d i o f r a m e , Tf = 3 0 7 2 0 0 Ts = 1 0 m sO n e s l o t , Ts l o t = 1 5 3 6 0 Ts = 0 . 5 m sO n e s u b f r a m eLTE帧结构（ 2） Frame structure 2 只支持 TDD 每个无线帧由 2个半帧构成 ,每个半帧由 5个子帧构成 常规子帧由两个长度为 0.5ms的时隙构成，长度为 1ms 子帧
13、0和子帧 5只能用于下行传输 特殊子帧由 DwPTS， GP以及 UpPTS构成，总长度为 1ms 5ms切换周期配置时子帧 1和子帧 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 O n e r a d i o f r a m e = 1 0 m sO n e h a l f f r a m e = 5 m s# 0 # 2 # 3 # 4 # 5 # 7 # 8 # 91 m sD w P T S U p P T SG PD w P T S U p P T SG PS u b f r a m e n u m b e r U p
14、l i n k - d o w n l i n k c o n f i g u r a t i o n D o w n l i n k - to - U p l i n k S w i t c h - p o i n t p e r i o d i c i t y 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 5 m s D S U U U D S U U U 1 5 m s D S U U D D S U U D 2 5 m s D S U D D D S U D D 3 1 0 m s D S U U U D D D D D 4 1 0 m s D S U U D D D D D D 5 1
15、 0 m s D S U D D D D D D D 6 5 m s D S U U U D S U U D 物理资源概念（ 1） LTE使用天线端口来区分空间上的资源。 天线端口是从接收机的角度来定义的，即如果接收机需要区分资源在空间上的差别，就需要定义多个天线端口。 天线端口与实际的物理天线端口没有一一对应的关系。 由于目前 LTE上行仅支持单射频链路的传输，不需要区分空间上的资源，所以上行还没有引入天线端口的概念。 目前 LTE下行定义了三类天线端口，分别对应于天线端口序号05。 物理资源概念（ 2） 资源单元 (RE) 对于每一个天线端口，一个 OFDM或者 SC-FDMA符号上的一个
16、子载波对应的一个单元叫做资源单元； 资源块 (RB) 一个时隙中，频域上连续的宽度为 180kHz的物理资源称为一个资源块； 7 s y m b o l sO n e S l o tNcsubcarriers12subcarriersR B( 1 2 x 7 R E )R ER e s o u r c e G r i d ( E x a m p l e )物理资源概念（ 3） 资源单元组 (REG) 控制区域中 RE集合，用于映射下行控制信道 每个 REG中包含 4个数据 RE 控制信道单元（ CCE） 36RE， 9REG组成 R SR SR SR SR E G n + 1R E G n第
17、一 个 O F D M 符 号R E G n + 2R E G nR SR SR SR SR E G n + 1R E G n第 二 个 O F D M 符 号( 4 个 公 共 天 线 端 口 )第 三 个 O F D M 符 号第 二 个 O F D M 符 号( 1 / 2 个 公 共 天 线 端 口 )R E G n + 1R E G n + 2R E G nR E G n + 1下行物理信道 PBCH：物理广播信道 调制方式： QPSK PDSCH：物理下行共享信道 调制方式： QPSK, 16QAM, 64QAM PCFICH：物理控制格式指示信道 调制方式： QPSK PMCH：
18、物理多播信道 调制方式： QPSK, 16QAM, 64QAM PDCCH：物理下行控制信道 调制方式： QPSK 下行物 理信道 PHICH：物理 HARQ指示信道 调制方式： BPSK 下行物理信道处理流程 S c r a m b l i n gM o d u l a t i o n m a p p e rL a y e rm a p p e rP r e c o d i n gR e s o u r c e e l e m e n t m a p p e rO F D M s i g n a l g e n e r a t i o nR e s o u r c e e l e m e n
19、 t m a p p e rO F D M s i g n a l g e n e r a t i o nS c r a m b l i n gM o d u l a t i o n m a p p e rl a y e r sa n t e n n a p o r t sc o d e w o r d s加扰 调制 层映射 预编码 RE映射 OFDM信号产生 PBCH介绍 广播系统消息分为 MIB和 SIB两部分 ,其中MIB (Master Information Block)信息通过 PBCH承载 SFN: 8 bits(高 8位 ) PHICH: 3 bits(1 bit指示 PHIC
20、H周期 2 bit指示 ) 系统带宽： 3 bits FFS: 10 bits BCH传输信道映射到 4个连续的无线帧(TTI=40ms),每个无线帧可以独立译码 PBCH位于子帧 0时隙 1的前 4个 OFDM符号，频域上占用中间的 72个子载波 1 0 m s 1 0 m sP B C H T T I = 4 0 m sR a d i o f r a m e = 1 0 m s1 0 m sS u b f r a m e = 1 m sO F D M 符 号C o d e d B C H t r a n s p o r t b l o c k PCFICH介绍 CFI (Control F
21、ormat Indicator) 指示一个子帧内用于控制区域的 OFDM符号数 (1、 2 or 3) PCFICH承载 CFI 源比特为 2 bits，编码之后为 32 bits 资源映射：映射到该子帧第一个 OFDM符号的 4个 REG中 扩展到整个带宽，充分捕获频率分集增益 占用资源位置与天线端口无关，即端口 1、 2、 4映射相同 C F I C F I c o d e w o r d 1 2 3 4 ( R e se r v e d ) PHICH介绍 承载 PUSCH信道的 ACK/NACK应答 不同 PHICH信道映射到相同的 RE构成 PHICH group ,组内通过正交序列
22、 来区分 ,因此一个 PHICH资源通过两个参数来唯一标识 PHICH group的数目 FDD TDD 通过 2比特指示 ,通过接收 PBCH获得 groupnPHICHseqnPHICH ( , )g ro u p seqnnP H IC H P H IC H DLg RBg r o u pPH I CH DLg RB8 f o r n o r m a l c y c l ic p r e f ix2 8 f o r e x te n d e d c y c l ic p r e f ixNNNNN groupPHICHimN g 11, ,1, 262N S eq u en ce i n
23、 d e x O r t h o g o n a l se q u en c e s eqP H I C Hn N o r m a l cy cl i c p r e f i x 4P H I C HSFN E xt en d ed cy cl i c p r ef i x 2P H I C HSFN 0 1111 11 1 1111 11 2 1111 jj 3 1111 jj 4 jjjj - 5 jjjj - 6 jjjj - 7 jjjj - R e p e t i t i o n c o d i n g 1 / 3O r t h o g o n a l s p r e a d i n
24、 gM o d u l a t i o ns c r a m b l i n gA C K /N A C KL a y e r m a p p i n g & p r e c o d i n gR e s o u r c e M a p p i n gPDCCH介绍 PDCCH承载调度和一些控制信息 (UCI/DCI) PDCCH信道占用一个或者几个连续的 CCE 1 PDCCH = 1、 2、 4、 8CCEs 1CCE = 9 REGs 一个子帧可以有多个 PDCCH信道 ,PDCCH支持不同的 format 控制区域内除去 PCFICH/PHICH资源外的 REG 用于 PDCCH传输
25、PDCCH f o r m at N u m b er o f CCEs N u m b er o f r es o u r c e - e l e m en t g r o u p s N u m b er o f P D C C H b i t s 0 1 9 72 1 2 18 144 2 4 36 288 3 8 72 576 DCI DCI的作用 DCI主要用于传输控制信息，包括寻呼、系统信息、随机接入、功控指令以及上下行调度等。 DCI信息在 PDCCH信道上传 DCI类型 DCI format0 用于 PUSCH的调度 DCI format1 用于单码字的 PDSCH的调度 DC
26、I format 1A用于采用紧凑模式调度的单码字的 PDSCH的指示、公共信息的调度、用于 PDCCH发起 RACH过程 DCI format1B用于紧凑模式下的采用预编码的单码字的 PDSCH的传输指示 DCI format1C用于更紧凑模式下单码字的 PDSCH的调度，主要用于调度公共控制信息 。 DCI format1D用于紧凑模式的采用预编码的并且携带功率偏移的单码字的 PDSCH的调度，主要用于 MU-MIMO的调度。 DCI format2用于双码字的 CL-SDM的 PDSCH的调度指示。 DCI format2A用于双码字的 OL-SDM的 PDSCH的调度指示。 DCI f
27、ormat3用于通过 2bit来指示 PUCCH和 PUSCH组 TPC command的传输。 DCI format3A用于通过 1bit来指示 PUCCH和 PUSCH组 TPC command的传输。 D C I 0 / 1 A / 3 / 3 AD C I 1 C D C I 1 B / 1 D D C I 1 D C I 2 A D C I 2小大传输模式与 DCI 传输模式 DCI格式 搜索空间 资源分配 MIMO方式 TM 1 1A Common and UE specific by C-RNTI type 2 (Localized or Distributed) 单端口 0 1
28、 UE specific by C-RNTI type 0/1 单端口 0 TM2 1A Common and UE specific by C-RNTI type 2 (Localized or Distributed) 传输分集 1 UE specific by C-RNTI type 0/1 传输分集 TM3 1A Common and UE specific by C-RNTI type 2 (Localized or Distributed) 传输分集 2A UE specific by C-RNTI type 0/1 大时延 CDD+传输分集 TM4 1A Common and U
29、E specific by C-RNTI type 2 (Localized or Distributed) 传输分集 2 UE specific by C-RNTI type 0/1 闭环空间复用 +传输分集 TM5 1A Common and UE specific by C-RNTI type 2 (Localized or Distributed) 传输分集 1D UE specific by C-RNTI type 2 (Localized or Distributed) 多用户 MIMO TM6 1A Common and UE specific by C-RNTI type 2(
30、Localized or Distributed) 传输分集 1B UE specific by C-RNTI type 2 (Localized or Distributed) Rank 1预编码 TM7 1A Common and UE specific by C-RNTI type 2 (Localized or Distributed) 单端口 0/传输分集 1 UE specific by C-RNTI type 0/1 单端口 5 PDSCH介绍 PDSCH是 LTE承载主要数据的下行链路信道，所有的用户数据都可以使用，还包括广播消息中的 SIB部分以及寻呼消息等 PDSCH发射流
31、程 加扰 利用小区 ID和 RNTI产生扰码，每个子帧初始化一次 调制 QPSK、 16QAM、 64QAM 层映射 实现码字 (codeword)到层的映射 LTE目前最大支持 2码字 4层 预编码 层到天线端口的映射 资源映射 PDSCH中的资源分配方式（ 1） PDSCH分配方式 Resource allocation type 0 Resource allocation type 1 Resource allocation type 2 Resource Allocation type 0&1 RA 0以 RBG为单位进行资源分配，比较简单，但是会造成资源的浪费，尤其是对于小数据量业务
32、 (比如 VOIP业务 ) RA 1相对复杂，但是能够以 PRB为单位进行资源分配，不会浪费资源 RA 0可以将全部资源分配为一个 UE， RA 1只能分配一个子集 (小带宽除外 ) F u l l re s o l u t i o n PR B m a pR e s o u rc e a l l o c a t i o n t y p e 0R e s o u rc e a l l o c a t i o n t y p e 1 , s u b s e t 0R e s o u rc e a l l o c a t i o n t y p e 1 , s u b s e t 1R e s o
33、 u rc e a l l o c a t i o n t y p e 1 , s u b s e t 2Bi t m a p a l l o c a t e s f ro m l e f t -h a n d s i d ePR B g ro u p i n g f a c t o r i s 3 f o r 1 0 M H z c o n f i g u ra t i o nBi t m a p a l l o c a t e s f ro m ri g h t -h a n d s i d e1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17PDSCH中的
34、资源分配方式（ 2） Resource Allocation type 2 通过 RB的起始位置 (RIV)和连续分配 VRB长度 来指示 UE的资源分配 对 PDCCH DCI format 1A/1B/1D 对 PDCCH DCI format 1C 大于 10M取值为 4，否则为 2 CRBsL( 1 ) ( 1 ) / 2( 1 ) ( 1 )D L D LR B CR B s s ta r t CR B s R BD L D L D LR B R B CR B s R B s ta r tN L R B L NRIVN N L N R B o the rwise 1 DLC R B
35、s V R B s t a r tL N R B ( 1 ) ( 1 ) / 2( 1 ) ( 1 )/ , / , /D L D LV R B CR B s s ta r t CR B s V R BD L D L D LV R B V R B CR B s V R B s ta r ts te p s te p D L D L s te pCR B s CR B s R B s ta r t s ta r t R B V R B V R B R BN L R B L NRIVN N L N R B o th e rw iseL L N R B R B N N N N 1 DLC R B s
36、 V R B s t a r tL N R B stepRBNPMCH介绍 PMCH主要用于传输 MBMS（多媒体广播和多播业务）的信息 PMCH的映射在单个天线端口上传输，它映射的天线端口为 4。 PMCH的层映射和预编码都按照单天线端口进行。 对于每个 MBSFN子帧而言，前一个或者二个子帧都配置为单播的公共信号和控制信道（PDCCH），对于 LTE而言，某些子帧考虑到传输同步，广播等信息是不允许设置为 MBSFN子帧的， 如 FDD的 0/4/5/9，对于 TDD系统的0/1/2/5/6。 0l 5l 0l 5le v e n - n u m b e r e d s l o t s o d d - n u m b e r e d s l o t sA n t e n n a p o r t 44R4R4R4R4R4R4R4R4R4R4R4R4R4R4R4R4R4R
