NB-IoT关键技术、应用前景、后续演进_战略前沿技术_传送门
NB-IoT关键技术、应用前景、后续演进
来源：5G公众号（ID:angmobile），作者为邹玉龙：南京邮电大学教授、博士生导师、丁晓进：东南大学在读博士、王全全：南京邮电大学在读硕士摘要：基于窄带物联网（NB-IoT）的技术特点、组网方法及潜在应用场景，本文指出了NB-IoT发展过程中面临的关键问题，包括NB-IoT的数据安全与传输可靠性，NB-IoT向WB-IoT（宽带物联网）演进的问题，以及物联网设备连接需求的低、中、高速率共存的问题。同时，本文还展望NB-IoT发展的美好前景，认为多速率物联网设备的研究将是下一阶段NB-IoT发展的重点方向。一、物联网的起源物联网（IoT）是在互联网基础上延伸与扩展的一种网络，通过信息传感设备（例如无线传感器节点、射频识别装置、红外感应器等）按照事先约定的协议，将世间万物与互联网连接起来，并进行信息的交换和通信，从而实现智能化识别、定位、跟踪、监测控制和管理。IoT包括两个主要方面，即物与物之间的信息交互和人与物之间的信息交互。IoT通常可以分成3层，即感知层、网络层和应用层。感知层通过实时感知，随时随地对物体进行相关信息的采集和获取，并将收集到的物理信息传送至网络层；网络层通过将物理世界接入到信息网络，进行安全可靠的信息交互和共享；应用层则对感知信息和数据和信息进行相关分析和处理，以实现智能化决策和控制。时至今日，IoT迎来了新的发展机遇和浪潮，极大地推动了智能交通、智能家居、智慧医疗以及智慧物流等行业的快速发展，成为社会发展的重要动力，由此可能引发新一轮的工业革命。二、NB-IoT概述1、NB-IoT的发展背景近年来，IoT发展迅速，世界万物都可以通过互联网相互连接，其中包括一些高速率业务（如视频类业务等），以及一些低速率业务（如抄表类业务等）。据不完全统计，低速率业务占据IoT业务的67%以上，且低速率业务还没有良好的蜂窝技术来提供支持，这也意味着低速率广域网技术拥有巨大的需求空间。在IoT不断发展的同时，IoT通信技术也日趋成熟，其中广域网通信技术的发展尤其明显。广域网通信技术按频谱是否授权可以分成以下两种类型：（1）非授权，如Lora和Sigfox等；（2）授权，3GPP制定的蜂窝通信技术，如2G、3G、4G、以及基于4G演进而来的长期演进（LTE）CAT-NB1，也称为窄带物联网（NB-IoT）技术。综合来说，NB-IoT一方面具有迫切的市场需求，另一方面也具备良好的通信网络支撑，因此具有广阔的发展前景。2、NB-IoT的关键技术本小节简要介绍了NB-IoT相关的主要内容，着重从以下4个部分来介绍。（1）NB-IoT 主要技术特点NB-IoT是在LTE基础上发展起来的，其主要采用了LTE的相关技术，针对自身特点做了相应的修改。NB-IoT物理层，射频带宽为200 kHz，下行采用正交相移键控（QPSK）调制解调器，且采用正交频分多址（OFDMA）技术，子载波间隔15 kHz；上行采用二进制相移键控（BPSK）或QPSK调制解调器，且采用单载波频分多址（SC-FDMA）技术，包含single-tone和multi-tone两种。single-tone技术的子载波间隔为3.75 kHz 和15 kHz 两种，可以适应超低速率和超低功耗的IoT终端。multi-tone技术的子载波间隔为15 kHz，可以提供更高的速率需求。NB-IoT的高层协议（物理层以上）是基于LTE 标准制定的，对多连接、低功耗和少数据的特性进行了部分修改。NB-IoT的核心网基于S1接口进行连接。（2）NB-IoT的频谱资源IoT是未来通信服务市场的核心增量用户群，中国4大电信运营商对NB-IoT的发展都很支持，各自都划分了NB-IoT的频谱资源，具体如表1所示。其中联通已经开通了NB-IoT的商用网络。表1
各运营商的NB-IoT频谱划分（3）NB-IoT的部署根据NB-IoT立项中RP-151621的规定，NB-IoT支持3种部署场景。如图1所示，NB-IoT所支持的3种部署场景分别是：①独立部署，即stand-alone模式，利用独立的频带，与LTE频带不重叠；②保护带部署，即Guard-band模式，利用LTE频带中边缘频带；③带内部署，即In-band模式，利用LTE频带进行部署。图1
NB-IoT所支持的3种部署方式（4）NB-IoT的组网NB-IoT组网框图如图2所示，主要分成了如下所述的5个部分。①NB-IoT终端：支持各行业的IoT设备接入，只需要安装相应的SIM卡就可以接入到NB-IoT的网络中；②NB-IoT基站：主要是指运营商已架设的LTE基站，从部署方式来讲，主要有上面介绍的3种方式；③NB-IoT核心网：通过NB-IoT核心网就可以将NB-IoT基站和NB-IoT云进行连接；④NB-IoT云平台：在NB-IoT云平台可以完成各类业务的处理，并将处理后的结果转发到垂直行业中心或NB-IoT终端；⑤垂直行业中心：垂直行业中心既可以获取到本中心NB-IoT业务数据，也可以完成对NB-IoT终端的控制。图2
NB-IoT组网框图3、NB-IoT的相关应用根据NB-IoT的技术标准，NB-IoT所支持的相关应用具有以下几个主要特点：（1）低速率属性通过前面的相关介绍可知，NB-IoT主要是为了解决IoT中低速率业务而提出的。NB-IoT采用了低阶调制，低速率也是其主要特征。（2）高时延属性NB-IoT具有很强的覆盖能力。为了实现高可靠的广域覆盖，NB-IoT网络中的数据传输可能需要进行多次重传，从而导致较大的通信时延。当前NB-IoT标准设想的数据传输时延可能会达到10s。（3）低频次属性顾名思义，低频次就是指单位时间内业务数据传输次数不能过于频繁。过于频繁的数据传输不仅会增加IoT终端的功率消耗，也会对NB-IoT网络的时延提出更为严苛的要求。（4）移动性弱特性由于NB-IoT对终端功耗有很高的要求，NB-IoT Rel-13标准中不支持连接状态的移动性管理，包括相关测量、测量报告、切换等，以达到节省终端功耗的目的。4、NB-IoT的应用场景随着IoT通信技术的快速发展，尤其是NB-IoT技术日趋成熟，IoT技术将不断渗透到各行各业。NB-IoT技术正飞速走进人们的生活，其支持的应用场景包括：①智慧市政，水、电、气、热等基础设施的智能管理；②智慧交通，交通信息、应急调度、智能停车等；③智慧环境，水、空气、土壤等实时监测控制；④智慧物流，集装箱等物流资源的跟踪与监测控制；⑤智慧家居，家居安防等设备的智能化管理与控制。三、NB-IoT发展面临的潜在问题四、总结与展望在当今的工业4.0时代，各行业对智慧化及产业转型升级的需求越来越迫切。基于这样的背景，NB-IoT孕育而生，它是基于蜂窝网络的通信技术，具备广域覆盖、海量接入、低功耗、低成本等特征。随着NB-IoT对行业的不断渗透，生态体系的不断完善，其发展会给当今社会的各个层面带来深远的影响。此外，随着社会的不断发展，IoT设备的速率需求会由以低速率为主转向低速率、中速率、高速率共存。低速率的NB-IoT技术将主要应用于对通信时延低敏感的智能水表等市政应用，而诸如大型停车场的智能停车网络等大规模应用则需要相对较高的数据速率及较低的容错率以避免事故的发生，与此同时，更多的IoT应用在不同的时间和地点都有着不同的速率要求。因此对于多速率IoT设备的研究将是下一阶段NB-IoT发展的重点方向之一。NB-IoT移动物联网系统现状、发展来源：5G（ID:angmobile）作者：张万春，陆婷，高音摘要：通过与现有LTE系统对比，认为窄带物联网（NB-IoT）针对物理层、空口高层、接入网、核心网引入的各项优化特性能够很好地满足物联网低功耗、低成本、深度覆盖的典型需求。NB-IoT在标准体系统一、扩展能力上具有巨大优势，必将成为物联网技术及产业链发展、物联网应用在全球部署的有力推动者。具体地，本文介绍了：NB-IoT网络架构、NB-IoT 物理层特性（下行与上行链路）、NB-IoT空口高层特性、NB-IoT接入网特性、NB-IoT核心网特性、NB-IoT的后续演进与未来发展。物联网应用发展已经超过10年，但采用的大多是针对特定行业或非标准化的解决方案，存在可靠性低、安全性差、操作维护成本高等缺点。基于多年的业界实践可以看出，物联网通信能否成功发展的一个关键因素是标准化。与传统蜂窝通信不同，物联网应用具有支持海量连接数、低终端成本、低终端功耗和超强覆盖能力等特殊需求。这些年来，不同行业和标准组织制订了一系列物联网通信方面的标准，例如针对机器到机器（M2M）应用的码分多址（CDMA）2000 优化版本，长期演进（LTE）R12 和R13 的低成本终端category0及增强机器类型通信（eMTC），基于全球移动通信系统（GSM）的物联网（IoT）增强等，但从产业链发展以及技术本身来看，仍然无法很好满足上述物联网应用需求。其他一些工作于免授权频段的低功耗标准协议，如LoRA、Sigfox、Wi-Fi，虽然存在一定成本和功耗优势，但在信息安全、移动性、容量等方面存在缺陷，因此，一个新的蜂窝物联网标准需求越来越迫切。在这个背景下，第三代合作伙伴计划（3GPP）于2015年9月正式确定窄带物联网（NB-IoT）标准立项，全球业界超过50家公司积极参与，标准协议核心部分在2016年6月宣告完成，并正式发布基于3GPP LTE R13版本的第1套NB-IoT标准体系。随着NB-IoT标准的发布，NB-IoT系统技术和生态链将逐步成熟，或将开启物联网发展的新篇章。NB-IoT系统预期能够满足在180 kHz的传输带宽下支持覆盖增强（提升20 dB的覆盖能力）、超低功耗（5 Wh电池可供终端使用10年）、巨量终端接入（单扇区可支持50000个连接）的非时延敏感（上行时延可放宽到10 s以上）的低速业务（支持单用户上下行至少160 bit/s）需求。NB-IoT基于现有4G LTE系统对空口物理层和高层、接入网以及核心网进行改进和优化，以满足上述预期目标。一、NB-IoT 网络架构NB-IoT系统采用了基于4G LTE/演进的分组核心网（EPC）网络架构，并结合NB-IoT系统的大连接、小数据、低功耗、低成本、深度覆盖等特点对现有4G网络架构和处理流程进行了优化。NB-IoT 的网络架构如图1 所示，包括：NB-IoT 终端、演进的统一陆地无线接入网络（E-UTRAN）基站、归属用户签约服务器（HSS）、移动性管理实体（MME）、服务网关（SGW）、公用数据网（PDN）网关（PGW）、服务能力开放单元（SCEF）、第三方服务能力服务器（SCS）和第三方应用服务器（AS）。和现有4G 网络相比，NB-IoT网络主要增加了业务能力开放单元（SCEF）来优化小数据传输和支持非IP数据传输。为了减少物理网元的数量，可以将MME、S-GW 和P-GW 等核心网网元合一部署，称之为蜂窝物联网服务网关节点（C-SGN）。图1
NB-IoT网络架构为了适应NB-IoT系统的需求，提升小数据的传输效率，NB-IoT系统对现有LTE处理流程进行了增强，支持两种优化的小数据传输方案，包括控制面优化传输方案和用户面优化传输方案。控制面优化传输方案使用信令承载在终端和MME之间进行IP数据或非IP数据传输，由非接入承载提供安全机制；用户面优化传输方案仍使用数据承载进行传输，但要求空闲态终端存储接入承载的上下文信息，通过连接恢复过程快速重建无线连接和核心网连接来进行数据传输，简化信令过程。二、NB-IoT 系统特性1、NB-IoT 物理层特性NB-IoT系统支持3种操作模式：独立操作模式、保护带操作模式及带内操作模式。①独立操作模式：利用目前GSM/EDGE无线接入网（GERAN）系统占用的频谱，替代已有的一个或多个GSM载波；②保护带操作模式：利用目前LTE 载波保护带上没有使用的资源块；③带内操作模式：利用LTE载波内的资源块。（1）NB-IoT下行链路NB-IoT系统下行链路的传输带宽为180 kHz，采用了现有LTE相同的15 kHz的子载波间隔，下行多址方式（采用正交频分多址（OFDMA）技术）、帧结构（时域由10个1 ms子帧构成1个无线帧，但每个子帧在频域只包含12个连续的子载波）和物理资源单元等也都尽量沿用了现有LTE的设计。针对180 kHz下行传输带宽的特点以及满足覆盖增强的需求，NB-IoT系统缩减了下行物理信道类型，重新设计了部分下行物理信道、同步信号和参考信号，包括：重新设计了窄带物理广播信道（NPBCH）、窄带物理下行共享信道（NPDSCH）、窄带物理下行控制信道（NPDCCH），窄带主同步信号（NPSS）/窄带辅主同步信号（NSSS）和窄带参考信号（NRS）；不支持物理控制格式指示信道（子帧中起始OFDM符号根据操作模式和系统信息块1（SIB1）中信令指示）和不支持物理混合重传指示信道（采用上行授权来进行窄带物理上行共享信道（NPUSCH）的重传）；并在下行物理信道上引入了重复传输机制，通过重复传输的分集增益和合并增益来提升解调门限，更好地支持下行覆盖增强。为了解决增强覆盖下的资源阻塞问题（例如，为了最大20 dB覆盖提升需求，在带内操作模式下，NPDCCH大约需要200～350 ms重复传输，NPDSCH大约需要 ms重复传输，如果资源被NPDCCH或NPDSCH连续占用，将会阻塞其他终端的上/下行授权或下行业务传输），引入了周期性的下行传输间隔。（2）NB-IoT上行链路NB-IoT系统上行链路的传输带宽为180 kHz，支持2种子载波间隔：3.75 kHz 和15 kHz。对于覆盖增强场景，3.75 kHz子载波间隔比15 kHz子载波间隔可以提供更大的系统容量，但是，在带内操作模式场景下，15 kHz子载波间隔比3.75 kHz子载波间隔有更好的LTE兼容性。上行链路支持单子载波和多子载波传输，对于单子载波传输，子载波间隔可配置为3.75 kHz或15 kHz；对于多子载波传输，采用基于15 kHz的子载波间隔，终端需要指示对单子载波和多子载波传输的支持能力（例如，通过随机接入过程的msg1或msg3指示）以便基站选择合适的方式。无论是单子载波还是多子载波，上行都是基于单载波频分多址（SC-FDMA）的多址技术。对于15 kHz子载波间隔，NB-IoT上行帧结构（帧长和时隙长度）和LTE相同；对于3.75 kHz子载波间隔，NB-IoT新定义了一个2 ms长度的窄带时隙，一个无线帧包含5个窄带时隙，每个窄带时隙包含7个符号并在每个时隙之间预留了保护间隔，用于最小化NB-IoT符号和LTE探测参考信号（SRS）之间的冲突。NB-IoT系统也缩减了上行物理信道类型，重新设计了部分上行物理信道，包括：重新设计了窄带物理随机接入信道（NPRACH）、NPUSCH；不支持物理上行控制信道（PUCCH）。为了更好地支持上行覆盖增强，NB-IoT系统在上行物理信道上也引入了重复传输机制。由于NB-IoT终端的低成本需求，配备了较低成本晶振的NB-IoT终端在连续长时间的上行传输时，终端功率放大器的热耗散导致发射机温度变化，进而导致晶振频率偏移，严重影响到终端上行传输性能，降低数据传输效率。为了纠正这种频率漂移，NB-IoT中引入了上行传输间隔，让终端在长时间连续传输中可以暂时停止上行传输，并且利用这段时间切换到下行链路，利用NPSS/NSSS NRS信号进行同步跟踪以及时频偏补偿，通过一定时间补偿后（比如频偏小于50Hz），终端将切换到上行继续传输。2、NB-IoT空口高层特性NB-IoT系统在空口高层主要是对现有LTE的控制面和用户面机制进行优化或简化，达到降低系统复杂度和终端功耗，节省开销以及支持覆盖增强和更有效的小数据传输的目的。（1）RRC 信令流程优化NB-IoT系统相比于LTE系统，在功能上做了大幅简化，相应的无线资源控制（RRC）处理过程也明显减少，特别是对连接态移动性功能的简化，不支持连接态测量上报和切换。对于控制面优化传输方案，空口信令流程被大幅缩减，最少只需3条空口RRC消息来建立无线信令承载并进行数据传输，无需激活接入层安全和无需建立无线数据承载。对于用户面优化传输方案，可以在首次接入网络时激活接入层安全，建立无线信令和数据承载，通过连接挂起过程在终端和基站存储终端的接入层上下文，挂起无线承载；后续通过连接恢复过程恢复无线承载并重新激活接入层安全来进行数据传输。通过连接恢复过程，空口信令流程也被大幅缩减。（2）系统消息优化由于NB-IoT系统功能的简化，系统消息的类型减少且每个系统消息需要包含的信息也相应减少，而物理层广播信道的重新设计使得NB-IoT系统的主信息块（MIB）消息也不同于LTE系统，因此，在NB-IoT系统中最终重新定义了一套系统消息，包括窄带主信息块（MIB-NB）、窄带主信息块1（SIB1-NB）~SIB5-NB、SIB14-NB、SIB20-NB等8条系统消息，各条系统消息基本沿用了LTE相应系统消息的功能。为了提升资源效率，NB-IoT中系统消息的调度方式由LTE采用的动态调度改为半静态调度，包括：SIB1-NB的调度资源由MIB-NB指定，其他SIB的时域资源由SIB1-NB指定。为了降低终端接收系统消息带来的功耗和网络发送系统消息带来的资源占用，NB-IoT系统的系统消息处理采用了以下机制，包括：系统消息的有效时间从LTE的3个小时扩展为24个小时，MIB-NB 消息中携带系统消息改变的指示标签，SIB1-NB中携带了针对每个系统信息（SI）改变的单独的指示标签，连接态终端不读取系统消息，允许通过NPDCCH的控制信息直接指示系统消息变更等。（3）寻呼优化为了满足NB-IoT终端超长待机时间的要求，NB-IoT系统的寻呼机制也进行了优化，支持以超帧为单位（1个超帧包含1 024个无线帧）的长达3个小时的扩展非连续接收（DRX）；为了提升终端在扩展DRX周期内的寻呼接收成功率，NB-IoT系统引入了寻呼传输窗（PTW），允许在PTW内多次寻呼终端。（4）随机接入过程优化针对覆盖增强需求，NB-IoT系统采用了基于覆盖等级的随机接入；终端根据测量到的信号强度判断当前所处的覆盖等级，并根据相应的覆盖等级选择合适的随机接入资源发起随机接入。为了满足不同覆盖等级下的数据传输要求，基站可以给每个覆盖等级配置不同的重复次数、发送周期等，例如，处于较差覆盖等级下的终端需要使用更多的重复次数来保证数据的正确传输，但同时为了避免较差覆盖等级的终端占用过多的系统资源，可能需要配置较大的发送周期。（5）接入控制物联网终端数量巨大，需要有效的接入控制机制来保证控制终端的接入和某些异常上报数据的优先接入。NB-IoT系统的接入控制机制充分借鉴了LTE 系统的扩展接入限制（EAB）机制（SIB14）和随机接入过程的Backoff机制，并通过在MIB-NB中广播是否使能接入控制的指示降低终端尝试读取的SIB14-NB的功耗。（6）数据传输机制优化3、NB-IoT接入网特性NB-IoT系统的接入网基于现有LTE的X2接口和S1接口进行优化。X2接口用以在eNodeB和eNodeB之间实现信令和数据交互。在NB-IoT系统中，X2接口在基于R13 的版本不支持eNodeB间的用户面操作，主要是在控制面引入了新的跨基站用户上下文恢复处理，在用户面优化传输方案下，挂起的终端移动到新基站发起RRC连接恢复过程，携带先前从旧基站获得的恢复ID，新基站在X2接口向旧基站发起用户上下文获取流程，从旧基站获取终端在旧基站挂起时保存的用户上下文信息，以便在新基站上将该UE快速恢复。S1接口的控制面用以实现eNodeB和MME之间的信令传递，S1接口的用户面用以实现eNodeB和SGW之间的用户面数据传输。在NB-IoT系统中，S1接口引入的新特性主要包括：无线接入技术（RAT）类型上报（区分NB-IoT或E-TURAN接入）、UE无线能力指示（例如，允许MME通过下行NAS传输消息向eNodeB发送用户设备（UE）的无线能力）、优化信令流程支持控制面优化传输方案，以及为用户面优化传输方案在S1接口引入连接挂起和恢复处理等。4、NB-IoT核心网特性NB-IoT系统的核心网优化了现有LTE/EPC在MME、SGW、PGW及归属签约用户服务器（HSS）之间的各个接口（包括S5/S8/S10/S11/S6a 等）和功能，并针对新引入的业务能力开放单元（SCEF）增加了MME和SCEF之间的T6接口以及HSS和SCEF之间的S6t接口和相应功能。NB-IoT系统的核心网必须支持的功能包括：支持控制面优化传输方案和用户面优化传输方案的处理及提供必要的安全控制（例如，控制面优化传输方案使用非接入层安全，用户面优化传输方案必须支持接入层安全），支持控制面优化传输方案和用户面优化传输方案间的切换（例如，S11-U和S1-U传输方式间的切换），支持与空口覆盖增强配合的寻呼，支持非IP数据经过PGW（SGi 接口实现隧道）和SCEF传输（基于T6接口），对仅支持NB-IoT的UE实现不需要联合附着的短信服务（SMS），以及支持附着时不创建PDN连接。对于使用控制面优化传输方案的IP数据传输，MME在创建PDN连接请求中会指示SGW建立S11-U隧道。当SGW收到下行数据时，如果S11-U连接存在，SGW将下行数据发给MME，否则触发MME执行寻呼。对于使用控制面优化传输方案的非IP数据传输，如果采用基于SGi的非IP的PDN连接，MME需要和SGW建立基于通用分组无线服务技术接口协议LTE_百度文库
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这是一个基于 IS-95 的 CDMA 系统， 它使用不同的码来区分小区 和信道。cdmaOne 系统的载波带宽是 1.25MHz。 D-AMPS（数字-高级移动电话系统） ：D-AMPS 系统基于 IS136，是 AMPS 的增强型版本。D-AMPS 支持 TDMA 接入方式，主要用于北美，新西兰和部分 亚太国家也有使用。2G （第二代）GSM其他cdmaOne (IS-95)D- AMPS (IS-136)图 2 2G 移动通信系统2.5G 系统绝大多数 2G 系统都有演进。 例如， GSM 演进到 GPRS， 可以支持数据业务。 但是 GPRS 的数据速率不满足 3G 的要求，所以一般把 GPRS 叫做 2.5G，表 1-1 中有 2G 和 2.5G 的比较。2.75G 系统GSM/GPRS 系统还可以升级到 EDGE， EDGE 的理论速率可以达到 473.6kbps， 这个速率可以支持多媒体业务。 和 GPRS 一样， EDGE 不能完全满足 3G 的要求， 所以一般被称为 2.75G。 表 1 2.5G 和 2.75G GSM/GPRS 系统系统 2G GSM 2.5G GPRS 2.75G EDGE 业务 电路域数据业务 分组域数据业务 分组域数据业务 理论数据速率 9.6kbit/s 或 14.4kbit/s 171.2kbit/s 473.6kbit/s 典型数据速率 9.6kbit/s 或 14.4kbit/s 4kbit/s 到 50kbit/s 120kbit/s1.1.3 3G 移动通信系统IMT2000 定义了 3G 移动通信系统，要求它能够提供更高的速率，例如静止 条件下 2Mbps，车载条件下 300kbps。. 主要的 3G 技术在图 1-3 中有说明，它们包括： W-CDMA (Wideband CDMA)：WCDMA 技术由 3GPP 开发，是 GSM/GPRS 的主要演进方向。 它使用 FDD 的双工方式， 每个频率占用 5MHz 的带宽。 WCDMA 主要的频段是 2.1GHz， 也有其它的频段， 如 UMTS1900、 UMTS900 和 UMTS850 等。WCDMA 支持语音业务和多媒体业务，理论速率可以达到 2Mbps，一般情况下速率可以达到 384kbps。WCDMA 在 3GPP 的各个版本中不断演进，速率可 以超过 40Mbps。 TD-SCDMA (Time Division Synchronous CDMA)：TD-SCDMA 由西门子和 CATT (China Academy of Telecommunications Technology)开发，它是 UMTS 的 TDD 模式。和 WCDMA 一样，也会在 3GPP 的各个版本中有演进（如 HSPA） ， 支持高速率。 CDMA2000： CDMA2000 是使用 CDMA 的多载波技术， 从 cdmaOne 演进而 来，后向兼容 cdmaOne。 WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)：WiMAX 是另一 个满足 IMT20000 3G 要求的无线技术。WiMAX 的空中接口由 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.16 标准定义UMTS WCDMA3G （第三代）WiMAXTD - SCDMACDMA2000图 3 3G 移动通信系统1.1.4 4G 移动通信系统4G 移动通信系统要能满足 IMT Advanced (International Mobile Telecommunications Advanced)提出的要求。 表 1-2 就是 IMT Advanced 对 4G 的要 求。 表 2 IMT Advanced 特性关键 IMT Advanced 特性 能够低成本的提供全球通用并且灵活的业务和服务 业务能够和移动通信和固网通信相兼容 具有和其他无线接入系统互操作的能力 提供高质量的无线业务 用户终端适合全球广泛使用 提供友好界面的业务、应用和设备 能够全球漫游 能够支持足以提供高级业务和应用的增强峰值速率 （目标：低速运动终端达到 1Gbit/s， 高速运动终端达到 100Mbit/s）有三种主要的 4G 系统：LTE Advanced：LTE (Long Term Evolution)是 3GPP 定义的规范，但是它并 不能满足 IMT Advanced 提出的要求，所以 LTE 被称作 3.99G。LTE Advanced 可 以满足 4G 的要求。 WiMAX 802.16m： IEEE 和 WiMAX 论坛推出 802.16m 作为 4G 的候选技术。 UMB (Ultra Mobile Broadband)：UMB 可以看作是 EV-DO 的高级版本，由 3GPP2 定义，但是多数设备商和运营商不准备使用 UMB。4G （第四代） LTE Advanced WiMAX 802 . 16m图 4 4G 移动通信系统1.2 3GPP 版本GSM、GPRS、EDGE、UMTS、HSPA 和 LTE 都是 3GPP 不同版本提出的技 术。图 1-5 列出了 3GPP 的主要版本和相应的关键空中接口技术。Phase 2+ (Release 97) GPRS 171.2kbit/s Release 99 UMTS 2Mbit/s Release 6 HSUPA 5.76Mbit/s Release 8 LTE +300Mbit/sRelease 9/10 LTE Advanced GSM 9.6kbit/s Phase 1 EDGE 473.6kbit/s Release 99 HSDPA 14.4Mbit/s Release 5 HSPA+ 28.8Mbit/s 42Mbit/s Release 7/8图 5 3GPP 版本 3GPP 版本不仅定义空中接口技术， 还定义了网络侧的相关技术。 例如， 3GPP Release 5 在核心网引入了 IMS (IP Multimedia Subsystem)。1.2.1 Release 99 之前的版本GSM 和 GPRS 都是在 Release 99 之前的版本引入的， 主要的 GSM 版本如下： GSM Phase 1 GSM Phase 2 GSM Phase 2+ (Release 96) GSM Phase 2+ (Release 97)GSM Phase 2+ (Release 98)1.2.2 Release 99UMTS 和 EDGE 在 Release 99 版本引入。UMTS 包括了所有满足 IMT-2000 提出的 3G 要求的特性。1.2.3 Release 4Release 4 版本的主要变化在核心网，引入了全 IP 网络和软交换，MSC 被分 成了 MSC 和 MGW。1.2.4 Release 5Release 5 版本主要引入了 HSDPA 技术，提高了容量和频谱效率。图 1-6 列 出了 HSDPA 的主要特性： 自适应调制：除了原来的 QPSK 外，HSDPA 还可以支持 16QAM。HSDPA 能够在 QPSK 和 16QAM 之间自动转换。 可变信道编码效率：基于 UE 反馈的信道条件，NodeB 可以调整信道编码的 效率。 快速调度：HSDPA 支持 2ms TTI 的调度，使得 NodeB 能够给用户快速分配 资源。 HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request)： NodeB 控制的 HARQ 能够减少重 传时间，提高重传效率。HSDPA 自适应调制 灵活编码 快速调度（2ms） HARQ NodeB UE UTRANIub RNC图 6 HSDPA (Release 5)1.2.5 Release 6Release 6 版本主要引入了 HSUPA 技术，提高了上行的容量和频谱效率。 HSDPA 和 HSUPA 一起被称作 HSPA。图 1-7 列出了 HSUPA 的主要特性： 可变信道编码效率： 和 HSDPA 一样， HSUPA 也可以调整信道编码的效率。 快速功率调度： HSUPA 的关键特性之一是 NodeB 调度 UE 的上行发射功率， 调度周期是 2ms 或者 10ms。 HARQ：和 HSDPA 一样，HSUPA 也支持 HARQ，减少重传时间，提高重传 效率。HSUPA 灵活编码 快速功率调度 HARQ NodeB UEUTRANIub RNC图 7 HSUPA (Release 6)1.2.6 Release 7Release 7 版本在空中接口的主要新特性是 HSPA+，HSPA+在 HSPA 的基础 上提高了峰值速率和系统容量。图 1-8 列出了 HSPA+的主要特性： 64 QAM：HSDPA 支持 64QAM，使下行理论峰值速率达到 21.6Mbps。 16 QAM：HSUPA 支持 16QAM，使上行理论峰值速率达到 11.76Mbps。 MIMO (Multiple Input Multiple Output)：在 HSPA+中引入了 MIMO，使用空 间分集技术，使下行理论峰值速率达到 28.8Mbps。HSPA+ 64 QAM （DL） 16 QAM （UL） MIMO操作（DL） 功率增强（DL） 更少开销（DL） NodeB UE UTRANIub RNC图 8 HSPA+ (Release 7) 功率增强：使用了 CPC (Continuous Packet Connectivity/连续分组连接)技术。 CPC 技术包括 DTX (Discontinuous Transmission/非连续发射)，DRX (Discontinuous Reception/非连续接收)和 HS-SCCH Less Operation 等特性， 提高了 系统的容量，降低了终端电池耗电。 下行更小开销： 减少了下行空中接口层 2 的包头开销，提高了空中接口下行 传输的效率。1.2.7 Release 8在 Release 8 版本中， 空中接口有很多新增加的特性， 包括 HSPA+的新特性。 但是，最重要的新特性是 LTE 的引入。图 1-9 列出了 Release 8 版本中 HSPA+和 LTE 的重要新特性。 Release 8 版本的 HSPA+增加了下列新特性： 64 QAM + MIMO： Release 8 版本允许 64 QAM 和 MIMO 同时使用，使下行 理论峰值速率达到了 42Mbps。. 双小区操作：DC-HSDPA(Dual cell C HSDPA)是 Release 8 中的新特性，它允 许一个 UE 同时在两个 5MHz 的 UMTS 小区使用 HSDPA，这样情况下，如果和64QAM 一起使用，下行峰值理论速率可以达到 42Mbps。Release 8 版本中不允 许 MIMO 和 DC-HSDPA 同时使用。 上行更小开销：和 Release 7 版本中类似，Release 8 版本中减少了上行空中 接口层 2 的包头开销，提高了空中接口上行传输的效率。HSPA+ 64 QAM+MIMO（DL ） 双小区操作 减少开销（UL） NodeB LTE 增强技术 灵活带宽 灵活频谱选择 高速率 超高速调度 少延时 UE E- UTRAN UTRANIub RNCeNodeB图 9 Release 8 HSPA+和 LTE LTE 提供了全新的无线接入技术，在后面的课程中会详细讨论 LTE。1.2.8 Release 9 和以后的版本LTE 在 Release 8 版本中引入， 在 Release 9 版本中有增强。 在 Release 9 版本 中有一些 LTE 的新特性，其中很重要的是可以支持更多的频段。LTE R8 LTE R9 LTE Advanced R10图 10 Release 9 和以后的版本 Release 10 版本包括 LTE Advanced 的标准化，LTE Advanced 是 3GPP 提出 的满足 4G 移动通信系统要求的技术。1.3 E-UTRAN 结构和 2G/3G 网络相比，LTE 的网络结构更简单，可以分为扁平的 IP 承载网和 业务网。IP 承载网可以进一步分为 E-UTRAN 和 EPC，EPC 支持 IMS 业务的传 输。图 1-11 列出了 LTE 网络的结构。IM SHSS E-UTRANCSCF EPCVideo ASUEMMEeNB eNBS-GWPDN-GW图 11 LTE 网络结构 UMTS 使用 WCDMA 技术，而 LTE 使用的是 OFDMA 技术（上行）和 SC-FDMA 技术（下行） 。在 E-UTRA 中使用了全新的空中接口。1.3.1 用户设备和 UMTS 一样，LTE 中的移动设备被称作 UE。UE 包括两部分，USIM 和 ME。 ME 支持下列功能： RR (无线资源)： RR 处理控制面的用户面数据， 它处理的子层包括 RRC 层， PDCP 层，RLC 层，MAC 层和物理层。 EMM (EPS 移动性管理)：EMM 是控制面实体，它管理 UE 的几个状态，包 括 LTE Idle，LTE Active 和 LTE Detached。 ESM (EPS 会话管理)：ESM 也是控制面实体，负责管理 EPS 承载的激活、 修改和去激活。EPS 承载包括默认 EPS 承载和专用 EPS 承载。EPS 移动管理 注册 跟踪区域更新 切换EPS 会话管理 承载层激活 承载层修改 承载层去激活控制面EPS 移动性和 EPS 会 话管理 UE用户面IP 适配功能无线资源无线资源 RRC,、PDCP、RLC、MAC 和 PHY 层协议图 12 用户设备功能实体 在 LTE 中，UE 可能支持不同的频段和数据速率，也可能支持不同的调制方 式，比如 QPSK，16QAM 或者 64QAM。 UE 也可以支持不同的信道带宽，包括 1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz， 15MHz 和 20MHz，不同的双工模式（FDD 或 TDD） ，也可能支持 MIMO。 表 3 UE 类别UE 类别 1 2 3 4 5 下行峰值速率 10.3Mbit/s 51.0Mbit/s 102.0Mbit/s 150.8Mbit/s 302.8Mbit/s 下行数据流个数 1 2 2 2 4 上行峰值速率 5.2Mbit/s 25.5Mbit/s 51.0Mbit/s 51.0Mbit/s 75.4Mbit/s 是否支持上行 64QAM 否 否 否 否 是UE 识别号一个 LTE UE 可能被分配一些号码和地址，这些号码和地址包括： IMSI (International Mobile Subscriber Identity)：IMSI 用来标识全球唯一的移 动用户，它由 MCC(Mobile Network Code)，MNC(Mobile Network Code)和 MSIN(Mobile Subscriber Identity Number)组成。 IMEI (International Mobile Equipment Identity)：IMEI 用来唯一标识一个移动 设备， 它由 TAC(Type Approval Code)， FAC(Final Assembly)和 SNR(Serial Number) 组成。GUTI (Globally Unique Temporary Identity)： GUTI 由 MME 分配给 UE， 在一 个 MME 中唯一标识一个 UE，它由 GUMMEI (Globally Unique MME Identity)和 M-TMSI (MME - Temporary Mobile Subscriber Identity)组成。 S-TMSI (Serving - Temporary Mobile Subscriber Identity)：S-TMSI 是 UE 在 NAS 层的临时标识，用来代替 IMSI 在 NAS 信令中标识 UE，达到保护 IMSI 的 目的。S-TMSI 由 MMEC (MME Code)和 M-TMSI 组成。 IP 地址：UE 从 PDN-GW 获得一个 IP 地址，从而能够和 PDN 通信，这个 地址可以是 IPv4 地址或 IPv6 地址。1.3.2 eNode B3GPP 在 LTE 中引入了新的基站 eNodeB，eNodeB 的功能包括： RRM (无线资源管理)：RRM 负责给 UE 分配上行和下行物理资源，接入控 制和移动性控制。 数据压缩：数据压缩的主要作用是压缩 IP 包头，提高传输效率。数据压缩 在 PDCP 层完成。 数据保护：数据保护指对 RRC 信令的完整性保护和加密，对用户数据的加 密。 路由：路由指 eNodeB 要把信令传到 MME，把用户数据传到 S-GW。 数据包分类及 QoS 策略执行：这个功能可以给上行数据打上标记，这些标 记给 QoS 提供依据。无线资源管理 分组分类和QoS 策略增强 数据压缩eNB 路由 数据保护图 13 eNodeB 的功能 在 LTE 网络中，不仅空中接口有完整性保护和加密，NAS 层的信令也会有 完整性保护和加密。除此之外，IPSec 还可以用在 E-UTRAN 和 EPC 之间以保护 用户数据。eNB 识别号除了 UE 的识别号，eNodeB 内部也有一些识别号： TAI (Tracking Area Identity/跟踪区标识)：TAI 由运营商定义的一组相邻小区 组成，UE 在跟踪区内移动不需要做位置更新。跟踪区和 2G/3G 数据网络中定义 的 RA（路由区）类似。EUTRAN CGI (Evolved UTRAN Cell Global Identity/全球演进小区标识)： EUTRAN CGI 由 MCC、MNC 和 EUTRAN CI （演进小区标识 Evolved UTRAN Cell Identity）组成，后续会由各个运营商编号。1.4 E-UTRAN 接口和协议图 1-14 是 E-UTRAN 的网络结构图和相关接口。E-UTRAN Uu S1-MME S1-MME S1-U MME EPCeNBX2S1-UeNBS-GW图 14 E-UTRAN 接口1.4.1 Uu 接口Uu 接口在 UE 和 eNB/HeNB 之间，处理控制面信令和用户面数据。控制面 协议是 RRC（无线资源管理） ，用户面用来承载 IP 数据包。控制面信令和用户 面数据都需要经过 PDCP，RLC 和 MAC 层的处理。RRC (Radio Resource Control / 无线资源管理)RRC 处理所有 UE 和-E-UTRAN 之间的信令， 包括 UE 和 MME 之间的 NAS 信令。RRC 还为低层的协议提供配置和相关参数。例如，物理层从 RRC 接收物 理层相关的参数。RRC 的主要功能有： 系统消息广播 PLMN 选择和小区选择 准入控制 安全管理 小区重选 测量报告 切换和移动性管理 NAS 信令传输 无线资源的管理PDCP (Packet Data Convergence Protocol / 分组数据汇聚协议)PDCP 层处理控制面信息和用户面信息。PDCP 层的主要功能有：加密：PDCP 层加密控制面信令和用户面数据 完整性保护：PDCP 层对控制面信令做完整性保护 IP 头压缩：PDCP 层对用户面数据做 IP 头压缩 给用户面数据的数据包编号，防止用户面数据重复Uu 控制面 EMM and ESM RRC PDCP RLC MAC PHY UE 非接入层 接入层 PDCP RLC MAC PHY eNB 用户面 IP图 15 Uu 接口协议RLC (Radio Link Control / 无线链路控制)RLC 在 UE 和 eNodeB 之间提供无线链路的控制，为高层提供数据端到端传 输的服务。RLC 有以下几种传输模式： TM (Transparent Mode / 透明模式)：TM 提供无连接的服务，使用 TM 的有 系统消息广播和寻呼。 UM (Unacknowledged Mode / 非确认模式)：UM 也提供无连接的服务，但是 和 TM 不同的是，UM 模式会提供有序的数据传输，并且有分段和合并高层数据 包的功能。 AM (Acknowledged Mode / 确认模式)： AM 支持 ARQ(混合自动重传)， 提供 面向连接的服务。MAC (Medium Access Control / 媒体接入控制)MAC 的主要功能有： 映射：MAC 提供从逻辑信道到传输信道的映射。 复用：为了提高效率，不同 RB（无线承载）的数据被复用到用一个 TB(传 输块)。 HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request / 混合自动重传)： MAC 层 HARQ 和物理层一起，提供纠错功能，提高了重传效率。 无线资源的分配：MAC 层基于 QoS，提供无线资源的调度。物理层物理层的功能主要有： 纠错 信道编解码 速率匹配物理信道映射 功率控制 RF 调制解调 时频同步 无线测量 MIMO 处理 发射分集 Beamforming（波束成形）. RF 的处理1.4.2 X2 接口X2 接口连接两个 eNodeB，分为控制面和用户面。控制面协议是 X2AP(X2 Application Protocol)，由 SCTP(Stream Control Transmission Protocol) 和 IP 承载。 用户面协议是 UDP(User Datagram Protocol)，由 GTP-U(GPRS Tunneling Protocol - User)和 IP 承载。X2AP(X2 Application Protocol)X2AP 有以下功能： 移动性管理：移动性管理功能使一个 UE 能通过 X2 接口从一个 eNodeB 移 动到另一个 eNodeB，在移动过程中，通过 X2 接口可以发送用户面数据，释放 UE 上下文。 负载管理：通过 X2AP 可以在 eNodeb 之间可以交换资源状态，当前的业务 负载和是否有过载指示。 错误报告：通过 X2AP 可以报告一些一般性的错误。 X2 接口的启动和重启：可以通过 X2AP 在 eNodeB 之间交换一些必要的信 息来重启或者建立。 配置更新：通过 X2AP 可以在两个 eNodeB 之间可以交换应用层的数据。X2 eNB 控制面 X2AP SCTP IP Layer 2 Layer 1 eNB 用户面 GTP-U UDP IP Layer 2 Layer 1图 16 X2 接口协议SCTP(Stream Control Transmission Protocol)SCTP 由 IETF (Internet Engineering Task Force)定义，它克服了 TCP 和 UDP 的一些缺点，适用于在 IP 上传输信令。SCTP 的主要功能有： 高层数据的可靠传输 高层数据的有序传输 流量控制 提高的安全性 SCTP 也在 S1-MME 接口使用。 is also found on the S1-MME Interface which links the eNB to the MME.GTP-U(GPRS Tunneling Protocol C User)GTP-U 隧道用来传输封装好的用户数据。有很多个 GTP-U 隧道，用来区分 不同的 EPS 承载，这些 GTP-U 隧道用 TEID(Tunnel Endpoint Identifier)来标识。 GTP-U 也在 S1-U 接口和 S5 接口使用。1.4.3 S1 接口S1 接口分为 S1-MME 接口和 S1-U 接口，分别承载控制面信令和用户面数 据。S1-MME 接口连接 eNodeB 和 MME，S1-U 接口连接 eNodeB 和 S-GW。S1-MME eNB 控制面 S1AP SCTP IP Layer 2 Layer 1 MME eNB 用户面 GTP-U UDP IP Layer 2 Layer 1 S1-U S-GW图 17 S1 接口协议S1AP(S1 Application Protocol)S1AP 是 S1 接口的控制面协议，有以下功能： E-RAB (Evolved - Radio Access Bearer)管理： S1AP 可以管理 E-RAB 的建立、 更改和释放。 初始上下文传输： 通过 S1AP 可以在 eNodeB 中建立 UE 在 S1 接口的上下文， 建立默认的 IP 连接，传输相关的 NAS 信令。 UE 能力信息指示：通过 S1AP 口可以告诉 MME UE 的能力信息。 移动性：通过 S1AP 可以支持 eNodeB 切换和异系统切换。 寻呼S1 接口管理：S1AP 可以处理 S1 口的启动和负载平衡等功能。 NAS 信令传输：通过 S1AP 可以传送 NAS 信令。 UE 上下文更改和释放： 通过 S1AP 可以更改和释放 UE 上下文。 位置报告：通过 S1AP 可以向 MM3 报告 UE 的位置。1.5 EPC 结构在 Release 8 版本中，除了 LTE，3GPP 还定义了 SAE(System Architecture Evolution)。 SAE 是一个扁平化的完全的分组交换网络， 支持多种无线接入技术。 图 1-18 列出了 EPC 的基本网络结构和相关接口。图中没有画出 IMS。EPC S1-MME MME S11 MME S10S1-U S-GWS5/S8 PDN-GWSGi图 18 EPC 网络和接口1.5.1 MME(Mobility Management Entity)MME 是 EPC 中的控制面网元，有以下功能： NAS 信令处理和安全：MME 会处理 EMM(Evolved Mobility Management)和 ESM(Evolved Session Management)相关的信令，包括 tracking area 更新和 EPS 承 载管理。MME 还处理 NAS 信令的安全。 S-GW 和 PDN-GW 的选择： MME 收到 UE 的连接请求后， 选择合适的 S-GW 和 PDN-GW 建立连接。这种选择可以基于 UE 的位置和当前网络的负载。 Tracking Area 列表管理和寻呼：当 UE 在 LTE Idle 状态时，MME 知道 UE 在哪一个 tracking area 里面。MME 可以为 UE 提供一个 tracking area 列表，当 UE 在这个列表里面的 tracking area 之间移动时，不需要向 MME 报告。MME 也 负责发起寻呼。 MME 间的移动性：如果切换发生在不同的 MME 之间，服务 MME 会选择 目标 MME。. 鉴权： MME 会参与用户鉴权流程。 LTE 的鉴权基于 AKA (Authentication and Key Agreement)。图 19 MME 的功能1.5.2 S-GW(Serving C Gateway)图 20 S-GW 的功能 S-GW 终结 S1-U 接口，有以下功能： 移动锚点：当切换发生在 eNodeB 时，S-GW 是用户数据传输的锚点。当用 户从 LTE 切换到 GPRS/UMTS 时，S-GW 也是数据传输的锚点。 下行数据包缓存：当发给某个 UE 的数据到达 S-GW 时，S-GW 会缓存这些 数据，从而留下时间让 MME 寻呼这个 UE。 数据包路由和转发：S-GW 会在上行和下行方向转发数据包到 eNodeB 和 PDN-GW。 合法监听：S-GW 可以合法地监听 VoIP 和用户数据。 GTP 和 PMIP 支持： 如果 PMIP(Proxy Mobile IP / 代理移动 IP)在 S5/S8 接口 使用，S-GW 要支持 MAG(Mobile Access Gateway)功能。1.5.3 PDN-GW(Packet Data Network C Gateway)PDN-GW 从 SGi 接口连到 PDN，如果 UE 连到多个 PDN，可能会经过多个 PDN-GW。PDN-GW 有以下功能：数据包过滤：PDN-GW 可以对从 PDN 过来的数据包做深度包解析，决定这 些数据包映射到哪个 TFT（Traffic Flow Template / 业务流模板）上。 合法监听：PDN-GW 可以监听通过它的数据。 终端 IP 地址分配：当 UE 建立承载或者在不同的接入技术之间漫游时， PDN-GW 可以给 UE 分配 IP 地址。 传输级别数据标识： 基于相关联的 EPS 承载的 QCI(QoS Class Identifier / QoS 级别标识)，PDN-GW 可以给上行和下行的数据包打上不同的 DSCP （Differentiated Services Code Point）值。 计费：通过和 PCRF(Policy Rules and Charging Function)交互，PDN-GW 可 以监控业务流量和类型。图 21 PDN-GW 的功能1.6 EPC 接口和协议1.6.1 S11 接口S11 接口在 MME 和 S-GW 之间，处理控制面信令。S11 接口使用 GTPv2-C (GPRS Tunneling Protocol version 2 - Control)协议，使用 UDP 和 IP 承载。GTPv2-C(GPRS Tunneling Protocol version 2 C Control)GTPv2-C 支持在 MME 和 S-GW 之间交换以下类型的信令消息： 路径管理：路径管理的信令包括 Echo Request 和 Echo Response 信令，保证 链路的连接。 隧道管理：隧道管理的信令包括激活、更改和删除 EPS 承载等信令。 移动性管理：移动性管理包括重定向和通知等过程。 CS (Circuit Switched)回落：包括回落中的挂起和恢复流程。 非 3PGG 接入：包括在 3GPP 和非 3GPP 网络之间建立数据传输隧道的相关 信令消息。S11 MME 控制面 GTPv2-C UDP IP Layer 2 Layer 1 S-GW图 22 S11 接口协议 GTPv2-C 也在 S5/S8 接口和 S10 接口使用。 如果 EPC 连到 SGSN， GTPv2-C 也在 S3 和 S4 接口使用。1.6.2 S5/S8 接口S5/S8 接口在 S-GW 和 PDN-GW 之间，分为控制面和用户面。如果 S-GW 和 PDN-GW 属于同一个 PLMN，它们之间是 S5 接口。如果 S-GW 和 PDN-GW 属于不同的 PLMN，它们之间就是 S8 接口。PMIP(Proxy Mobile IP)PMIP 由 IETF 定义。在 S5/S8 接口中引入 PMIP 是为了支持 LTE 和某些需 要 PMIP 的网络（比如 CDMA 网络）间的切换，在这种场景下，PDN-GW 作为 HA(Home Ageng)，S-GW 作为 FA(Foreign Agent)。S5/S8 S-GW 控制面 GTPv2-C UDP IP Layer 2 Layer 1 PDN-GW 用户面 GTP-U / PMIP UDP IP Layer 2 Layer 1图 23 S5 / S8 接口协议1.6.3 S10 接口S10 接口在两个 MME 之间，处理控制面信令，也使用 GTPv2-C 协议。S10 MME 控制面 GTPv2-C UDP IP Layer 2 Layer 1 MME图 24 S10 接口协议1.6.4 SGi 接口SGi 接口在 PDN-GW 和外部 PDN 之间。SGi PDN-GW 应用层 TCP / UDP IP Layer 2 Layer 1图 25 SGi 接口协议1.6.5 其它网元和接口除了以上讨论过的网元和接口， EPC 还可以连到一些其它的网元， 并支持相 关接口，如图 1-26 所示。CDMA 2000 S6a EIR S13 EPC S10 S3 MME S11 SGSN S4 S5/S8 S12 S-GW S103 CDMA 2000 ePDG PDN-GW S2b WnUntrusted Non 3GPP IP AccessHSS S101MMEPCRF Gx S2aTrusted Non 3GPP IP AccessRNC图 26 其它网元和接口 其它的网元包括： HSS (Home Subscriber Server)：HSS 是 PLMN 中的数据库，功能和 HLR 类 似，存储用户的相关开户信息。HSS 通过 S6a 接口连到 MME。 PCRF (Policy and Charging Rules Function)： PCRF 支持策略控制和计费控制。 策略控制功能控制业务的承载，从而给业务提供相关的 QoS。PCRF 通过 Gx 接 口连到 PDN-GW。 ePDG (evolved Packet Data Gateway)： 当有终端需要通过不被信任的非 3GPP IP 接入技术连到 EPC 时， 要先连到 ePDG。 它的功能包括分配 IP 地址， 提供 IPsec 和 PMIP 隧道。 RNC (Radio Network Controller)： RNC 是 UMTS 接入网中的网元， 可以通过 S12 接口连到 S-GW。 SGSN (Serving GPRS Support Node)：SGSN 是 2G3G 的核心网 PS 域网元， 为了支持 LTE 和 2G/3G 间的误操作，SGSN 要连到 EPC。SGSN 通过 S3 接口连 到 MME，通过 S4 接口连到 S-GW。 EIR (Equipment Identity Register)：EIR 用来检验 IMEI (International Mobile Equipment identity)的合法性。项目 2 LTE 空中接口原理 学习目标学完本项目，您将能够： 错误!未找到引用源。描述上行和下行的无线接口技术 2.2 描述 OFDM 2.3 描述 LTE 空中接口的信道结构 2.4 理解 LTE 空中结构在 FDD 和 TDD 两种模式下的帧结构 2.5 理解 OFDMA 原理 2.6 理解 SC-FDMA 原理 2.7 描述 MIMO 2.8 简单描述 LTE 中的 MBMS2.1 无线接口技术在无线蜂窝通信系统中，终端共享无线传输介质，为了实现多址接入，有以 下几种多址技术： FDMA，TDMA，CDMA 和 OFDMA。多址技术FDM AOFDM ATDM ACDM A图 27 无线接口多址技术2.1.1 FDMA(Frequency Division Multiple Access)FDMA 将可用的频带分成多个子频带，每个用户使用不同的子频带。如图中 所示。功率 时间 FDMA 每个用户分配一个不 同的子频段/信道频率图 28 FDMA2.1.2 TDMA(Time Division Multiple Access)TDMA 系统中，不同的用户在不同的时间（时隙）使用相同的频带，如图中 所示。GSM 是一个典型的 TDMA 系统。功率 时间 TDMA 每个用户在信道上分 配一个不同的时间频率图 29 TDMA 每个用户都会被分配一个时隙， 同时有一个或多个时隙用作公共控制和系统 接入。 TDMA 系统是数字系统，因此能够方便提供加密和完整性保护功能。相对于 FDMA 系统， TDMA 系统还可以使用信道编码， 这样可以更好的抵抗噪声和干扰， 提高频谱利用率。2.1.3 CDMA(Code Division Multiple Access)CDMA 的概念和 TDMA 以及 FDMA 稍微有点不同。在 CDMA 系统中，不是在 时域或者频域来区分用户， 而是不同的用户在相同的时间使用相同的频带，但是 这些用户使用不同的码。功率 时间 CDMA 每个用户在信道上分 配一个不同的编码频率图 30 CDMA UMTS 和 CDMA2000 都是 CDMA 系统。2.1.4 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)OFDMA 是无线蜂窝系统使用的最新技术，它使用了 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术。图中表示了 OFDMA 的基本概念，图中可以 看到整个频带被分成一些小的单元，这些单元被称作子载波，子载波在时域和频 域两个维度上被分配给不同的用户。功率时间 OFDMA 每个用户分配一个不 同的资源，该资源可 以在时间和频率上变 化 频率图 31 OFDMA2.1.5 双工方式无线蜂窝系统有两种双工方式：FDD(Frequency Division Duplex)和 TDD(Time Division Duplex)。FDD(Frequency Division Duplex)如图中所示，在 FDD 系统中，一个用户在上行和下行使用不同的频带，两 个频带之间的间隔是双工间隔。信道带宽 信道带宽上行 双工间隔下行频率图 32 FDD 和基站相比，终端的功率要小，所以通常上行频带的频率低，因为低频信号 的传播损耗要小一些。TDD(Time Division Duplex)在 TDD 系统中， 上行和下行在不同的时间复用到同一个频带。 相对于 FDD， TDD 系统的一个显著的优点是在上行和下行可以分配不同的时间资源 （通常下行 的数据量要大于上行的数据量） ，这样频谱效率要更高一些。而且 TDD 系统不想 FDD 系统那样要求对称的频带。上下行 频率非对称分配TDD下行 TDD帧上行下行 TDD帧上行时间图 33 TDD2.2 OFDM 原理LTE 的空中接口在上行和下行使用了两种不同的技术，但是都是以 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)为基础。这两种技术是： OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)：在下行使用 SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access)：在上行使用OFDM (OFDMA)eNB OFDM UE (SC-FDMA)图 34 LTE 空中接口中的 OFDM OFDM 并 不 是 一 个 全 新 的 概 念 ， 在 Wi-Fi (Wireless Fidelity) 和 WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)中也使用了 OFDM。2.2.1 频率复用频分复用是 OFDM 的基础。 如图中所示， 频分复用是指不同的频率 （子载波） 分配给不同的用户，各个子载波之间加入了保护带宽，消除干扰。但是，传统的 频分复用系统的频谱效率不高。保护带子载波频率 信道带宽图 35 FDM 载波2.2.2 OFDM 子载波和传统的频分复用系统相比，OFDM 有相同的概念，但是 OFDM 减小了子载 波之间的间隔，提高了频谱效率。如图中所示，不同的子载波在频域上紧密叠加 在一起，在每一个子载波的中心频点，这个子载波本身有最大功率，而其它的子 载波都没有功率。不同的子载波之间是正交的。正交子载波 非正交中心子载波频率 信道带宽图 36 OFDMA 子载波2.2.3 快速傅里叶变换OFDM 子载波的生成和解调需要用到 FFT(快速傅里叶变化)和 IFFT(反向快速 傅里叶变换)。IFFT 在发射端用来生成 OFDM 信号。图 2-11 表示了 IFFT 的过程， 串行的数据比特流先被转化为并行，然后被调制，接着被 IFFT 处理。子载波调制 反向快速傅里 叶变换编码 位串行至 并行IFFTRF复杂波形图 37 反向快速傅里叶变换 在接收端，信号先被 FFT 处理，然后被解调，恢复原始数据比特。图中表示 了 FFT 的过程。子载波解调 快速傅立叶变换 并串转 换接收器FFT图 38 快速傅里叶变换2.2.4 LTE 信道带宽和 FFT 点数FFT 的点数表示 FFT 时的子载波个数，这个数字是一些固定值（只能是 2 的 整数次方） 。需要注意的是，对于某个 FFT 的点数，并不是所有的子载波都用来 承载数据。 表中列出了不同的 LTE 带宽所对应的 FFT 的点数，还有采样率。 表 4 LTE 信道带宽和 FFT 点数载波带宽 1.4MHz 3MHz 5MHz 10MHz 15MHz 20MHz FFT 点数 128 256 512 48 15kHz 子载波带宽 采样率 1.92MHz 3.84MHz 7.68MHz 15.36MHz 23.04MHz 30.72MHz15kHz 的子载波宽度也在时域上规定了 OFDM 符号的宽度。2.2.5 OFDM 符号映射OFDM 符号向子载波映射时， 一次将 12 个调制后的 OFDM 符号映射到 12 个 子载波，这 12 个调制后的 OFDM 符号在一个符号周期内同时传输。随后的 12 个 OFDM 符号在下一个符号周期内传输。两个符号周期中间插入一个 CP(Cyclic Prefix / 循环前缀)。时间 调制后的 OFDM符号 幅度 循环前 缀频率 OFDM 符号图 39 OFDM 符号映射 LTE 以 12 个子载波为单位分配资源，在一起的 12 个子载波被称作一个 PRB(Physical Resource Block)。 在前面的例子中， 12 个调制后的 OFDM 符号同时传输。 当这些符号一样时， 对应的时域信号的振幅就比较大；而当这些符号不一样时，对应的时域信号的振 幅就比较小。 这样就导致了 OFDM 时域信号的 PAPR(Peak to Average Power Ratio / 峰均比)比较大，如图所示。PAPR问题OFDM符号幅度峰值 均值 时间图 40 OFDM 时域信号的 PAPR（Peak to Average Ratio / 峰均比）2.2.6 时域干扰OFDM 信号的子载波在频域上相互正交，在时域上需要克服扩展时延，也就 是多径带来的符号间干扰。 多径效应会带来时延扩展和损耗，如图中所示。时延扩展会导致 ISI(Inter Symbol Interference / 符号间干扰)。能量时延扩展时间图 41 时延扩展 一般情况下使用均衡器来抵消符号间干扰， 但是均衡器会增加终端设备的处 理负担。所以，在 OFDM 系统中引入了 CP(Cyclic Prefix / 循环前缀)在抵抗时延扩 展。第一个收到的 信号 延迟的信 号造成干扰图 42 ISI（Inter Symbol Interference / 符号间干扰）2.2.6.1CP(Cyclic Prefix / 循环前缀)CP 用来抵抗时延扩展。图中表示了 CP 的形成过程和 CP 在 OFDM 符号中的 位置。从图中可以看出 CP 是把一个 OFDM 符号的信号从尾部截取一部分，放到 头部。频率 CP CP CP CP CP CP 符号周期 T(s) CP CP CP 时间循环前缀位周期 T(b)T(g)符号周期 T(s)图 43 CP（Cyclic Prefix / 循环前缀） 在 LTE 中定义了两种 CP 长度，normal CP 和 extended CP，extended CP 用在 比较大的小区。 CP 的长度和系统能够容忍的最大时延扩展有关。对于半径较大的小区，应 该用 extended CP，但是这种情况下会影响系统容量，因为 extended CP 对应的每 秒的符号数要少。2.2.7 OFDM 系统的优缺点分析2.2.7.1 OFDM 系统的优点OFDM 系统的优点有： OFDM 的长符号几乎可以完全抵抗多径干扰 为宽带信道提供更高的频谱效率 灵活的带宽 通过 FFT 和 IFFT 实现相对简单2.2.7.2OFDM 系统的缺点OFDM 系统的缺点有： 频率偏移和相位噪声会导致严重问题多普勒频移影响子载波正交性 OFDM 系统具有较高的 PAPR(峰均比) 要求精确的频率和时间同步2.3 LTE 信道结构LTE 中信道的概念和 UMTS 类似，一共有四种类型的信道。逻辑信道传输信道物理信道图 44 LTE 的信道类型2.3.1 逻辑信道首先看一下逻辑信道在 LTE 协议中的位置。如图所示，逻辑信道在 RLC 层和 MAC 之间。逻辑信道 RLC MAC PHY 物理信道 传输信道图 45 不同类型信道的位置 逻辑信道分为控制逻辑信道和业务逻辑信道。 控制逻辑信道承载 RRC 信令， 业务逻辑信道承载用户面数据。2.3.1.1控制逻辑信道以下是几种控制逻辑信道： BCCH (Broadcast Control Channel)：BCCH 用来发送 SI(System Information / 系 统消息)。 PCCH (Paging Control Channel)：PCCH 用来发送寻呼消息。系统消息 BCCH PCCH UE 寻呼消息 eNodeB图 46 BCCH 和 PCCH 信道 CCCH (Common Control Channel) ： CCCH 用 来 建 立 RRC 连 接 或 者 一 个 SRB(Signaling Radio Bearer)，CCCH 也用作 RRC 重建过程。SRB0 映射到 CCCH。 DCCH (Dedicated Control Channel)：DCCH 用来承载双向的信令。一般需要两 个 DCCH 信道，一个承载 SRB1，一个承载 SRB2。 SRB 1：SRB1 用来承载 RRC 信令和低优先级的 NAS 信令。 SRB 2：SRB2 用来承载高优先级的 NAS 信令。SRB0 SRB0 SRB1 UE SRB2 CCCH CCCH DCCH DCCH eNodeB 低优先级NAS信令图 47 CCCH 和 DCCH 信道2.3.1.2业务逻辑信道3GPP Release 8 版本的 LTE 中只有一种类型的业务逻辑信道： DTCH (Dedicated Traffic Channel)。 DTCH 承载 DRB (Dedicated Radio Bearer)， 也就是用户面的数据。DRB UE DTCH 承载AM RLC 或UM RLC业务 eNodeB图 48 DTCH 信道 DTCH 是双向的信道，可以工作在 RLC AM 模式和 UM 模式，具体是哪一种 由 RRC 根据 E-RAB 的 QoS 配置。2.3.2 传输信道3GPP Release8 版本中的传输信道包括： BCH (Broadcast Channel)：BCH 是的传输格式固定，没一个帧中发一次。BCH上承载 MIB。需要注意的是大部分的系统消息由 DL-SCH 承载。 PCH (Paging Channel)：PCH 承载 PCCH，它使用 DRX 技术，目的是减少 UE 耗 电。 DL-SCH (Downlink - Shared Channel)： DL-SCH 是承载下行信令和数据的主要信 道。它支持动态调度和链路自适应，DL-SCH 使用 HARQ 操作，提高了传输性能。 DL-SCH 也发送系统消息。 RACH (Random Access Channel)：RACH 用于随机接入过程。 UL-SCH (Uplink Shared Channel)：UL-SCH 的作用和 DL-SCH 类型，承载上行信 令和数据。UL-SCH 支持动态调度和链路自适应，UL-SCH 也使用了 HARQ 操作。BCH PCH DL-SCH UE RACH UL-SCH eNB图 49 LTE Release 8 版本的传输信道2.3.3 物理信道传输信道映射到物理信道。2.3.3.1下行物理信道下行物理信道包括： PBCH (Physical Broadcast Channel)：PBCH 承载 BCH。 PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel)：PCFICH 用来指示 PDCCH 占用了多少个 OFDM 符号。 PDCCH (Physical Downlink Control Channel)：PDCCH 用来发送资源调度控制信 息。 PHICH (Physical Hybrid ARQ Indicator Channel)：PHICH 用来向 UE 发送上行 HARQ 进程的 ACK/NACK 反馈。 PDSCH (Physical Downlink Shared Channel)：PDSCH 承载 DL-SCH。2.3.3.2上行物理信道下行物理信道包括： PRACH (Physical Random Access Channel)：PRACH 承载 RACH，用来发送随机 接入前缀。 PUCCH (Physical Uplink Control Channel)：PUCCH 发送上行物理层控制信息， 也可以用来向 eNodeB 发送调度请求。 PUSCH (Physical Uplink Shared Channel)：PUSCH 承载 UL-SCH。需要注意的是 PUSCH 和 PUCCH 不能一起使用。2.3.4 信道映射图 50 和图 51 列出了不同信道和高层信令以及数据之间的映射关系。 可以看 出，逻辑信道映射到传输信道，传输信道映射到物理信道。NAS层 ESM EMM IPRRC层RRC 完整性 ROHC 加/解密PDCP层 加/解密RLC层TMTMTMUM/AMUM/AM逻辑信道 MAC层 传输信道BCCHPCCHCCCHDCCHDTCHBCHPCHDL-SCH物理层物理信道PBCHPCFICH PHICHPDCCHPDSCH图 50 下行信道映射NAS层ESMEMMIPRRC层RRC 完整性 ROHC 加/解密PDCP层 加/解密RLC层TMUM/AMUM/AM逻辑信道 MAC层 传输信道CCCHDCCHDTCHRACHUL-SCH物理层物理信道PRACHPUCCH PUSCH图 51 上行信道映射 从图中可以看出不同的逻辑信道可以映射到相同的传输信道， 为了区分这些 不同的逻辑信道 MAC 层会在 MAC 包头里面加上逻辑信道 ID。2.4 LTE 的无线帧结构在 LTE 中，有两种类型的无线帧：类型 1 和类型 2。FDD 系统使用类型 1 无 线帧，TDD 系统使用类型 2 无线帧。2.4.1 类型 1 的 FDD 无线帧、子帧和时隙类型 1 无线帧的帧长 10ms，包括 10 个子帧（每个子帧 1ms） ，每个子帧有 两个时隙。上行和下行的帧结构一样。图中表示了类型 1 无线帧的帧结构。时隙（0.5ms） Tslot = 15360 x Ts0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19子帧（1ms）无线帧 Tf = 307200 x Ts = 10ms Ts = 1/() = 32.552083ns图 52 LTE FDD 帧结构2.4.1.1LTE 的基本时间单元LTE 的基本时间单元是 Ts， 长度是 1/(1)秒， 大约是 32.552083 秒。2.4.2 类型 2 的 TDD 无线帧、子帧和时隙类型 2 的 TDD 无线帧帧长也是 10ms，包括 10 个子帧，每个子帧 1ms。这 10 个子帧被上行和下行共享使用。在类型 2 帧中，还有“特殊子帧”的概念。 特殊子帧包括 DwPTS (Downlink Pilot Time Slot)， GP (Guard Period)和 UpPTS (Uplink Pilot Time Slot)。如图中所示。特殊子帧 保护周期（GP） 下行导频时隙 （DwPTS)3 4 5 7上行导频时隙 (UpPTS)8 902无线帧 Tf = 307200 x Ts = 10ms图 53 LTE TDD 帧结构 类型 2 帧中的子帧被配置给上行和下行共享使用， 一共有 7 种不同的配置方 式，如表 2-2 所示。在配置方式 0,1,2 和 6 中，有两个上下行切换点，所以一个 帧里面有两个特殊子帧； 在其它的配置方式中，一个帧里面只有一个上下行切换 点，也就只有一个特殊子帧。在表 2-2 中， “D”表示给下行使用的子帧， “U”表 示给上行使用的子帧， “S”表示特殊子帧。 表 5 LTE TDD 帧的上下行切换点配置 切换时间间隔 0 0 1 2 3 4 5 6 5ms 5ms 5ms 10ms 10ms 10ms 5ms D D D D D D D 1 S S S S S S S 2 U U U U U U U 3 U U D U U D U 子帧编号 4 U D D U D D U 5 D D D D D D D 6 S S S D D D S 7 U U U D D D U 8 U U D D D D U 9 U D D D D D D特殊子帧里面的 DwPTS 和 UpPTS 可以承载一些信息。DwPTS 可以承载调度 信息，UpPTS 可以承载随机接入信息。2.4.2.1CP（循环前缀）的选择之前讲述了 CP 的概念。 在 LTE 中定义了两种 CP 长度， normal CP 和 extended CP。为了适应这两种 CP 长度，就需要有两种时隙格式。如图所示，使用 normal CP 时，一个时隙里面有 7 个 OFDM 符号；使用 extended CP 时，一个时隙里面有 6 个 OFDM 符号。无线帧 = 10ms0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19Ts 7个OFDM符号 （普通循环前缀） 6个OFDM符号 （扩展循环前缀） 0 1 2 Ts 0 1 循环前缀 （CP） 2 3 4 5 3 4 5 6图 54 Normal CP 和 extended CP 当小区的半径较大时，时延扩展增加，带来更多的符号间干扰，这种情况下 可以使用 extended CP，更好的抵抗符号间干扰。2.5 下行 OFDMA2.5.1 一般的 OFDMA 结构LTE 下行使用 OFDMA 的多址方式， 用户在时间和频率两个维度上分配资源。 在 LTE 中，下行资源分配的最小粒度是 PRB(Physical Resource Block)。一个 PRB 在 频域上包括 12 个子载波，在时域上是 0.5ms。 图表示了 OFDMA 的概念，eNodeB 在时域和频域为用户分配 PRB。需要注意 的是，一般情况下 eNodeB 给用户分配资源的时间粒度是 1ms。频域 分配给网络设备一个 或多个PRB （Physical Resource Blocks）信道带宽， 如3MHzOFDMA一个PRB占0.5ms， 由12个子载波组成时域图 55 LTE 中的 OFDMA2.5.2 PRB(Physical Resource Block)和 RE(Resource Element)PRB 也称作 RB，在频域上包括 12 个子载波（不使用 MBSFN 时） ，在时域上 是 0.5ms。 图表示了 PRB 的大小。参数 NRBDL 表示下行 RB 的个数，参数 NRBUL 表示 下行 RB 的个数。如果是 normal CP 的配置，一个 PRB 包括 7 个 OFDM 符号；如 果是 extended 配置，一个 PRB 包括 6 个 OFDM 符号。参数 NSCRB 表示一个 RB 上的子载波个数，使用 MBSFN 时，子载波频带是 7.5Hz，NSCRB 是 24；不使用 MBSFN 时 NSCRB 是 12。 RE 表示最小的资源粒度， 频域上是一个子载波， 时域上是一个 OFDM 符号。无线帧 = 10ms0 1 2 3 4 5 6 7 8 9子帧 时隙8 时隙9 物理资源块NRBDLNSCRB 12个子 载波资源粒子 NSymbDL图 56 PRB 和 RE 表中列出了下行 PRB 的一些参数。 表 6 下行 PRB 的参数配置 Normal CP Extended CP ?f = 15kHz ?f = 15kHz ?f = 7.5kHz NSCRB 12 24 NSymbDL 7 6 3上行 PRB 不支持 7.5Hz 的配置，其它参数和下行一样。2.5.3 PSS(Primary Synchronization Signal / 主同步信号 ) 和 SSS(Secondary Synchronization Signal / 从同步信号)为了使终端能够同步 LTE 小区，eNodeB 需要广播下行同步信号。同步信号 的位置固定， 和 LTE 使用的带宽无关， 而且同步信号和 LTE 的小区 ID 有对应关系。 图表示了小区 ID NIDcell 的结构。下行同步信号NID = 3NID + NIDcell (1) (2)eNodeBUE(1) = 0,…..167 其中， NID (2) NID = 0、1或2图 57 下行小区 ID 在 LTE 中，有两种同步序列，分别是 PSS（主同步信号）和 SSS（从同步信 号） 。在 FDD 和 TDD 系统中，PSS 和 SSS 在频域上的位置是一样的。在 normal CP 和 extended CP 的配置下，PSS 和 SSS 在频域上的位置也是一样的。扩展CP 带宽 0 1 2 3 4 5 主同步信号 PSS普通CP 带宽0 1 2 3 4 5 662个子载 波72个子载 波辅同步信号 SSS时隙0123456 789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 无线帧 时隙0和时隙 10重复图 58 FDD 帧中 PSS 和 SSS 的位置扩展CP 带宽0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5普通CP 带宽0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6时隙0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 无线帧图 59 TDD 帧中 PSS 和 SSS 的位置2.5.3.1PSS(Primary Synchronization Signal)PSS 为 UE 提供时隙同步。PSS 使用 ZC(Zadoff-Chu)序列，一共有三个 PSS 序 列。三个 PSS 系列之间无不相关，一个 eNodeB 下面需要使用不同的 PSS 序列， 以相互区分。2.5.3.2SSS(Secondary Synchronization Signal)SSS 序列由 31 个比特长的序列经过循环移位生成，一共有 168 个 SSS 序列。2.5.4 下行参考信号(RS)LTE 使用了不同的下行参考信号(RS)来做相干解调、信道估计、信道质量测 量等任务。一共有三种下行参考信号： 小区特定参考信号（非 MBSFN） MBSFN（多播广播单频网）参考信号，即单载频 MBMS 网上的 MBMS 参考 信号。2.5.4.1小区特定参考信号LTE 中的小区特定参考信号在时域和频域两个维度上排列。在时域上，参考 信号的间隔和信道的最大多普勒频移相关，也就是和 LTE 终端的速度有关。每个 时隙有两个参考信号。 在频域上， 参考信号的间隔和信道的相干带宽和时延扩展相关。隔 3 个子载 波就有一个参考信号。2.5.4.2MBSFN 参考信号LTE 系统也给 MBSFN 定义了参考信号。只有当 PMCH (Physical Multicast Channel)信道存在时， 才用 MBSFN 参考信号。 MBSFN 参考信号只支持 extended CP。2.5.4.3UE 特定参考信号当使用不基于码本的预编码方式时，UE 特定参考信号用于波束赋形。2.6 上行 SC-FDMALTE 在上行使用 SC-FDMA，因为上行 SC-FDMA 有较低的 PAPR(功率峰均比)， 减少 UE 的耗电。SC-FDMA 既有单载波系统的低 PAPR 的特点，又有 OFDM 的多 载波特性。2.6.1 SC-FDMA 生成过程时域 频域 0 0 0 0 符号 DFT 子载波映 射 0 0 0 IFFT CP插入 时域图 60 SC-FDMA 子载波映射概念 上行 SC-FDMA 发射机和接收机的基本机构和下行 OFDM 非常相似，也用 CP 来 多径时延。SC-FDMA 信号实际上是单载波波形，所以它的 PAPR 比较低。在 时域和频域用图来表示 SC-FDMA 信号非常困难， 本章主要介绍 SC-FDMA 的概念。 如图所示，在 SC-FDMA 信号生成过程中，时域数据符号首先经过离散傅里 叶变换 DFT(Discrete Fourier Transform)到频域，然后映射到频域的子载波，频域 的每个子载波也是 15kHz。在整个符号持续的时间内，每个子载波的振幅和相位 都是都是固定的。 （但是子载波之间不一定相同。 ）映射到频域后，再通过反向离 散傅里叶变换 IDFT 到时域，然后在符号间插入 CP。在整个过程中，会有串并转 换和并串转换。 图中表示了离散傅里叶变换 DFT 的概念。N 个时域的数据符号经过 DFT 后， 变成了 N 个频域的符号，输出的 N 个频域符号的振幅和相位不尽相同。N个符号产生Ｎ个子载波 第一批N个符号 DFT 调制和编码的符号 第２批N个符号 DFTDFT输出不同输入序列产生不同输出图 61 离散傅里叶变换 DFT 在 eNodeB 端，接收机的处理过程和发射机相反。接收机通过反向离散傅里 叶变换 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)恢复时域的数据符号。图中表示了 eNodeB 怎样通过 IDFT 恢复时域符号。时间 IDFT 第二批个Ｎ个符号功率 循环 前缀 IDFT N个子载波 第一批Ｎ个符号图 62 eNodeb 接收机的 IDFT 过程2.6.2 OFDMA 和 SC-FDMA 的比较上行使用 SC-FDMA 的最主要原因是 SC-FDMA 可以带来更好的功放效率，因 为 SC-FDMA 信号的 PAPR 比 OFDMA 信号要低一些，这样使得 UE 终端的耗电量 减少， 待机时间延长。 由于功放效率更高， SC-FDMA 信号的上行覆盖也更好一些。 但是相比之下 OFDMA 也有优点， OFDMA 的符号间正交性要好一些， 而且在 频域的调度更灵活 （SC-FDMA 要求使用连续的子载波。 ） ， 这样就提升了系统的性 能。 表中列出了 SC-FDMA 和 OFDMA 的比较。 表 7 SC-FDMA 和 OFDMA 的比较特性 低峰均比（PAPR） SC-FDMA 较好 OFDMA性能较好2.7 MIMO(Multiple Input Multiple Output)MIMO 是指在发射机和接收机使用多天线的技术。不同系统中使用的 MIMO 会有不同，但是基本上分成以下两种类型： SU-MIMO (Single User - Multiple Input Multiple Output / 单用户 MIMO) ：对 一个终端用户使用 MIMO，可以提高单用户的性能。 MU-MIMO (Multi User - Multiple Input Multiple Output / 多用户 MIMO)： 利用 空间复用对多个终端用户使用 MIMO 技术，提高系统的吞吐率。单用户使用多数据流， 提高用户吞吐率和容量单用户MIMO多用户MIMOeNodeBeNodeB 多用户共享数据流， 提高扇区容量UE UEUE图 63 单用户 MIMIO 和多用户 MIMO2.7.1 空间复用MIMO 利用了空间复用的技术。 空间复用是指同时在多个不同的天线上用相 同的频率发送不一样的数据， 利用了不同的发射天线和接收天线之间信道的不相 关性。图中所示的是 2×2 MIMO 空间复用的例子。2x2空间复用 TB TB eNodeB 端口0 MIMO 端口1 TB UE TB图 64 空间复用 当用户收到的干扰较大时， 不适合使用空间分集，对于处在小区边缘的用户 尤其如此。 因为如果在干扰较大时使用空间复用，会导致两个天线的数据流都有 较多的错误，这样反而降低了系统的性能。所以，空间复用典型的应用场景是离 eNodeB 近的地方，而不是小区边缘。干扰造成 双倍误码 eNodeB 端口0 MIMO TB 端口1 干扰 TB UETBTB图 65 空间复用的干扰问题2.7.2 STC(Space Time Coding / 空时编码)前面说过在小区边缘的用户不适合使用空间复用，但是 MIMO 还是能够给 这些用户带来增益，这就是空时编码带来的效果，可以理解为发射分集的增益。 空时编码的基本概念如图所示。增强鲁棒性 STC TB 1 2 3 4 5 6 eNodeB 端口0 MIMO 端口1 3 6 5 2 1 4 干扰 UE TB仍可恢复 1 2 3 4 5 6 TB图 66 MIMO 的空时编码2.7.3 自适应 MIMO 切换要真正优化信道的效率，需要做到 MIMO 自适应切换。如图所示，自适应 MIMO 切换是指系统能够自动根据信道条件在空间复用和空时编码之间转变。空间复用效率AMS切换点 空时编码 eNodeBUE低信噪比高信噪比图 67 自适应 MIMO 切换2.8 MBMS(MultimediaBroadcastMulticastService / 多媒体多播广播业务)MBMS 是点对多点的业务，适用于移动电视等业务类型。2.8.1 MBMS 的网络结构为了支持 MBMS，需要在 LTE 网络中加入以下网元： BM-SC (Broadcast Multicast - Service Centre / 多播广播服务中心)：BM-SC 提 供 MBMS 用户数据的发送，它是外部内容提供商在 MBMS 网络的入口， 还提供 鉴权功能。 MBMS-GW (Multimedia Broadcast Multicast Service C Gateway / MBMS 网关)： MBMS 网关支持控制面数据和用户面数据从 BM-SC 到 MME 和 eNodeB 的传输， 它给 eNodeB 分配 IP 地址以接受 MBMS 数据。UEM3MME Sm SGmb BM -SC SGi-mbeNBM1 UE M BM S-GW图 68 MBMS 的网络结构 MCE (Multi-cell / multicast Coordination Entity / 多小区广播协调实体)：MCE 的功能是在 MBSFN 区域中执行准入控制，为 eNodeB 分配无线资源。一般认为 MCE 的功能在 eNodeB 中实现。 出了加了上述的一些网元功能， MBMS 还定义了下面的一些 “区域” 的概念： MBSFN 同步区域： 在 MBSFN 同步区域中所有的 eNodeB 能够同步做 MBSFN 广播，相当于多个小区同时发送一样的数据，但是在 UE 看来只是一个单独数据 的传输。一个 MBSFN 同步区域可以包括多个 MBSFN 区域。 MBSFN 区域：MBSFN 区域包括了在 MBSFN 同步区域中的一组小区，这组小 区一起做 MBSFN 广播。在 MBSFN 同步区域中的一个小区只能属于一个 MBSFN 区域。 MBSFN 区域受限小区： MBSFN 区域受限小区是指在 MBSFN 区域里面不能做 MBSFN 广播的小区。M BSFN同步区域 M BSFN区域M BSFN 区域M BSFN 区域eNBeNB M BSFN广播eNBeNBeNB M BSFN区域受 限小区UE图 69 MBSFN 同步区域 在做 MBMS 广播时，用户数据需要在空口同步，同步过程通过 M1 接口的 SYNC 协议完成。 作为同步过程的一部分， BM-SC 会在 SYNV PDU 中带一个时间戳， 这样所有在 MBSFN 同步区域里面的 eNodeB 都可以利用这个时间戳做同步。2.8.2 MBMS 小区配置按照 3GPP Release 9 中的规定，小区不能只提供 MBMS 广播业务。MBMS 业 务必须在单播业务的基础上存在，而且不支持单个小区的 MBMS 业务。MBMS 小区配置的相关概念如图所示。单播 多小区MBMS广播eNB UE UE M BM S / 单播混合小区eNB UE图 70 MBMS 小区配置项目 3 eNodeB 产品概述 学习目标学完本项目，您将能够： 3.1 描述华为 eNodeb 产品族 3.2 描述华为 eNodeB 产品的应用场景 3.3 描述华为 eNodeB 的操作维护系统3.1 华为 eNodeB 产品族华为 eNodeB 有两种主要类型：BTS3900(A) LTE 和 DBS3900 LTE。BTS3900 是 室内宏站，BTS3900A 是室外宏站，DBS3900 是分布式基站。3.1.1 BTS3900(A) LTEBTS3900(A) LTE 由 BBU3900（基带控制单元）和 LRFU（LTE 射频单元）组成。 BBU3900 和 LRFU 之间用 CPRI 电缆连接。RF AntennaCabinets BBU3900 (BaseBand control Unit) LRFU (LTE Radio Frequency Unit)CPRI图 71 BTS3900(A)LTE 的结构BBU3900图 72 BBU3900 BBU3900 的主要功能有：提供接口连到 MME 和 SG-GW。 提供 CPRI 接口连到 LRFU。 管理和控制整个 eNodeB。处理 eNodeB 的信令和用户面数据的基带部分。 提从操作维护接口到 LMT 或者 M2000。 提供时钟接口、告警监控接口和 USB 接口（USB 接口供 USB 开站使用） 。LRFULRFU 的功能主要是 RF 调制和解调。图 73 LRFUeNodeB 机柜室内宏站 BTS3900 包括一个 BBU3900 和最多 6 个 LRFU。 机柜还包括了配电、 散热和放雷击等功能。3.1.2 DBS3900 LTEDBS3900 是分布式基站，包括了基带单元 BBU3900 和射频单元 RRU（RRU 有多种型号，适用于不同场景） ，BBU 和 RRU 通过 CPRI 光纤相连。RF AntennaBBU3900 (BaseBand control Unit)CPRIRRU (Radio Remote Unit)Auxiliary Devices APM30H / IBBS200D&T / TMC11H图 74 DBS3900 LTE 的结构在某些特殊场景下，DBS3900 要需要一些附属设备，提供电源、传输和散热 等功能。其中一些设备有 APM30H，IBBS200D (Integrated Battery Backup System with direct cooler)，IBBS200T (Integrated Battery Backup System with TEC cooler)和 TMC11H (Transmission Cabinet with heat exchanger cooler)。3.1.2.1RRU图 75 RRU RRU 主要处理 RF 信号的调制和解调。 RRU 有多种型号， 包括 RRU3201 (FDD)、 RRU3221 (FDD)、RRU3251 (TDD)、RRU3232 (TDD)等。RRU 可以支持最多三级的级 联。3.1.2.2附属设备在某些特殊的场景中，华为可以提供以下的 DBS3900 的附属设备： AMP30H：用来在室外场景提供电源和备电。 IBBS200D&T：用来提供长时间备电。 TMC11H：用来为传输设备提供安装空间。3.2 产品和应用场景3.2.1 BTS3900(A) LTEBTS3900(A) LTE 是一种紧凑型室内（室外）宏站，可以提供以下特性: BTS3900 LTE 使用 BBU3900 和 LRFU 模块，从而减少铁塔的维护开销。 BTS3900 LTE 重量轻、尺寸小，并且提供叠加安装 BTS3900 系列（LTE、UMTS 和 GSM）可以共用一个室内宏机柜，从而减少了 设备空间并实现平滑升级3.2.2 DBS3900 LTEDBS3900 使运营商能够以较少的运作总成本 TCO (Total Cost of Ownership) 提 供高性能的 LTE 业务。 DBS3900 具有占地少、易安装和低功耗的特性，从而可以安装在现有的基站 设备上。 RRU 设备因为紧凑和重量轻，并且可以被安装到天线附近，从而减少天馈的 损耗，改进信号覆盖。3.3 操作和维护eNodeB 操作维护系统用于管理、 监控和维护 eNodeB 的软硬件及配置信息， 提供多样化的维护方式，可以满足各种场景下系统维护的需要。3.3.1 操作维护方式eNodeB 支持近端和远端操作维护方式： 近端维护：维护人员通过 LMT 直接维护单个 eNodeB。 远端维护：维护人员可以在集中维护中心，使用 M2000 或 LMT 维护多个 eNodeB。iM anager M 2000IP Network eNB LM TLM T图 6.2-76 eNodeB 操作维护系统 如图所示，eNodeB 操作维护组网系统中包括： LMT：LMT 主要用于近端的辅助开站、故障定位和故障排除。 M2000：华为集中操作维护系统，由 M2000 服务器和 M2000 客户端组成。 M2000 连接到 eNodeB 的操作维护网络，可同时对不同站型、不同软件版本的多 个 eNodeB 进行远端集中管理。eNodeB 与 M2000 通信正常的情况下，推荐使用 M2000 对 eNodeB 进行操作和维护。 eNodeB：被维护对象。3.3.2 操作维护功能eNodeB 的操作维护系统有以下功能：3.3.2.1配置管理提供 eNodeB 的数据配置、查询、导出、备份和恢复以及与 M2000 同步配 置数据功能。 数据配置以管理对象模型为基础，支持包括设备、传输、业务的数据配置功 能，并且相互之间相对独立。一般情况下，修改业务逻辑配置不需要修改设备配 置，修改设备配置也不需要修改业务逻辑配置。3.3.2.2故障管理针对硬件、环境、软件、传输、小区和小区不同业务类型的故障，提供故障 检测、故障隔离与自愈、告警上报、告警相关性等处理。 通过故障隔离与自愈功能， 可以避免局部故障影响基站的其他部分，也能够 通过降规格重建小区等自愈功能尽可能减少故障对系统业务的影响。 通过告警相关性处理功能， 对于一个根因故障引起的各种连锁问题，系统只 上报一个根因告警和根因故障对业务的最终影响。3.3.2.3性能管理提供 eNodeB 的性能统计的周期控制、性能指标的测量采集和存储上报。 eNodeB 支持 15、 30 和 60 分钟的性能指标采集周期。eNodeB 最多可以保存 3 天的性能指标测量结果。 eNodeB 支持的性能统计涵盖 eNodeB 系统级、 小区级、 邻区、传输、标准接口以及设备占用率的性能测量。 eNodeB 支持 1 分钟周期的 KPI 指标实时监控，便于及时发现和定位问题。3.3.2.4跟踪管理消息跟踪管理功能通过对接口、信令链路、用户、内部消息进行跟踪，用于 设备的日常维护、调试、故障定位等。3.3.2.5安全管理提供 eNodeB 的鉴权和接入控制功能，包括用户账户管理，权限管理，登录 管理，身份鉴权，操作鉴权等。 提供 eNodeB 和网管之间传输通道的安全控制，支持 SSL(Secure Socket Layer)/IPSec(IP Security)加密。 提供完善的网络级与用户级安全服务，主要功能包括： 加密：用户关键信息加密功能。 认证：用户账户管理与认证功能。访问控制：用户操作访问控制功能。 安全协议：支持 SSL、IPSec 安全协议。3.3.2.6软件管理提供 eNodeB 软件版本管理、软件版本升级和补丁管理功能。 软件版本管理提供版本的查询，备份和恢复功能。 软件版本升级支持远程集中的批量操作。通过 M2000 提供的一键式远程升 级向导，用户可以有计划地进行升级前后的健康检查、软件版本的备份、软件下 载和激活操作，可以方便地查看升级状态和结果。eNodeB 支持升级过程中自动 更新配置数据，用户只需按照升级向导执行。另外，为减少可能的升级失败对系 统的影响，eNodeB 支持快速升级回退，执行一个命令即可回退版本。 补丁管理包括补丁的查询、 下载、 加载、 激活、 去激活、 回退、 确认和删除。3.3.2.7开站管理eNodeB 提供的开站解决方案包括带板运输、基站自动发现、USB 开站、远 程开站等。 这些功能可以极大减少现场安装人员的工作难度和时间，不需要便携 计算机，只需安装硬件。 基站自动发现，用户在 eNodeB 上可免配置本身和网管的 IP 地址。 通过 USB 接口将软件和数据自动下载到 eNodeB，在网元和网管传输带宽受 限的情况下，节省下载软件和数据时间。 远程开站功能将软调从近端转移到网管中心，可以在网管中心开站验收。3.3.2.8设备管理提供 eNodeB 所有物理设备的数据配置、状态管理、故障检测和处理功能。 用户能通过设备面板方便地查看设备状态，执行闭塞、复位、倒换等简单的管理 操作。3.3.2.9存量管理提供 eNodeB 的存量收集和上报功能。通过存量管理，用户可以在网管中心 统一对网络设备进行资产管理。项目 4 eNodeB LTE V100R005 操作维护 学习目标学完本项目，您将能够： 4.1 掌握连接到 eNodeB 的操作维护系统的技能 4.2 掌握执行 eNodeB MML 命令的方式 4.3 掌握系统的告警管理 4.4 掌握 eNodeB 的传输管理 4.5 掌握 eNodeB 的无线管理 4.6 掌握 eNodeB 的信令跟踪方式4.1 连接和登录到 eNodeB(本地 OM 模式)PC 和 UMPT 之间的连接：连接 LMT PC 和 BBU3900(本地 OM 模式) PC IP: 192.168.0.200 eNodeB 本地 OM IP: 192.168.0.49 缺省用户名: admin 缺省口令: hwbs@com4.1.1 任务：连接 PC 的 eNodeB(本地)表 4-1 连接 PC 到 eNodeB(本地)步骤 1 描述准备转换接口，将 USB 接口转换成 RJ45 接口，一端连到 UMPT ETH 端口, 另一端连到 PC 以太网端口 把 PC 的以太网端口 IP 地址设置为 192.168.0.199。完成情况 □是 □否 □是 □否23打开 IE 浏览器,在地址框中键入 IP 地址,默认的 IP 地址是 192.168.0.49. 将会 出现本地维护终端 WEB LMT□是 □否步骤 4描述填入相关的用户名，密码，验证码，并将用户类型设置到“本地”.完成情况 □是 □否5单击“登录”。 弹出 LMT 窗口：□是 □否4.1.2 任务：了解 LMT 的页面功能LMT 主页面说明编 号 1 2 状 态 栏 功 能 栏 “告警/事件” “MML