LTE基础:LTE空口协议分析

  控制面协议结构如下图所示。

    PDCP在网络侧终止于eNB，需要完成控制面的加密、完整性保护等功能。

    RLC和MAC在网络侧终止于eNB，在用户面和控制面执行功能没有区别。

    RRC在网络侧终止于eNB，主要实现广播、寻呼、RRC连接管理、RB控制、移动性功能、UE的测量上报和控制功能。

    NAS控制协议在网络侧终止于MME，主要实现EPS承载管理、鉴权、ECM（EPS连接性管理）idle状态下的移动性处理、ECM idle状态下发起寻呼、安全控制功能。

用户面协议

  用户面协议结构如下图所示。

  用户面PDCP、RLC、MAC在网络侧均终止于eNB，主要实现头压缩、加密、调度、ARQ和HARQ功能。

空口协议功能介绍

1. 物理层功能

    LTE系统中空中接口的物理层主要负责向上层提供底层的数据传输服务。为了提供数据传输服务，物理层将包含如下功能。

●     传输信道的错误检测并向高层提供指示。

●     传输信道的前向纠错编码（FEC）与译码。

●     混合自动重传请求（HARQ）软合并。

●     传输信道与物理信道之间的速率匹配及映射。

●     物理信道的功率加权。

●     物理信道的调制与解调。

●     时间及频率同步。

●     射频特性测量并向高层提供指示。

●     MIMO天线处理。

●     传输分集。

●     波束赋形。

●     射频处理。

  下面简要介绍一下LTE系统的物理层关键技术方案。

●     系统带宽：LTE系统载波间隔采用15kHz，上下行的最小资源块均为180kHz，也就是12个子载波宽度，数据到资源块的映射可采用集中式或分布式两种方式。通过合理配置子载波数量，系统可以实现1.4~20MHz的灵活带宽配置。

●     OFDMA与SC-FDMA：LTE系统的下行基本传输方式采用正交频分多址OFDMA方式，OFDM传输方式中的CP（循环前缀）主要用于有效的消除符号间干扰，其长度决定了OFDM系统的抗多径能力和覆盖能力。为了达到小区半径100km的覆盖要求，LTE系统采用长短两套循环前缀方案，根据具体场景进行选择：短CP方案为基本选项，长CP方案用于支持大范围小区覆盖和多小区广播业务。上行方向，LTE系统采用基于带有循环前缀的单载波频分多址（SC-FDMA）技术。选择SC-FDMA作为LTE系统上行信号接入方式的一个主要原因是为了降低发射终端的峰值平均功率比，进而减小终端的体积和成本。

●     双工方式：LTE系统支持两种基本的工作模式，即频分双工（FDD）和时分双工（TDD）；支持两种不同的无线帧结构，帧长度均为10ms。

●     调制方式：LTE系统上下行均支持如下调制方式：QPSK、16QAM及64QAM。

●     信道编码：LTE系统中对传输块使用的信道编码方案为Turbo编码，编码速率为R=1/3，它由两个8状态子编码器和一个Turbo码内部交织器构成。其中，在Turbo编码中使用栅格终止方案。

●     多天线技术：LTE系统引入了MIMO技术，通过在发射端和接收端同时配置多个天线，大幅度地提高了系统的整体容量。LTE系统的基本MIMO配置是下行2×2、上行1×2个天线，但同时也可考虑更多的天线配置（最多4×4）。LTE系统对下行链路采用的MIMO技术包括发射分集、空间复用、空分多址、预编码等，对于上行链路，LTE系统采用了虚拟MIMO技术以增大容量。

●     物理层过程：LTE系统中涉及多个物理层过程，包括小区搜索、功率控制、上行同步、下行定时控制、随机接入相关过程、HARQ等。通过在时域、频域和功率域进行物理资源控制，LTE系统还隐含支持干扰协调功能。

●     物理层测量：LTE系统支持UE与eNodeB之间的物理层测量，并将相应的测量结果向高层报告。具体测量指标包括：同频和异频切换的测量、不同无线接入技术之间的切换测量、定时测量以及无线资源管理的相关测量。