空中接口协议栈
第七课：LTE空中接口分层详解
第七课：LTE空中接口分层详解前面一课我们了解到，LTE空中接口协议栈主要分为三层两面，三层是指物理层、数据链路层、网络层，两面是指控制平面和用户平面。
从用户平面看，主要包括物理层、MAC 层、RLC层、PDCP层，从控制平面看，除了以上几层外，还包括RRC层，NAS层。
下面我们分别对这些分层进行详解。
一、MAC 媒体接入控制层1. MAC层功能概述不同于UMTS，MAC子层只有一个MAC实体，包括传输调度功能、MBMS功能、MAC控制功能、UE级别功能以及传输块生成等功能块。
MAC层结构如图1图1 MAC层结构图MAC层的各个子功能块提供以下的功能：（1） 实现逻辑信道到传输信道的映射；（2） 来自多个逻辑信道的MAC服务数据单元（SDU）的复用和解复用；（3） 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；（4） 通过HARO机制进行纠错；（5） 同一个UE不同逻辑信道之间的优先级管理；（6） 通过动态调度进行UE之间的优先级管理；（7） 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（包括调制方式和编码速率等），从而达到最有效的资源利用；（8） MBMS业务识别；（9） 填充功能，即当实际传输数据量不能填满整个授权的数据块大小时使用。
各功能与位置和链路方向的对应关系如图2所示。
图2 MAC功能与位置和链路方向的关系2. MAC层关键过程1. 调度与UMTS不同，LTE完全取消了专用信道，并引入了共享信道的概念。
在不同UE不同逻辑信道之间划分共享信道资源的功能成为调度。
早期的很多接入系统每个用户的业务都有专门的信道，虽然到了HSPA时已经有共享信道的概念，但是主要还是针对数据业务。
LTE的几乎所有的应用与业务都是使用共享信道，由于各个业务与应用的对服务质量（QoS）的要求是不同的，如何为具有不同带宽要求、不同时延保障、不同QOS等级的各种业务合理地分配资源，在满足业务需求的基础上，提高网络的总体吞吐量和频谱效率，是分组调度的核心任务。
LTE空口协议及信令流程
与3G系统相比，由于重新定义了系统网络架构，核心网和接入网之间的功能划分也随之有所变化，需要重新明确以适应新的架构和LTE的系统需求。针对LTE的系统架构，网络功能划分如下图：
eNB功能：
1）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；
2）IP头压缩与用户数据流加密；
负荷管理，用于eNB之间互相传递负荷信息、资源状态。
错误指示，用于指示eNB之间在交互过程出现的一些未定义的错误信息。
复位，用于对eNB之间的X2接口进行复位。
RLC SDU的丢弃（仅对UM和AM模式有效）；
RLC重建。
4. PDCP层功能
PDCP子层用户面的主要功能包括有：
头压缩与解压缩：只支持ROHC算法；
用户数据传输；
RLC AM模式下，PDCP重建过程中对上层PDU的顺序传送；
RLC AM模式下，PDCP重建过程中对下层SDU的重复检测；
RLC AM模式下，切换过程中PDCP SDU的重传；
2）S1接口UE上下文释放功能；
3）LTE_ACTIVE状态下UE的移动性管理功能（包括Intra-LTE切换和Inter-3GPP-RAT切换）；
4）S1接口的寻呼；
5）NAS信令传输功能；
6）S1接口管理功能（包括复位、错误指示以及过载指示等）；
7）网络共享功能；
8）漫游于区域限制支持功能；
9）NAS节点选择功能；
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。
一.4.2
用户面协议结构如下图所示。
第四章 TD-LTE空中接口协议规范
第四章 TD-LTE空中接口协议规范4.1 空中接口结构概述空中接口是指终端与接入网之间的接口，简称Uu口，通常也成为无线接口。
在TD-LTE中，空中接口是终端和eNodeB之间的接口。
空中接口协议主要是用来建立、重配置和释放各种无线承载业务的。
空中接口是一个完全开放的接口，只要遵守接口规范，不同制造商生产的设备就能够互相通信。
空中接口协议栈主要分为三层两面，三层是指物理层、数据链路层、网络层，两面是指控制平面和用户平面。
从用户平面看，主要包括物理层、MAC层、RLC层、PDCP 层，从控制平面看，除了以上几层外，还包括RRC层，NAS层。
RRC协议实体位于UE和ENB网络实体内，主要负责对接入层的控制和管理。
NAS控制协议位于UE和移动管理实体MME内，主要负责对非接入层的控制和管理。
空中接口协议栈具体结构如图4-1和4-2所示。
层2（MAC层、RLC层、PDCP层）各层具体功能将在后面几节中描述。
4-1空中接口用户面协议栈结构4-2空中接口控制面协议栈结构4.2 信道的定义和映射关系TD-LTE沿用了UMTS里面的三种信道，逻辑信道，传输信道与物理信道。
从协议栈的角度来看，物理信道是物理层的，传输信道是物理层和MAC层之间的，逻辑信道是MAC层和RLC层之间的，它们的含义是：（1）逻辑信道，传输什么内容，比如广播信道（BCCH），也就是说用来传广播消息的；（2）传输信道，怎样传，比如说下行共享信道DL-SCH，也就是业务甚至一些控制消息都是通过共享空中资源来传输的，它会指定MCS，空间复用等等方式，也就说是告诉物理层如何去传这些信息；（3）物理信道，信号在空中传输的承载，比如PBCH，也就是在实际的物理位置上采用特定的调制编码方式来传输广播消息了。
4.2.1 物理信道物理层位于无线接口协议的最底层，提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能。
物理信道可分为上行物理信道和下行物理信道。
TD-LTE定义的下行物理信道主要有如下6种类型：（1） 物理下行共享信道（PDSCH）：用于承载下行用户信息和高层信令。
鲜枣课堂-LTE空中接口
PBCH PCFICH PHICH
物理下行 控制信道
PDCCH
DL-SCH 物理下行 共享信道
PDSCH
物理随机 RACH 接入信道
PRACH
物理上行 控制信道
PUCCH
UL-SCH 物理上行 共享信道
UE
MAC PHY
LTE空中接口协议栈
RLC（Radio Link Control，无线链路控制）
提供无线链路的控制功能。包含TM、AM、UM三种传输模式，主要提供纠错、
UE
NAS RRC PDCP RLC
分段、级联、重组等功能。
TM（Transparent Mode）透明模式 AM（Acknowledged Mode）确认模式 UM（ Unacknowledged Mode ）非确认模式
DCCH
专用业务 UM/AM 信道
DTCH
一般控制 TM 信道
CCCH
专用控制 UM/AM 信道
DCCH
专用业务 UM/AM 信道
DTCH
逻辑信道
MAC层
BCH
PCH
DL-SCH
RACH
UL-SCH
物理层
PBCH PCFICH PHICH PDCCH PDSCH PRACH PUCCH PUSCH
LTE信道
Resource element mapper
OFDM signal generation
物理信道
CCCH
加/解密 UM/AM
DTCH
RLC层
TM
PCCH
TM
CCCH
UM/AM
DCCH
UM/AM
LTE逻辑分层和接口协议
LTE逻辑分层和接⼝协议本⽂链接：，感谢作者。
LTE学习笔记三：接⼝协议上⼀笔记说明了LTE⽹络的⽹元组成，⽹元之间的联系是通过标准化的接⼝。
接下来学习LTE终端和⽹络的空中接⼝Uu、基站之间的X2接⼝、基站与核⼼⽹之间的S1接⼝，以及LTE接⼝协议栈和以往⽆线制式相⽐的特点。
1.接⼝协议栈接⼝是指不同⽹元之间的信息交互⽅式。
既然是信息交互，就应该使⽤彼此都能看懂的语⾔，这就是接⼝协议。
接⼝协议的架构称为协议栈。
根据接⼝所处位置分为空中接⼝和地⾯接⼝，响应的协议也分为空中接⼝协议和地⾯接⼝协议。
空中接⼝是⽆线制式最个性的地⽅，不同⽆线制式，其空⼝的最底层（物理层）的技术实现差别巨⼤。
LTE空中接⼝是UE和eNodeB的LTE-Uu接⼝，地⾯接⼝主要是eNodeB之间的X2接⼝，以及eNodeB和EPC之间的S1接⼝。
1.1 三层协议栈的分层结构有助于实现简化设计。
底层协议为上层提供服务；上层使⽤下层的提供的功能，上层不必清楚下层过程处理的细节。
⽐较常见的分层协议有OSI七层参考模型和TCP/IP四层协议。
⽆线制式的接⼝协议也分层，粗略分为物理层（层⼀，L1，PHY)、数据链路层（层⼆，L2，DLL）、⽹络层（层三，L3，NL）。
物理层主要功能是提供两个物理实体间的可靠⽐特率传输，适配传输媒介。
⽆线空⼝中，适配的是⽆线环境；地⾯接⼝中，适配的则是E1，⽹线，光纤等传输媒介。
数据链路层的主要功能是信道复⽤和解复⽤、数据格式的封装、数据包调度等。
完成的主要功能是具有个性的业务数据向没有个性的通⽤数据帧的转换。
⽹络层的主要功能是寻址、路由选择、连接的建⽴和控制、资源的配置策略等。
eUTRAN和UTRAN的分层结构类似，但为了灵活承载业务、简化⽹络结构、缩短处理时延，rUTRAN接⼝协议栈以下功能从层三转移到层⼆：（1）动态资源管理和Qos保证功能转移到MAC（媒介接⼊控制）层。
（2）DTX/DRX（不连续发射/接收）控制转移到MAC层。
TETRA无线集群系统的空中接口协议分析
TETRA无线集群系统的空中接口协议分析■李伟章撰稿、张宗军审TETRA（Terrestrial Trunked Radio）为欧洲电信标准协会（ETSI）所制定的数字移动通信标准。
由于该标准具有业务质量好、频谱利用率高、开放性、便于进行研究开发等优点，故已成为我国发展数字集群移动通信系统的首选。
TETRA系统的空中接口协议包括：TETRA V＋D（语音加数据）、TETRA PDO（分组数据优化）和TETRA DMO（直通模式）三个子集，以下仅讨论V＋D空中接口协议。
一、工作频段我国信息产业部无线电管理局己规定了数字集群通信系统（包括TETRA和iDEN）的工作频段为806～821MHz和851～866MHz频段，和现有的模拟集群通信系统所使用的频段是一致的。
这就要求TETRA系统设备制造厂商生产符合该工作频段的TETRA系统产品，才有可能进入中国市场。
二、物理信道在TETRA系统中，每一个无线电载波的上/下行链路各划分为4个时隙。
每一时隙都被用作一个物理信道（或称为无线信道），用于承载话音/数据业务、控制信令，或两者混合进行传输。
在TETRA标准中，“物理信道”一词被用来描述上/下行无线电载波上所分配的时隙，TETRA系统每一个上/下行载波上各有4个物理信道。
一次单工或半双工通话，收发方各占用一个物理信道；在两个移动台（MS）间的一次全双工通话，收发方各占用二个物理信道；一次组呼中，在一个覆盖范围内同一通话组内的所有接收MS共用一个物理信道（共用下行载波的一个时隙）。
TETRA的TDMA帧结构如图1所示，由2个子时隙构成一个时隙，4个时隙构成一个TDMA帧，帧长56.67ms；由18个TDMA帧组成一个复帧，复帧长1.02s；由60个复帧组成一个超帧，超帧长61.2s。
以V＋D方式工作时，把18帧长的复帧业务压缩在17个TDMA帧中传送，从而允许将第18个帧作为控制帧，用于承载慢速随路控制信号（SACCH）。
LTE空口L2协议
Segmentation / Concatenation
gmentation
Re-segmentation就是重分段，LTE中它只 在AM实体的发送侧执行。RLC AM 实体支 持ARQ重传，当重传的RLC PDU无法适配 到由MAC层指示的总的RLCPDU大小时， RLC层就会根据此情况对重传的RLC PDU 执行分段操作，让生成的RLC PDU分段能 适配进去
AM mode
AM RLC provides a bidirectional data transfer service The most important feature of AM RLC is ‘retransmission’. An Automatic Repeat reQuest (ARQ) operation is performed to support errorfree transmission AM RLC is mainly utilized by error-sensitive and delay-tolerant non-real-time applications. such as web browsing and file downloading. In the control plane, RRC messages typically utilize the AM RLC in order to take advantage of RLC acknowledgements and retransmissions to ensure reliability
UM mode
UM RLC provides a unidirectional data transfer service like TM RLC UM RLC is mainly utilized by delaysensitive and error-tolerant real-time applications, especially VoIP and other delay-sensitive streaming services
LTE空中接口技术基础
P
e企学
C
P
e企学
UE检测窗口
加CP操作
Frequency
CP
CP
CP
CP
CP
CP
CP
CP
CP
CP
CP
CP
Symbol Period T(s)
Cyclic Prefix
Bit Period T(b)
T(g)
Symbol Period T(s)
Time
CP的长度
无线帧结构类型1(FS1)
FDD帧结构 --- 帧结构类型1，适用于FDD与H-FDD
PCRF
S6a
S10
S9
UMTS
控制面和用户面
的分离
LTE
多制式接入
E-UTRAN
MME
NodeB RNC
S1-MME
S4
Gx
S11
S12
S5/8
S1-U
eNodeB
Serving GW
A10/A11
S2a
cdma2000
BTS
BSC
PDSN
PDN GW
SGi
LTE Uu接口
LTE的空中接口(Air Interface)称为Uu接口，是E-NodeB和UE之
半帧, 153600Ts = 5 ms
时隙,
Tslot=15360Ts
30720Ts
子帧 #0
子帧#2
子帧 #3
子帧 #4
子帧 #5
子帧 #7
子帧, 30720Ts
DwPTS
GP
UpPTS
DwPTS
GP
UpPTS
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5.3 LTE系统接口协议
2013-06-08移动通信网
空中接口协议栈
空中接口是指终端和接入网之间的接口，通常也称之为无线接口。
无线接口协议主要是用来建立、重配置和释放各种无线承载业务。
无线接口协议栈根据用途分为用户平面协议栈和控制平面协议栈。
2.1 控制平面协议
控制平面负责用户无线资源的管理，无线连接的建立，业务的QoS保证和最终的资源释放，如图3所示：
控制平面协议栈主要包括非接入层（Non‐Access Stratum，NAS）、无线资源控制子层（Radio Resource Control，RRC）、分组数据汇聚子层（Packet Date Convergence Protocol，PDCP）、无线链路控制子层（Radio Link Control，RLC）及媒体接入控制子层（Media Access Control，MAC）。
控制平面的主要功能由上层的RRC层和非接入子层（NAS）实现。
NAS控制协议实体位于终端UE和移动管理实体MME内，主要负责非接入层的管理和控制。
实现的功能包括：EPC承载管理，鉴权，产生LTE‐IDLE状态下的寻呼消息，移动性管理，安全控制等。
RRC协议实体位于UE和eNode B网络实体内，主要负责接入层的管理和控制，实现的功能包括：系统消息广播，寻呼建立、管理、释放，RRC连接管理，无线承载（Radio Bearer，RB）管理，移动性功能，终端的测量和测量上报控制。
PDCP、MAC和RLC的功能和在用户平面协议实现的功能相同
2.2 用户平面协议
用户平面用于执行无线接入承载业务，主要负责用户发送和接收的所有信息的处理，如图2‐4所示：
图4 用户平面协议栈
用户平面协议栈主要由MAC，RLC，PDCP三个子层构成。
PDCP主要任务是头压缩，用户面数据加密。
MAC子层实现与数据处理相关的功能，包括信道管理与映射、数据包的封装与解封装，HARQ功能，数据调度，逻辑信道的优先级管理等。
RLC实现的功能包括数据包的封装和解封装，ARQ过程，数据的重排序和重复检测，协议错误检测和恢复等。
3、S1接口协议栈
3.1 S1接口用户平面
S1用户面接口（S1‐U）是指连接在eNode B和S‐GW之间的接口。
S1‐U 接口提供eNode B和S‐GW之间用户平面协议数据单元（Protocol Date Unite，PDU）的非保障传输。
S1接口用户平面协议栈如图2‐5所示。
S1‐U的传输网络层建立在IP层之上，UDP/IP 协议之上采用GPRS用户平面隧道协议（GPRS Tunneling Protocol for User Plane，GTP‐U）来传输S‐GW和eNode B之间的用户平面PDU。
图5 S1接口用户平面（eNB-S-GW）
3.2 S1接口控制平面
S1控制平面接口（S1‐MME）是指连接在eNode B和MME之间的接口。
S1控制平面接口如图6所示。
与用户平面类似，传输网络层建立在IP传输基础上；不同之处在于IP层之上采用SCTP层来实现信令消息的可靠传输。
应用层协议栈可参考S1‐AP(S1应用协议)。
图6 S1接口控制平面（eNB-MME）
在IP传输层， PDU的传输采用点对点方式。
每个S1‐MME接口实例都关联一个单独的SCTP，与一对流指示标记作用于S1‐MME公共处理流程中；只有很少的流指示标记作用于S1‐MME专用处理流程中。
MME分配的针对S1‐MME 专用处理流程的MME通信上下文指示标记，以及eNode B 分配的针对S1‐MME专用处理流程的eNode B通信上下文指示标记，都应当对特定UE的S1‐MME信令传输承载进行区分。
通信上下文指示标记在各自的S1‐AP消息中单独传送。
3.3 主要功能
S1接口主要具备以下功能：
（1）EPS承载服务管理功能，包括EPS承载的建立、修改和释放。
（2）S1接口UE上下文管理功能。
（3）EMM‐CONNECTED状态下针对UE的移动性管理功能。
包括Intra‐LTE 切换、Inter‐3GPP‐RAT切换。
（4）S1接口寻呼功能。
寻呼功能支持向UE注册的所有跟踪区域内的小区中发送寻呼请求。
基于服务MME中UE的移动性管理内容中所包含的移动信息，寻呼请求将被发送到相关eNode B。
（5）NAS信令传输功能。
提供UE与核心网之间非接入层的信令的透明传输。
（6）S1接口管理功能。
如错误指示、S1接口建立等。
（7）网络共享功能。
（8）漫游与区域限制支持功能。
（9）NAS节点选择功能。
（10）初始上下文建立功能。
4、 X2接口协议栈
4.1 X2接口用户平面
X2接口用户平面提供eNode B之间的用户数据传输功能。
X2的用户平面协议栈如图2‐7所示，与S1‐UP协议栈类似，X2‐UP的传输网络层基于IP传输，UDP/IP之上采用GTP‐U来传输eNode B之间的用户面PDU。
图7 X2接口用户面（eNB-eNB）
4.2 X2接口控制平面
X2控制面接口(X2‐CP)定义为连接eNB之间接口的控制面。
X2接口控制面的协议栈如图8所示，传输网络层是建立在SCTP上，SCTP是在IP上。
应用层的信令协议表示为X2‐AP(X2应用协议)。
图8 X2接口控制面
每X2‐C接口含一个单一的SCTP并具有双流标识的应用场景应用X2‐C的一般流程。
具有多对流标识仅应用于X2‐C的特定流程。
源eNB为X2‐C的特定流程分配源eNB 通信的上下文标识，目标eNB为X2‐C的特定流程分配目标eNB通信的上下文标识。
这些上下文标识用来区别UE特定的X2‐C信令传输承载。
通信上下文标识通过各自的X2‐AP消息传输。
4.3 主要功能
X2‐AP协议主要支持以下功能：
（1）支持UE在EMM‐CONNECTED状态时的LTE接入系统内的移动性管理功能。
如在切换过程中由源eNB到目标eNB的上下文传输；源eNB与目标eNB 之间用户平面隧道的控制、切换取消等。
（2）上行负载管理功能。
（3）一般性的X2管理和错误处理功能，如错误指示等。