LTE网络结构及协议结构
数据包丢弃
通常来说无线接口有效数据速率比网络接口有效数 据速率要低（例如S1接口）。因此当给定的业务 数据速率比LTE无线接口提供的数据速率高时，会 类似于固定互 发射机从高层接收到每 导致UE和eNodeB 的数据缓冲。但是长时间会导致 联联网中路由 个SDU时，该定时器 器的TCP拥塞窗 启动，定时器溢出，仍 大量的缓冲数据，会造成大量的数据丢失或者过度 未传输，丢弃该SDU 口控制机制 时延。 为了防止过度时延，PDCP层包含了丢弃功能。丢 弃功能基于一定时器。可以通过设置合理的定时器 的值，来满足无线承载所要求的QoS，丢弃机制防 止发射机的过度时延和排队现象。
BCNL
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切换的支持
无损切换 基于PDCP数据PDU中的序列号，在切换发生时能 确保顺序传输，甚至可能提供完全的无损切换功能 ，可在切换发生前就对为确认接收的PDCP PDU进 行重传。主要应用在时延容忍的业务，如文件下载 。
BCNL
上行无损切换示意图
BCNL
下行无损切换示意图
BCNL
BCNL
用户平面协议栈
UE与PDN-GW之间的用户平面如下图所示：
BCNL
控制面协议栈
UE与MME之间的控制平面如下图所示：
BCNL
LTE的层2用户平面协议
LTE的层2协议栈由3个子层组成
LTE的协议架构概览
BCNL
分组数据汇聚协议层（PDCP）
功能
报头压缩
用户平面数据的包头压缩和解压缩
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安全性
安全性通过加密数据（控制平面数据和用户平面数 据）及完整性保护（仅控制平面数据）来实现，安 全性实现是PDCP子层的责任。
完整性保护是通过为每一个RRC消息增加一个所谓的 “完整性消息鉴权码”（MAC-I）域来实现的。基于接 入层（AS）导出密钥、消息本身、无线承载ID、传输方 向（上行或下行）以及COUNT值来计算产生。 加密是通过对消息和加密流做异或（XOR）运算来实现 的。加密流也是由基于接入层（AS）导出密钥、无线承 载ID、传输方向（上行或下行）以及COUNT值的加密算 法产生的。
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安全性:
用户和控制面协议的加密和解密 控制面数据的完整性保护和验证
切换支持 切换时对上层发送的PDU顺序发送和重排序 丢弃超时的用户平面数据
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报头压缩
健壮性包头压缩协议 （ROHC）由互联网工程任 务组（IETF）定义的，来 进行报头压缩
用户平面PDCP概览（3GPP）
BCNL
控制平面PDCP概览（3GPP）
用户平面PDCP状态 报告PDU
用户平面PDCP ROHC反馈PDU 控制面数据PDU
有
有
无
无
Hale Waihona Puke 无无无5bit
32bit
BCNL
BBU,RRU
BBU(Building Base band Unite)室内基带 处理单元 RRU(Radio Remote Unit)射频拉远单元 BBU和RRU之间一般采用光线进行链接,可以有多 种连接方式，组网可采用BBU和RRU一对一、一对 多方式，分区、分层覆盖，组网灵活。 RRU到BBU的距离可以到40KM-50KM 不同类型的RRU支持的功率也不太相同，大约在 30瓦，20瓦，16瓦，10瓦 5瓦， RRU覆盖距离是功率，天线，所在地附近的周围地 形及于周围基站的原近而定
用户平面PDCP控制PDU格式分两种 用于ROHC反馈的控制PDU
用于PDCP状态报告的控制PDU
BCNL
PDCP PDU格式总结：
PDU形式 D/C域 序列号长度 12bit 7bit MAC-I（完整性消 息鉴权码） 无 无
用户平面长序列号数 有 据PDU 用户平面短序列号数 有 据PDU
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RRU与小区关系
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LOGO
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PDCP PDU格式
PDCP既要支持用户面数据，也要支持控制面数据 ，同时还支持两种类型的控制PDU。 控制平面数据PDU格式
BCNL
PDCP PDU格式
用户平面PDCP数据PDU格式分两种 长序列号（12bit）的数据PDU
短序列号（7bit）的数据PDU
BCNL
PDCP PDU格式
LTE网络和协议架构
2010年12月28日
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Contents
1
2 3 4
LTE的网络架构
LTE的协议架构
PDCP层协议
简要介绍BBU、RRU
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LTE无线接口协议
LTE无线接口协议篇一：LTE培训材料-7 LTE接口协议分析一、LTE接口概述——LTE系统总体架构EPS通过IP连接是用户通过公共数据网（PDN）接入互联网，以及提供诸如VoIP等业务。
一个EPS承载通常具有一定的QoS。
一个用户可建立多个EPS承载，从而具有不同的QoS等级或连接到不同的PDN。
通过几个承担不同角色的EPS网元可以实现用户的安全性和私密性保护。
整体网络架构如图所示，其包括网元和标准化的接口。
在高层，该网络是由核心网（EPC）和接入网（E-UTRAN）组成的。
核心网由许多逻辑节点组成，而接入网基本上只有一个节点，即与用户终端（UE）相连的eNode B。
所有网元都通过接口相互连接。
通过对接口的标准化可满足众多供应商产品间的互操作性，从而使运营商可以从不同的供应商获取不同的网元产品。
事实上，运营商可以根据商业考虑在他们的物理实现上选择对逻辑网元进行分裂或合并。
——EPC和E-UTRAN间的功能分布如图所示。
下面对EPC和E-UTRAN的网元进行详细描述——eNode B实现的功能——MME实现的功能——S-GW实现的功能——P-GW实现的功能——E-UTRAN地面接口通用协议模型E-UTRAN接口的通用协议模型如图所示，适用于E-UTRAN相关的所有接口，即S1和X2接口。
E-UTRAN接口的通用协议模型继承了UMTS系统中UTRAN接口的定义原则，即控制平面与用户平面相分离，无线网络层与传输层相分离。
除了能够保持控制平面和用户平面、无线网络层与传输层技术的独立演进之外，由于具有良好的继承性，这种定义方法带来的另一个好处是能够减少LTE系统接口标准化工作的代价。
——控制面协议栈结构——用户面协议栈结构二、空中接口协议栈分析无线接口是指终端和接入网之间的接口，简称Uu接口，通常我们也称之为空中接口。
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的。
LTE技术中，无线接口是终端和eNode B之间的接口。
LTE 物理层解析
Extended cyclic prefix DwPTS GP UpPTS
0
3
10
3
8
“D”代表此子帧用于 下行传输，“U” 代表
此子帧用于上行传输， “S”是由DwPTS、GP 和UpPTS组成的特殊 子帧。
1
9
4
8
3 1 OFDM
2
10
3
1 OFDM symbols
9
2 symbols
3
11
2
10
LTE物理信道
下行物理信道
信道类型 PDSCH(Physical Downlink Shared Channel ) PBCH (Physical Broadcast Channel)
功能 承载下行业务数据 承载广播信息
下行Unicast/MBSFN子帧，控制区 域与数据区域进行时分；
下行MBSFN专用载波子帧中不存在 控制区域，即控制区域OFDM符号数 目为0；
上行常规子帧中控制区域与数据区域 进行频分
控制区域
数据区域
下行Unicast/MBSFN子帧
控制区域与数据区域进行 时分
控制区域OFDM符号数目可 配置
PHY
逻辑信道和传输信道的映射功能 HARQ 传输格式选择 UE内部逻辑信道之间优先级调度功能 UE间根据优先级动态调度功能
S1接口
协议栈
用户平面接口位于E-NodeB 和S-GW之间，传输网络层 建立在IP传输之上， UDP/IP之上的GTP-U用来 携带用户平面的PDU。
S1控制平面接口位于ENodeB和MME之间，传输 网络层是利用IP传输，这点 类似于用户平面；为了可靠 的传输信令消息，在IP曾之 上添加了SCTP；应用层的 信令协议为S1-AP。
LTE高层协议基础介绍
UE
eNodeB
Serving GW
PDN GW
用户面协议栈
内容提要
网络架构 协议栈 • 接入层 • 非接入层
接入层
接入层协议（Access Stratum）包括：
L1 － 物理层 L2 • PDCP － 分组数据汇聚协议 • RLC － 无线链路控制 • MAC － 媒体接入控制 RRC － 无线资源控制
Figure 2-1: E/T/RAPID MAC sub-header
E
T
R
R
BI
Oct 1
Figure 2-2: E/T/R/R/BI MAC sub-header
MAC PDU （RAR）
R Timing Advance Command UL Grant Oct 1 Oct 2 Oct 3 Oct 4 Oct 5 Oct 6
RLC实体
• TM • UM • AM
TM模式
• • TM模式在上下层之间透明地传输数据包，不增加任何控制开销。 只承载控制平面的数据。
UE/ENB radio interface TM-SAP TM-SAP ENB/UE
Transmission buffer
Transmitting TM-RLC entity
AMD PDU segmentation
1，AMD PDU的重传包，并且需要进行重分段； 2，包含RLC头； 3，除了包含AMD PDU segmentation，还可以级联其他的RLC SDU
Control PDU
Status PDU
Data PDU的确认包；
RLC主要流程
RLC实体建立、重建、更改及释放 RLC数据传输 ARQ过程
LTE网络概述及原理
S1 MME NAS安全 空闲态移动性管理
EPS承载控制
EPC通过MME、S-GW和 PSW等控制面节点和用户面节 点完成NAS信令处理和安全管 理、空闲的移动性管理、EPS 承载控制以及移动锚点功能、 UE的IP地址分配、分组过滤等 功能。
S-GW
P-GW
移动锚点
UE IP地址分配
S1
分组过滤
带宽灵活配置，能够支持1.4MHz，3MHz，5MHz， 10MHz，15MHz，20MHz等不同系统带宽，并支 持成对(paired)和非成对(unpaired)的频谱分配，系 统部署更灵活。
移动性： 能为低速移动（0~15km/h）的移动用户提供最优的 网络性能； 能为15~120km/h的移动用户提供高性能的服务； 对120~350km/h（甚至在某些频段下，可以达到 500km/h）速率移动的移动用户能够保持蜂窝网络的 移动性。
3G：第三代移动通信技术，移动多媒体蜂窝通讯技术，实现无线通信和国际互联网融合，提供语音、图像、音 乐、视频等各种多媒体数据业务，要求提供2Mbps标准用户速率（室内）或144Kbps速率（高速移动）。目前 3G标准有4个：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA（由中国制定的3G标准），以及WiMAX（802.16系列 标准）
4G： 第四代移动通信技术，宽带大容量的高速蜂窝系统，支持100Mbps~150Mbps下行网络带宽，提供交互多 媒体业务，高质量影像，3D动画和宽带互联网接入等业务，用户体验最大能达到20Mbps下行速率。
LTE：长期演进LTE（Long Term Evolution）是3GPP组织主导的新一代无线通信系统，也称之为演进的UTRAN （Evolved UTRA and UTRAN）的研究项目，全面支撑高性能数据业务，“未来10年或者更长时间内保持竞争 力”，3GPP的LTE标准在无线接入侧分为LTE FDD和TD-LTE。
LTE基本原理介绍
RB Control Connection Mobility Cont. MME
MME / S-GW
MME / S-GW
Radio Admission Control NAS Security eNB Measurement Configuration & Provision Dynamic Resource Allocation (Scheduler) RRC Idle State Mobility Handling EPS Bearer Control
自规划（Self-planning）
自配置（Self-deployment） 自优化（Self-optimization） 自维护（Self-maintenance）
SON的优势
运营商可以减少规划、优化、维护的成 本，降低OPEX。 设备商可以促进性能特性、工具等的销 售，降低交付后网络优化的成本；低附 加值和低技术含量的工作收益将减少。
分组数据路由及转发；移动性及切换支持；合 法监听；计费。 分组数据过滤；UE的IP地址分配；上下行计费 及限速。
P-GW的主要功能包括：
eNB Inter Cell RRM RB Control Connection Mobility Cont. MME Radio Admission Control NAS Security eNB Measurement Configuration & Provision Dynamic Resource Allocation (Scheduler) RRC PDCP S-GW RLC MAC S1 PHY Packet Filtering internet E-UTRAN EPC Mobility Anchoring UE IP address allocation P-GW Idle State Mobility Handling EPS Bearer Control
MME / S-GW
MME / S-GW
Radio Admission Control NAS Security eNB Measurement Configuration & Provision Dynamic Resource Allocation (Scheduler) RRC Idle State Mobility Handling EPS Bearer Control
自规划（Self-planning）
自配置（Self-deployment） 自优化（Self-optimization） 自维护（Self-maintenance）
SON的优势
运营商可以减少规划、优化、维护的成 本，降低OPEX。 设备商可以促进性能特性、工具等的销 售，降低交付后网络优化的成本；低附 加值和低技术含量的工作收益将减少。
分组数据路由及转发；移动性及切换支持；合 法监听；计费。 分组数据过滤；UE的IP地址分配；上下行计费 及限速。
P-GW的主要功能包括：
eNB Inter Cell RRM RB Control Connection Mobility Cont. MME Radio Admission Control NAS Security eNB Measurement Configuration & Provision Dynamic Resource Allocation (Scheduler) RRC PDCP S-GW RLC MAC S1 PHY Packet Filtering internet E-UTRAN EPC Mobility Anchoring UE IP address allocation P-GW Idle State Mobility Handling EPS Bearer Control
网络拓扑知识：LTE无线网络拓扑结构
网络拓扑知识：LTE无线网络拓扑结构LTE是一种先进的4G无线移动通信技术，它在高速移动和高密度用户环境中表现出色。
它采用的拓扑结构玄妙而复杂，对于理解其原理和运行机制有着重要的意义。
本文从LTE无线网络拓扑结构的组成、各个组成部分的职能、拓扑结构的优缺点以及未来的发展趋势等方面进行探讨。
一、LTE无线网络拓扑结构的组成LTE无线网络的拓扑结构主要由以下几个组成部分构成：1.核心网——处理移动终端与Internet之间的数据传输，包括用户鉴别、计费、QoS管理和上下文维护等功能。
2.无线接入网——通过基站向用户提供无线接入服务，包括高速数据传输、呼叫等功能。
3.控制面——主要由MME、SGSN等控制节点组成，用来管理无线接入网，分配资源，以及处理安全和移动性管理等任务。
4.用户面——主要由另外一些节点组成，主要是在不同的使用环境中处理流量的传输，如GGSN、PDN网关等。
以上四个部分构成了LTE无线网络的核心结构。
下面我们将详细介绍其中的各个部分。
二、各个组成部分的职能1.核心网：LTE无线网络的核心部分，主要负责处理用户数据的传输，例如用户鉴别、计费、QoS管理和上下文维护等任务。
2.无线接入网：通过基站向用户提供无线接入服务，包括高速数据传输、呼叫等功能。
在LTE网络中，无线接入网主要由eNB和EPC 两部分组成。
3.控制面：主要由MME和SGSN等控制节点组成，用来管理无线接入网，分配资源，以及处理安全和移动性管理等任务。
它的主要职能包括：(1)分配IP地址和MSISDN。
(2)维护移动终端位置信息，包括位置更新和位置追踪等功能。
(3)管理移动终端路由。
(4)负责安全管理与认证等任务。
4.用户面：主要由GGSN和PDN网关等节点组成，主要是在不同的使用环境中处理流量的传输。
例如，如果用户使用LTE网络浏览网站，则其请求将传输到GGSN和PDN网关，然后返回到用户终端。
三、拓扑结构的优劣势LTE网络的拓扑结构具有以下优点和缺点。
LTE系统概述华为
Page32
目录
2 LTE特性介绍 2.1 无线接口多址技术OFDM 2.2 多入多出技术MIMO 2.3 自适应调制编码AMC 2.4 自组织网络SON
Page33
单用户MIMO和多用户MIMO
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MIMO
eNodeB
eNodeB UE
数据包分类及 QoS策略执行
路由
无线资源管理
eNB
数据压缩 数据保护
Page13
eNB识别号
跟踪区标识－TAI （Tack Area Identity）TACK ATEA Identity
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。
鉴权 跨MME移动
NAS 信令和安全
MME
S-GW 和 PDN-GW 选择
跟踪区列表管理 及寻呼
Page15
服务网关 SGW(Serving – Gateway)
GTP/PMIP 支持
移动性锚点
合法监听
S-GW
下行数据缓存
数据包路由 和前转
Page16
目录
1. 网络结构 1.1 移动网络演进 1.2 LTE 网络结构 1.3 LTE接口
全接入通信系统 TACS (Total Access Communications System)
扩展全接入通信系统 ETACS (Extended Total Access Communications System)
Page3
2G 移动通信系统
2G (第二代移动通 信)
GSM
Other
目录
2 LTE特性介绍 2.1 无线接口多址技术OFDM 2.2 多入多出技术MIMO 2.3 自适应调制编码AMC 2.4 自组织网络SON
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单用户MIMO和多用户MIMO
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MIMO
eNodeB
eNodeB UE
数据包分类及 QoS策略执行
路由
无线资源管理
eNB
数据压缩 数据保护
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eNB识别号
跟踪区标识－TAI （Tack Area Identity）TACK ATEA Identity
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。
鉴权 跨MME移动
NAS 信令和安全
MME
S-GW 和 PDN-GW 选择
跟踪区列表管理 及寻呼
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服务网关 SGW(Serving – Gateway)
GTP/PMIP 支持
移动性锚点
合法监听
S-GW
下行数据缓存
数据包路由 和前转
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目录
1. 网络结构 1.1 移动网络演进 1.2 LTE 网络结构 1.3 LTE接口
全接入通信系统 TACS (Total Access Communications System)
扩展全接入通信系统 ETACS (Extended Total Access Communications System)
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2G 移动通信系统
2G (第二代移动通 信)
GSM
Other
LTE协议简介
式，编码，发送功率来实现链路适应；能够在整个小区发送；能 够使用波束赋形；支持动态或半静态资源分配；支持终端非连续 接收以达到省电的目的；支持MBMS业务传输。 寻呼信道（PCH）。支持终端非连续接收以达到省电的目的；要 求能在整个小区覆盖范区域内发送；映射到PDSCH物理信道 多播信道（MCH）。要求能在整个小区覆盖区域发送；对于单频 点网络支持多小区的MBMS传输合并；使用半静态资源分配。
ueuerandomaccesspreamblerapreambleassignmentrandomaccessresponse竞争的随机接入无竞争的随机接入mac层主要过程和操作随机接入enbenbrandomaccesspreamblescheduledtransmissionrandomaccessresponsecontentionresolutiorv随机接入过程流程图?目的调度的好坏对于系统的性能影响很大对于lte十分重要以prb为单位调度15khz1ms的12个ofdm子载波不同的业务保证各种业务的qos提高系统的容量频率选择性调度增益多用户分集技术enb负责上下行的调度上下行是不同的调度器负责调度器需要考虑的因素包括业务的qos业务量以及相关的无线承载无线条件以及ue能力等给予ue的ulsch的资源是对应一个ue的而不是对应一个rb动态调度过程示意图sps调度由rrc层配置启动mac层主要过程和操作半静态调度用固定的时频资源这些资源不参与动sps调度的初始化sps调度的harq传输sps调度的释放vtaillmac层主要过程和操作harq过程harq通信系统如下图所示是在一个arq自动请求重传系统中包含一个fec前向纠错子系统
Physical broadcast channel (PBCH) Physical control format indicator channel (PCFICH) Physical downlink control channel (PDCCH) Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) Physical downlink shared channel (PDSCH) Physical multicast channel (PMCH) Physical uplink control channel (PUCCH) Physical uplink shared channel (PUSCH) Physical random access channel (PRACH)
ueuerandomaccesspreamblerapreambleassignmentrandomaccessresponse竞争的随机接入无竞争的随机接入mac层主要过程和操作随机接入enbenbrandomaccesspreamblescheduledtransmissionrandomaccessresponsecontentionresolutiorv随机接入过程流程图?目的调度的好坏对于系统的性能影响很大对于lte十分重要以prb为单位调度15khz1ms的12个ofdm子载波不同的业务保证各种业务的qos提高系统的容量频率选择性调度增益多用户分集技术enb负责上下行的调度上下行是不同的调度器负责调度器需要考虑的因素包括业务的qos业务量以及相关的无线承载无线条件以及ue能力等给予ue的ulsch的资源是对应一个ue的而不是对应一个rb动态调度过程示意图sps调度由rrc层配置启动mac层主要过程和操作半静态调度用固定的时频资源这些资源不参与动sps调度的初始化sps调度的harq传输sps调度的释放vtaillmac层主要过程和操作harq过程harq通信系统如下图所示是在一个arq自动请求重传系统中包含一个fec前向纠错子系统
Physical broadcast channel (PBCH) Physical control format indicator channel (PCFICH) Physical downlink control channel (PDCCH) Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) Physical downlink shared channel (PDSCH) Physical multicast channel (PMCH) Physical uplink control channel (PUCCH) Physical uplink shared channel (PUSCH) Physical random access channel (PRACH)
TD-LTE原理介绍
CSFB主要过程
• 开机选网驻留：优先驻留在LTE，即终端开机—>LTE及2G/3G电路域联合注册（确保用户 同时注册在EPS和GSM电路域网络）—>驻留LTE。该过程是CSFB基本流程。 • 呼叫请求回落：网络指示终端先重选回到2/3G，由CS网络提供语音服务。 • 通话结束返回：终端完成呼叫后返回到LTE网络驻留。 （2.1）呼叫请求
54
LTE频率与频点转换
FDL = FDL_low + 0.1(NDL – NOffs-DL) FUL = FUL_low + 0.1(NUL – NOffs-UL) 省略了FDD部分（FDD同TDD)： 使用频率= Flow + 0.1(使用频点 – NOffs-DL)
Downlink Uplink E-UTRA FDL_low (MHz) NOffs-DL FUL_low (MHz) NOffs-UL Operating Band 33 1900 36000 36000 – 36199 1900 36000 36000 – 36199 34 2010 36200 36200 – 36349 2010 36200 36200 – 36349 35 1850 36350 36350 – 36949 1850 36350 36350 – 36949 36 1930 36950 36950 – 37549 1930 36950 36950 – 37549 37 1910 37550 37550 – 37749 1910 37550 37550 – 37749 38 2570 37750 37750 – 38249 2570 37750 37750 – 38249 39 1880 38250 38250-38649 1880 38250 38250-38649 40 2300 38650 38650-39649 2300 38650 38650-39649 NOTE: The channel numbers that designate carrier frequencies so close to the operating band edges that the carrier extends beyond the operating band edge shall not be used. This implies that the first 7, 15, 25, 50, 75 and 100 channel numbers at the lower operating band edge and the last 6, 14, 24, 49, 74 and 99 channel numbers at the upper operating band edge shall not be used for channel bandwidths of 1.4, 3, 5, 10, 15 and 20 MHz respectively.
LTE基础知识
3G
3.5G
3.75G
3.9G
4G
一、LTE概述
LTE驱动力 LTE关键技术
二、LTE空中接口
LTE无线接口协议
LTE信道结构LTE帧结构LTE关键技术——网络结构
LTE网络结构
MGW
MGW
PSTN ISDN
MS
BTS
NodeB UE Internet, SGSN GGSN Intranet
时分双工（TDD）：占用两个时隙分别作为上下行
一、LTE概述
LTE驱动力 LTE关键技术
二、LTE空中接口
LTE无线接口协议
LTE信道结构
LTE帧结构
LTE无线接口协议
控制面 NAS信令 RRC PDCP RLC
用户面 NAS用户-IP PDCP RLC
MAC PHY
MAC PHY
公共控制信道（CCCH：Common Control Channel）
专用控制信道（DCCH：Dedicated Control Channel） 专用业务信道（DTCH：Dedicated Traffic Channel）
LTE信道结构
广播信道（BCH：Broadcast Channel） 寻呼信道（PCH：Paging Channel） 下行共享信道（DL-SCH：Downlink Shared Channel） 随机接入信道（RACH：Random Access Channel） 上行共享信道（UL-SCH：Uplink Shared Channel）
支持全球主流频段，同时支持新增频段
为什么LTE
LTE驱动力
• 语音收入下降
• 移动通信带宽提升