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课件2:TD-LTE基础无线网络结构常识


TD-LTE基础无线网络结构常识
中国移动通信集团广东公司

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授课老师-“个人简介”

》基本资料
姓名:张歌 工作单位:中国移动通信集团广东有限公司汕头分公司 手机号码:13509889878 电子邮箱:zhangge@gd.chinamobie.com

》教育及培训经历
毕业院校:西安电子科技大学 学历:硕士 专业培训经历:通信工程,多次参加GSM、TD、LTE培训

》专业特长
从事网络优化工作16年,主持多项网络规划、优化工作和创新项目,具备丰 富的实践经验和理论水平。

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规划类课程--《TD-LTE无线网络结果常识》课件简介
课件名称 适用专业及等级 内容简介 TD-LTE基础无线网络结构常识 LTE无线网优L1级 本课程简要介绍了TD-LTE的整体架构、网元节点的功能、 TD-LTE的接口和协议栈,以及与网络结构相关的概念。 通过本课程学员将会对TD-LTE网络结构有一个全面地了 解。 1、TD-LTE总体架构与网元功能 2、TD-LTE系统接口与作用 V_1.1 2015.3.5 广东张歌

大纲 版本 日期 主要更新内容 负责人

遗留问题

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2

培训目标
学完本课程后,您应该能:
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了解E-UMTS整体架构 了解E-UMTS 各个网元功能 了解E-UMTS各接口及作用 了解和网络结构相关的概念

?

?

?

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目录
1、总体架构与网元功能
2、系统接口与作用

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4

总体架构

EPC------Evolved packet Core E-UTRAN----- Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network

3GPP在R8阶段启动了长期演进(LTE)与系统架构演进(SAE)项目,设计提出 了全IP的LTE/SAE系统架构(SAE后更名为EPC),并对其无线关键技术、接口协 议、信令流程、系统安全、及其与UMTS网络间的互操作等进行了标准化。
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总体架构
2G
Gb

SGSN
Gn

GGSN
Gi

BTS

BSC/PCU
3G

Iu Gr

HLR
Gx

NodeB

RNC HSS PCRF
S6a

MME

Internet PS Service

LTE

S1-MME S11

Gx

SAE GW
S5/8 SGi

S1-U

eNodeB

Serving GW

PDN GW

BOSS

终端

E-UTRAN EPS

EPC

CG

控制面用于传送控制信息,包括无线网络层的应用协议和用于传输应用协议消息的信令承载 用户面用于传送数据信息,包括数据流和用于传输数据流的数据承载。
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控制面 用户面 6

网元功能
专业 网络 2/3G 无线 4G 2/3G 4G 2/3G 核心 4G 网元 BTS/NodeB BSC/RNC eNodeB SGSN MME SGW GGSN PGW 功能 2G/3G基站 2G/3G基站控制器 负责无线资源管理,集成了部分类似2G/TD基 站和基站控制器的功能 GPRS服务支持节点 LTE接入下的控制面网元,负责移动性管理功能 SAE网络用户面接入服务网关,相当于SGSN的 用户面功能 GPRS网关支持节点 SAE网络的边界网关,提供承载控制、计费、地 址分配和非3GPP接入等功能,相当于GGSN 归属位置寄存器 SAE网络用户数据管理网元,提供鉴权和签约等 功能

2/3G
4G 4G

HLR
HSS PCRF

策略控制服务器,根据用户特点和业务需求提 供数据业务资源 Copyright ? 2006 Huawei Technologies Co., Ltd. All rights reserved.

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eNB实现的功能
?

无线资源管理:无线承载控制、无线准入控制、连接移动性 控制、UE上下行的动态资源分配 IP头压缩和用户数据流加密 UE连接期间,选择MME,当无路由信息可用时,可以根据UE提 供的信息来间接确定到达MME的路径 路由用户平面数据到S-GW

? ?

? ? ? ?

调度和传输寻呼消息
调度和传输广播消息 就移动性和调度,进行测量和测量报告的配置

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MME实现的功能
? ? ? ? ? ? ?

将寻呼消息发送到eNodeB 跟踪区域的列表管理(UE的IDLE模式和ACTIVE模式) 在3GPP访问网络之间移动时,CN节点之间的信令传输 P-GW(PDN分组数据网关)和S-GW(服务网关)的选择 MME选择,MME改变带来的切换 SGSN(服务GPRS支持节点)选择,为了切换到2G或3G网络 IDLE空闲状态下的移动性管理、漫游、确认等

?
?

SAE承载控制(承载建立和管理等)
NAS(非接入层)信令、信令的加密和完整性保护

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S-GW实现的功能
? ? ? ? ? ? ?

为eNB间的切换,进行本地的移动定位 3GPP间的移动性管理,建立移动安全机制

在E-UTRAN的IDLE模式下,下行包缓冲和网络初始化
授权侦听 包路由和前向转移 在上下行进行传输级的包标记 在运营商之间交换用户和QoS类别标识的有关计费信息

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P-GW实现的功能
? ? ?

用户的包过滤 授权侦听 UE的IP地址分配

?
? ? ?

传输级的下行包标记
上下行的服务级计费、速率控制 基于最大比特速率的下行速率控制 DHCP v4和DHCP v6功能

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HSS和PCRF实现的功能
HSS
? ? ?

SAE用户注册、鉴权以及下载用户数据到MME 非3GPP用户注册、鉴权以及下载用户数据到AAA 用户漫游限制、用户闭锁业务、用户接入网络类型限 制

PCRF
? ?

服务策略和计费控制的规则制定 终结Rx接口和Gx接口

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总体架构回顾

HSS MME
S6a

PCRF

Internet PS Service

LTE

S1-MME S11

Gx

SAE GW
S5/8

SGi

S1-U

eNodeB

Serving GW

PDN GW

BOSS

终端

E-UTRAN EPS

EPC

CG

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网络中各实体的标识
MMEI= MME Group ID+MME Code
TOPON.S11.SHTSAEGW103BHW.GROUP1.NODE.EPC.MNC000.MCC460.3GPPNETWORK.ORG

MME

SGW

TA list
TAI=MCC+MNC+TAC

TA

TA

CELL1 CELL2
CELL3 CELL1 CELL2 CELL3

CELL1 CELL2 CELL3

CELL1 CELL2

CELL1 CELL2
CELL3

CELL3

ECGI = PLMN ID+ eNB id+cell id MSISDN、IMSI、IMEI GUTI=MCC+MNC+MMEI+M-TMSI(M-TMSI,MME临时用户标识, 唯一识别MME中的UE) S-TMSI= MMEC + M-TMSI C-RNTI,(ell- Radio Network Temporary Identifier 小区无线网络临时标识,在一个小区内用来唯一标识一个UE)
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小测试
1、以下哪个节点负责UE的移动性管理() A. S-GW B. P-GW C. MME D. eNodeB

2、 MME的功能不包括() A.寻呼消息分发 B.空闲状态的移动性管理 C.接入层信令的加密与完整性保护 D.非接入层信令的加密与完整性保护 3、在LTE系统中,UE的功能单元不包括() A.无线资源 B.移动管理 C.会话管理

D.承载管理

4、在LTE空口上使用以下哪个选项来标识UE() A. S-TMSI B. IMSI C. C-RNTI D. UE -RNTI

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目录
1、总体架构与网元功能
2、系统接口与作用

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终端和网络交互示例
1 MME ICP/ISP

internet
eNodeB 2 S-GW

P-GW
Signaling Data

第一步(虚线表示):用户完成到MME的注册,MME会为用户选择一个服务网关(S-GW)和 PDN网关(P-GW),并分配网络资源,同时PGW会给UE分配一个IP地址。当一切准备就绪, MME会发确认消息给UE,UE成功注册到网络。 第二步(实线表示):UE使用由核心网分配的IP地址和提供的服务,通过eNodeB、S-GW、PGW接入外部网络,比如互联网。

实体间的通信通过接口进行
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LTE接口概述
HSS eNodeB MME S1-MME S6a Gxc S11 Rx Gx PCRF Control plane User plane

LTE -Uu

X2

S1-U

S1-MME eNodeB S1-U

S5

SGi P-GW

Operator's IP Service

S-GW

UE
? ? ? ? ? ? ?

LTE

SAE

S1-MME: E-UTRAN 和MME 间控制平面协议参考点 S1-U: E-UTRAN 和 S-GW间每个承载的用户平面隧道参考点 S11: 提供MME和S-GW之间的相关控制和移动性管理 S5: 提供S-GW 和P-GW之间用户平面隧道效应和隧道管理,只用于S-GW和P-GW属于同一个PLMN S6a: 为鉴别确认用户接入EPS系统,在MME 和 HSS之间传输签约数据。 Gx: 为PCRF和P-GW/GGSN中的PCEF(Policy and Charging Enforcement Function)提供 QoS准则和计费标准的传输。 SGi: P-GW和分组数据网络之间的接口。分组数据网可以是外部公共或私人数据网,也可以是内部分 组数据网,例如为IMS提供服务。
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接口与协议
L7:应用层 L6:表示层 L5:会话层 L4:传输层 L7:应用层 L6:表示层 L5:会话层 L4:传输层

L3:网络层

L3:网络层

L2:数据链路层

L2:数据链路层

L1:物理层

L1:物理层

E-UTRAN和EPC之间的功能划分

OSI七层参考模型

协议就是一组为了沟通来管理基本功能单元的规则。协议栈是指网络中 各层协议的总和,其形象的反映了一个网络中文件传输的过程:由上层协议 到底层协议,再由底层协议到上层协议。
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19

E-UTRAN地面接口通用协议模型
?

对于S1/X2接口,层与层之间,面与面之间彼此逻辑上独立。 所以当有相应需要时,标准实体可以很容易改变协议栈和其各 平面来满足将来的需要
Radio Network Layer Control Plane Application Protocol User Plane

Transport Network Layer

Transport Network User Plane

Transport Network User Plane

Signalling Bearer(s)

Data Bearer(s)

Physical Layer

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协议栈结构-控制面
控制平面为所有E-UTRAN控制信令使用, 用于EPS承载,以及基于不同方面(包 括请求服务、控制不同传输资源、切换 等)的UE和网络之间的连接的协议, 也包括消息透明传输的机制。

NAS Relay RRC PDCP RLC MAC L1 UE LTE-Uu RRC PDCP RLC MAC L1 eNodeB S1-AP SCTP IP L2 L1 S1-MME

NAS S1-AP SCTP IP L2 L1 MME

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协议栈结构-用户面

用户平面负责用户发送和接收的所有信 息,即负责数据流的数据承载。

Application IP PDCP Relay PDCP RLC MAC L1 LTE-Uu RLC MAC L1 GTP-U UDP/IP L2 L1 S1-U Relay GTP-U UDP/IP L2 L1 GTP-U UDP/IP L2 L1 S5/S8 a UDP/IP L2 L1 SGi IP GTP-U

UE

eNodeB

Serving GW

PDN GW

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S1接口功能
?
? ? ? ? ? ? ? ? ?

S1 UE context管理功能
SAE承载管理 GTP-U隧道管理

S1信令链路管理
不同LTE之间的切换 Inter-3GPP RAT切换
EUTRAN
“S1-MME” eNode B

EPC
MME MME

寻呼功能
网络共享功能 NAS节点选择功能 安全功能

S-GTW eNode B “S1-U” S-GTW

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Page 23

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S1协议栈

Control Plane
Radio Network Layer S1-AP
Radio Network Layer

User Plane

SCTP Transport Network Layer IP Data link layer Physical layer
Transport Network Layer

GTP-U UDP IP Data link layer Physical layer

eNB和MME间的控制面
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eNB和SGW间的用户面

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X2接口功能
?
?

支持UE在LTE_ACTIVE状态下的Intra LTE-Access-System 移动性

从源eNB到目标eNB的context传送
源eNB和目标eNB之间的用户面隧道控制 切换取消 负载管理 小区间干扰协调 上行链路干扰负载管理

?

?

? ?
?

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X2协议栈结构

Radio Network Layer

Control Plane X2-AP

User Plane User Plane PDUs
Transport Network User Plane

Transport Network Layer

Transport Network User Plane

GTP-U SCTP IP Data link layer Physical layer UDP IP Data link layer Physical layer

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Uu接口协议结构
GC Nt DC Duplication avoidance GC Nt DC UuS boundary C-plane signalling U-plane information

RRC无线资源控制 control control control control

control

L3

Radio Bearers

PDCP

PDCP

L2/PDCP

RLC

RLC RLC

RLC RLC RLC

RLC RLC

L2/RLC

Logical Channels

MAC

L2/MAC Transport Channels

PHY

L1

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27

Uu接口协议架构
E-UMTS无线接口协议栈结构可分为:
?

?

NAS控制协议

?

L3层:无线资源控制(RRC)层
L2层
?

?

媒体接入控制(MAC)子层 无线链路控制(RLC)子层 分组数据集中协议(PDCP)子层

?

?

?

L1层:物理层、传输信道、传输信道与物理信道的映射

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LTE信道分类

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29

LTE信道分类

按照内容的属性和UE的不同,高层数据被分配到不同的逻辑信道 ,逻辑信道映射 到传输信道,物理信道实现物理信道的静态划分。
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物理层主要功能
物理层按照上层(MAC)的调度,执行物理层处理,主要功能包括:
? ? ? ? ? ? ? ? ?

传输信道的错误检测,并向高层提供指示

传输信道的纠错编码/译码、物理信道调制与解调
HARQ软合并 编码的传输信道向物理信道的映射 物理信道功率加权 频率与时间同步

无线特征测量,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
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MAC层主要功能
MAC层功能:
?

实现基于QOS的调度 HARQ错误控制 逻辑信道与传输信道的映射和复用

?

?

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RLC层主要功能
RLC提供无线链路控制功能:
? ? ? ?
?

eNB侧配置的RLC实体,与UE侧配置的RLC实体对应 RLC实体通过与高层的接口(SAP),传送或接收RLC SDU

RLC实体通过逻辑信道,传送或接收RLC PDU
存在两类RLC PDU:RLC data PDU、RLC control PDU
RLC包含TM、UM、AM三种传输模式

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RLC层主要功能
?

确认(AM, Acknowledgement Mode)模式
?

用于可靠性要求很高、分组长度可变的业务。支持ARQ、分组的切割和 串接。PDU头需要较长序列号、轮询比特、长度指示。如用于TCP业务、 文件传输等,主要关心无错传输

?

非确认(UM, Un-acknowledgement Mode)模式
?

用于可靠性要求不高的业务。支持分组的切割和串接、不支持ARQ。用
于实时性要求很高的业务,如VOIP、视频业务。PDU头需要较短序列号、 长度指示

?

透明(TM, Transparent Mode)模式
?

用于将高层分组直接传到下层,不封装RLC协议头。不分段,用于随机 接入等

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RLC层主要功能
? ? ?

对上层PDU的传输支持AM、UM、TM模式数据传输
通过ARQ机制进行错误修正(CRC校验由物理层完成,针对AM数据) 根据传输块大小进行动态分段(级联/分段/重装),针对UM和AM数据

?
? ? ? ? ?

重传时对PDU进行重分段,重分段的数目没有限制,针对AM数据
顺序上传上层的PDU(针对UM和AM数据,切换时除外) 重复检测(针对UM和AM数据) 底层协议错误检测与恢复 eNodeB和UE间的流控

SDU丢弃(针对UM和AM数据)

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PDCP层主要功能
?

PDCP子层在用户面的业务及功能主要有:
?

包头压缩和解压缩 用户数据传送:PDCP接收来自NAS的PDCP SDU,然后转发到RLC子 层,反之亦然 排序和复制检测 加解密

?

?

?

?

PDCP子层在控制面的业务及功能主要有
?

加解密及完整性保护 控制面数据传送

?

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RRC主要功能
RRC处理UE和E-UTRAN之间所有的信令:
?

系统信息广播

?
?

寻呼
UE和E-UTRAN之间RRC连接的建立,维护和释放包括:
?

UE和E-UTRAN之间临时标识的分配
RRC连接信令无线承载的配置

?

? ?

安全功能包括密钥管理 点到点无线承载的建立,配置,维护和释放

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RRC主要功能
?

移动性功能包括
?

Inter-cell和inter-RAT之间UE的测量报告,和测量报告控制
切换 UE小区选择和重选,以及小区选择和重选的控制 切换时上下文传送

?

?

?

? ? ? ?

MBMS业务功能

Qos管理功能
UE测量报告及报告控制 NAS和UE之间的直传消息传送
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RRC协议状态
LTE支持两种RRC状态:RRC_IDLE和RRC_CONNECTED
?

RRC_IDLE:
? ? ? ? ?

PLMN选择 NAS对DRX的配置 系统消息广播

寻呼
eNodeB中没有RRC上下文存储

?

RRC_CONNECTED:
? ? ? ? ? ?

UE有E-UTRAN-RRC连接 UE在E-UTRAN中有上下文信息 E-UTRAN知道UE属于哪一个小区 网络可以传送或接收到达或来自UE的消息 移动性网络控制(切换,inter-RAT小区变更GERAN和NACC) 邻区测量
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NAS控制协议
NAS协议是用在UE和MME间交换信令:
?

在E-UREAN中,NAS消息或者链接在RRC消息中或者没有跟RRC消息链 接。 NAS协议包括EMM(移动性管理)协议,处理跟UE移动性和不同加密流 程相关的信令。ESM(会话管理)协议,处理与默认承载和专用用 户面承载的相关信令。 NAS消息的传输
?

?

?

如果传输块大小允许,初始消息和RRC连接请求链接在一起 当NAS和RRC过程同步时,其他NAS消息可以与RRC消息链接

?

?

NAS消息的完整性保护由RRC完成
NAS消息的加密由PDCP完成

?

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40

NAS的协议状态
NAS包含三种协议状态:LTE_DETACHED、LTE_IDLE、LTE_ACTIVE
?

在LTE_DETACHED状态下,没有RRC实体,通常是刚开机时的状态。网络侧还没有该 用户的RRC通信上下文。分配给用户的标识只有IMSI。网络不知道用户的位置信息。 没有上行或者下行的活动。可以执行PLMN/CELL选择。

?

在LTE_IDLE状态XIA ,网络侧保存用户的信息,如IP地址、安全相关的信息(密钥等)、用

户的能力信息、无线承载等。网络侧有该用户的通信上下文,这样可以使得用户能够快速
的跃迁到LTE_ACTIVE状态。分配给该用户的标识信息有IMSI、在跟踪区(TA)中唯一标识一 个用户的ID、一个或多个IP地址。网络知道终端在哪个跟踪区中。终端被分配了非连续接 收的周期,可以根据此周期进行下行的接收。在这种状态下,终端可以执行小区重选的过 程。
?

UE处于RRC_CONNECTED状态,网络侧保留UE的RRC通信上下文,包含所有满足通信的 必要信息.分配给该用户的标识信息由IMSI、在跟踪区中唯一标识一个用户的ID、在一个 小区内唯一标识C-RNTI以及一个或多个IP地址。网络可以知道UE处于哪个小区。在上行 和下行方向上用户都可以进行非连续发送和接收。移动性可以通过执行切换过程

来达到。
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随机接入信令流程示例

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42

寻呼信令流程示例

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43

小测试
1、LTE系统无线接口L2不包括()子层 A. MAC B.RLC C. RRC D. PDCP

2、下面TD-LTE的NAS协议,哪个说法是正确的? A. NAS协议用于UE和EnodeB之间的信令交互 B. NAS协议用于UE和MME之间的信令交互 C. NAS协议用于EnodeB和MME之间的信令交互 D. NAS协议用于UE、EnodeB和MME三者之间信令交互
3、X2接口支持的功能有:() A.漫游和区域限制支持功能 B.小区间干扰协调 C.流量控制功能和拥塞控制功能 D.负荷管理 4、LTE系统初期采用CS Fallback支持语音业务,采用CSFB时,需要在MME 和MSC之间增加( )接口 )接口 A. Uu B. S5 C. SGs D. S1-MME

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