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4G LTE教程

news 2025/9/15 14:04:10

整体架构

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物理层（第 1 层）

物理层通过空中接口传输来自 MAC 传输信道的所有信息。负责 RRC 层的链路自适应 (AMC)、功率控制、小区搜索（用于初始同步和切换目的）和其他测量（LTE 系统内部和系统之间）。

介质访问层 (MAC)

MAC层负责逻辑信道和传输信道之间的映射，将来自一个或多个逻辑信道的MAC SDU复用到传输块（TB）上，以便在传输信道上传送到物理层，将来自一个或多个逻辑信道的MAC SDU与从物理层在传输信道上传送的传输块（TB）进行解复用，调度信息报告，通过HARQ进行错误纠正，通过动态调度在UE之间进行优先级处理，在一个UE的逻辑信道之间进行优先级处理，逻辑信道优先级排序。

无线链路控制 (RLC)

RLC 有 3 种操作模式：透明模式 ™、非确认模式 (UM) 和确认模式 (AM)。

RLC 层负责上层 PDU 的传输、通过 ARQ 进行错误校正（仅适用于 AM 数据传输）、RLC SDU 的串联、分段和重组（仅适用于 UM 和 AM 数据传输）。

RLC 还负责 RLC 数据 PDU 的重新分段（仅适用于 AM 数据传输）、RLC 数据 PDU 的重新排序（仅适用于 UM 和 AM 数据传输）、重复检测（仅适用于 UM 和 AM 数据传输）、RLC SDU 丢弃（仅适用于 UM 和 AM 数据传输）、RLC 重建和协议错误检测（仅适用于 AM 数据传输）。

无线资源控制 (RRC)

RRC子层的主要服务和功能包括与非接入层（NAS）相关的系统信息广播、与接入层（AS）相关的系统信息广播、寻呼、UE与E-UTRAN之间的RRC连接的建立、维护和释放、安全功能包括密钥管理、点对点无线承载的建立、配置、维护和释放。

分组数据汇聚控制 (PDCP)

PDCP 层负责 IP 数据的报头压缩和解压、数据传输（用户平面或控制平面）、PDCP 序列号（SN）的维护、在重新建立下层时按顺序传送上层 PDU、在重新建立 RLC AM 上映射的无线承载的下层 SDU 的重复消除、用户平面数据和控制平面数据的加密和解密、控制平面数据的完整性保护和完整性验证、基于计时器的丢弃、重复丢弃，PDCP 用于映射到 DCCH 和 DTCH 类型的逻辑信道上的 SRB 和 DRB。

非接入层 (NAS) 协议

非接入层 (NAS) 协议构成了用户设备 (UE) 和 MME 之间的控制平面的最高层。

NAS 协议支持 UE 的移动性和会话管理程序，以建立和维护 UE 和 PDN GW 之间的 IP 连接。

LTE 层数据流

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层接收到的数据包称为服务数据单元 (SDU)，而层输出的数据包称为协议数据单元 (PDU)。让我们从上到下看看数据流：

IP 层将 PDCP SDU（IP 数据包）提交给 PDCP 层。PDCP 层进行报头压缩并将 PDCP 报头添加到这些 PDCP SDU。PDCP 层将 PDCP PDU（RLC SDU）提交给 RLC 层。

PDCP 报头压缩：PDCP 从 PDU 中删除 IP 报头（最少 20 个字节），并添加 1-4 个字节的令牌。这大大节省了原本必须通过无线方式传输的报头数量。
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LTE PDCP 服务数据单元
RLC 层对这些 SDUS 进行分段，形成 RLC PDU。RLC 根据 RLC 操作模式添加标头。RLC 将这些 RLC PDU（MAC SDU）提交给 MAC 层。

RLC 分段：如果 RLC SDU 较大，或者可用的无线数据速率较低（导致传输块较小），则 RLC SDU 可能会被拆分为多个 RLC PDU。如果 RLC SDU 较小，或者可用的无线数据速率较高，则多个 RLC SDU 可能会被打包成单个 PDU。

MAC 层添加报头并进行填充以使此 MAC SDU 适合 TTI。MAC 层将 MAC PDU 提交给物理层，以便将其传输到物理信道上。

物理通道将该数据传输到子帧的时隙中。

LTE 通信信道

不同协议之间的信息流称为信道和信号。LTE 使用几种不同类型的逻辑、传输和物理信道，这些信道根据其承载的信息类型和信息处理方式进行区分。

逻辑信道：定义通过空中传输的信息类型，例如业务信道、控制信道、系统广播等。数据和信令消息在 RLC 和 MAC 协议之间的逻辑信道上传输。
传输信道：定义如何通过无线方式传输数据，例如，传输数据的编码、交织选项是什么。数据和信令消息在 MAC 层和物理层之间的传输信道上传输。
物理信道：定义在空中传输的内容，例如 DL 帧中的前 N 个符号。数据和信令消息在物理层不同层级之间的物理信道上传输。

https://www.tutorialspoint.com/lte/lte_communication_channels.htm

LTE OFDM 技术

为了克服 UMTS 中存在的多径衰落问题，LTE 在下行链路中使用正交频分复用 (OFDM) - 即从基站到终端通过多个 180 KHz 的窄带信道传输数据，而不是将一个信号分散到整个 5MHz 信道带宽上。即 OFDM 使用大量窄子载波进行多载波传输来承载数据。

正交频分复用（OFDM）是一种用作数字多载波调制方法的频分复用（FDM）方案。

OFDM 满足 LTE 对频谱灵活性的要求，并为具有高峰值速率的超宽载波提供经济高效的解决方案。基本的 LTE 下行链路物理资源可以看作是一个时频网格，如下图所示：

OFDM 符号被分组为资源块。资源块在频域上的总大小为 180kHz，在时域上的总大小为 0.5ms。每个 1ms 传输时间间隔 (TTI) 由两个时隙 (Tslot) 组成。
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每个用户在时间频率网格中被分配一定数量的所谓资源块。用户获得的资源块越多，资源元素中使用的调制越高，比特率就越高。用户在给定时间点获得哪些资源块以及获得多少资源块取决于频率和时间维度的高级调度机制。

LTE 中的调度机制与 HSPA 中使用的机制类似，并能够在不同的无线电环境中为不同的服务提供最佳性能。

OFDM 的优点

OFDM 相对于单载波方案的主要优势在于它无需复杂的均衡滤波器便可应对严酷的信道条件（例如，长铜线中的高频衰减、窄带干扰和多径引起的频率选择性衰落）。

由于 OFDM 可以看作是使用许多缓慢调制的窄带信号而不是一个快速调制的宽带信号，因此信道均衡得到简化。

低符号率使得可以使用符号间的保护间隔，从而可以消除符号间干扰 (ISI)。

这种机制还有利于单频网络（SFN）的设计，其中几个相邻的发射器以相同的频率同时发送相同的信号，因为来自多个远距离发射器的信号可以建设性地组合，而不是像在传统的单载波系统中通常发生的那样互相干扰。

OFDM 的缺点

峰值与平均值之比高

对频率偏移敏感，因此也对多普勒频移敏感