《數字通信》十、系統(tǒng)架構LTE-WLAN異構網絡互聯(lián)方案

1、 數字通信 final chapter 2016年年04月月08日日 2/26面向面向IMT-AdvancedIMT-Advanced跨層優(yōu)化技術跨層優(yōu)化技術 3/26分布式異構協(xié)作網絡架構示意圖分布式異構協(xié)作網絡架構示意圖 同構協(xié)作優(yōu)化同構協(xié)作優(yōu)化異構系統(tǒng)優(yōu)化異構系統(tǒng)優(yōu)化分布式異構協(xié)作網絡架構示意圖分布式異構協(xié)作網絡架構示意圖 4/19n論文依托：國家重大專項論文依托：國家重大專項 IMT-Advanced 新型無線資源管理研究及驗證（新型無線資源管理研究及驗證（2009ZX03003-007-03）IMT-Advanced 跨層優(yōu)化技術（跨層優(yōu)化技術（2010ZX03003-001-02）

2、 n現(xiàn)狀：通信技術迅猛發(fā)展，層出不窮的無線通信系統(tǒng)為用戶提供了異現(xiàn)狀：通信技術迅猛發(fā)展，層出不窮的無線通信系統(tǒng)為用戶提供了異構的網絡環(huán)境。而未來無線網絡將以室內通信為其主要應用場景，根構的網絡環(huán)境。而未來無線網絡將以室內通信為其主要應用場景，根據只有空間傳輸損耗計算法則，傳輸距離縮短一半，則功耗變?yōu)樵瓉頁挥锌臻g傳輸損耗計算法則，傳輸距離縮短一半，則功耗變?yōu)樵瓉?/4，因此，室內覆蓋通信方式符合綠色通信的主流；另一方面，對，因此，室內覆蓋通信方式符合綠色通信的主流；另一方面，對于高速移動或室外通信，我們還必須借助宏基站的覆蓋。于高速移動或室外通信，我們還必須借助宏基站的覆蓋。n問題和挑戰(zhàn)：如何

3、使任何用戶在任何時間任何地點都能獲得具有問題和挑戰(zhàn)：如何使任何用戶在任何時間任何地點都能獲得具有QoS保證的服務，同時具備較低的功耗？保證的服務，同時具備較低的功耗？n解決方案：進行異構網絡融合，實現(xiàn)異構網絡之間的平滑切換解決方案：進行異構網絡融合，實現(xiàn)異構網絡之間的平滑切換 5/26面向面向IMT-AdvancedIMT-Advanced跨層優(yōu)化技術跨層優(yōu)化技術 6/19 u路徑選擇路徑選擇根據鏈路信道質量，進行接入網根據鏈路信道質量，進行接入網絡選擇絡選擇u虛擬網卡虛擬網卡屏蔽底層不同傳輸介質，實現(xiàn)異屏蔽底層不同傳輸介質，實現(xiàn)異構無線鏈路平滑切換構無線鏈路平滑切換u網絡地址轉換網絡地址轉換

4、(NAT)使具有內網使具有內網 IP 地址的終端連接地址的終端連接 Internetu自動請求重傳協(xié)議自動請求重傳協(xié)議(ARQ)多鏈路數據包匯聚重組，實現(xiàn)數多鏈路數據包匯聚重組，實現(xiàn)數據包按序提交，提供無線網絡據包按序提交，提供無線網絡 QoS QoS 保證的傳輸保證的傳輸 7/19 各節(jié)點功能模塊示意圖各節(jié)點功能模塊示意圖 8/26面向面向IMT-AdvancedIMT-Advanced跨層優(yōu)化技術跨層優(yōu)化技術 OSI七層網絡模型9/10 IEEE 802.1AX信道聚合協(xié)議棧10/10 3GPP LTE鏈路協(xié)議棧11/10 Evolution-UTRAN協(xié)議棧12/10Evolution-

5、UTRAN用戶平面協(xié)議棧用戶平面協(xié)議棧Evolution-UTRAN控制平面協(xié)議棧：控制平面協(xié)議棧：PDCP sublayer (terminated in eNB on the network side) performs the functions listed in section 5.3, e.g.: -Header Compression; (Only in User plane)-Integrity Protection; (User plane & control plane)-Ciphering. (User plane & control plane) 協(xié)議架

6、構13/10 eNB層次功能描述14/10 數據鏈路層信道聚合技術15/10 16/19 ARQ 模塊示意圖模塊示意圖 17/26面向面向IMT-AdvancedIMT-Advanced跨層優(yōu)化技術跨層優(yōu)化技術 18/26物理層物理層異構、傳輸載體多樣異構、傳輸載體多樣數據鏈路層數據鏈路層承上啟下、融合適配承上啟下、融合適配網絡上層協(xié)議網絡上層協(xié)議同構同構新型網絡無線協(xié)議棧架構：模塊最優(yōu)向全局最優(yōu)轉變新型網絡無線協(xié)議棧架構：模塊最優(yōu)向全局最優(yōu)轉變 19/67各協(xié)議層次之間的分組數據流圖IP分組數據包 IP包分割后的PDURLC數據頭編碼塊1傳輸幀控制單元1數據區(qū)1 IP包分割后的PDURLC數

7、據頭編碼塊2傳輸幀控制單元2數據區(qū)1 數據區(qū)2數據區(qū)N傳輸幀控制單元N 移動終端地址速率等級編碼塊個數絕對偏移L+MCRC校驗公共控制數據區(qū) RLC數據單元MAC數據頭 RLC數據單元MAC數據頭CRCCRC IP包分割后的PDURLC數據頭 編碼塊的長度由速率等級確定IP數據包數據包信道編碼塊信道編碼塊物理層數物理層數據傳輸幀據傳輸幀表示數據包填充部分表示數據包填充部分IP層層RLC子層子層物理層物理層MAC子層子層RLC數據單元數據單元MAC數據單元數據單元編碼塊3M個調制符號L個調制符號10ms 20/67物理層（PHY）層功能描述 21/67n物理層與MAC子層之間的通信通過層間接口原

8、語來完成。物理層與MAC子層的接口原語分為數據接口原語和控制接口原語。數據接口原語用于物理層和MAC子層間進行數據交換。控制接口原語用于物理層與MAC子層控制實體進行控制信息的交互，為MAC子層提供物理層當前的狀態(tài)，并完成物理層的參數配置、切換指示、接入消息及測量信息傳遞等功能。 22/67媒體接入控制（MAC）子層功能描述 nMAC子層處于物理層和RLC子層之間，向上為RLC子層提供服務，RLC子層通過邏輯信道將RLC子層的數據PDU提交給MAC子層發(fā)送，MAC子層向下利用物理信道使用物理層提供的服務。nMAC子層實現(xiàn)的主要功能包括：以數據PDU為單位的前、反向無線數據帶寬的動態(tài)申請和動態(tài)統(tǒng)

9、計復用、支持不同優(yōu)先等級的多個用戶的多種數據業(yè)務的QoS控制，邏輯信道和物理信道的映射、MAC子層SDU和物理層數據傳輸塊的動態(tài)適配以及對物理層傳輸參數的進行動態(tài)配置。 23/67nMAC子層與RLC子層之間的通信由定義的層間接口原語來完成。MAC子層與RLC子層的接口原語分為數據接口原語和控制接口原語。數據接口原語用于MAC子層和RLC子層間進行數據交互?？刂平涌谠Z用于MAC子層與RLC子層控制實體進行控制信息的交互，實現(xiàn)RLC子層和MAC子層的狀態(tài)共享。 24/67無線鏈路控制（RLC）子層功能描述 n無線鏈路控制（RLC）子層主要實現(xiàn)對RLC子層服務數據單元的分割和重組、加密和解密、傳

10、輸差錯控制和各種數據邏輯鏈路的建立、釋放、配置等功能。RLC子層由多個RLC實體和控制實體組成。RLC實體可根據傳輸業(yè)務類型的不同，配置成非確認模式、可靠傳輸模式和盡力可靠傳輸模式。RLC控制實體的主要功能是實現(xiàn)數據邏輯鏈路的建立、釋放、參數配置，以及數據鏈路層的軟切換控制過程。 25/67基站發(fā)射機設計方案圖 CRC幀 內符 號交 織符 號 擾 碼小 區(qū) 擾 碼發(fā) 生 器IFFT控 制 信 息 比特 生 成CRC差 分QPSK調 制符 號 擾 碼主 導 頻 信 號發(fā) 生 器接 入 應 答信 息 生 成CRC控 制信 道物 理幀 組成時 分復 用同 步信 道同 步 信 號發(fā) 生 器分 組 數據

11、 塊數 據 塊 控制 信 息CRC數 據信 道物 理幀 組成尋 呼 信 息功 率 控 制 模 塊反 向 接 入 前綴 檢 測 單 元信 道編 碼時 頻 域加 窗 及峰 均 比抑 制D/A添 加循 環(huán)前 綴子載波映射空時編碼IFFT輔 導 頻 信 號發(fā) 生 器添 加循 環(huán)前 綴時 頻 域加 窗 及峰 均 比抑 制D/A信 道 編 碼 、 比 特 隨 機 化 、 比特 交 織 、 調 制 、 擴 頻 單 元信 道 編 碼 、 比 特 隨 機 化 、 比特 交 織 、 調 制 、 擴 頻 單 元 26/67物理層設計方案的主要內容包括 n物理層設計方案的主要內容包括：n物理層數據傳輸流程n物理傳輸幀

12、結構n傳輸速率等級n傳輸信號的隨機化n信道編、解碼n比特交織n符號調制n正交擴頻n幀內調制符號交織n導頻信號插入n子載波映射及時頻域信號轉換n時、頻域加窗n符號加擾nMIMO n空時編碼nFFT/IFFTn峰均比抑制n傳輸定時和同步控制n接收機同步算法n信道估計算法 27/67前向鏈路物理層數據傳輸示意圖 PHY傳輸控制實體MAC層PHY層MAC控制單元控制單元MAC數據單元數據單元CRC校驗 & 信道編/解碼比特隨機化、交織/解交織QAM調制/解調正交擴頻/解擴物理傳輸幀組成導頻信道載波映射控制信道載波映射幀內符號交織/解交織&子載波映射/解映射符號加擾/解擾（區(qū)分小區(qū)）IF

13、FT/FFT同步信道時分復用/解復用OFDM物理承載 n不同通信方式PHY物理層載體都是異構的；nIP互聯(lián)，任何設備都需遵循共同的IP架構；n因此，異構互聯(lián)互通，主要在IP之下、PHY之上進行適配；28/10 29/26lHeNB：一種基于LTE協(xié)議棧的小型家庭基站。熱點覆蓋范圍類似于WLAN。 eNBeNB與與HeNBHeNB之間的切換移之間的切換移動錨點動錨點通過通過S1S1接口連接到接口連接到MME/S-GWMME/S-GW緊耦合的系統(tǒng)結構緊耦合的系統(tǒng)結構基于基于LTELTE內部切換機制，屬內部切換機制，屬于鏈路層切換于鏈路層切換 30/26功能定位類似于功能定位類似于eNBeNB可以將

14、其稱之為虛擬可以將其稱之為虛擬eNB(Virtual-eNB)eNB(Virtual-eNB) WLANWLAN無線傳輸鏈路無線傳輸鏈路用戶面用戶面IPIP數據分組數據分組RRCRRC信令信令NASNAS信令信令30 31/26 LTE-WLANLTE-WLAN移動錨點移動錨點幾個幾個WLANWLAN子網構子網構成擴展成擴展WLANWLAN虛擬虛擬小區(qū)，賦予跟蹤區(qū)小區(qū)，賦予跟蹤區(qū)域標識域標識S1S1X2X2緊耦合方式緊耦合方式LTELTE內部切換移動錨點內部切換移動錨點 32/19n網關側分別收集三條鏈路的反饋信息：網關側分別收集三條鏈路的反饋信息：leNB 把把 UE 的測量信息匯報到上層，

15、由的測量信息匯報到上層，由 eNB 和和Linux 網關網關之間的之間的 CQI 匯報接口轉發(fā)給匯報接口轉發(fā)給Linux網關網關；lWLAN 的的 CPE 設備把設備把 beacon 質量信息和質量信息和 RSSI也通也通過相應的接口提交給過相應的接口提交給 Linux 網關網關。 33/26面向面向IMT-AdvancedIMT-Advanced跨層優(yōu)化技術跨層優(yōu)化技術 34/26n技術背景以及解決的問題：高鐵環(huán)境下，如何避免大量UE的切換引起的掉話、切換失敗等問題；如何避免backhaul UE（RN）在RLF時引起的數據傳輸效率降低的問題；如何避免backhaul 鏈路可能受限的問題；

16、35/26n針對該技術問題采取的針對性手段：提出了多鏈路匯聚的設計方案（L2 over 多隧道 ）多無線鏈路匯聚RELAY傳輸方案，支持多個LTE無線接入模塊； 36/26n多鏈路匯聚RELAY傳輸技術方案的RN，支持多個LTE無線接入模塊；nRN連接的每個LTE無線接入網元（模塊）可以在不同的位置，多個無線接入網元（模塊）可能接入同一個eNB，也可能接入不同的eNB；n每個無線接入網元的IP地址與匯聚Server設備IP地址之間，可以建立一條隧道連接，用于回傳連接的LLC報文；RN有N個無線接入網元（模塊）時，建立N條隧道連接 。 37/26nMobile RN的協(xié)議棧：Mobile RN的

17、協(xié)議分為兩部分：1）RN完成LLC的封裝2）LTE無線接入模塊的協(xié)議處理部分在LLC之下 38/26n通過LLC層聚合、封裝的優(yōu)點： 高鐵環(huán)境下RN會頻繁的穿越小區(qū)，而且火車長度在100m甚至更長，因此LLC應用層匯聚的方法可以提高backhaul鏈路的有效性和傳輸效率；當只有某路LTE無線接入網元出現(xiàn)RLF時，其余通道不受影響，可以繼續(xù)在UN口傳輸數據（LLC負責按序遞交和重傳）； 39/26n多通道匯聚Relay核心內容和優(yōu)點：n兼容性、可擴展性好，只增加匯聚Server設備，對空口協(xié)議不用修改；n可實現(xiàn)多個backhaul UE的隧道匯聚，支持多無線鏈路同時傳輸，保證回傳鏈路IP分組的無

18、線鏈路傳輸效率；n多個鏈路同時relay IP分組，重傳和新傳可以承載在不同隧道連接上，多個隧道連接同時不通的概率較小，可以較好保證用戶保持always online，通過多通路的重傳減少底層切換的影響； 40/26nRLC over WLAN，兼容現(xiàn)有用戶平面、控制平面，同時支持RRC信令可靠傳輸，無丟包；n多隧道異構匯聚大帶寬，支持多無線鏈路同時傳輸，保證backhaul回傳鏈路IP分組的無線鏈路傳輸效率； n以上兩方案，不用修改空口協(xié)議，兼容性好。 41/26面向面向IMT-AdvancedIMT-Advanced跨層優(yōu)化技術跨層優(yōu)化技術 42/19n終端同時連接簡化版終端同時連接簡化版IMT-A無線上網卡與無線上網卡與WLAN終端，無線上網卡與終端，無線上網卡與WLAN終端分別能夠接入異終端分別能夠接入異構場景下的各自網絡，并能夠進行業(yè)務演示，終構場景下的各自網絡，并能夠進行業(yè)務演示，終端根據兩個網絡的信道質量進行網絡切換，系統(tǒng)端根據兩個網絡的信道質量進行網絡切換，系統(tǒng)演示演示 ftp、語音、多媒體業(yè)務。、語音、多媒體業(yè)