LTE移動通信基礎知識演講人：日期:01技術(shù)概述02系統(tǒng)架構(gòu)03關(guān)鍵技術(shù)原理04物理層結(jié)構(gòu)05核心網(wǎng)機制06性能與演進目錄CATALOGUE技術(shù)概述01PARTLTE定義與演進背景長期演進技術(shù)（LTE）01LTE是3GPP組織制定的第四代移動通信標準，旨在提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更低的延遲和更好的頻譜效率，是3G技術(shù)向4G過渡的核心技術(shù)。標準化進程02LTE標準最早于2008年發(fā)布Release8版本，后續(xù)通過Release9至Release16的持續(xù)演進，逐步引入載波聚合、MIMO增強等關(guān)鍵技術(shù)，為5G奠定基礎。市場需求驅(qū)動03隨著智能手機普及和移動互聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)，用戶對高速數(shù)據(jù)業(yè)務的需求激增，推動運營商加速部署LTE網(wǎng)絡以替代傳統(tǒng)3G網(wǎng)絡。全球商用化進程042010年瑞典率先商用LTE，隨后美國、日本、韓國等國家快速跟進，中國于2013年發(fā)放TD-LTE牌照，開啟大規(guī)模建設。通過扁平化網(wǎng)絡架構(gòu)（取消RNC節(jié)點），控制面時延低于100ms，用戶面時延可控制在5ms以內(nèi)，滿足實時業(yè)務需求。低時延優(yōu)化支持1.4MHz至20MHz靈活帶寬配置，采用高階調(diào)制（64QAM）和MIMO技術(shù)，頻譜效率達到3G的2-3倍。頻譜效率突破01020304采用OFDMA和SC-FDMA多址技術(shù)，下行峰值速率可達100Mbps（20MHz帶寬），上行50Mbps，較3G提升10倍以上。峰值速率提升核心網(wǎng)全面轉(zhuǎn)向基于IP的EPC架構(gòu)，實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、視頻業(yè)務的統(tǒng)一承載，降低運維復雜度。全IP化架構(gòu)主要技術(shù)優(yōu)勢應用場景分類增強移動寬帶（eMBB）面向高清視頻流、VR/AR等大帶寬業(yè)務，通過載波聚合技術(shù)實現(xiàn)超1Gbps速率，典型應用包括4K視頻直播、云端游戲等。關(guān)鍵任務通信針對應急指揮、公共安全等領(lǐng)域，提供高可靠低時延（URLLC）連接，滿足99.999%可靠性要求的專網(wǎng)通信需求。大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）通過NB-IoT和eMTC技術(shù)實現(xiàn)海量設備連接，單個基站可支持5萬+終端，適用于智能電表、環(huán)境監(jiān)測等LPWA場景。車聯(lián)網(wǎng)（V2X）基于LTE-V2X技術(shù)實現(xiàn)車與車、車與基礎設施的直接通信，時延低于20ms，支持前向碰撞預警等主動安全功能。系統(tǒng)架構(gòu)02PARTE-UTRAN組成eNodeB（演進型基站）作為LTE接入網(wǎng)的核心設備，負責無線資源管理、數(shù)據(jù)包調(diào)度、移動性管理及與核心網(wǎng)的接口處理，支持多天線技術(shù)（MIMO）以提升頻譜效率。01X2接口實現(xiàn)eNodeB之間的直接通信，用于切換協(xié)調(diào)、干擾協(xié)調(diào)和負載均衡，確保用戶設備（UE）在基站間無縫切換。02S1接口連接eNodeB與EPC核心網(wǎng)，分為S1-MME（控制面）和S1-U（用戶面），分別傳輸信令和用戶數(shù)據(jù)流量，支持靈活的網(wǎng)絡部署和擴展。03無線資源控制（RRC）負責UE與eNodeB間的連接建立、維護和釋放，包括系統(tǒng)信息廣播、尋呼、測量報告配置等關(guān)鍵流程。04EPC核心網(wǎng)架構(gòu)MME（移動性管理實體）作為控制面核心網(wǎng)元，處理NAS信令、鑒權(quán)加密、跟蹤區(qū)更新及會話管理，支持跨基站和跨核心網(wǎng)的移動性管理。02040301PGW（分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)）連接外部PDN網(wǎng)絡（如互聯(lián)網(wǎng)），實現(xiàn)IP地址分配、策略控制（PCRF交互）及QoS保障，支持多APN接入和深度包檢測功能。SGW（服務網(wǎng)關(guān)）作為用戶面錨點，負責數(shù)據(jù)包路由與轉(zhuǎn)發(fā)、跨eNodeB切換時的數(shù)據(jù)緩存及計費信息生成，與PGW協(xié)同保障數(shù)據(jù)連續(xù)性。HSS（歸屬用戶服務器）存儲用戶簽約數(shù)據(jù)、鑒權(quán)參數(shù)及位置信息，為MME提供用戶身份驗證和服務授權(quán)支持，是用戶數(shù)據(jù)管理的中央數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)元功能說明動態(tài)制定QoS策略和計費規(guī)則，基于用戶訂閱和網(wǎng)絡狀態(tài)調(diào)整帶寬分配，支持差異化服務（如視頻優(yōu)先保障）。優(yōu)化核心網(wǎng)信令流量，實現(xiàn)MME、HSS等網(wǎng)元間的Diameter消息路由與負載均衡，提升信令處理效率。存儲IMEI黑白名單，用于識別被盜或非法設備，與MME交互實現(xiàn)終端接入控制，增強網(wǎng)絡安全性。在2G/3G與LTE互操作場景下，負責分組數(shù)據(jù)會話管理，確保用戶在異構(gòu)網(wǎng)絡間的平滑切換和數(shù)據(jù)業(yè)務連續(xù)性。PCRF（策略與計費規(guī)則功能）DRA（Diameter路由代理）EIR（設備標識寄存器）SGSN（服務GPRS支持節(jié)點）關(guān)鍵技術(shù)原理03PART頻域資源分配原理利用循環(huán)前綴（CP）消除符號間干擾（ISI），在時延擴展嚴重的無線環(huán)境中保持信號完整性，CP長度通常為4.7μs（常規(guī)CP）或16.7μs（擴展CP）?？苟鄰剿ヂ淠芰β士刂铺匦圆捎妙l域選擇性調(diào)度算法，根據(jù)信道質(zhì)量指示（CQI）動態(tài)調(diào)整用戶功率分配，支持小區(qū)邊緣用戶通過QPSK調(diào)制與中心用戶64QAM調(diào)制共存。OFDMA通過將可用頻譜劃分為多個正交子載波，實現(xiàn)多用戶并行傳輸，每個用戶動態(tài)分配不同子載波組，顯著提升頻譜利用率。典型子載波間隔為15kHz，支持靈活的資源塊（RB）分配策略。OFDMA多址技術(shù)通過2×2或4×4天線配置實現(xiàn)多層數(shù)據(jù)流并行傳輸，峰值頻譜效率可達16bps/Hz（4×4MIMO），采用預編碼矩陣指示（PMI）優(yōu)化波束成形。MIMO多天線機制空間復用技術(shù)運用空時編碼（STBC）或空頻編碼（SFBC）提升抗衰落能力，典型如Alamouti編碼方案可使接收信噪比提升3dB。分集增益實現(xiàn)支持3D波束賦形和三維信道建模，在5GNR中擴展至64T64R天線陣列，實現(xiàn)毫米波頻段的精準覆蓋。大規(guī)模MIMO演進低峰均比特性采用離散傅里葉變換擴展OFDM（DFT-s-OFDM）結(jié)構(gòu)，將時域信號能量均勻分布，使功率放大器效率提升30%以上，特別適合終端設備節(jié)能需求。單載波調(diào)制優(yōu)勢保留傳統(tǒng)單載波系統(tǒng)的恒定包絡特性，通過頻域均衡（FDE）技術(shù)補償多徑效應，支持上行鏈路12Mbps/20MHz的傳輸速率。資源塊調(diào)度機制采用集中式資源分配（LocalizedFDMA）降低控制信令開銷，每個UE最小分配1個RB（180kHz），支持動態(tài)帶寬調(diào)整從1.4MHz到20MHz。SC-FDMA上行傳物理層結(jié)構(gòu)04PART幀結(jié)構(gòu)與時隙配置無線幀與子幀劃分LTE系統(tǒng)采用10ms無線幀結(jié)構(gòu)，每個無線幀分為10個子幀，每個子幀時長為1ms，支持靈活配置以適應不同業(yè)務需求。TDD與FDD模式差異TDD模式通過動態(tài)分配上下行時隙實現(xiàn)雙向通信，而FDD采用固定頻段分離上下行，需根據(jù)網(wǎng)絡需求選擇配置方案。時隙與符號結(jié)構(gòu)每個子幀包含2個時隙，常規(guī)循環(huán)前綴下每時隙由7個OFDM符號組成，擴展循環(huán)前綴下為6個符號，確保多徑干擾抑制與傳輸效率平衡。下行物理信道包括PDCCH（物理下行控制信道）用于調(diào)度信息傳輸、PDSCH（物理下行共享信道）承載用戶數(shù)據(jù)、PBCH（物理廣播信道）傳遞系統(tǒng)信息等。物理信道分類上行物理信道涵蓋PUCCH（物理上行控制信道）反饋信道狀態(tài)與ACK/NACK、PUSCH（物理上行共享信道）傳輸用戶數(shù)據(jù)、PRACH（物理隨機接入信道）用于初始接入同步。參考信號設計CRS（小區(qū)參考信號）輔助信道估計，DMRS（解調(diào)參考信號）專用于特定用戶數(shù)據(jù)解調(diào)，SRS（探測參考信號）支持上行信道質(zhì)量測量。調(diào)制與編碼方案自適應調(diào)制編碼（AMC）基于CQI（信道質(zhì)量指示）動態(tài)調(diào)整調(diào)制階數(shù)與編碼速率，實現(xiàn)鏈路自適應與頻譜效率最大化。03采用Turbo碼與卷積碼組合，Turbo碼用于業(yè)務信道提高糾錯能力，卷積碼適用于控制信道保證低時延解碼。02信道編碼方案高階調(diào)制技術(shù)支持QPSK、16QAM、64QAM等多種調(diào)制方式，根據(jù)信道條件動態(tài)選擇，64QAM可在高信噪比環(huán)境下提升峰值速率。01核心網(wǎng)機制05PART附著與鑒權(quán)流程用戶設備注冊與身份驗證當用戶設備首次接入LTE網(wǎng)絡時，需通過IMSI（國際移動用戶識別碼）向MME（移動管理實體）發(fā)起附著請求，核心網(wǎng)通過HSS（歸屬用戶服務器）完成鑒權(quán)與密鑰協(xié)商，確保設備合法性。安全上下文建立鑒權(quán)成功后，MME與用戶設備協(xié)商生成NAS（非接入層）和AS（接入層）加密密鑰，保障空口和信令傳輸?shù)臋C密性與完整性。默認承載激活核心網(wǎng)通過PGW（分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)）為用戶分配IP地址并建立默認EPS（演進分組系統(tǒng)）承載，確保基礎數(shù)據(jù)業(yè)務可立即使用。異常處理機制若鑒權(quán)失敗或網(wǎng)絡擁塞，核心網(wǎng)會觸發(fā)拒絕附著流程，并可能要求用戶設備重新發(fā)起請求或切換至其他可用網(wǎng)絡。移動性管理當用戶設備移動至新的跟蹤區(qū)（TA）時，需向MME發(fā)起TAU請求，核心網(wǎng)更新用戶位置信息并優(yōu)化尋呼策略，減少信令開銷。跟蹤區(qū)更新（TAU）基于X2或S1接口的切換流程由源基站和目標基站協(xié)同完成，核心網(wǎng)確保業(yè)務連續(xù)性，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑重建和QoS（服務質(zhì)量）參數(shù)同步。切換控制（Handover）支持LTE與2G/3G/WiFi等異系統(tǒng)間的無縫切換，核心網(wǎng)通過SGSN（服務GPRS支持節(jié)點）或ePDG（演進分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)）實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換與會話錨定?？缦到y(tǒng)移動性核心網(wǎng)通過MME監(jiān)控用戶設備狀態(tài)，在空閑態(tài)時啟用節(jié)能機制，連接態(tài)時快速響應業(yè)務需求，平衡資源利用率與用戶體驗?？臻e態(tài)與連接態(tài)管理02040103計費架構(gòu)離線計費（OfflineCharging）通過CG（計費網(wǎng)關(guān)）收集PGW和SGW（服務網(wǎng)關(guān)）生成的CDR（呼叫詳細記錄），包括流量、時長、QoS等級等，供運營商后期批價與結(jié)算。在線計費（OnlineCharging）由OCS（在線計費系統(tǒng)）實時監(jiān)控用戶余額，在會話建立或業(yè)務使用前預扣費，適用于預付費用戶或高價值業(yè)務（如國際漫游）。差異化計費策略基于APN（接入點名稱）或DNN（數(shù)據(jù)網(wǎng)絡名稱）實施分級計費，例如視頻流量與普通網(wǎng)頁瀏覽可采用不同費率，支持運營商靈活定價。漫游計費協(xié)調(diào)通過TAP（TransferredAccountProcedure）文件在歸屬網(wǎng)絡與拜訪網(wǎng)絡間傳遞計費信息，確?？邕\營商場景下的費用分攤與清算準確性。性能與演進06PART峰值速率指標下行峰值速率LTERelease8版本理論下行峰值速率可達100Mbps（20MHz帶寬），實際部署中受調(diào)制方式（如64QAM）、MIMO技術(shù)（如2×2MIMO）和信道條件影響，通常為50-80Mbps。01上行峰值速率采用單天線傳輸時上行峰值速率為50Mbps（20MHz帶寬），若引入高階調(diào)制（16QAM）和上行MIMO技術(shù)，速率可進一步提升至75Mbps以上。載波聚合影響通過LTE-Advanced的載波聚合技術(shù)（CA），將多個載波捆綁使用，峰值速率可成倍增長，例如3載波聚合（60MHz）時下行速率可達450Mbps。實際網(wǎng)絡限制用戶實際體驗速率受基站負載、干擾管理、終端能力等因素制約，通常為峰值速率的30%-60%。020304控制面延遲用戶面延遲LTE網(wǎng)絡控制面延遲（從空閑態(tài)到連接態(tài)）要求低于100ms，實際優(yōu)化后可達到50ms以內(nèi)，顯著優(yōu)于3G網(wǎng)絡的200-300ms延遲。單跳用戶面?zhèn)鬏斞舆t（如基站到終端）理論值小于5ms，端到端延遲（終端到服務器）在理想環(huán)境下可控制在20-30ms，滿足實時業(yè)務需求。網(wǎng)絡延遲特性時延敏感業(yè)務支持通過QoS機制劃分優(yōu)先級，可為VoLTE（要求延遲<150ms）、在線游戲（<50ms）等業(yè)務提供差異化低延遲保障。延遲優(yōu)化技術(shù)采用TTIBundling、半持續(xù)調(diào)度（SPS）等技術(shù)可進一步降低重傳時延，提升邊緣用戶體驗。LTE-Advanced演進方向引入下行8×8MI