1.3 LTE无线网络

1.3.1 LTE无线网络的组成

在移动通信系统中，无线网络承上启下，连接核心网和终端设备，实现移动通信业务的覆盖，是移动通信系统的关键组成部分。

想要了解LTE无线网络，我们还是从LTE无线网络的组成开始。

在介绍LTE无线网络的组成时，各类参考书往往会先展示图1.19。这是一张非常有名的图，出自LTE的技术规范TS36.300。在LTE无线网络的相关技术规范中，TS36.300是一个总体概述，值得大家好好研读。

在图1.19中，E-UTRAN通俗地说就是LTE无线网络，与EPC相对应。不过与EPC不同，LTE无线网络中只有一种网元：基站（eNB），非常精悍。

从图1.19中我们看到，基站（eNB）之间通过X2接口互联，通过S1接口与核心网设备相连。从1.2节我们知道，S1分为两种接口：S1-MME和S1-U。基站（eNB）通过S1-MME与MME连接，通过S1-U与SGW连接。这些接口都基于IP技术，而正是利用IP技术来组网，才能方便成千上万基站之间互联以及基站与核心网设备的连接。

从图1.19中我们还可以看到，基站与多个MME连接，这些MME构成了一个池组；基站也与多个SGW连接，这些SGW之间可以实现负荷分担。

当然，图1.19与真实网络还是有一些出入的，也就是图1.19很容易让人理解为MME与SGW是同一套物理设备，而事实上，MME与SGW通常是两套单独的物理设备。

1.3.2 LTE无线网络的功能

了解了LTE无线网络是什么之后，接下来我们介绍LTE无线网络做什么，也就是LTE无线网络的功能。

这里又会引出一张非常面熟的图，各类参考书往往会引用，本书也不例外，这就是图1.20，该图展示了LTE无线网络的功能与层次结构（引自TS36.300）。

图1.20笔者不打算翻译为中文，因为翻译版已经很多了，况且原版的英文单词也不是很生僻的，理解起来并不困难。

图1.20的右边讲的是核心网三大网元的功能，可以看成对前一节内容的复习，比如MME最主要的功能是鉴权、寻呼、位置更新、切换以及业务承载的管理；SGW的主要功能是作为移动性的锚点，也就是中转站；PGW的主要功能是分配IP地址、过滤分组数据包以及与Internet连接。

图1.20的左边介绍了无线网络的功能与层次结构，无线网络的功能在白色方框中列出，包括如下一些功能：

● 小区间无线资源的管理；

● 无线承载的控制；

● 连接状态移动性管理（切换）；

● 无线准入控制；

● eNB测量报告的配置与规定；

● 动态资源调度。

如果大家想深入了解这些功能，可以阅读《LTE教程：机制与流程》（第2版）一书，书中安排了相当多的篇幅来介绍LTE无线网络的功能。

LTE无线网络的功能其实就是基站（eNB）的功能，与之相对，WCDMA无线网络的功能分布在RNC和eNB两个网元上，这是LTE无线网络与WCDMA无线网络的显著差别。

不难看出，eNB的主要功能就是连接、管理和控制终端，并且为核心网连接、管理以及控制终端提供沟通的管道。

显然，为了实现这些功能，eNB需要与终端以及核心网进行交互，也就是要传递大量的信息，接下来我们就来了解LTE无线网络是怎么传递信息的。

1.3.3 LTE无线网络与信息传递

在讲解LTE无线网络如何传递信息前，我们先简单介绍一下与信息传递密不可分的接口——空中接口。

空中接口是终端与基站两种设备之间的无线接口（Radio Interface），利用空中的无线电波来传递信息。图1.21为空中接口的示意图。

空中接口是终端与移动通信网络之间通信的唯一接口，终端只有通过空中接口连接到无线网络后，用户才能获得移动通信系统提供的服务，空中接口的重要性可见一斑。

具体到LTE空中接口，这是UE（终端）与eNB两种设备之间的无线接口。LTE空中接口称为Uu接口，与WCDMA空中接口保持一致。

与WCDMA空中接口类似，在LTE空中接口中，信息利用承载（Bearer）来传递。承载是一个专用术语，可以理解为车辆，而信息则相当于车辆上的乘客。

LTE空中接口的承载分为信令承载和业务承载两大类，分别用来承载信令和业务数据。想深入了解信令与业务数据，可阅读《LTE教程：结构与实施》（第2版）一书。

1.信令承载

顾名思义，信令承载就是用来承载信令的。

eNB在空中接口Uu上建立了与终端相关的信令承载，也就是信令无线承载（SRB）。图1.22展示了LTE无线网络中的信令承载，图1.22的左下角就是SRB，位于Uu接口中。附带说一下，WCDMA空中接口也是用SRB来承载信令的。

eNB还在S1-MME接口上建立了与MME连接的信令承载，其专用名称为S1-CP，图1.22的右下角就是S1-CP。

形象地说，基站有两只传送信令之手，一只手是SRB，连接了终端；另外一只手是S1-CP，连接了MME。

SRB上承载了两种信令，一种是终端与无线网络交互的信令，被简称无线信令；另外一种是终端与MME交互的信令，被称为上层信令。

S1-CP上同样承载了两种信令，一种是上层信令；另外一种是基站与MME交互的信令，被称为S1信令。

从图1.22可以看到，传送上层信令需要S1-CP和SRB的共同参与，而传送无线信令只需要借助SRB，传送S1信令只需要借助S1-CP。

2.端到端的业务承载

信令其实是为业务服务的，介绍了LTE无线网络中的信令承载后，接下来我们介绍业务承载。

LTE无线网络的业务承载是端到端业务承载的一部分，端到端的业务承载（引自TS36.300）如图1.23所示。

从图1.23可以看到，要想实现端到端的分组业务，需要网络中更多设备接力工作。因此，处理业务承载远比处理信令承载复杂，这主要是对端设备的差异：信令承载的对端就在LTE网络的核心网上，而业务承载的对端远在Internet上。

我们从图1.23的最下面看起，左下角的Radio表示空中接口，也就是Uu接口。Uu接口上面就是无线承载（Radio Bearer，RB）。RB与S1接口上的S1Bearer合在一起，就构成了E-RAB。无线接入承载（RAB）是WCDMA无线网络中业务承载的处理单位，而在LTE无线网络中改名为E-RAB。

E-RAB和SGW与PGW之间的S5/S8Bearer组合在一起，就构成了EPS Bearer。所谓EPS，就是LTE网络。EPS Bearer再加上PGW与Internet的外部承载（External Bearer），连接到对端网络的承载通道，就实现了端到端的业务连接（End-to-end Service）。

1.3.4 LTE空中接口的分层结构

了解了LTE无线网络中传递的信息后，接下来我们介绍LTE空中接口内部是如何处理这些信息的。

1.信令承载与业务承载的复用

从1.3.3节我们看到，信令无线承载（SRB）和业务无线承载（RB）有明显的差别，一个与MME相关，一个与SGW相关。

那么问题来了，在LTE空中接口上，两者是不是各自为政，你走你的阳关道，我过我的独木桥呢？答案是否定的。

图1.24展示了LTE空中接口上信令与业务的处理过程。从图1.24可以看到，尽管信令无线承载（SRB）和业务无线承载（RB）的来源或者目的地不同，在eNB中也使用了不同的信道来处理，但是最后还是会复用到一起的，通过统一的无线连接发送给终端。也就是说，尽管有这样那样的差别，但是LTE空中接口把SRB和RB看成了一类：都是空中接口要传送的信息，也就是负载。

这种复用的处理方式并不是LTE空中接口的独创，WCDMA空中接口就采用了这种处理方式，复用可以提高无线资源的利用率，对移动通信系统至关重要。

2.LTE空中接口的分层结构

图1.24比较概括，那么LTE空中接口具体是如何处理信令与业务的呢？这就涉及LTE空中接口的分层结构。

之前大家可能会注意到，在图1.20中还有一些深色方框的内容没有介绍，这些内容都是缩写，其实就是接下来要介绍的LTE空中接口的分层结构。

图1.25展示了LTE空中接口的分层结构，每个方框代表一个层次结构，从最上面的RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）子层开始，再到PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）、RLC（Radio Link Control，无线链路控制）、MAC（Medium Access Control，介质访问控制）子层，最后到PHY（PHYsical）（物理）层。

LTE空中接口的每个层次结构上都定义了相应的功能，其实就是一个功能模块，执行控制面信令以及用户面业务相应的处理过程。如果大家想了解LTE空中接口各个层次的具体功能，可以阅读《LTE教程：机制与流程》（第2版）一书。

附带说一下，对于了解WCDMA空中接口的人来说，这个层次结构再熟悉不过了，两种空中接口的层次结构是一模一样的。因此，说LTE技术是演进，很有道理。

为了方便管理，在LTE空中接口上还定义了各种类型的信道，分别是逻辑信道、传输信道和物理信道，这些信道是信息的传输通道，与WCDMA空中接口的对应信道的功能是类似的。区别在于LTE空中接口的传输信道和物理信道已经不划分专用和共享信道了，统一使用共享信道，这样可以提高无线资源的利用率。

从图1.25中我们看到，在逻辑信道以上，信令与业务还是由控制面和用户面分别处理的；但是到了传输信道以后，信令与业务就复用到一起了。

1.3.5 基站物理层处理过程

在LTE空中接口的层次结构中，物理层是非常重要的。前面说过，LTE系统革命性的一面，就体现在物理层上。接下来我们就专门介绍一下基站物理层的信息处理过程，图1.26简要地展示了该过程。

从图1.26的左边可以看出，基站物理层需要处理的信息分为三类，第一类是物理层自己产生的，如参考信号等信息；第二类是控制信息，包括各种信令；第三类是业务信息，也就是业务数据。前面两类信息，其实都是为传送业务数据服务的。

这三类信息统一先由多天线模块来处理，得到多路数据流。多路数据流再由时频结构模块来处理，相当于为数据流分配相应的物理资源。然后，每路数据流都会进行OFDM信号的发生，产生的OFDM信号由射频模块来处理，输出到天线，然后发射出去，这样就完成了基站物理层的信息处理过程。

后续章节我们将结合基站信息处理过程，深入介绍OFDM以及多天线模块的原理与实现方式，至于其他模块的内容，已在《LTE教程：结构与实施》（第2版）一书中深入介绍。

1.3.6 基站的种类与结构

前面介绍了基站是LTE无线网络的唯一主角，本节的最后我们来了解一下LTE基站的种类与结构。

常见的LTE基站分为微蜂窝基站和分布式基站两大类，不过我们需要先提一下宏蜂窝基站。宏蜂窝基站自GSM系统起就开始广泛应用，是2G、3G移动通信系统最常见的基站。“宏”代表基站容量大，输出功率大，业务覆盖范围大，业务覆盖能力强；“宏”也代表基站体积大，占用机房空间多，能耗高。

在LTE系统中，由于天线的馈线问题，宏蜂窝基站已经基本出局，不再风光。

（1）微蜂窝基站

微蜂窝基站的“微”得名于相对宏蜂窝基站，其体积小，业务覆盖范围小。之所以“微”，那是由于微蜂窝基站的发射功率较小，比宏蜂窝基站小一个数量级以上。

微蜂窝基站根据发射功率的大小，还可细分为微蜂窝（Micro）、微微蜂窝（Pico）和Femto等多种类型。其中，Micro基站的发射功率在瓦级，Pico基站的发射功率在百毫瓦级，Femto基站的发射功率在十毫瓦级。

微蜂窝基站的覆盖范围小，覆盖范围内的用户数量并不会太多，基站容量通常比较小。因此微蜂窝基站比较适合用来覆盖弱覆盖区或者覆盖盲区，也就是所谓的“补盲”，另外微蜂窝基站也可以作为室内分布系统的信号源。

微蜂窝基站体积小，基站与天线通常集成在一起，对安装条件要求低，安装的工程量小，工期短，方便快速部署和灵活调整。

尽管微蜂窝基站的容量小，不过如果能在网络中部署非常多的微蜂窝基站，其支持的网络容量也不可小觑，而且微微蜂窝基站就是LTE-A技术中异构网络的主要组成部分，也将是5G无线网络的主力设备。

附带说一句，其实WiFi的AP也可以看成一种微微蜂窝基站或者Femto基站。

目前，国内生产微蜂窝基站的厂家比较多，除了华为、中兴、爱立信以及诺基亚等主流厂家外，还有京信、佰才邦、博威通等厂家。

（2）分布式基站

分布式基站又称射频拉远基站，是基站的新秀，是在宏蜂窝基站基础上发展起来的。

所谓分布式，是指将宏蜂窝基站的基带部分和射频部分各自独立出来，布放在不同的地点，距离一般从几百米到十几千米不等。第2章中会详细讲解基带与射频这两个概念。简单地说，基带用来产生无线信号，类似于音响的收音头；射频用来推动无线信号，类似于音响的放大器。

图1.27展示了分布式基站的结构，其中基带部分称为基带单元（BBU），一般放在室内；射频部分称为远端射频单元（RRU），一般放在天线附近；BBU和RRU之间通过单模光纤连接，称为Ir接口，通常基于CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共无线接口）规范。

分布式基站的特点是BBU体积较小，占用机房空间小；一个BBU通常可以带3～6个RRU，更为紧凑；RRU可室外工作，对安装条件要求低，安装的工程量小，工期短，方便快速部署。另外RRU距离天线很近，馈线较短，功率损耗较小。

在TD-LTE网络中，由于天线的端口多，馈线多，传统的宏蜂窝基站根本无法胜任，在这种情况下，分布式基站是非常适合的解决方案，RRU靠近天线部署，一举解决了多馈线的难题。因此分布式基站在LTE网络中已经挑起大梁，成为基站部署的主流。

目前，主流的分布式基站厂家包括华为、中兴、爱立信和诺基亚。

近年来，分布式基站已经从室外覆盖扩展到室内覆盖，成为大型楼宇或公共场所室内分布系统的信号源，因此其形态也发生了比较大的变化。

一方面是输出功率可大可小，大的与宏蜂窝基站相当，业务覆盖范围较大，是LTE无线网络业务覆盖的主力军；小的与微蜂窝基站相当，RRU小型化甚至与天线合并，典型的产品有华为的BookRRU、LampSite，以及爱立信的DOT点系统。

另外一方面，BBU和小型化的RRU之间不但可以通过光纤连接，也可以通过5类线、6类线连接，布设更为灵活方便。