TD-LTE演进型基站标准接口分析(上)

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中国移动通信集团湖南有限公司岳阳分公司 张长青

摘要：TD-LTE的演进型基站eNodeB具有承上启下的关键作用，eNodeB的标准化接口既简化和优化了TD-LTE的网络建设，也降低了TD-LTE的建设成本和运维成本。从整个TD-LTE系统的角度，较为全面地介绍了eNodeB的三大标准接口的相关特性，并分析和总结了它们的协议及功能。

关键词：TD-LTE，eNodeB，Uu，X2，S1

1  概述

TD-LTE基于OFDM(Orthogonal Frequency Division
Multiplexing，正交频分复用)和MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)核心技术，支持1.4MHz～20MHz带宽分配，可构建高速率、低时延、分组优化、广域覆盖和向下兼容的无线接入系统，提供更高的数据速率和频谱利用率，代表了移动通信技术的发展趋势。由于采用扁平化全IP网络架构，TD-LTE大大降低了用户面和控制面的延迟，减少了系统中的协议转换，尤其是演进型基站eNodeB采用标准化接口，不仅使整个通信网络从宏观上成为分块状，还完全适应IP网络的核心层、汇聚层和终端三大组织结构特点，降低了网络分层的复杂性以及网络安装、管理、维护、优化的成本和难度。

TD-LTE对3G的Node
B、无线网络控制器RNC、核心网CN进行了功能整合，系统设备简化为eNodeB和EPC(Evolved Packet Corenetwork，演进型分组核心网)。eNodeB是Node
B和RNC功能的合并，由eNodeB节点组成的网络叫E-UTRAN，从而使TD-LTE可简化为EPC、E-UTRAN和UE三部分，如图1所示：



图1  TD-LTE网络系统结构

其中，EPC是上连分组网、下连无线网的核心网，对下的部分包括控制处理部分MME和数据承载部分S-GW，S-GW又可分为分组数据网关PGW和服务网关SGW；而E-UTRAN是专门负责无线接入的无线接入网，上连EPC、下连UE，所有空中接口终止于eNodeB，所有终端UE仅通过E-UTRAN唯一进入移动通信网络。

TD-LTE的扁平化设计使得接口也得到简化，eNodeB对外接口改成了不依赖任何核心网设备和终端设备的标准化接口。eNodeB与上层EPC的标准接口是S1，与EPC中MME连接的接口是S1-MME，与S-GW连接的接口是S1-U；eNodeB之间的标准接口是X2；eNodeB与下层UE的空中标准接口是Uu。这三大接口与TD-SCDMA相比，X2类似于Iur，S1类似于Iu，但都有较大简化，其中eNodeB融合减去了Iub接口，而Uu接口基本一样。显然，eNodeB在EPC和UE之间起到了承上启下的关键作用。

若将eNodeB的三大接口细分为四个，则它们分别承担了eNodeB对外的四大功能。eNodeB与EPC的S1-MME接口承担了移动性管理、承载处理和安全设置等功能；eNodeB与EPC的S1-U接口承担了上下行数据传输的用户面通道；eNodeB之间的X2接口主要承担了eNodeB间的切换和切换过程下行数据的前转功能；eNodeB与UE的Uu接口承担了无线资源管理、移动性管理、用户面数据传输和无线接口的安全与优化等功能。

2  eNodeB系统分析[1]

为了研究方便，eNodeB继承了3G接口定义的思想，将其划分为水平分层和垂直平面，水平分层将eNodeB划分为RNL(Radio Network Layer，无线网络层)和TNL(Transport Network
Layer，传输网络层)；垂直平面将eNodeB划分为控制平面和用户平面。在水平分层中，E-UTRAN的无线通信功能均在无线网络层实现，所有逻辑节点eNodeB和它们之间的接口也定义在无线网络层；由于S1和X2是标准传输技术，负责提供用户平面传输和信令传输，因此S1和X2接口定义在传输网络层。如图2所示：

图2  eNodeB接口通用协议模型

为了实现承载与控制分离，在垂直平面中，eNodeB将S1、X2接口协议结构分为控制平面和用户平面，其中，用户平面用于传输用户数据的数据承载；控制平面用于传输应用协议消息的信令承载。由图2可知，在eNodeB中，终端与天线间的信息交互和馈入天线后的信息是先后经过RNL、TNL的，而交互信息中的信令和数据也是分面传输。显然，这种分层结构既可使各层与各平面在逻辑上彼此独立，又能保持无线网络与传输网络层、控制平面与用户平面技术的独立演进，同时还减少了LTE接口标准化的工作量。

其实，TD-LTE的eNodeB系统结构从模块方图上来看是比较简单的，如图3所示，eNodeB系统主要由无线部分和数字基带单元BBU组成。无线部分主要包括拉远、双工射频模块与天线；BBU主要由CCM(Center Control
Module，中央控制模块)和CEM(Channel
Element Module，信道单元模块)组成，其中CCM是eNodeB核心控制板卡，负责处理eNodeB数据流量和eNodeB同步管理，支持IP链集线和RRC无线网络连接，支持多个通用公共无线接口CPRI、一个GPS输入端口以及S1和X2千兆以太口，CEM是信道调制解调板卡，负责基带信号、接口和控制单元处理，可支持3扇区全频段能力，有一个可支持调试用的快速以太口。

图3  eNodeB系统结构

此外，eNodeB还有EAM(External Alarm
Module，告警模块)，普遍具有支持32个以上的用户告警(8个RJ45接口)和支持10个以上的系统告警能力。一般来讲，eNodeB的无线部分对应无线网络层，BBU对应传输网络层。众所周知，eNodeB各接口需要诸多协议支持，这些协议可以通过框图简单表述，但落实到实体上，这些协议可能是一个或几个功能模块，BBU中的CCM和CEM就包括了传输网络层中的许多协议。

eNodeB系统的工作流程可以这样描述：当底层终端UE通过空中接口Uu向天线发送信号时，这些输入无线网络层之前的无线信号是相关应用协议和用户数据的集合，一旦从eNodeB无线网络层的天线和TRDU等无线部分进入到eNodeB数字基带单元模块的信道单元CEM后，便被分成控制和用户两个平面，从无线网络层RNL并行传输到传输网络层TNL，其中相关协议转换成信令流由信令承载给物理层，用户数据直接转换成数据流由数据承载给物理层，这些进入物理层的IP比特流将根据协议要求，或者给S1接口进入上层核心网EPC，又或者给X2接口进入同层接入网E-UTRAN的另一个eNodeB节点。

3  Uu接口协议分析[2]

3.1  Uu接口的意义

Uu接口又叫空中接口或无线接口，是UE与E-UTRAN节点eNodeB间的唯一信道。Uu接口的协议主要用来建立、重配置和释放各种无线承载业务。Uu是一个完全开放接口，只要遵守该接口协议规范，任何厂商开发的通信设备都能够通过该接口互相通信。理论上，Uu协议栈分为三层(物理层、数据链路层、网络层)两面(控制平面、用户平面)。其中，物理层只有PHY协议；数据链路层则有媒体接入控制MAC、无线链路控制RLC和分组数据汇集协议PDCP三个协议；网络层也只有无线资源控制RRC协议。由此可见，Uu接口的三层结构与互联网的开放系统互连OSI七层协议的底层没有区别，其通信方式亦无过多不同，如图4所示：

图4  Uu接口支持的协议

LTE是全IP系统，其三层网络架构的意义如下：

(1)所谓物理层是指设备间的物理接口，传输方式一般是串行。在数据位流通过物理接口从一台设备传送到另一台设备时，物理层应必须保证数据按位串行传送的正确性。物理层有四个特性：机械特性是接口所用接线器的状态和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等；电气特性是接口电缆信号“1”和“0”电压的大小与比特占用多少微秒等；功能特性是某条线上出现某一电平的电压表示何种意义；过程特性说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。作为机械特性，Uu的接线器是天线，S1、X2的接线器是RJ45千兆以太口；作为电气特性，Uu受天线功率、增益和波束赋形效果等因素影响较大，S1、X2以太口的最大传输距离不超过百米、基带传输速率可达千兆比特每秒；作为功能和过程特性，Uu是遵守无线接口协议的一种全双工模式，S1、X2遵守千兆以太协议等。

(2)数据链路层为网络层提供可靠、无错误的数据信息，需要在两个链路层间建立、维持和拆除一条或多条无发送错误的数据链路。方法是：将物理层来的原始位流信息分割，按照一定的模式组成若干个帧无差错地发至对方，并处理接收者送回的回答帧。

(3)网络层是通信子网与网络高层的界面，主要负责控制通信子网操作，实现网络上任一结点数据准确无失真地传输到其它结点。网络层支持的协议一般有IP、TCP、UDP等传输协议，其中TCP是面向连接的，有比较高的可靠性，是一种三次握手的双向机制；UDP则是无连接的单向机制，没有双向互访，信息发出后不验证是否到达对方，可靠性差，但UDP传输速率比TCP快得多；IP是TCP/IP的核心，也是网络层中最重要的协议，IP层接收由更低层发来的数据包，并把该数据包发送到更高层TCP或UDP，相反也把从TCP或UDP接收来的数据包传送到更低层。

总之，在eNodeB三层架构中，空中接口Uu与X2、S1一样是全IP交互的全IP标准接口，其各层协议意义非常明确：eNodeB物理层提供比特流传输的所有功能，如传输信道到物理层映射，物理层数据封装、复用、调制和解调，以及物理层控制过程等；数据链路层中PDCP的主要任务是头压缩、用户面数据加密，MAC可处理包括信道管理与映射、数据包封装和解封、混合自动重传请求、数据调度、逻辑信道优先级管理等与数据处理相关功能，RLC的功能包括数据包封装和解封、自动重传请求过程、数据的重排序和重复检测、协议错误检测和恢复等；网络层位于接入网络的控制面，负责完成接入网和终端之间交互的所有信令处理及对其它层的控制。

3.2  Uu接口控制平面协议

Uu协议栈分为三层两面，其中三层由于与互联网协议相同，很易理解。然而控制平面和用户平面则需要认真分析，因为它们是一种便于研究的功能性形象分面。

eNodeB的控制平面主要负责用户无线资源管理、无线连接的建立、业务服务质量QoS的保证和最终资源释放等无线接口的管理与控制。协议栈包括物理层、数据链路层和网络层的所有协议。非接入层NAS控制协议实体只位于UE和EPC中，仅负责提供对非接入层部分的控制与管理。但位于eNodeB中的接入层AS可提供对NAS信令在小区内的有序传输功能，控制平面的主要功能也由NAS实现。另外，RRC协议实体同时位于UE和eNodeB网络实体内，主要负责接入层控制和管理。控制平面的RRC协议数据的加解密和完整性保护功能，则由数据链路层中的PDCP完成。物理层和数据链路层可同时提供对RRC协议消息的数据传输功能，如图5所示：

图5  Uu的控制平面协议栈

《移动通信》2013年第06期