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空中接口

空中接口是一个形象化的术语,是相对于有线通信中的"线路接口"概念而言的。有线通信中"线路接口"定义了物理尺寸和一系列的电信号或者光信号规范;无线通信技术当中,"空中接口"定义了终端设备与网络设备之间的电波链接的技术规范,使无线通信像有线通信一样可靠。

在移动通信当中,电话终端用户与基地台通过空中接口(Air Interface)互相连结。"空中接口"是基站和移动电话之间的无线传输规范,它定义每个无线信道的使用频率、带宽、接入时机、编码方法以及越区切换。在GSM/UMTS中,各种形式的 UTRA 标准便是空中接口,也就是一种接入模式 "Access Modes"。

在OSI模型之下,空中接口属于第一层与第二层的实作。

空中接口又称"公共空中接口"。移动终端与基站之间的接口。

无线接口Um(MS-BS接口)

在不同制式的蜂窝移动通信网络中,空中接口的术语是不同的:

1.在GSM/GPRS/EDGE网络,CDMA2000网络中,被称为Um接口。

2.在TD-SCDMA和WCDMA网络中,被称为Uu接口。

第一层L1物理层

第二层L2数据链路层,同时位于控制平面和用户平面

在控制平面负责无线承载信令的传输、加密和完整性保护;

在用户平面负责用户业务数据的传输和加密。

数据链路层还进一步分层:

1) 媒体接入控制(MAC,Media Access Control)

2)无线链路控制(RLC,Radio Link Control)

3)分组数据汇聚协议(PDCP, Packet Data Convergence Protocol)

第三层 L3网络层:无线资源控制(RRC,Radio Resource Control)

物理层

空间处理:空间处理能给系统带来性能上的增益,主要是通过空间分集、空间复用、空分多址(SDMA)和干扰抑制等技术来实现的。空间分集通过在独立信道上传输相同的数据,来提高传输的可靠性,因此它可以有效克服信道衰落的影响。波束赋性(Beamforming)能够通过SDMA来区分一个小区内(或多个小区之间)的多个用户,使其共享相同的时频资源。干扰抑制是通过在下行链路中进行预编码来增强多用户环境中的频谱效率。

前向纠错(FEC)技术:在众多前向纠错技术中,卷积码(CC)、并行级联卷积码(PCCC)和低密度奇偶校验码(LDPC)这三种编码技术是最热门的IMT-Advanced系统候选技术。目前的研究结果表明,CC码适用于长度短的小块数据(几百比特),LDPC码适用于长块数据,而双二进制(Duo-Binary)PCCC码的性能虽然对数据长度不十分敏感,但对中等长度的数据块的性能更为出色。对于长块数据,LDPC码的优势是纠错性能强、功耗低。

调制技术:随着调制技术不断发展,多载波调制越来越受到人们的关注。它在频谱效率和传输信息量的性能上,明显优于单载波方式,但这不是选择调制方式的唯一标准。调制方式的选择还要综合考虑上下行链路的特点以及实现成本等多方面因素。

媒体接入控制层

物理资源的管理:物理资源的管理是MAC层中的重要实体,它是上层应用(无线资源管理)的执行模块。MAC层中的物理资源的管理由两部分组成:服务等级控制(SLC)和资源调度(RS)。SLC主要负责不同基站间的资源分配,通过预留不同基站的资源,在总体上确保数据流的服务等级。在广域场景,SLC的实体通常位于RAN网关(RANG)上,而不是在基站上。RS主要负责物理信道资源的最优分配。在其资源调度器中,有两类基本的调度算法:自适应调度(Adaptive resource scheduling)和非频率自适应调度(Non-frequency-adaptive scheduling)。二者的区别是:前者是预测信道状态的快速变化,通过改变物理参数来适应频率选择性信道;而后者是通过某些技术手段(如分集、交织和空时编码等)来设法减小信道快速变化的影响。在终端高速移动的情况下,很难准确地捕捉到信道状态的快速变化,这时更倾向于非频率自适应调度算法。

多址方式:多址方式是空中接口为不同用户分配相应的物理资源的方法和策略。多址方式的选择是个复杂的问题,它要综合考虑调制方式、链路特性以及链路自适应技术等多方面因素。IMT-Advanced系统选择多址方式的关键指标包括性能、灵活性、频谱效率、复杂度和成本。相比于传统的多址方式(FDMA、TDMA和CDMA),IMT-Advanced系统更关注OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access)和SDMA(Spatial Division Multiple Access)方式,因为它们具有更好的性能和频谱效率。OFDMA利用OFDM技术来为不同的用户分配不同的信道资源,相比于FDMA,它在灵活性和频谱效率上优势明显;而SDMA与其它多址技术的结合,将在性能上带来突破,因而是当前的研究热点。SDMA方式与多天线技术是紧密相连的,目前主要有两种方式:固定波束赋型(Fixed beamforming)和自适应波束赋型(Adaptive beamforming)。固定波束赋型的特点是简单和鲁棒性强,它适用于角度扩散小的广域环境,所支持的用户数量近似等于发射天线数目的一半;而自适应波束赋型适用于角度扩散大的场景,所支持的用户数量是固定波束赋型方式的两倍。此外,这两种方式都可以与OFDM、FDMA、TDMA和CDMA相结合,在综合考虑实现复杂度和性能的情况下,目前最好的结合方式是:OFDM-SDMA-TDMA和OFDM-SDMA-TDMA-CDMA。

无线链路控制

无线链路控制(RLC)的作用是保证空中接口的端点之间(终端与基站或其它网络侧的节点之间)的传输可靠性。RLC层主要是负责丢失报文、失序报文和重复报文的处理,其保障机制主要包括:端到端的重传;报文记录;重复避免;中继节点上的安全处理。

RLC为上层应用提供了可靠的传输,这非常重要,因为类似TCP这种高层的传输协议,它会将报文的丢失、失序和重复当做网络拥塞的前兆,从而迫使发送端降低发送速率。但是,另一方面,RLC也为系统带来了一定的开销和传输时延,我们要努力减小它对系统性能的影响。

RLC层为上层提供了多种服务,包括确认的数据传输、非确认的数据传输和透明传输。它们对信令的要求不同、所需的开销不同,因而所能提供的传输可靠性也就不同。它们之间最主要的区别是收、发端buffer的使用方式和状态报告的机制不同。其中,确认的数据传输占用最多的资源,提供最高的传输可靠性。同时,RLC层也需要来自底层(MAC层)的服务,如它需要MAC层汇报CRC的效验结果,并为它的处理提供依据。

无线资源管理

RRM是空中接口的上层模块,是众多算法和协议的总称。它负责整个移动通信系统的空中接口资源的规划和调度,以确保系统的覆盖、容量和QoS。

由于IMT-Advanced系统服务于不同的场景和用户需求,所以RRM的功能可以被进一步细分为:通用的RRM功能,它们对于场景类型和用户需求不敏感,适用于各种情况,包括频谱分配、服务等级控制、Buffer管理、流量监控、接入控制、拥塞控制和相同模式间的切换;特殊的RRM功能,它们针对不同的场景类型和用户需求进行了优化,包括资源调度、功率控制、链路自适应、路由和不同模式间的切换;系统间的RRM功能,它们用于IMT-Advanced系统与现有系统(如UMTS和WLAN等)之间的协作与共存,包括系统间的切换、接入控制、拥塞控制和RAN选择。相比于3G系统,IMT-Advanced系统RRM的设计复杂要高很多:在功能上,增加了系统间的切换、RAN选择和路由选择等实体;在结构上,将采用分布式方案,把RRM的监控和决策实体下放到网络的各个节点上(包括终端),以减小信令的信息交换量和传输时延。

1空中接口用户面

用户面协议结构如图4所示。用户面PDCP、RLC和MAC子层(空中接口的网络侧终结于eNB)主要完成报头压缩、加密、调度、ARQ和HARQ等功能。

2空中接口控制面

控制面协议结构如图5所示。其中NAS部分为eNB透传,主要完成EPS承载管理、鉴权、ECM-IDLE移动性处理、ECM-IDLE状态发起寻呼和安全控制等功能;RRC完成广播、寻呼、RRC连接管理、RB控制、移动性功能和UE的测量报告和控制功能;PDCP子层主要完成加密/完成性保护、传送控制平面数据等功能。RLC和MAC子层在用户面和控制面执行功能没有区别。

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