概述
本文介绍LTE蜂窝网络中上下行业务传输过程，包括UE与eNB初始化连接建立过程、下行数据传输过程、上行数据传输过程，以及上行协议框架和下行协议框架。
背景知识
1. LTE无线网络的层次结构
LTE网络中信令流和数据流在传输过程中所经过的层是不同的，如下图所示，我们重点关注信令流，从UE到eNB属于接入侧网络(E-UTRAN)，相当于是RRC层上的透明传输，从UE到MME核心网相当于是在NAS层上的透明传输。本文介绍信令流在RRC层上的传输，即从UE到eNB之间的信令交互。
2. 术语介绍
(1) 控制相关信息的分类
控制相关信息可分为信号、底层指令、上层信令三种类型。信号通常指物理层信号，数据量非常少，但周期性强，信号需要覆盖整个小区，例如LTE中的参考信号。底层指令用于物理层和链路层，尤其是链路层中的MAC子层，底层指令发送频率较高，数据量比信号大，覆盖范围可以针对于一组或小区内全部的用户。上层信令指网络层或更高层次的控制相关信息，即L3信令和NAS信令，上层信令数据量大，分为与具体用户相关的专用信令和公共信令。专用信令通常用于用户附着与位置更新、业务建立与释放、测量与切换过程，通常是一次性发送；公共信令用于传送系统信息和寻呼，需要周期性发送。下表列出了信号、底层指令、专用信令和公共信令的差别。
| 项目 | 信号 | 底层指令 | 专用信令 | 公共信令 |
|---|---|---|---|---|
| 层次 | 物理层 | 物理层或链路层 | 网络层或NAS层 | 网络层或NAS层 |
| 数据量 | 很少 | 较少 | 较多 | 较多 |
| 对象 | 整个小区的所有终端用户 | 整个小区的所有终端用户、一组终端用户、一个终端用户 | 一个终端用户 | 整个小区所用终端用户 |
| 信息内容 | 无线状态 | 系统配置、业务调度 | 用户附着与位置更新、业务建立与释放、测量与切换 | 系统信息寻呼 |
| 发送频率 | 周期性 | 频繁 | 一次性 | 周期性 |
| 覆盖要求 | 全小区 | 全小区 | 用户所在区域 | 全小区 |
(2)LTE系统的控制信道
在LTE空口中，由于底层信令的种类比较多，因此使用了以下四种物理控制信道来承载下行方向的底层指令。
- PBCH (Physical Broadcast Channel, 广播物理信道)：PBCH用于广播终端接入系统所需要的关键系统信息MIB，例如下行带宽、PHICH格式、天线端口数量等。
- PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel, 控制格式指示物理信道)：PCFICH专门广播用于承载下行控制信道的OFDM符号数目，即控制区的大小。其发送的内容称为CFI(Control Frame Indicator, 控制格式指示)。
- PHICH (Physical Hybrid ARQ Indicator Channel, HARQ指示物理信道)：PHICH用于基站向终端反馈上行HARQ相关的ACK/NACK信息HI。
- PDCCH (Physical Downlink Control Channel, 下行控制物理信道)：PDCCH用于基站向终端发送业务调度相关的信息DCI。
LTE上行物理控制信道包括：
- PRACH (Physical Random Access Channel, 随机接入物理信道)：用于通知基站有终端需要接入。
- PUCCH (Physical Uplink Control Channel, 上行控制物理信道)：用于发送与上行调度相关的信息，如调度请求SR、HARQ反馈、信道状态信息CSI等。
通信过程
1. 初始化建立连接
UE与eNB初始化连接建立的过程如下图所示：
首先由eNB每隔5ms向UE发送一次PSS/SSS同步信号，使得UE与基站在时间和频率上同步，并确定UE要进行通信的小区。然后，小区通过PBCH下行物理信道广播MIB系统信息，其中包括CFI的位置信息，小区继续向UE通过PCFICH信道发送CFI信息，它可以指示控制区DCI的位置，之后小区通过PDCCH信道向UE发送DCI信息，PDCCH信道传输的是与物理上下行共享信道（PUSCH、PDSCH）相关的控制信息，DCI会指示SIB的位置，小区继续通过PDSCH信道向UE发送SIB，SIB包含有除了MIB关键信息之外的其他系统信息。有了MIB和SIB，UE就获取到了小区完整的信息，UE就知道如何接入该小区，此时UE会发起随机接入过程以便与小区建立连接。随机接入过程中，UE在上行可能需要发送preamble和Msg3以便与小区建立起连接。
2. 下行数据传输
LTE蜂窝网络下行数据传输过程见下图：
首先由UE通过PUCCH或PUSCH信道向eNB通告信道条件CSI，以便eNB在下行调度时将信道质量考虑在内，并请求eNB分配调度资源。然后eNB通过PDCCH给UE分配下行调度资源块，如果有数据传输则使用PDSCH下发数据，UE收到后通过PUCCH或PUSCH信道反馈ACK/NACK，如果eNB收到NACK则需要重传。当UE与eNB之间没有数据传输时，UE并不需要一直保持连接RRC_CONNECTED状态，UE可以处于 RRC_IDLE状态，并每隔一段时间唤醒一次，去接收Paging消息，以确定是否有呼叫请求。eNB还可以通过Paging来告诉UE，系统信息发生了变化。
下行协议架构如上图所示，RRC不需要建立连接就可以直接获得SRB0的配置和资源，所以RRC连接指的是UE和eNB之间建立的SRB1。系统中业务发起的过程是通过SRB0上传输信令建⽴SRB1，SRB1建⽴之后UE就进⼊RRC_Connected状态，进⽽通过SRB1传输信令建⽴SRB2⽤来传输NAS信令。利⽤SRB1传输信令建⽴DRB来传输⽤户数据，在业务过程中通过SRB1进⾏管理；当业务结束后，SRB1上传输的信令可以将所有的DRB、SRB释放，使得UE进⼊到RRC_IDLE状态，在需要时UE唯⼀可以使⽤的资源就是SRB0，⽽且需要在完成随机接⼊之后进⾏。使用SRB0的RRC消息都使用CCCH来传输，而CCCH的配置(包括逻辑信道配置)是固定的。PDCP层主要功能是压缩报头(仅一跳距离，不需要过长的报头来路由)以及加密，RLC层由于有报文长度限制，它会将报文分段/串联以便其适合 MAC 层指定的大小，通过ARQ来进行纠错(只适用于AM模式)。RLC层有3种工作模式：透明模式(TM)，非确认模式(UM)，确认模式(AM)。MAC层将属于一个或不同的逻辑信道(无线承载)的多个MAC SDU复用到同一个 MAC PDU(Transport Block)上，并发往物理层。反之为解复用。通过HARQ来进行纠错。
3. 上行数据传输
上行数据传输的过程如下图所示：
首先UE向eNB发送SRS，以便eNB进行上行信道估计，当UE需要进行上行传输时，它通过PUCCH上行信道给eNB发送SR调度请求，eNB通过PDCCH回复请求，接着UE通过PUSCH向eNB通告自己发送多少上行数据，eNB再回复确认消息以及分配资源，UE再通过PUSCH发送上行数据，如果UE收到NACK，则UE重传请求。
上行协议架构如下图所示，比较简单不再赘述。
