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LTE系统
LTE系统架构演进
摘要:
随着移动通信和宽带无线接入技术的融合,移动通信宽带化的趋势越来越明显。
基于对移动通信宽带化的认识,3GPP启动了LTE(LongTermEvolution)项目,可以更好的给用户提供服务。
本文简要介绍了目前该项目各个方面的研究的进展和相关的趋势,阐述了其网络结构及功能,重点对接入网体系结构和核心网的最新研究进展进行了介绍,并在文章最后分析了核心网未来演进方向。
关键词:
LTE;SAE;接入网;核心网;
1LTE/SAE概述
LTE是由第三代合作伙伴计划(3GPP:
3rdGenerationPartnershipProject)主导的移动通信系统(UMTS:
UniversalMobileTelecommunicationsSystem)技术的长期演进(LongTermEvolution),是3G与4G技术之间的一个过渡,是3.9G的全球标准,它增强了3G的空中接入技术,采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准,为降低用户面延迟,取消了无线网络控制器(RNC),采用扁平网络结构。
在20MHz频谱带宽下能提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率。
改善了小区边缘用户的性能,提高小区容量和降低系统延迟。
在3GPP中LTE无线接入技术的规范工作开展的同时,无线接入网络(GAN)和核心网络(CN)的总体系统架构被重新修订,包括两个网络部分之间的功能分割。
这项工作被称为系统架构演进(SAE),结果是形成了一个扁平的RAN架构,以及一个被称为演进的分组核心网(EPC)的全新核心网络架构。
LTERAN和EPC一起被称为演进的分组系统(EPS)[1]。
近年来,随着移动通信技术的发展,人们的生产和生活方式也发生了很大的变化。
从最初的语音通信为主,到对语音、数据、图像等多媒体业务的需求,人们对于数据速率的要求越来越高。
用户需求的变化,推动着移动通信技术迅猛向前发展。
从第一代、第二代到第三代,通信系统提供给用户的通话质量、数据速率、业务种类等都有了很大的提高。
目前,大多数的UMTS网络正在升级为HSPA,用以提供更高的传输速率。
但是,这不是通信系统对于数据速率提升的句号,3GPP成立了相关的工作组,启动了LTE、HSPA+、LTE-Advanced等长期标准演进项目,用以提供更好的通信服务。
2接入网体系结构
3GPPLTE在接入网体系结构方面,设计的主要目标是满足低时延、低复杂度、低成本的要求,从而提供更高的用户容量、系统吞吐量和端到端的服务质量保证。
考虑到最终将要实现所有业务通过分组域传输,如何保证各种分组业务、特别是实时性要求较高的分组业务的服务质量,原有的网络结构显然己无法满足要求,需要进行调整与演进[2]。
图1LTE接入网结构(R8)
继2006年3月的会议上,3GPP确定LTE接入网结构(R7版本)后,LTE的接入网结构最终在R8版本中确定下来,如图1。
E-URAN主要由eNBs组成,为E-TRA提供面相UE的用户面和控制面服务。
EPC(EvolvedPacketCore)重新划分为MME(MobilityManagementEntity)和S-GW(ServingGateway)。
eNodeB之间通过X2接口采用网格方式互连,同时还建议当eNodeB需要同其它eNodeB通信时这个接口总是存在的,例如对支持对处于LTE_ACTWE状态下手机的切换。
同时eNBs通过Sl接口与EPC连接,更准确的说eNBs通过S1-MME接口与MME相连,通过Sl-U口与S-GW相连。
Sl口支持多对多的MMEs/S-GW与eNBs间的连接。
这种结构类似于典型的正宽带网络结构,采用两层扁平网络架构,支持加IMS、VoIP、SIP、MobileIP等各种先进技术。
LTE网络结构极大降低了系统复杂性.系统内部相应的交互操作随之减少,系统时延可以明显降低。
E-UTRAN的协议栈结构从整体上主要进行了以下简化:
使用共享信道用于承载用户的控制信令,取代了R6中的专用信道,减少传输信道个数,使多个用户共享空中接口的资源。
减少MAC层实体个数;使用MBMS代替广播媒体控制层(BMC层)以及公共业务信道(CTCH);删除下行宏分集;使用时隙统筹方案替代UTRAN的压缩模式。
简化无线资源控制(RRC)状态,删除了CELL_FACH态,将UTMS中的RRC状态和PMM状态合并为一个状态集。
图2E-UTRAN的架构(R8)
LTE的eNB除了具有原来NodeB的功能之外,还承担了原来RNC的大部分功能,包括有物理层功能(包括HARQ)、MAc层功能、RRC功能(包括无线资源控制功能)、调度、无线接入许可控制、接入移动性管理以及小区间的无线资源管理功能等。
在R8版本的E-UTRAN中,接入网关又进一步的划分为:
移动管理实体MME、服务网关S-GW和分组数据网关P-GW。
这三种功能实体可以根据不同的应用场景进行配置。
其中,MME可与一个S-GW联合部署,一个MME可管理多个eNB。
P-GW与S-GW分开部署时,一个P-GW可与多个S-GW连接,一个S-GW可连接多个eNB。
当P-Gw与S-GW分开部署通过PMIP绑定时,可实现基于网络的移动性管理,使UE的移动性切换主要限制于L2和本地,提高移动性管理效率。
某一时刻,UE只与1个S-GW连接。
3EPC核心网
LTE/SAE核心网负责UE的控制和承载建立,EPC包含的逻辑节点有:
PDNGateway(P-GW)、ServingGateway(S-GW)、MobilityManagementEntity(MME)、HomeSubscribierServer(HSS)、PolicyControlandChargingRulesFunction(PCRF)
。
图3EPC组成结构
3.1EPC核心网架构的特征
(1)控制面与用户面完全分离,网络趋向扁平化。
(2)支持3GPP与非3GPP(如Wi-Fi、WiMAX等)的多种方式的接入,并支持用户在3GPP网络和非3GPP网络之间的漫游和切换。
(3)核心网中不再有电路域,EPC成为移动电信业务的基本承载网络。
下图是接口协议的通用模型。
图4E-UTRAN接口协议通用模型
从图中可以看出,适用于E-UTRAN相关的所有接口,即S1和X2接口。
同时控制面和用户面相分离,无线网络层与传输网络层相分离。
其中无线网络层实现E-UTRAN的通信功能,传输网络层采用IP传输技术对用户面和控制面数据进行传输。
3.2EPC核心网架构中各网元的功能
3.2.1MME
MME(MobilityManagementEntity,移动管理设备)提供了用于LTE接入网络的主要控制,并在核心网络的移动性管理,包括寻呼、安全控制、核心网的承载控制以及终端在空闲状态的移动性控制等。
它跟踪负责身份验证、移动性,以及与传统接入
2G/3G接入网络的互通性的用户设备(UE)。
该MME还支持合法的信号拦截。
主要体现在处理移动性管理,包括:
存储UE控制面上下文,包括UEID、状态、跟踪区(treakingarea,TA)等;移动性管理;鉴权和密钥管理;信令的加密、完整性保护;管理和分配用户临时ID。
其他还包括:
空闲模式UE的可达性;选择PDNGW和ServingGW;2G、3G切换时选择SGSN;MME改变时的MME选择功能;NAS信令,NAS信令安全;认证;漫游跟踪区列表管理;3GPP接入网络之间核心网节点之间移动性信令;承载管理功能(包括专用承载的建立)。
3.2.2S-GW
S-GW(SignalingGateway,服务网关)负责UE用户平面数据的传送、转发和路由切换等,同时也作为eNodeB之间互相传递期间用户平面的移动锚,以及作为LTE和其他3GPP技术的移动性锚。
另一方面S-GW提供面向E-UTRAN的接口,连接NO.7信令网与IP网的设备,主要完成传统个PSTN/ISDN/PLMN侧的七号信令与3GPPR4罗侧IP信令的传输层信令转换。
其他功能还包括:
切换过程中,进行数据的前转;上下行传输层数据包的分类标示;在网络触发建立初始承载过程中,缓存下行数据包;在漫游时,实现基于UE,PDN和QCI粒度的上下行计费;数据包的路由[SGW可以连接多个PDN]和转发;合法性监听。
3.2.3P-GW
P-GW(Packetdatanetworksgateway,分组数据网网关)管理用户设备(UE)和外部分组数据网络之间的连接。
一个UE可以与访问多个PDN的多个PGW同步连接。
PGW执行政策的实施,为每个用户进行数据包过滤、计费支持、合法拦截和数据包筛选。
分组数据网网关也是推动对处理器和带宽性能增加需求的关键网络元素。
PGW的主要功能是UEIP地址分配、基于每个用户的数据包过滤、深度包检测(DPI)和合法拦截。
其他功能还有:
上下行传输层数据包的分类标示;上下行服务级增强,对每个SDF进行策略和整形;上下行服务级的门控;基于AMBR的下行速率整形基于MBR的下行速率整上下行承载的绑定;合法性监
听。
3.3核心网未来演进方向
随着LTE技术逐渐走向成熟,LTE网络的商用部署日益临近、稳定可靠"性能良好的核心网,是移动通信网络从话音时代向流量和数据时代平滑演进的关键。
相对于现有2G/3G数字蜂窝移动通信核心网络,LTE核心网(EPC)实现了全IP承载,控制面与用户分离,同时支持多种无线技术接入。
EPC的这一演进特点满足了运营商对下一代移动网络实现高接入带宽,低延时,无缝移动性和低成本的需求。
为了确保LTE系统中的各功能实体正常高效运行,确保LTE系统与其他网络有效地协同工作,从而提供更合理和更完善的业务流程,提升用户体验,需要对LTE系统进行持续不断地完善和优化,在LTE核心网优化方面,目前,业界主要在以下几个方面进行重点研究:
LTE与WLAN之间的互通及业务连续性"LTE网络状态检测分析与策略控制"LTE语音业务实现方案"LTE数据业务国际漫游等。
另外,在网络架构和设备方面,也可以进行进一步的优化和完善#现有网络设备大多数采用软件和硬件平台绑定的实现方式,不同硬件平台的资源无法共享,功能增强和新业务部署周期较长#为了适应移动互联网的快速发展,EPS系统在面向未来设计优化的网络架构和组网方式时,引入了软网络的概念。
软网络的设计理念主要包括以下几个方面:
一是支持相对基础稳定的网络能力采用通用设备实现和独立部署,结合IT技术发展,实现网络设备通用化,降低研发"部署及运维成本。
二是对流量处理单元进行统一和协调,流量应尽早分流至相关流量处理能力,即优化数据处理逻辑,减少流量的汇聚及重复串行的处理环节。
三是简化IP数据包的封装,进行高效的转发和路由。
四是网络功能间有相对的独立性,对现有功能或新功能的升级和改造需减少对其它功能的影响。
总之,LTE核心网演进是目前3GPP乃至通信界最重要的研究工作之一,演进目标是希望核心网架构能更加适应IP业务的网络结构,将各种各样的接入技术在同一个平台上进行连接和互通;以及追求更加优化的信令流程和更短的信令时延,更强大的QoS管理机制等#各种解决方案的设计思想是在保证技术和系统性能领先的同时,最大程度地利用并兼容现有的系统平台,保持系统的平滑演进。
从系统整体角度考虑未来移动通信的发展趋势和特征,从网络架构方面确定将来移动通信的发展方向。
在无线网络接口技术呈现出多样化"同质化特征的条件下,满足未来发展趋势的网络架构将使运营商在未来更有竞争力,用户不断变化的业务需求也将得到较好的满足。
结论:
本文主要是以LTE为背景,主要对于LTE系统的相关内容进行了介绍。
包括LTE系统的研究背景,LTE系统的架构演进,以及EPC核心网的相关知识等。
LTE中的无线接入网络部分的主要网元由eNodeB组成,eNodeB的功能包括无线资源的管理、用户数据流的IP报文压缩和加密、实现S-GW用户面数据路由选择以及完成有关移动性配置和测量报告等。
LTE系统中处于顶层的PGW连接若干个S-GW,S-GW作为汇聚点连接众多的eNodeB,而用户设备(UE:
UserEquipment)则通过eNodeB接入核心网络,进而连入ISP分组网络。
核心网络中在协议层面上实现了用户面和控制面的分离,用户面协议栈负责用户数据的传输,而控制面板协议栈负责传输系统信令。
作为服务架构演进的核心部分,EPC为3GPPLTE提供了一个更加平坦式的网络架构。
同时,EPC网络实现了现有多种核心网的融合,支持各种3GPP接入方式和non-3GPP网络的共接入并支持多模终端用户的无缝移动性,从而使得网络结构更加简单,有效降低网络的部署、运营和迁移的成本。
通过上网查资料和对LTE核心网网络架构相关书籍的阅读,我对LTE技术有了一个更清晰的认识,我认识到,新的通信系统可以给用户带来更好的服务支持,在实际部署新的系统前,为了节省开支,更好的把握系统性能,需要很好的完成网络规划,LTE之所以性能优越有EPC核心网架构一定的功劳,通过网络结构的改变实现扁平网络结构,最终达到LTE技术的实用化和商用化。
通过此次阅读锻炼了我自己对新知识学习的能力,对现在通信行业的发展有了一个全面地认识。
参考文献:
[l]沈嘉,索士强,全海洋,赵训威,胡海静,姜怡华等.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计.北京:
人民邮电出版社,2008.
[2]郎为民,焦巧,张晨,刘建中.LTE产生背景及发展目标.电信快报.
[3]赵飞龙,邓成明.3GPPLTE计划.电信快报.
[4]3GPPTR25.913V8.0.0TechincalSpecificationGroupRadioAccessNetwork:
RequirementsforEvolved
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[5]吴伟陵,牛凯.移动通信原理.北京:
电子工业出版社,2006.
[6]孙天伟,3GPPLTE/SAE网络体系结构和标准化进展,广州通信技术,2007.2:
33-34
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