LTE-SAE體系結構及性能剖析

引言

LTE是由3GPP（第三代合作伙伴計劃）定義的移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò )標準的下一個(gè)演進(jìn)目標，支持在成對頻譜和非成對頻譜上的運行，可實(shí)現對現有和未來(lái)的無(wú)線(xiàn)頻帶頻譜的高效利用。它還支持1.4-20MHz的信道帶寬。業(yè)界對LTE的廣泛支持，確保了LTE擁有規模經(jīng)濟效益，因此是一種非常經(jīng)濟高效的解決方案。

2006年9月，3GPP最終確定了LTE（長(cháng)期演進(jìn)）：也稱(chēng)之為演進(jìn)的UTRA和UTRAN（Evolved UTRA and UTRAN）的研究項目。該項研究的目標是確定3GPP接入技術(shù)的長(cháng)期演進(jìn)計劃，使其可以在遙遠的將來(lái)保持競爭優(yōu)勢，相應的工作項目計劃在2007年下半年完成。

3GPP還開(kāi)展了一項平行研究：即系統架構演進(jìn)（SAE），來(lái)展示核心網(wǎng)絡(luò )的演進(jìn)要點(diǎn)。這是一個(gè)基于IP的扁平網(wǎng)絡(luò )體系結構，旨于簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )操作，確保平穩、有效地部署網(wǎng)絡(luò )。

本文將重點(diǎn)介紹LTE-SAE（長(cháng)期演進(jìn)-系統體系結構演進(jìn)）的網(wǎng)絡(luò )性能和結構特點(diǎn)，該系統能夠將3GPP和3GPP2在新舊頻段上的系統性能提升至一個(gè)史無(wú)前例的高度，這個(gè)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化和優(yōu)化的體系結構在用戶(hù)平面上所使用的節點(diǎn)數量最少。此外，它還引入了一些能夠簡(jiǎn)化操作和維護工作的新特性。

演進(jìn)目標：統一標準的高性能移動(dòng)寬帶

寬帶移動(dòng)通信正迅速成為現實(shí)。據相關(guān)預測，2011年以前，全球將有15億人使用寬帶業(yè)務(wù)，這些人當中將有超過(guò)一半使用移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)，而他們當中的大多數人將通過(guò)HSPA（高速分組接入）/LTE網(wǎng)絡(luò )獲得服務(wù)。而在目前，用戶(hù)可以通過(guò)3G/HSPA享受高速移動(dòng)服務(wù)：

使用基于HSPA的手機和筆記本電腦上網(wǎng)并發(fā)送電子郵件；

用HSPA調制解調器替換原有的DSL調制解調器；

使用3G手機快速下載和上載音視頻文件。

移動(dòng)寬帶正經(jīng)歷快速的增長(cháng)，而LTE則能夠提供更為出色的用戶(hù)體驗。該技術(shù)將大大改善移動(dòng)視頻、博客、高端游戲、豐富的多媒體電話(huà)和專(zhuān)業(yè)服務(wù)等要求更為嚴苛的應用，還能與現有蜂窩系統進(jìn)行互操作。因此，在3GPP版本8中引入的LTE是移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信下一個(gè)重要的演進(jìn)步驟，LTE采用OFDM（正交頻分復用）無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)和先進(jìn)的天線(xiàn)技術(shù)。

除了LTE之外，3GPP還定義了一個(gè)基于IP的扁平網(wǎng)絡(luò )體系結構，作為系統體系結構演進(jìn)（SAE）的一部分。LTE-SAE體系結構及概念的目標和設計思想是將所有基于IP的業(yè)務(wù)高效地推廣至大眾市場(chǎng)。該體系結構基于GSM/WCDMA核心網(wǎng)，并從它們演進(jìn)而來(lái)，因此有助于簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )操作以及平穩、有效地部署網(wǎng)絡(luò )。

LTE-SAE體系結構可降低運營(yíng)支出和資本支出。例如，為了處理更多的數據流量，運營(yíng)商只需在新的扁平體系結構中升級兩類(lèi)節點(diǎn)（基站和網(wǎng)關(guān)）的容量。另一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域是網(wǎng)絡(luò )操作功能，目標是實(shí)現高度自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò )配置。

除此之外，由于3GPP和3GPP2已經(jīng)就CDMA和LTE-SAE系統之間的互通達成一致，CDMA運營(yíng)商將能把他們的網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)至LTE-SAE，并受益于規模經(jīng)濟和巨大的芯片組出貨量。

LTE是一項多用途技術(shù)，其中主要的3GPP要求如下：

下行峰值比特率高于100Mbps，無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)（RAN）中的往返時(shí)間低于10毫秒。

支持新老頻段中從低于5MHz到最高20MHz的靈活的載波帶寬。

支持FDD和TDD系統。

支持切換和漫游至現有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，從而為所有移動(dòng)用戶(hù)提供全面的網(wǎng)絡(luò )覆蓋。

如上所述，運營(yíng)商可以根據現有網(wǎng)絡(luò )和頻譜的具體情況以及移動(dòng)寬帶和多媒體業(yè)務(wù)的經(jīng)營(yíng)目標靈活地引入LTE。

技術(shù)概述

總的體系結構

LTE-SAE體系結構的主要改進(jìn)包括：

一個(gè)通用錨點(diǎn)和一個(gè)支持所有接入技術(shù)的網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)；

一個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的用戶(hù)平面體系結構，將節點(diǎn)類(lèi)型從以前的4種縮減到只有2種（基站和網(wǎng)關(guān)）；

所有接口均支持基于IP的協(xié)議；

RAN與CN（核心網(wǎng)）之間的功能分離，類(lèi)似于WCDMA與HSPA之間的功能分離；

移動(dòng)性管理實(shí)體（MME）與網(wǎng)關(guān)之間的控制平面/用戶(hù)平面分離；

集成采用基于客戶(hù)端和網(wǎng)絡(luò )的移動(dòng)IP的非3GPP接入技術(shù)。

LTE-SAE體系結構包括分組數據網(wǎng)（PDN）和服務(wù)網(wǎng)關(guān)。PDN網(wǎng)關(guān)是所有接入技術(shù)的通用錨點(diǎn)，為所有用戶(hù)提供一個(gè)穩定的IP接入點(diǎn)，無(wú)論他們是在一種接入技術(shù)之內移動(dòng)，還是在多種接入技術(shù)之間移動(dòng)。

服務(wù)網(wǎng)關(guān)是3GPP移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )內的錨點(diǎn)。MME功能與網(wǎng)關(guān)功能分離，這樣有助于網(wǎng)絡(luò )部署、單個(gè)技術(shù)的演進(jìn)以及全面靈活的擴容。

GSM和WCDMA/HSPA系統通過(guò)SGSN（服務(wù)GPRS支持節點(diǎn)）和演進(jìn)后的核心網(wǎng)之間的標準接口集成到演進(jìn)后的系統中。這些接口包括：與MME相連、用于傳送上下文并在不同接入技術(shù)之間建立承載的接口，與網(wǎng)關(guān)相連、用于與用戶(hù)設備（UE）建立IP連接的接口。因此，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的功能相當于一個(gè)服務(wù)WCDMA/HSPA終端設備的GGSN（網(wǎng)關(guān)GPRS支持節點(diǎn)）。

該體系結構還能將SGSN和MME功能整合到同一個(gè)節點(diǎn)之中，從而實(shí)現一個(gè)支持GSM、WCDMA/HSPA和LTE技術(shù)的通用分組核心網(wǎng)。

歸屬地用戶(hù)服務(wù)器（HSS）通過(guò)一個(gè)可能基于Diameter協(xié)議而不是SS7信令的建議接口連接至分組核心網(wǎng)。這將為實(shí)現控制平面的IP聯(lián)網(wǎng)提供一個(gè)簡(jiǎn)化的協(xié)調解決方案，因為用于策略控制和計費的現有網(wǎng)絡(luò )信令是基于Diameter協(xié)議。

LTE基站通過(guò)RAN-CN（無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)-核心網(wǎng)）接口連接至核心網(wǎng)。MME負責處理移動(dòng)性等控制信令。用戶(hù)數據通過(guò)一個(gè)基于IP的傳輸網(wǎng)在基站和網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)之間傳送。為了能夠高速切換處于激活模式的終端設備，每一個(gè)LTE基站都與其相鄰基站建立了邏輯連接。

集成cdma2000系統之后將允許用戶(hù)在cdma200和LTE系統之間無(wú)縫移動(dòng)。這種解決方案支持單/雙無(wú)線(xiàn)切換，可實(shí)現從CDMA到LTE的靈活遷移。圖1顯示了如何將cdma2000系統集成到LTE-SAE體系結構中。GSM和WCDMA系統現有的服務(wù)質(zhì)量（QoS）概念較為復雜，因此，LTE-SAE的QoS概念融合了簡(jiǎn)約、靈活接入和向后兼容的理念。LTE-SAE采用了一種基于類(lèi)別的服務(wù)質(zhì)量概念，能夠讓運營(yíng)商方便高效地區分各種分組業(yè)務(wù)。

圖1 LTE-SAE體系結構的示意圖

圖中顯示了如何將cdma2000系統集成到LTE-SAE體系結構中。