LTE-SAE體系結(jié)構(gòu)及性能剖析

引言

LTE是由3GPP（第三代合作伙伴計(jì)劃）定義的移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的下一個(gè)演進(jìn)目標(biāo)，支持在成對(duì)頻譜和非成對(duì)頻譜上的運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有和未來的無線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(duì)LTE的廣泛支持，確保了LTE擁有規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，因此是一種非常經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

2006年9月，3GPP最終確定了LTE（長期演進(jìn)）：也稱之為演進(jìn)的UTRA和UTRAN（Evolved UTRA and UTRAN）的研究項(xiàng)目。該項(xiàng)研究的目標(biāo)是確定3GPP接入技術(shù)的長期演進(jìn)計(jì)劃，使其可以在遙遠(yuǎn)的將來保持競爭優(yōu)勢，相應(yīng)的工作項(xiàng)目計(jì)劃在2007年下半年完成。

3GPP還開展了一項(xiàng)平行研究：即系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)（SAE），來展示核心網(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(jié)構(gòu)，旨于簡化網(wǎng)絡(luò)操作，確保平穩(wěn)、有效地部署網(wǎng)絡(luò)。

本文將重點(diǎn)介紹LTE-SAE（長期演進(jìn)-系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演進(jìn)）的網(wǎng)絡(luò)性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該系統(tǒng)能夠?qū)?GPP和3GPP2在新舊頻段上的系統(tǒng)性能提升至一個(gè)史無前例的高度，這個(gè)經(jīng)過簡化和優(yōu)化的體系結(jié)構(gòu)在用戶平面上所使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)量最少。此外，它還引入了一些能夠簡化操作和維護(hù)工作的新特性。

演進(jìn)目標(biāo)：統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的高性能移動(dòng)寬帶

寬帶移動(dòng)通信正迅速成為現(xiàn)實(shí)。據(jù)相關(guān)預(yù)測，2011年以前，全球?qū)⒂?5億人使用寬帶業(yè)務(wù)，這些人當(dāng)中將有超過一半使用移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)，而他們當(dāng)中的大多數(shù)人將通過HSPA（高速分組接入）/LTE網(wǎng)絡(luò)獲得服務(wù)。而在目前，用戶可以通過3G/HSPA享受高速移動(dòng)服務(wù)：

使用基于HSPA的手機(jī)和筆記本電腦上網(wǎng)并發(fā)送電子郵件；

用HSPA調(diào)制解調(diào)器替換原有的DSL調(diào)制解調(diào)器；

使用3G手機(jī)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，而LTE則能夠提供更為出色的用戶體驗(yàn)。該技術(shù)將大大改善移動(dòng)視頻、博客、高端游戲、豐富的多媒體電話和專業(yè)服務(wù)等要求更為嚴(yán)苛的應(yīng)用，還能與現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)進(jìn)行互操作。因此，在3GPP版本8中引入的LTE是移動(dòng)無線通信下一個(gè)重要的演進(jìn)步驟，LTE采用OFDM（正交頻分復(fù)用）無線接入技術(shù)和先進(jìn)的天線技術(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(jié)構(gòu)，作為系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演進(jìn)（SAE）的一部分。LTE-SAE體系結(jié)構(gòu)及概念的目標(biāo)和設(shè)計(jì)思想是將所有基于IP的業(yè)務(wù)高效地推廣至大眾市場。該體系結(jié)構(gòu)基于GSM/WCDMA核心網(wǎng)，并從它們演進(jìn)而來，因此有助于簡化網(wǎng)絡(luò)操作以及平穩(wěn)、有效地部署網(wǎng)絡(luò)。

LTE-SAE體系結(jié)構(gòu)可降低運(yùn)營支出和資本支出。例如，為了處理更多的數(shù)據(jù)流量，運(yùn)營商只需在新的扁平體系結(jié)構(gòu)中升級(jí)兩類節(jié)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(biāo)是實(shí)現(xiàn)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(tǒng)之間的互通達(dá)成一致，CDMA運(yùn)營商將能把他們的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)至LTE-SAE，并受益于規(guī)模經(jīng)濟(jì)和巨大的芯片組出貨量。

LTE是一項(xiàng)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，無線接入網(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(tǒng)。

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

如上所述，運(yùn)營商可以根據(jù)現(xiàn)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)營目標(biāo)靈活地引入LTE。

技術(shù)概述

總的體系結(jié)構(gòu)

LTE-SAE體系結(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)；

一個(gè)經(jīng)過優(yōu)化的用戶平面體系結(jié)構(gòu)，將節(jié)點(diǎn)類型從以前的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/用戶平面分離；

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

LTE-SAE體系結(jié)構(gòu)包括分組數(shù)據(jù)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)，為所有用戶提供一個(gè)穩(wěn)定的IP接入點(diǎn)，無論他們是在一種接入技術(shù)之內(nèi)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(nèi)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(kuò)容。

GSM和WCDMA/HSPA系統(tǒng)通過SGSN（服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）和演進(jìn)后的核心網(wǎng)之間的標(biāo)準(zhǔn)接口集成到演進(jìn)后的系統(tǒng)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、用于與用戶設(shè)備（UE）建立IP連接的接口。因此，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的功能相當(dāng)于一個(gè)服務(wù)WCDMA/HSPA終端設(shè)備的GGSN（網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）。

該體系結(jié)構(gòu)還能將SGSN和MME功能整合到同一個(gè)節(jié)點(diǎn)之中，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)支持GSM、WCDMA/HSPA和LTE技術(shù)的通用分組核心網(wǎng)。

歸屬地用戶服務(wù)器（HSS）通過一個(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(xiàn)控制平面的IP聯(lián)網(wǎng)提供一個(gè)簡化的協(xié)調(diào)解決方案，因?yàn)橛糜诓呗钥刂坪陀?jì)費(fèi)的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)信令是基于Diameter協(xié)議。

LTE基站通過RAN-CN（無線接入網(wǎng)-核心網(wǎng)）接口連接至核心網(wǎng)。MME負(fù)責(zé)處理移動(dòng)性等控制信令。用戶數(shù)據(jù)通過一個(gè)基于IP的傳輸網(wǎng)在基站和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間傳送。為了能夠高速切換處于激活模式的終端設(shè)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(tǒng)之后將允許用戶在cdma200和LTE系統(tǒng)之間無縫移動(dòng)。這種解決方案支持單/雙無線切換，可實(shí)現(xiàn)從CDMA到LTE的靈活遷移。圖1顯示了如何將cdma2000系統(tǒng)集成到LTE-SAE體系結(jié)構(gòu)中。GSM和WCDMA系統(tǒng)現(xiàn)有的服務(wù)質(zhì)量（QoS）概念較為復(fù)雜，因此，LTE-SAE的QoS概念融合了簡約、靈活接入和向后兼容的理念。LTE-SAE采用了一種基于類別的服務(wù)質(zhì)量概念，能夠讓運(yùn)營商方便高效地區(qū)分各種分組業(yè)務(wù)。

圖1 LTE-SAE體系結(jié)構(gòu)的示意圖

圖中顯示了如何將cdma2000系統(tǒng)集成到LTE-SAE體系結(jié)構(gòu)中。