LTE-SAE體系結(jié)構及性能剖析

引言

LTE是由3GPP（第三代合作伙伴計劃）定義的移動寬帶網(wǎng)絡標準的下一個演進目標，支持在成對頻譜和非成對頻譜上的運行，可實現(xiàn)對現(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LTE的廣泛支持，確保了LTE擁有規(guī)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（長期演進）：也稱之為演進的UTRA和UTRAN（Evolved UTRA and UTRAN）的研究項目。該項研究的目標是確定3GPP接入技術的長期演進計劃，使其可以在遙遠的將來保持競爭優(yōu)勢，相應的工作項目計劃在2007年下半年完成。

3GPP還開展了一項平行研究：即系統(tǒng)架構演進（SAE），來展示核心網(wǎng)絡的演進要點。這是一個基于IP的扁平網(wǎng)絡體系結(jié)構，旨于簡化網(wǎng)絡操作，確保平穩(wěn)、有效地部署網(wǎng)絡。

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

演進目標：統(tǒng)一標準的高性能移動寬帶

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

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

使用3G手機快速下載和上載音視頻文件。

移動寬帶正經(jīng)歷快速的增長，而LTE則能夠提供更為出色的用戶體驗。該技術將大大改善移動視頻、博客、高端游戲、豐富的多媒體電話和專業(yè)服務等要求更為嚴苛的應用，還能與現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)進行互操作。因此，在3GPP版本8中引入的LTE是移動無線通信下一個重要的演進步驟，LTE采用OFDM（正交頻分復用）無線接入技術和先進的天線技術。

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

LTE-SAE體系結(jié)構可降低運營支出和資本支出。例如，為了處理更多的數(shù)據(jù)流量，運營商只需在新的扁平體系結(jié)構中升級兩類節(jié)點（基站和網(wǎng)關）的容量。另一個重點領域是網(wǎng)絡操作功能，目標是實現(xiàn)高度自動化的網(wǎng)絡配置。

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

LTE是一項多用途技術，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)有移動網(wǎng)絡，從而為所有移動用戶提供全面的網(wǎng)絡覆蓋。

如上所述，運營商可以根據(jù)現(xiàn)有網(wǎng)絡和頻譜的具體情況以及移動寬帶和多媒體業(yè)務的經(jīng)營目標靈活地引入LTE。

技術概述

總的體系結(jié)構

LTE-SAE體系結(jié)構的主要改進包括：

一個通用錨點和一個支持所有接入技術的網(wǎng)關節(jié)點；

一個經(jīng)過優(yōu)化的用戶平面體系結(jié)構，將節(jié)點類型從以前的4種縮減到只有2種（基站和網(wǎng)關）；

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；

移動性管理實體（MME）與網(wǎng)關之間的控制平面/用戶平面分離；

集成采用基于客戶端和網(wǎng)絡的移動IP的非3GPP接入技術。

LTE-SAE體系結(jié)構包括分組數(shù)據(jù)網(wǎng)（PDN）和服務網(wǎng)關。PDN網(wǎng)關是所有接入技術的通用錨點，為所有用戶提供一個穩(wěn)定的IP接入點，無論他們是在一種接入技術之內(nèi)移動，還是在多種接入技術之間移動。

服務網(wǎng)關是3GPP移動網(wǎng)絡內(nèi)的錨點。MME功能與網(wǎng)關功能分離，這樣有助于網(wǎng)絡部署、單個技術的演進以及全面靈活的擴容。

GSM和WCDMA/HSPA系統(tǒng)通過SGSN（服務GPRS支持節(jié)點）和演進后的核心網(wǎng)之間的標準接口集成到演進后的系統(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之間建立承載的接口，與網(wǎng)關相連、用于與用戶設備（UE）建立IP連接的接口。因此，網(wǎng)關節(jié)點的功能相當于一個服務WCDMA/HSPA終端設備的GGSN（網(wǎng)關GPRS支持節(jié)點）。

該體系結(jié)構還能將SGSN和MME功能整合到同一個節(jié)點之中，從而實現(xiàn)一個支持GSM、WCDMA/HSPA和LTE技術的通用分組核心網(wǎng)。

歸屬地用戶服務器（HSS）通過一個可能基于Diameter協(xié)議而不是SS7信令的建議接口連接至分組核心網(wǎng)。這將為實現(xiàn)控制平面的IP聯(lián)網(wǎng)提供一個簡化的協(xié)調(diào)解決方案，因為用于策略控制和計費的現(xiàn)有網(wǎng)絡信令是基于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負責處理移動性等控制信令。用戶數(shù)據(jù)通過一個基于IP的傳輸網(wǎng)在基站和網(wǎng)關節(jié)點之間傳送。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。這種解決方案支持單/雙無線切換，可實現(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)構中。GSM和WCDMA系統(tǒng)現(xiàn)有的服務質(zhì)量（QoS）概念較為復雜，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質(zhì)量概念，能夠讓運營商方便高效地區(qū)分各種分組業(yè)務。

圖1 LTE-SAE體系結(jié)構的示意圖

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