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）定義的移動寬帶網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，可實現對現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。業界對LTE的廣泛支持，確保了LTE擁有規模經濟效益，因此是一種非常經濟高效的解決方案。

 

2006年9月，3GPP最終確定了LTE（長期演進）：也稱之爲演進的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：即系統架構演進（SAE），來展示核心網絡的演進要點。這是一個基於IP的扁平網絡體系結構，旨於簡化網絡操作，確保平穩、有效地部署網絡。

 

本文將重點介紹LTE-SAE（長期演進-系統體系結構演進）的網絡性能和結構特點，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史無前例的高度，這個經過簡化和優化的體系結構在用戶平面上所使用的節點數量最少。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：統一標準的高性能移動寬帶

 

寬帶移動通信正迅速成爲現實。據相關預測，2011年以前，全球將有15億人使用寬帶業務，這些人當中將有超過一半使用移動寬帶業務，而他們當中的大多數人將通過HSPA（高速分組接入）/LTE網絡獲得服務。而在目前，用戶可以通過3G/HSPA享受高速移動服務：

• 使用基於HSPA的手機和筆記本電腦上網併發送電子郵件；
• 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。

移動寬帶正經歷快速的增長，而LTE則能夠提供更爲出色的用戶體驗。該技術將大大改善移動視頻、博客、高端遊戲、豐富的多媒體電話和專業服務等要求更爲嚴苛的應用，還能與現有蜂窩系統進行互操作。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採用OFDM（正交頻分複用）無線接入技術和先進的天線技術。

 

除了LTE之外，3GPP還定義了一個基於IP的扁平網絡體系結構，作爲系統體系結構演進（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於IP的業務高效地推廣至大衆市場。該體系結構基於GSM/WCDMA核心網，並從它們演進而來，因此有助於簡化網絡操作以及平穩、有效地部署網絡。

 

LTE-SAE體系結構可降低運營支出和資本支出。例如，爲了處理更多的數據流量，運營商只需在新的扁平體系結構中升級兩類節點（基站和網關）的容量。另一個重點領域是網絡操作功能，目標是實現高度自動化的網絡配置。
除此之外，由於3GPP和3GPP2已經就CDMA和LTE-SAE系統之間的互通達成一致，CDMA運營商將能把他們的網絡演進至LTE-SAE，並受益於規模經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：

• 下行峯值比特率高於100Mbps，無線接入網（RAN）中的往返時間低於10毫秒。
• 支持新老頻段中從低於5MHz到最高20MHz的靈活的載波帶寬。
• 支持FDD和TDD系統。
• 支持切換和漫遊至現有移動網絡，從而爲所有移動用戶提供全面的網絡覆蓋。

如上所述，運營商可以根據現有網絡和頻譜的具體情況以及移動寬帶和多媒體業務的經營目標靈活地引入LTE。

 

技術概述

 

總的體系結構

 

LTE-SAE體系結構的主要改進包括：

• 一個通用錨點和一個支持所有接入技術的網關節點；
• 一個經過優化的用戶平面體系結構，將節點類型從以前的4種縮減到只有2種（基站和網關）；
• 所有接口均支持基於IP的協議；
• RAN與CN（核心網）之間的功能分離，類似於WCDMA與HSPA之間的功能分離；
• 移動性管理實體（MME）與網關之間的控制平面/用戶平面分離；
• 集成採用基於客戶端和網絡的移動IP的非3GPP接入技術。

LTE-SAE體系結構包括分組數據網（PDN）和服務網關。PDN網關是所有接入技術的通用錨點，爲所有用戶提供一個穩定的IP接入點，無論他們是在一種接入技術之內移動，還是在多種接入技術之間移動。

 

服務網關是3GPP移動網絡內的錨點。MME功能與網關功能分離，這樣有助於網絡部署、單個技術的演進以及全面靈活的擴容。

 

GSM和WCDMA/HSPA系統通過SGSN（服務GPRS支持節點）和演進後的核心網之間的標準接口集成到演進後的系統中。這些接口包括：與MME相連、用於傳送上下文並在不同接入技術之間建立承載的接口，與網關相連、用於與用戶設備（UE）建立IP連接的接口。因此，網關節點的功能相當於一個服務WCDMA/HSPA終端設備的GGSN（網關GPRS支持節點）。

 

該體系結構還能將SGSN和MME功能整合到同一個節點之中，從而實現一個支持GSM、WCDMA/HSPA和LTE技術的通用分組核心網。

 

歸屬地用戶服務器（HSS）通過一個可能基於Diameter協議而不是SS7信令的建議接口連接至分組核心網。這將爲實現控制平面的IP聯網提供一個簡化的協調解決方案，因爲用於策略控制和計費的現有網絡信令是基於Diameter協議。

 

LTE基站通過RAN-CN（無線接入網-核心網）接口連接至核心網。MME負責處理移動性等控制信令。用戶數據通過一個基於IP的傳輸網在基站和網關節點之間傳送。爲了能夠高速切換處於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系統之後將允許用戶在cdma200和LTE系統之間無縫移動。這種解決方案支持單/雙無線切換，可實現從CDMA到LTE的靈活遷移。圖1顯示瞭如何將cdma2000系統集成到LTE-SAE體系結構中。GSM和WCDMA系統現有的服務質量（QoS）概念較爲複雜，因此，LTE-SAE的QoS概念融合了簡約、靈活接入和向後兼容的理念。LTE-SAE採用了一種基於類別的服務質量概念，能夠讓運營商方便高效地區分各種分組業務。

 

圖1  LTE-SAE體系結構的示意圖

 

圖中顯示瞭如何將cdma2000系統集成到LTE-SAE體系結構中。

 

IP networks：IP網絡

 

Other access:其它接入技術

 

LTE接入技術

 

在仔細研究了各種不同的接入技術之後，3GPP選擇了OFDM（正交頻分複用）技術作爲下行方向的接入技術，並選擇了SC-FDMA（單載波頻分多址）技術作爲上行方向的接入技術。這兩項技術不僅能夠實現頻譜靈活性，同時也能滿足有關吞吐量和頻譜效率的苛刻指標。

 

本質而言，LTE物理層只爲其上的網絡層提供共享信道，使用的是一個1毫秒的傳輸時間間隔（TTI）。與HSPA中所採用的方法類似，LTE必須採用速率自適應和具有軟合併功能的混合自動重傳請求（HARQ）迅速適應各種信道變化，而採用OFDM和SC-FDMA技術可以探測到頻率和時間域內的變化。LTE物理層中的子載波間距爲15kHz。

 

無線接口協議的體系結構基於HSPA的體系結構。協議的名稱相同，而且功能也相似。不同之處在於LTE和HSPA所採用的多址技術不同，還有就是LTE是一個全分組系統（也就是說，沒有必要支持傳統的電路交換域）。圖2顯示了無線接口協議的體系結構。請注意：除了非接入層（NAS）協議之外，所有無線接口協議都終接於網絡側的eNodeB。

 

PDCP（分組數據融合協議）負責處理無線接口的報頭壓縮和安全功能。RLC（無線鏈路控制）協議主要負責確保數據的無損耗傳輸。MAC（媒體接入控制）協議負責處理上下行調度和HARQ信令。

 

與此類似，RRC（無線資源控制）協議負責處理無線承載的建立、激活模式的移動性管理以及系統信息的廣播，而NAS協議負責處理空閒模式的移動性管理和業務建立。

 

圖2  無線接口協議的體系結構 – 控制平面和用戶平面

 

User plane:用戶平面

 

Control：控制平面

 

LTE-SAE network：LTE-SAE網絡

 

LTE性能評估

 

在對LTE的接入性能進行全面評估後，3GPP得出的結論是：LTE接入技術不僅能夠滿足所規定的要求，而且能實現所期望的頻譜靈活性。目前已經進行了很多系統級和鏈路級的性能模擬試驗。下面列出了模擬試驗所達到的頻譜效率和用戶吞吐量。

 

頻譜效率爲：當站間距離（ISD）爲500米時，下行方向1.7-2.7bps/Hz/小區，上行方向0.7bps/Hz/小區。

 

小區邊緣用戶吞吐量爲：當使用10個用戶進行模擬而且每個小區的緩存都滿載時，下行方向0.18-0.28bps/Hz/小區，上行方向0.022-0.05bps/Hz/小區。

 

我們從圖3所示的峯值速率可以看出，LTE滿足並超過了下行100Mbps和上行50Mbps的目標。實際上，如果分配20MHz的頻譜，LTE的下行速率可超過325Mbps，上行速率可超過80Mbps。

 

往返時間（RTT）約爲7毫秒，單向時延爲3.5毫秒，HARQ RTT爲5毫秒。

 

圖3 不同頻譜分配情況下的LTE峯值比特率

 

Peak data rate:峯值數據速率

 

Uplink：上行

 

Downlink：下行

 

Bandwidth：帶寬

 

操作與維護

 

對LTE-SAE的一個重要要求是能夠降低運營支出。自我管理在實現這一目標方面扮演了一個關鍵角色。例如，自我配置功能有助於方便快速地安裝、集成和部署基站（包括無線接入網的初期建設），減少準備工作量以及與運營商的交流工作量，從而降低成本，提升LTE-SAE網絡的初期部署速度。同樣，自我優化功能可減少調整和維護LTE-SAE網絡的工作量，這些功能包括：自動優化相鄰小區和自動調整用於控制切換以及其它無線資源管理算法的參數。

 

終端與設備

 

LTE從一開始就被設計用於支持小型、高性能、高能效的最終用戶設備。除了手機和筆記本電腦之外，LTE還將支持多種設備：

• 對上下行速率有着極高要求的設備，如電視機和攝像機
• 對時延有着極高要求的設備，如網絡遊戲機。

LTE-SAE的產品實現

 

目前全球主流廠家正在正在加緊開發LTE-SAE產品。

 

無線接入產品

 

領先的廠家通常把LTE和HSPA產品將基於相同的軟硬件體系結構，首批產品將支持多個頻段以及FDD和TDD。

 

通過使用插件，運營商可以將LTE添加到現有的基站中，使它們支持雙模式和雙頻段。在這個場景中，運營支撐系統（OSS）將支持網絡遷移和無縫管理。易用特性包括：即插即用型基站、自動調試、關鍵性能指標（KPI）的自動報告功能。

 

此外還將開發獨立、高性能的宏基站和微型基站產品。“主用單元-遠程單元”的理念將有助於在空間有限和很難獲得合適空間的站點部署新設備。
例如，在今年的巴塞羅那“2008全球移動大會”上，愛立信公佈了其下一代無線基站RBS 6000系列產品。該節能型的站點解決方案提供了市場上最小的宏基站，而且同時支持GSM/EDGE、WCDMA/HSPA和LTE等多種技術。該產品實現了開發一個真正多標準的解決方案的長遠目標，而且爲客戶提供一個無縫、集成和環保的解決方案。

 

核心網產品

 

先進的所有適用核心網產品未來都應該支持SAE功能。基於演進後的核心網產品的網關功能將支持LTE業務，爲GSM和WCDMA/HSPA系統提供GGSN功能，並提供對移動IP的支持。MME功能即可以用作一個獨立的LTE移動服務器節點，也可以與GSM和WCDMA/HSPA系統的SGSN功能結合使用。此外， HSS和策略控制器（Policy Controller）也將支持SAE功能。結果就是一個支持所有接入技術的通用核心網。

 

移動平臺、寬帶模塊和固定無線終端產品

 

LTE移動平臺再次採用了被實踐證明非常成功的WCDMA移動平臺的體系結構，因此可確保穩定性、縮短產品的上市時間、並降低成本。例如，終端設備廠商將會看到，EMP的LTE移動平臺使用了與WCDMA移動平臺相同的軟件界面。

 

對首款商用芯片組針對數據業務進行了優化，設計用於緊湊型的移動電子設備，如手機、筆記本電腦的寬帶模塊、電視機、攝像機和固定無線終端設備等。

 

LTE芯片組的關鍵特性包括：上下行速率分別爲100Mbps和50Mbps、多種帶寬、支持4個頻段。

 

將LTE、GSM和WCDMA/HSPA集成到LTE移動平臺上將可確保LTE受益於WCDMA的規模經濟。因此，LTE從誕生之日起就能實現全國覆蓋和全球漫遊。

 

網絡拓撲結構與部署

 

由於LTE被定義爲支持FDD和TDD系統各頻段中從低於5MHz到最高20MHz的靈活的載波帶寬，運營商既可以使用新的頻段也可以使用現有頻段引入LTE。在網絡部署初期，最簡便的方法是部署10到20MHz的載波（例如，IMT 2000 Extension或高級無線業務所使用的頻段），但LTE最終將在所有蜂窩頻段上部署。

 

LTE終端設備和網絡從一開始就能最多支持4個頻段，這意味着可以使用多個頻段對其進行全球部署。

 

目前，大多數商用蜂窩系統使用的是FDD技術。通常而言，與TDD相比，FDD的終端和網絡設備的數量更多。但TDD是FDD的一個良好補充，例如，用於填補FDD上下行鏈路之間的中心間距（centrum gap）。如果系統的LTE硬件與FDD和TDD硬件相同（除了濾波器），TDD運營商最終將能受益於FDD產品的規模經濟。

 

LTE還是惟一可在成對頻譜和非成對頻譜上使用同一平臺的技術，可幫助運營商實現規模經濟。LTE可在同一基站平臺上用於成對頻譜（FDD）和非成對頻譜（TDD），這可以使運營商能在不同頻段情況下靈活使用LTE技術，並從最優化的全球LTE解決方案中受益。例如在2008年1月，愛立信首次在同一基站平臺上演示了頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）模式的長期演進（LTE）技術。LTE-TDD模式演示涵蓋了多項應用，並展示了採用2x2MIMO（多輸入多輸出）技術的下行鏈路超過90Mbps的速度。此前曾以下行鏈路160 Mbps的速度展示FDD模式下的LTE技術。

 

在定義LTE-SAE體系結構時，3GPP特別注重支持靈活的網絡配置和提供極高的業務可用性。例如，在覈心網中，將控制功能（MME）與用戶平面分離增加了網絡部署的靈活性。

 

爲了對分組數據業務的處理進行優化，運營商可以將網關節點分佈部署在網絡的多個站點，以減少傳輸資源的使用量（圖4）。這種方法還能最大程度縮短時延，而短時延是開展IMS多媒體語音通信、高峯值速率寬帶數據接入等實時業務的一個重要先決條件。

 

圖4 網絡拓撲結構舉例

 

Local ip:本地IP連接

 

Centralized:用於提供移動性、安全性等功能的集中式服務器羣

 

Gateway:網關

 

Local p2p:本地P2P連接

 

此外，該體系結構還能實現MME功能的集中部署，MME功能爲LTE提供核心網控制。爲降低運營成本，可以將MME功能部署在中心站點，這些站點與其它控制節點共址於服務器羣中。

 

LTE-SAE體系結構通過核心網節點池實現高可用性。在實際運行中，如果某個核心網節點發生故障，基站可以連接至節點池中其它任意核心網節點。簡而言之，LTE-SAE可提供極高的業務可用性。

 

運營商在WCDMA/HSPA網絡中部署LTE-SAE體系結構和功能的一個有效方法是升級現有的網絡節點。這種方法尤其適合早期部署，因爲WCDMA/HSPA網絡中此時的多餘容量可用於支持LTE。例如，運營商可以運行一個WCDMA/HSPA和LTE通用核心網，同時共享可用的控制容量和淨荷處理容量，以提升容量的整體利用率，並降低LTE早期部署的運營支出和資本支出。

 

與此類似，cdma2000運營商也可以通過演進核心網架構實現對SAE的支持。

 

總結

 

LTE-SAE解決方案可實現高於100Mbps的下行峯值速率和低於10毫秒的往返時間，並能極大簡化網絡操作和維護工作。該體系結構針對移動寬帶業務進行了優化。LTE-SAE解決方案還可與GSM、WCDMA/HSPA和cdma2000系統高效集成。

 

理想的可以平滑過渡的基站和核心網產品系列應該均能升級至LTE-SAE，目前主流公司正在爲一些新的網絡部署項目開發一整套LTE基站產品。不僅如此， LTE移動平臺也爲開發各種不同類型的終端和設備-包括寬帶模塊、固定和移動通信終端設備-打下了一個堅實的基礎。結合上述技術優勢，LTE-SAE將能爲全球各地的用戶實現移動寬帶業務。

 

在LTE TDD/FDD方面取得的最新成果，繼續爲全球在此領域開展重要研究推波助瀾。與此同時，TDD也繼續在中國等市場上發揮其國際作用，例如愛立信已着手與中國的大唐集團開展研究合作。

 

據預測，LTE移動平臺將出現在各類終端設備中。LTE-SAE將受益於GSM和WCDMA/HSPA網絡強勁的發展勢頭和龐大的生態系統，將規模經濟延伸到各類終端、設備和網絡設備中。

 

總之，LTE-SAE的強大性能和靈活的系統架構，加上業界對LTE-SAE的廣泛支持，確保了LTE-SAE未來在全球市場擁有規模經濟效益和光明的前景。

 

參考文獻

 

1）Per Beming、Lars Frid、Göran Hall、Peter Malm、Thomas Noren、Magnus Olsson和Göran Rune, LTE/SAE architecture, Ericsson Review;

 

2）3GPP TR 25.913 “Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (EUTRAN)”.