LTE-SAE體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)性能介紹

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(zhǎng)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(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃，使其可以在遙遠(yuǎn)的將來保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，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(jiǎn)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(zhǎng)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(jiǎn)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(jiǎn)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(cè)，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(zhǎng)，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(chǎng)。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(jiǎn)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(yíng)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(yíng)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(yíng)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(yíng)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(yíng)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(jiǎn)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(jiǎn)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(yíng)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。

IP networks：IP網(wǎng)絡(luò)

Other access：其它接入技術(shù)

LTE接入技術(shù)

在仔細(xì)研究了各種不同的接入技術(shù)之后，3GPP選擇了OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)作為下行方向的接入技術(shù)，并選擇了SC-FDMA（單載波頻分多址）技術(shù)作為上行方向的接入技術(shù)。這兩項(xiàng)技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜靈活性，同時(shí)也能滿足有關(guān)吞吐量和頻譜效率的苛刻指標(biāo)。

本質(zhì)而言，LTE物理層只為其上的網(wǎng)絡(luò)層提供共享信道，使用的是一個(gè)1毫秒的傳輸時(shí)間間隔（TTI）。與HSPA中所采用的方法類似，LTE必須采用速率自適應(yīng)和具有軟合并功能的混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（HARQ）迅速適應(yīng)各種信道變化，而采用OFDM和SC-FDMA技術(shù)可以探測(cè)到頻率和時(shí)間域內(nèi)的變化。LTE物理層中的子載波間距為15kHz。

無線接口協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)基于HSPA的體系結(jié)構(gòu)。協(xié)議的名稱相同，而且功能也相似。不同之處在于LTE和HSPA所采用的多址技術(shù)不同，還有就是LTE是一個(gè)全分組系統(tǒng)（也就是說，沒有必要支持傳統(tǒng)的電路交換域）。圖2顯示了無線接口協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。請(qǐng)注意：除了非接入層（NAS）協(xié)議之外，所有無線接口協(xié)議都終接于網(wǎng)絡(luò)側(cè)的eNodeB。

PDCP（分組數(shù)據(jù)融合協(xié)議）負(fù)責(zé)處理無線接口的報(bào)頭壓縮和安全功能。RLC（無線鏈路控制）協(xié)議主要負(fù)責(zé)確保數(shù)據(jù)的無損耗傳輸。MAC（媒體接入控制）協(xié)議負(fù)責(zé)處理上下行調(diào)度和HARQ信令。

與此類似，RRC（無線資源控制）協(xié)議負(fù)責(zé)處理無線承載的建立、激活模式的移動(dòng)性管理以及系統(tǒng)信息的廣播，而NAS協(xié)議負(fù)責(zé)處理空閑模式的移動(dòng)性管理和業(yè)務(wù)建立。

圖2 無線接口協(xié)議的體系結(jié)構(gòu) – 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(wǎng)絡(luò)

LTE性能評(píng)估

在對(duì)LTE的接入性能進(jìn)行全面評(píng)估后，3GPP得出的結(jié)論是：LTE接入技術(shù)不僅能夠滿足所規(guī)定的要求，而且能實(shí)現(xiàn)所期望的頻譜靈活性。目前已經(jīng)進(jìn)行了很多系統(tǒng)級(jí)和鏈路級(jí)的性能模擬試驗(yàn)。下面列出了模擬試驗(yàn)所達(dá)到的頻譜效率和用戶吞吐量。

頻譜效率為：當(dāng)站間距離（ISD）為500米時(shí)，下行方向1.7-2.7bps/Hz/小區(qū)，上行方向0.7bps/Hz/小區(qū)。

小區(qū)邊緣用戶吞吐量為：當(dāng)使用10個(gè)用戶進(jìn)行模擬而且每個(gè)小區(qū)的緩存都滿載時(shí)，下行方向0.18-0.28bps/Hz/小區(qū)，上行方向0.022-0.05bps/Hz/小區(qū)。

我們從圖3所示的峰值速率可以看出，LTE滿足并超過了下行100Mbps和上行50Mbps的目標(biāo)。實(shí)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(shí)間（RTT）約為7毫秒，單向時(shí)延為3.5毫秒，HARQ RTT為5毫秒。

圖3 不同頻譜分配情況下的LTE峰值比特率

Peak data rate：峰值數(shù)據(jù)速率

Uplink：上行

Downlink：下行

Bandwidth：帶寬

操作與維護(hù)

對(duì)LTE-SAE的一個(gè)重要要求是能夠降低運(yùn)營(yíng)支出。自我管理在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)方面扮演了一個(gè)關(guān)鍵角色。例如，自我配置功能有助于方便快速地安裝、集成和部署基站（包括無線接入網(wǎng)的初期建設(shè)），減少準(zhǔn)備工作量以及與運(yùn)營(yíng)商的交流工作量，從而降低成本，提升LTE-SAE網(wǎng)絡(luò)的初期部署速度。同樣，自我優(yōu)化功能可減少調(diào)整和維護(hù)LTE-SAE網(wǎng)絡(luò)的工作量，這些功能包括：自動(dòng)優(yōu)化相鄰小區(qū)和自動(dòng)調(diào)整用于控制切換以及其它無線資源管理算法的參數(shù)。

終端與設(shè)備

LTE從一開始就被設(shè)計(jì)用于支持小型、高性能、高能效的最終用戶設(shè)備。除了手機(jī)和筆記本電腦之外，LTE還將支持多種設(shè)備：

對(duì)上下行速率有著極高要求的設(shè)備，如電視機(jī)和攝像機(jī)

對(duì)時(shí)延有著極高要求的設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)游戲機(jī)。

LTE-SAE的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)

目前全球主流廠家正在正在加緊開發(fā)LTE-SAE產(chǎn)品。

無線接入產(chǎn)品

領(lǐng)先的廠家通常把LTE和HSPA產(chǎn)品將基于相同的軟硬件體系結(jié)構(gòu)，首批產(chǎn)品將支持多個(gè)頻段以及FDD和TDD。

通過使用插件，運(yùn)營(yíng)商可以將LTE添加到現(xiàn)有的基站中，使它們支持雙模式和雙頻段。在這個(gè)場(chǎng)景中，運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)（OSS）將支持網(wǎng)絡(luò)遷移和無縫管理。易用特性包括：即插即用型基站、自動(dòng)調(diào)試、關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）的自動(dòng)報(bào)告功能。

此外還將開發(fā)獨(dú)立、高性能的宏基站和微型基站產(chǎn)品?！爸饔脝卧?遠(yuǎn)程單元”的理念將有助于在空間有限和很難獲得合適空間的站點(diǎn)部署新設(shè)備。

例如，在今年的巴塞羅那“2008全球移動(dòng)大會(huì)”上，愛立信公布了其下一代無線基站RBS 6000系列產(chǎn)品。該節(jié)能型的站點(diǎn)解決方案提供了市場(chǎng)上最小的宏基站，而且同時(shí)支持GSM/EDGE、WCDMA/HSPA和LTE等多種技術(shù)。該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了開發(fā)一個(gè)真正多標(biāo)準(zhǔn)的解決方案的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)，而且為客戶提供一個(gè)無縫、集成和環(huán)保的解決方案。

核心網(wǎng)產(chǎn)品

先進(jìn)的所有適用核心網(wǎng)產(chǎn)品未來都應(yīng)該支持SAE功能。基于演進(jìn)后的核心網(wǎng)產(chǎn)品的網(wǎng)關(guān)功能將支持LTE業(yè)務(wù)，為GSM和WCDMA/HSPA系統(tǒng)提供GGSN功能，并提供對(duì)移動(dòng)IP的支持。MME功能即可以用作一個(gè)獨(dú)立的LTE移動(dòng)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，也可以與GSM和WCDMA/HSPA系統(tǒng)的SGSN功能結(jié)合使用。此外， HSS和策略控制器（Policy Controller）也將支持SAE功能。結(jié)果就是一個(gè)支持所有接入技術(shù)的通用核心網(wǎng)。

移動(dòng)平臺(tái)、寬帶模塊和固定無線終端產(chǎn)品

LTE移動(dòng)平臺(tái)再次采用了被實(shí)踐證明非常成功的WCDMA移動(dòng)平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)，因此可確保穩(wěn)定性、縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間、并降低成本。例如，終端設(shè)備廠商將會(huì)看到，EMP的LTE移動(dòng)平臺(tái)使用了與WCDMA移動(dòng)平臺(tái)相同的軟件界面。

對(duì)首款商用芯片組針對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)用于緊湊型的移動(dòng)電子設(shè)備，如手機(jī)、筆記本電腦的寬帶模塊、電視機(jī)、攝像機(jī)和固定無線終端設(shè)備等。

LTE芯片組的關(guān)鍵特性包括：上下行速率分別為100Mbps和50Mbps、多種帶寬、支持4個(gè)頻段。

將LTE、GSM和WCDMA/HSPA集成到LTE移動(dòng)平臺(tái)上將可確保LTE受益于WCDMA的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。因此，LTE從誕生之日起就能實(shí)現(xiàn)全國(guó)覆蓋和全球漫游。

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