LTE-SAE体系结构及性能剖析

      引言

      LTE是由3GPP（第三代合作伙伴计划）定义的移动宽带网络标准的下一个演进目标，支持在成对频谱和非成对频谱上的运行，可实现对现有和未来的无线频带频谱的高效利用。它还支持1.4-20MHz的信道带宽。业界对LTE的广泛支持，确保了LTE拥有规模经济效益，因此是一种非常经济高效的解决方案。

      2006年9月，3GPP最终确定了LTE（长期演进）：也称之为演进的UTRA和UTRAN（Evolved UTRA and UTRAN）的研究项目。该项研究的目标是确定3GPP接入技术的长期演进计划，使其可以在遥远的将来保持竞争优势，相应的工作项目计划在2007年下半年完成。

      3GPP还开展了一项平行研究：即系统架构演进（SAE），来展示核心网络的演进要点。这是一个基于IP的扁平网络体系结构，旨于简化网络操作，确保平稳、有效地部署网络。

      本文将重点介绍LTE-SAE（长期演进-系统体系结构演进）的网络性能和结构特点，该系统能够将3GPP和3GPP2在新旧频段上的系统性能提升至一个史无前例的高度，这个经过简化和优化的体系结构在用户平面上所使用的节点数量最少。此外，它还引入了一些能够简化操作和维护工作的新特性。

      演进目标：统一标准的高性能移动宽带

      宽带移动通信正迅速成为现实。据相关预测，2011年以前，全球将有15亿人使用宽带业务，这些人当中将有超过一半使用移动宽带业务，而他们当中的大多数人将通过HSPA（高速分组接入）/LTE网络获得服务。而在目前，用户可以通过3G/HSPA享受高速移动服务：

      使用基于HSPA的手机和笔记本电脑上网并发送电子邮件；

      用HSPA调制解调器替换原有的DSL调制解调器；

      使用3G手机快速下载和上载音视频文件。

      移动宽带正经历快速的增长，而LTE则能够提供更为出色的用户体验。该技术将大大改善移动视频、博客、高端游戏、丰富的多媒体电话和专业服务等要求更为严苛的应用，还能与现有蜂窝系统进行互操作。因此，在3GPP版本8中引入的LTE是移动无线通信下一个重要的演进步骤，LTE采用OFDM（正交频分复用）无线接入技术和先进的天线技术。

      除了LTE之外，3GPP还定义了一个基于IP的扁平网络体系结构，作为系统体系结构演进（SAE）的一部分。LTE-SAE体系结构及概念的目标和设计思想是将所有基于IP的业务高效地推广至大众市场。该体系结构基于GSM/WCDMA核心网，并从它们演进而来，因此有助于简化网络操作以及平稳、有效地部署网络。

      LTE-SAE体系结构可降低运营支出和资本支出。例如，为了处理更多的数据流量，运营商只需在新的扁平体系结构中升级两类节点（基站和网关）的容量。另一个重点领域是网络操作功能，目标是实现高度自动化的网络配置。

      除此之外，由于3GPP和3GPP2已经就CDMA和LTE-SAE系统之间的互通达成一致，CDMA运营商将能把他们的网络演进至LTE-SAE，并受益于规模经济和巨大的芯片组出货量。

      LTE是一项多用途技术，其中主要的3GPP要求如下：

      下行峰值比特率高于100Mbps，无线接入网（RAN）中的往返时间低于10毫秒。

      支持新老频段中从低于5MHz到最高20MHz的灵活的载波带宽。

      支持FDD和TDD系统。

      支持切换和漫游至现有移动网络，从而为所有移动用户提供全面的网络覆盖。

      如上所述，运营商可以根据现有网络和频谱的具体情况以及移动宽带和多媒体业务的经营目标灵活地引入LTE。

      技术概述

      总的体系结构

      LTE-SAE体系结构的主要改进包括：

      一个通用锚点和一个支持所有接入技术的网关节点；

      一个经过优化的用户平面体系结构，将节点类型从以前的4种缩减到只有2种（基站和网关）；

      所有接口均支持基于IP的协议；

      RAN与CN（核心网）之间的功能分离，类似于WCDMA与HSPA之间的功能分离；

      移动性管理实体（MME）与网关之间的控制平面/用户平面分离；

      集成采用基于客户端和网络的移动IP的非3GPP接入技术。

      LTE-SAE体系结构包括分组数据网（PDN）和服务网关。PDN网关是所有接入技术的通用锚点，为所有用户提供一个稳定的IP接入点，无论他们是在一种接入技术之内移动，还是在多种接入技术之间移动。

      服务网关是3GPP移动网络内的锚点。MME功能与网关功能分离，这样有助于网络部署、单个技术的演进以及全面灵活的扩容。

      GSM和WCDMA/HSPA系统通过SGSN（服务GPRS支持节点）和演进后的核心网之间的标准接口集成到演进后的系统中。这些接口包括：与MME相连、用于传送上下文并在不同接入技术之间建立承载的接口，与网关相连、用于与用户设备（UE）建立IP连接的接口。因此，网关节点的功能相当于一个服务WCDMA/HSPA终端设备的GGSN（网关GPRS支持节点）。

      该体系结构还能将SGSN和MME功能整合到同一个节点之中，从而实现一个支持GSM、WCDMA/HSPA和LTE技术的通用分组核心网。

      归属地用户服务器（HSS）通过一个可能基于Diameter协议而不是SS7信令的建议接口连接至分组核心网。这将为实现控制平面的IP联网提供一个简化的协调解决方案，因为用于策略控制和计费的现有网络信令是基于Diameter协议。

      LTE基站通过RAN-CN（无线接入网-核心网）接口连接至核心网。MME负责处理移动性等控制信令。用户数据通过一个基于IP的传输网在基站和网关节点之间传送。为了能够高速切换处于激活模式的终端设备，每一个LTE基站都与其相邻基站建立了逻辑连接。

集成cdma2000系统之后将允许用户在cdma200和LTE系统之间无缝移动。这种解决方案支持单/双无线切换，可实现从CDMA到LTE的灵活迁移。图1显示了如何将cdma2000系统集成到LTE-SAE体系结构中。GSM和WCDMA系统现有的服务质量（QoS）概念较为复杂，因此，LTE-SAE的QoS概念融合了简约、灵活接入和向后兼容的理念。LTE-SAE采用了一种基于类别的服务质量概念，能够让运营商方便高效地区分各种分组业务。

      图1  LTE-SAE体系结构的示意图

      图中显示了如何将cdma2000系统集成到LTE-SAE体系结构中。[page]

      IP networks：IP网络

      Other access:其它接入技术

      LTE接入技术

      在仔细研究了各种不同的接入技术之后，3GPP选择了OFDM（正交频分复用）技术作为下行方向的接入技术，并选择了SC-FDMA（单载波频分多址）技术作为上行方向的接入技术。这两项技术不仅能够实现频谱灵活性，同时也能满足有关吞吐量和频谱效率的苛刻指标。

      本质而言，LTE物理层只为其上的网络层提供共享信道，使用的是一个1毫秒的传输时间间隔（TTI）。与HSPA中所采用的方法类似，LTE必须采用速率自适应和具有软合并功能的混合自动重传请求（HARQ）迅速适应各种信道变化，而采用OFDM和SC-FDMA技术可以探测到频率和时间域内的变化。LTE物理层中的子载波间距为15kHz。

      无线接口协议的体系结构基于HSPA的体系结构。协议的名称相同，而且功能也相似。不同之处在于LTE和HSPA所采用的多址技术不同，还有就是LTE是一个全分组系统（也就是说，没有必要支持传统的电路交换域）。图2显示了无线接口协议的体系结构。请注意：除了非接入层（NAS）协议之外，所有无线接口协议都终接于网络侧的eNodeB。

      PDCP（分组数据融合协议）负责处理无线接口的报头压缩和安全功能。RLC（无线链路控制）协议主要负责确保数据的无损耗传输。MAC（媒体接入控制）协议负责处理上下行调度和HARQ信令。

      与此类似，RRC（无线资源控制）协议负责处理无线承载的建立、激活模式的移动性管理以及系统信息的广播，而NAS协议负责处理空闲模式的移动性管理和业务建立。

      图2  无线接口协议的体系结构 – 控制平面和用户平面

      User plane:用户平面

      Control：控制平面

      LTE-SAE network：LTE-SAE网络

      LTE性能评估

      在对LTE的接入性能进行全面评估后，3GPP得出的结论是：LTE接入技术不仅能够满足所规定的要求，而且能实现所期望的频谱灵活性。目前已经进行了很多系统级和链路级的性能模拟试验。下面列出了模拟试验所达到的频谱效率和用户吞吐量。

      频谱效率为：当站间距离（ISD）为500米时，下行方向1.7-2.7bps/Hz/小区，上行方向0.7bps/Hz/小区。

      小区边缘用户吞吐量为：当使用10个用户进行模拟而且每个小区的缓存都满载时，下行方向0.18-0.28bps/Hz/小区，上行方向0.022-0.05bps/Hz/小区。

      我们从图3所示的峰值速率可以看出，LTE满足并超过了下行100Mbps和上行50Mbps的目标。实际上，如果分配20MHz的频谱，LTE的下行速率可超过325Mbps，上行速率可超过80Mbps。

      往返时间（RTT）约为7毫秒，单向时延为3.5毫秒，HARQ RTT为5毫秒。

      图3 不同频谱分配情况下的LTE峰值比特率

      Peak data rate:峰值数据速率

      Uplink：上行

      Downlink：下行

      Bandwidth：带宽

      操作与维护

      对LTE-SAE的一个重要要求是能够降低运营支出。自我管理在实现这一目标方面扮演了一个关键角色。例如，自我配置功能有助于方便快速地安装、集成和部署基站（包括无线接入网的初期建设），减少准备工作量以及与运营商的交流工作量，从而降低成本，提升LTE-SAE网络的初期部署速度。同样，自我优化功能可减少调整和维护LTE-SAE网络的工作量，这些功能包括：自动优化相邻小区和自动调整用于控制切换以及其它无线资源管理算法的参数。

      终端与设备

      LTE从一开始就被设计用于支持小型、高性能、高能效的最终用户设备。除了手机和笔记本电脑之外，LTE还将支持多种设备：

      对上下行速率有着极高要求的设备，如电视机和摄像机

      对时延有着极高要求的设备，如网络游戏机。

      LTE-SAE的产品实现

      目前全球主流厂家正在正在加紧开发LTE-SAE产品。

      无线接入产品

      领先的厂家通常把LTE和HSPA产品将基于相同的软硬件体系结构，首批产品将支持多个频段以及FDD和TDD。

      通过使用插件，运营商可以将LTE添加到现有的基站中，使它们支持双模式和双频段。在这个场景中，运营支撑系统（OSS）将支持网络迁移和无缝管理。易用特性包括：即插即用型基站、自动调试、关键性能指标（KPI）的自动报告功能。

      此外还将开发独立、高性能的宏基站和微型基站产品。“主用单元-远程单元”的理念将有助于在空间有限和很难获得合适空间的站点部署新设备。
例如，在今年的巴塞罗那“2008全球移动大会”上，爱立信公布了其下一代无线基站RBS 6000系列产品。该节能型的站点解决方案提供了市场上最小的宏基站，而且同时支持GSM/EDGE、WCDMA/HSPA和LTE等多种技术。该产品实现了开发一个真正多标准的解决方案的长远目标，而且为客户提供一个无缝、集成和环保的解决方案。

      核心网产品

      先进的所有适用核心网产品未来都应该支持SAE功能。基于演进后的核心网产品的网关功能将支持LTE业务，为GSM和WCDMA/HSPA系统提供GGSN功能，并提供对移动IP的支持。MME功能即可以用作一个独立的LTE移动服务器节点，也可以与GSM和WCDMA/HSPA系统的SGSN功能结合使用。此外， HSS和策略控制器（Policy Controller）也将支持SAE功能。结果就是一个支持所有接入技术的通用核心网。

      移动平台、宽带模块和固定无线终端产品

      LTE移动平台再次采用了被实践证明非常成功的WCDMA移动平台的体系结构，因此可确保稳定性、缩短产品的上市时间、并降低成本。例如，终端设备厂商将会看到，EMP的LTE移动平台使用了与WCDMA移动平台相同的软件界面。

      对首款商用芯片组针对数据业务进行了优化，设计用于紧凑型的移动电子设备，如手机、笔记本电脑的宽带模块、电视机、摄像机和固定无线终端设备等。

      LTE芯片组的关键特性包括：上下行速率分别为100Mbps和50Mbps、多种带宽、支持4个频段。

      将LTE、GSM和WCDMA/HSPA集成到LTE移动平台上将可确保LTE受益于WCDMA的规模经济。因此，LTE从诞生之日起就能实现全国覆盖和全球漫游。