LTE/EPS 在4G 移動(dòng)通信的演進(jìn)研究

魯 璐，穆 雪

(1.解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，江蘇 南京， 210007;2.中國(guó)人民解放軍63623 部隊(duì)，甘肅 酒泉， 732750)

移動(dòng)通信是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的通信方式之一，經(jīng)過(guò)20 多年的發(fā)展，移動(dòng)通信正在向4G 快速邁進(jìn)。與3G 相比，4G 技術(shù)無(wú)論在通信范圍、通信質(zhì)量還是在支持高速數(shù)據(jù)媒體業(yè)務(wù)的能力上都比3G 有很多超越之處。從未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)看，用戶希望通過(guò)移動(dòng)終端隨時(shí)隨地交流各種信息，尤其是大數(shù)據(jù)量的信息，為了適應(yīng)業(yè)務(wù)帶寬、傳輸時(shí)延以及網(wǎng)絡(luò)覆蓋等多方面的需要，3GPP 標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)啟動(dòng)了長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃(LTE)和系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)項(xiàng)目(SAE)，希望通過(guò)持續(xù)的演進(jìn)和增強(qiáng)，保持自己在通信領(lǐng)域的技術(shù)先發(fā)優(yōu)勢(shì)，保證為運(yùn)營(yíng)商和用戶不斷增長(zhǎng)的需求提供滿意的支持。SAE 后改名為演進(jìn)分組系統(tǒng)(EPS)，后來(lái)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)提出了全I(xiàn)P的LTE/EPS 架構(gòu)［1］。

1 4G的要求

4G是集3G 與寬帶無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)于一體，并能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像。它的圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下。4G 系統(tǒng)能夠以100 Mbps的速度下載，比目前的撥號(hào)上網(wǎng)快2000 倍，上傳的速度也能達(dá)到20 Mbps，并能夠滿足幾乎所有用戶對(duì)于無(wú)線服務(wù)的要求。而在用戶最為關(guān)注的價(jià)格方面，4G 與固定寬帶網(wǎng)絡(luò)在價(jià)格方面不相上下，而且計(jì)費(fèi)方式更加靈活機(jī)動(dòng)，用戶完全可以根據(jù)自身的需求確定所需的服務(wù)。此外，4G 可以在DSL和有線電視調(diào)制解調(diào)器沒(méi)有覆蓋的地方部署，然后再擴(kuò)展到整個(gè)地區(qū)。很明顯，4G 有著不可比擬的優(yōu)越性。

作為第四代移動(dòng)通信技術(shù)，其主要的要求是:

(1)數(shù)據(jù)率要超過(guò)通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(UMTS)，即從2 Mb/s 提高到100 Mb/s，移動(dòng)速度上要從步行到車速。

(2)滿足第三代移動(dòng)通信尚不能達(dá)到的在覆蓋、質(zhì)量、造價(jià)上支持的高速數(shù)據(jù)和高分辨率多媒體服務(wù)的需要。WLAN應(yīng)能與B-ISDN和ATM 兼容，實(shí)現(xiàn)寬帶多媒體通信，并形成綜合寬帶通信網(wǎng)(IBCN)。

(3)對(duì)全速移動(dòng)用戶能提供150 Mb/s的高質(zhì)量的影像服務(wù)。

2 LTE 系統(tǒng)

3GPP LTE的目標(biāo)是成為在21 世紀(jì)20 年代支撐世界電信工業(yè)的移動(dòng)通信系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，從一開(kāi)始LTE就利用3GPP 在定義移動(dòng)通信系統(tǒng)特別是無(wú)線接口方面的優(yōu)勢(shì)，作為其標(biāo)準(zhǔn)化工作的指導(dǎo)思想，依靠十幾年來(lái)在3G研究的技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出“準(zhǔn)4G”系統(tǒng)［2］。

2.1 LTE 目標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)

長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)項(xiàng)目是在3G 與4G 技術(shù)之間的一個(gè)過(guò)渡，由于它具有100 Mbps的數(shù)據(jù)下載能力，被視為從3G 向4G 演進(jìn)的主流技術(shù)。長(zhǎng)期演進(jìn)的主要目標(biāo)包括:降低時(shí)延，提高用戶數(shù)據(jù)速率，改善系統(tǒng)容量以及覆蓋，降低運(yùn)營(yíng)商的成本。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，需要同時(shí)考慮無(wú)線接口以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)。LTE 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要研究新的物理層傳輸方案、先進(jìn)的天線技術(shù)和靈活的帶寬以及無(wú)線接口的高層協(xié)議等內(nèi)容［3］。

3GPP 從系統(tǒng)性能要求、網(wǎng)絡(luò)的部署場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)支持能力等方面對(duì)LTE 進(jìn)行了詳細(xì)的描述。與3G 相比，LTE 具有如下技術(shù)特征:

(1)提高了通信速率結(jié)合頻譜效率;

(2)以分組域業(yè)務(wù)為主要目標(biāo)，系統(tǒng)在整體架構(gòu)上將給予分組交換;

(3)服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的QoS機(jī)制，保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量;

(4)系統(tǒng)部署靈活，可以支持1.25 MHz ～20 MHz 之間的多種系統(tǒng)帶寬;

(5)減低無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，解決了向下兼容的問(wèn)題，并降低了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延;

(6)增加了小區(qū)邊界比特速率，在保持目前基站位置不變的情況下增加小區(qū)邊界比特速率;

(7)強(qiáng)調(diào)向下兼容，支持已有的3G 系統(tǒng)和非3GPP 規(guī)范系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作。

此外，LTE 支持各種多媒體業(yè)務(wù)，并通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的QoS 機(jī)制，保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)(如VoIP)的服務(wù)質(zhì)量。

標(biāo)準(zhǔn)化的LTE是以MIMO和OFDM 兩大關(guān)鍵技術(shù)為支撐的，采用MIMO 技術(shù)可以使空間中產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立而且同行的信道系統(tǒng)，可以使信道容量和信道的可靠性得到提高，使誤碼率得到降低。OFDM 使各子載波信號(hào)頻譜互相重疊，子載波正交復(fù)用技術(shù)大大減少了保護(hù)帶寬，提高了頻帶利用率。通過(guò)兩者結(jié)合，充分利用兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使分集增益和系統(tǒng)容量有所提高，頻率選擇性衰落有所減弱，通過(guò)現(xiàn)在的發(fā)展來(lái)看，將MIMO和OFDM 進(jìn)行結(jié)合已成為新一代移動(dòng)通信的重要技術(shù)。圖1為MIMO-OFDM 模型框圖［4］。

圖1 MIMO-OFDM 模型框圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2為3GPP R6 版本的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從圖中可以看出3G網(wǎng)絡(luò)有基站(Node B)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)、服務(wù)通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)和網(wǎng)關(guān)通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)四種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成。

圖2 3GPP R6 版本的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為了達(dá)到系統(tǒng)時(shí)延要求，LTE 對(duì)原有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了較大的改進(jìn)，使其僅由演進(jìn)UMTS 陸地?zé)o線接入網(wǎng)(E-UTRAN)基站(E-Node B)和接入網(wǎng)關(guān)(aGW)組成。圖3 給出了LTE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，與圖2 給出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比較，有兩點(diǎn)突出的變化。一是沒(méi)有了RNC，空中接口的用戶平面和控制平面的功能由E-Node B 進(jìn)行管理和控制，由于少了一層節(jié)點(diǎn)，用戶面的數(shù)據(jù)傳送和無(wú)線資源的控制變得更加快速;二是aGW 承擔(dān)了接入網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)的分組數(shù)據(jù)匯聚子層的功能，也承擔(dān)了部分核心網(wǎng)的功能，從整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的角度看，接入網(wǎng)和核心網(wǎng)(CN)的界限開(kāi)始變得模糊。這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要用于支持用戶設(shè)備(UE)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動(dòng)性，保證用戶的無(wú)縫切換。每個(gè)E-Node B 均是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接形式與接入網(wǎng)關(guān)(aGW)連接，一個(gè)E-Node B 可以和多個(gè)aGW 互聯(lián)，反之亦然。

圖3 LTE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 EPS 系統(tǒng)

EPS的目標(biāo)是制定一個(gè)具有高數(shù)據(jù)率、低延遲、數(shù)據(jù)分組化、支持多種無(wú)線接入技術(shù)為特征的具有可移植性的3GPP 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)。3GPP的EPS 項(xiàng)目是基于未來(lái)移動(dòng)通信的全I(xiàn)P 網(wǎng)絡(luò)而發(fā)起的，EPS 網(wǎng)絡(luò)可以支持端到端的QoS保證，支持全面分組化和多接入技術(shù)，可以與現(xiàn)有3GPP 系統(tǒng)的互通，也可以支持非3GPP 網(wǎng)絡(luò)(WLAN、WiMAX)的接入，支持用戶在3GPP 網(wǎng)絡(luò)和非3GPP 網(wǎng)絡(luò)之間的漫游和切換。

3.1 EPS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

EPS的工作目標(biāo)與LTE 一致，可提高性能，減少時(shí)延，提高系統(tǒng)容量和覆蓋率，減少運(yùn)營(yíng)成本，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于IP 網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有或者新的接入技術(shù)移動(dòng)性的靈活配置和實(shí)施，是優(yōu)化IP 傳輸網(wǎng)絡(luò)。但不同于LTE，EPS 更多的是從系統(tǒng)整體角度考慮未來(lái)移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢(shì)和特征，從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面確定將來(lái)移動(dòng)通信的發(fā)展方向。圖4 給出了EPS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖4 EPS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

LTE/EPS 體系結(jié)構(gòu)的主要改進(jìn)包括以下幾點(diǎn)［5］:

(1)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);

(2)一個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的用戶平面體系結(jié)構(gòu)，將節(jié)點(diǎn)類型從以前的四種縮減到只有兩種(基站和網(wǎng)關(guān));

(3)所有接口均支持基于IP的協(xié)議;

(4)無(wú)線接入網(wǎng)(RAN)與CN 之間的功能分離，類似于寬帶碼分多址(WCDMA)與高速分組接入(HSPA)之間的功能分離;

(5)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;

(6)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)。目前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)從2G、3G 到LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)后，核心網(wǎng)需要同時(shí)接入2G、3G和LTE 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

3.2 EPS 系統(tǒng)架構(gòu)

目前，一些發(fā)起并參與LTE/EPS 標(biāo)準(zhǔn)制定和技術(shù)研究工作的3GPP 成員已超過(guò)30 多家，正在積極研究和開(kāi)發(fā)符合3G LTE/EPS 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)和設(shè)備，目標(biāo)是在保證技術(shù)和系統(tǒng)性能領(lǐng)先的同時(shí)，最大程度地利用并兼容現(xiàn)有的系統(tǒng)平臺(tái)，保持系統(tǒng)的平滑演進(jìn)，以提供最優(yōu)的無(wú)線通信解決方案，3GPP 給出了Packet Core 簡(jiǎn)化的EPS 架構(gòu)［6］，如圖5所示。

MME 功能主要處理移動(dòng)性管理，包括:存儲(chǔ)UE 控制面上下文，包括用戶設(shè)備ID，狀態(tài)，跟蹤區(qū)等;移動(dòng)性管理;鑒權(quán)和密鑰管理;信令的加密、完成性保護(hù);管理和分配用戶臨時(shí)ID。

圖5 EPS 系統(tǒng)架構(gòu)

用戶平面實(shí)體(UPE)功能體負(fù)責(zé)用戶面處理，包括數(shù)據(jù)的路由和轉(zhuǎn)發(fā)、用戶面加密終結(jié)點(diǎn)、頭壓縮、存儲(chǔ)UE用戶面上下文包括基本IP 承載信息、路由信息等、E-Node B 間切換(3GPP AS 間切換)用戶面支持。

內(nèi)部接入系統(tǒng)錨點(diǎn)(IASA)功能體處理系統(tǒng)間用戶面支持;處理不同接入系統(tǒng)間的用戶面切換;數(shù)據(jù)的路由與轉(zhuǎn)發(fā);計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)收集;到PDN 網(wǎng)關(guān)功能;部分功能可以和UPE 合作。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)涉及端到端的系統(tǒng)方面、核心網(wǎng)和不同的接入系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)應(yīng)該考慮到空口的演進(jìn)，包括是否需要修改網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間不同功能的劃分;如何為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供較低的時(shí)延，如何有效地支持各種業(yè)務(wù)(如VoIP 等)。EPS 需要考慮對(duì)全I(xiàn)P 網(wǎng)絡(luò)的影響，支持不同接入系統(tǒng)，基于運(yùn)營(yíng)商策略、用戶喜好和接入網(wǎng)條件組合的接入選擇，考慮實(shí)現(xiàn)基本系統(tǒng)性能的改善，維持整個(gè)系統(tǒng)協(xié)商的QoS，特別是域間和不同網(wǎng)絡(luò)之間，從網(wǎng)絡(luò)鏈路到基站的QoS等。EPS 支持不同的接入系統(tǒng)之間的移動(dòng)性，包括業(yè)務(wù)連續(xù)性，I-WLAN和3GPP PS 域的業(yè)務(wù)連續(xù)性，支持多種接入技術(shù)和終端在不同接入基礎(chǔ)的移動(dòng)性等［7］。

4 總結(jié)

在4G 進(jìn)程中，LTE/EPS 架構(gòu)起著引導(dǎo)作用，LTE/EPS解決方案可實(shí)現(xiàn)高于100 Mbps的下行峰值速率和低于10 ms的往返時(shí)間，并能極大簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)操作和維護(hù)工作，還可與GSM、WCDMA/HSPA和cdma2000 系統(tǒng)高效集成，將能為全球各地的用戶實(shí)現(xiàn)移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)。LTE/EPS 將受益于GSM和WCDMA/HSPA 網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭和龐大的生態(tài)系統(tǒng)，將規(guī)模經(jīng)濟(jì)延伸到各類終端、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。LTE/EPS以其強(qiáng)大性能和靈活的系統(tǒng)架構(gòu)，確保了在未來(lái)能夠擁有光明的前景。

［1］3GPP System Architecture Evolution:Report on Technical Options and Conclusions(Release 7).3GPP，3GPP TR 23.882.

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