基于Relay架構(gòu)的移動核心網(wǎng)方案研究

陳 豐，黃桂東，周德山（中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司廣東分公司，廣東廣州510627）

0 引言

中繼（Relay）技術(shù)作為LTE-Advanced系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有建設(shè)成本低廉、部署方式靈活等特點，可以很好地解決當(dāng)前LTE網(wǎng)絡(luò)頻譜資源緊張和高頻覆蓋不足等問題，為LTE系統(tǒng)帶來更大的覆蓋范圍和系統(tǒng)容量。LTE-A中繼技術(shù)早在R9版本中就被引入到3GPP協(xié)議，長期以來受到各大運(yùn)營商和設(shè)備供應(yīng)商的廣泛關(guān)注。

1 中繼技術(shù)簡介

LTE-A中繼技術(shù)引入了宿主eNodeB（DeNB——Donor-eNB）和中繼節(jié)點（RN——Relay Node）的概念。中繼節(jié)點RN通過無線方式連接到所歸屬的DeNB，RN與DeNB之間的接口稱為Un接口，RN所服務(wù)的UE與RN之間的接口稱為Uu接口，RN的X2與S1接口由Un承載，DeNB支持服務(wù)RN的MME的S11接口連接。

LTE-A中繼網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，RN節(jié)點支持eNode B和UE 2種不同網(wǎng)元的功能。RN作為特殊UE通過Un接口與DeNB建立空口連接，并建立與RN歸屬核心網(wǎng)（MME/SGW/PGW）的路由通道；同時RN作為一個eNode B，與所服務(wù)的UE建立Uu接口連接，并與所服務(wù)UE對應(yīng)的核心網(wǎng)（MME/SGW/PGW）建立S1邏輯連接，與其他eNodeB建立X2邏輯連接。RN可以在DeNB覆蓋范圍內(nèi)靈活部署。普通UE在RN和DeNB之間移動，支持基于標(biāo)準(zhǔn)的S1接口和X2接口切換。LTE-A中繼網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 LTE-A中繼網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

LTE-A中繼架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)組織較為復(fù)雜，但組網(wǎng)方式靈活，且移動Relay業(yè)務(wù)可廣泛應(yīng)用于高鐵、地鐵、公交等移動場景、應(yīng)急話務(wù)和搶險救災(zāi)等特殊場合。本文主要針對LTE-A中繼網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的組網(wǎng)特性，對移動分組核心網(wǎng)的RN部署及建設(shè)方案進(jìn)行分析和研究。

2 中繼技術(shù)架構(gòu)

2.1 Relay技術(shù)原理概述

LTE-A中繼網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提供完整的L3層中繼，RN可作為UE功能實體通過DeNB接入到Relay EPC中，Relay EPC的用戶面出口指向RN歸屬的MME網(wǎng)元和SGW網(wǎng)元，為RN提供S1-MME和S1-U接入，從而實現(xiàn)RN覆蓋下的所有用戶接入LTE系統(tǒng)。對RN來說，DeNB及其核心網(wǎng)是透明的網(wǎng)絡(luò)，直接為RN提供S1AP接入。LTE-A中繼架構(gòu)的基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖2所示。在3GPP定義的LTE-A中繼網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，圖2的SGW（Relay）和PGW（Relay）可以是獨立的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)元，也可以是集成在DeNB中的邏輯功能實體。

圖2 LTE-A中繼架構(gòu)基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

2.2 Relay接口協(xié)議棧

基于Relay架構(gòu)的用戶面協(xié)議棧如圖3所示，RN的S1-U接口通過DeNB及SGW/PGW（Relay）與歸屬SGW連接，RN的S1-U業(yè)務(wù)地址采用靜態(tài)IP，與SGW的S1-U地址在同一網(wǎng)段。

基于Relay架構(gòu)的控制面協(xié)議棧如圖4所示，RN的S1-MME接口通過DeNB及SGW/PGW（Relay）與歸屬M(fèi)ME連接，RN的S1-MME業(yè)務(wù)地址采用靜態(tài)IP，與MME的S1-MME業(yè)務(wù)地址在同一網(wǎng)段。

2.3 Relay信令流程

如圖5所示，基于Relay架構(gòu)的業(yè)務(wù)信令流程如下。

步驟1：RN通過DeNB接入Relay EPC，完成附著、鑒權(quán)、會話建立的流程。

步驟2：Relay EPC將RN的默認(rèn)承載通道與RN歸屬的EPC網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

步驟3：RN通過Relay EPC的用戶面直接與歸屬的EPC網(wǎng)絡(luò)建立S1連接。

步驟4：UE通過RN接入LTE網(wǎng)絡(luò)。

對于移動過程中的跟蹤區(qū)更新和切換流程，UE在RN和DeNB之間或RN在不同DeNB之間，均滿足標(biāo)準(zhǔn)的信令業(yè)務(wù)流程，在此不作贅述。

圖3 LTE-A中繼網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的用戶面協(xié)議棧

圖4 LTE-A中繼網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的控制面協(xié)議棧

3 移動核心網(wǎng)組網(wǎng)方案

3.1 方案資源需求

基于Relay架構(gòu)的核心網(wǎng)建設(shè)方案需要滿足下列資源需求，同時要對相關(guān)網(wǎng)元需進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。

a）SIM卡資源：RN節(jié)點具備UE功能，需要使用4G USIM用于網(wǎng)絡(luò)接入認(rèn)證，采用專用Relay APN，不能接入現(xiàn)網(wǎng)APN（如3gnet），不使用語音業(yè)務(wù)。

b）HSS簽約：HSS上為RN的SIM卡簽約靜態(tài)IP地址，該地址與MME的S1-MME和SGW的S1-U地址在同一網(wǎng)段。SIM卡僅簽約Relay APN，不簽約現(xiàn)網(wǎng)APN（如3gnet），不開通語音功能。

c）S1路由：S1業(yè)務(wù)路由器（現(xiàn)網(wǎng)為IP承載B網(wǎng)PS-LAR和LCR）放通RN靜態(tài)IP地址與MME和SGW之間的路由。

d）TA規(guī)劃：無線區(qū)域為RN規(guī)劃獨立的跟蹤區(qū)標(biāo)識（TA），用于區(qū)分現(xiàn)網(wǎng)eNodeB的TA。

e）域名解析：MME（Relay）通過本地Host或DNS配置Relay APN的域名解析記錄，解析結(jié)果為PGW（Relay）的GTP-C地址，配置RN歸屬TA的域名解析記錄，解析結(jié)果為SGW（Relay）的GTP-C地址。

f）MME（Relay）網(wǎng)元：可獨立設(shè)置MME（Relay）或與現(xiàn)網(wǎng)MME共用，2種方案僅在TA和S11路由配置上有差異。

g）SAEGW（Relay）網(wǎng)元：需要配置Relay APN，該APN下的流量不計費(fèi)，不需進(jìn)行深度報文解析，話單功能可選。該APN的SGi接口與現(xiàn)網(wǎng)MME和SGW的S1接口互通。

圖5 LTE-A中繼網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)信令流程

3.2 DeNB集成SAEGW方案

在DeNB集成SAEGW方案中，DeNB除了支持eNB的基本功能外，還提供虛擬SGW和PGW功能，包括為RN創(chuàng)建會話、管理EPS承載，并通過S1-AP和S11接口與MME（Relay）進(jìn)行對接。

MME（Relay）需要將S11接口路由與DeNB內(nèi)部的虛擬SAEGW上的S11業(yè)務(wù)地址互通，DeNB的虛擬SAEGW功能節(jié)點需配置Relay APN，并將該APN出口路由與現(xiàn)網(wǎng)MME和SGW的S1業(yè)務(wù)地址互通。

DeNB集成SAEGW方案如圖6所示。

圖6 DeNB集成SAEGW方案

3.3 現(xiàn)網(wǎng)SAEGW復(fù)用方案

現(xiàn)網(wǎng)SAEGW復(fù)用方案中，DeNB使用普通eNB設(shè)備，復(fù)用現(xiàn)網(wǎng)的SAEGW作為SAEGW（Relay）網(wǎng)元，為RN創(chuàng)建會話、管理EPS承載，并通過S1-AP和S11接口與MME（Relay）進(jìn)行對接。

現(xiàn)網(wǎng)復(fù)用的SAEGW（Relay）需配置Relay APN，并將該APN出口路由與現(xiàn)網(wǎng)MME和SGW的S1業(yè)務(wù)地址互通。UE的信令和流量會經(jīng)過SAEGW（Relay）迂回后再到達(dá)現(xiàn)網(wǎng)的MME和SAEGW，這部分UE在承載網(wǎng)上的業(yè)務(wù)帶寬需求會翻倍。

現(xiàn)網(wǎng)SAEGW復(fù)用方案如圖7所示。

圖7 現(xiàn)網(wǎng)SAEGW復(fù)用方案

3.4 獨立SAEGW組網(wǎng)方案

獨立SAEGW組網(wǎng)方案中，DeNB使用普通eNB設(shè)備，將一套獨立的SAEGW作為專用SAEGW（Relay）網(wǎng)元，為RN創(chuàng)建會話和管理EPS承載，并通過S1-AP和S11接口與MME（Relay）進(jìn)行對接。

MME（Relay）和DeNB需要與專用SAEGW（Relay）放通S11和S1-U接口路由，專用SAEGW需配置Relay APN，并將該APN出口路由與現(xiàn)網(wǎng)MME和SGW的S1業(yè)務(wù)地址互通。UE的信令和流量會經(jīng)過SAEGW（Relay）迂回后再到達(dá)現(xiàn)網(wǎng)的MME和SAEGW，這部分UE在承載網(wǎng)上的業(yè)務(wù)帶寬需求會翻倍。

獨立SAEGW組網(wǎng)方案如圖8所示。

圖8 獨立SAEGW組網(wǎng)方案

3.5 組網(wǎng)方案對比

DeNB集成SAEGW方案對核心網(wǎng)改動較小，便于實施，但需要額外部署特殊DeNB設(shè)備，全網(wǎng)鋪開建設(shè)成本較高、工程量較大。由于DeNB內(nèi)集成的SAEGW為分布式配置，RN在DeNB之間不支持S1/X2切換，每次跨DeNB覆蓋都需要重新附著建立EPS承載，在RN切換過程中UE用戶面會中斷。UE在NR與現(xiàn)網(wǎng)其他eNodeB之間可支持標(biāo)準(zhǔn)的S1/X2切換。

對于前期Relay站點建設(shè)需求量較低，整體流量帶寬需求不高的情況，可以考慮采用現(xiàn)網(wǎng)SAEGW復(fù)用方案。RN在DeNB之間可支持S1/X2接口切換，RN用戶面錨定在現(xiàn)網(wǎng)復(fù)用的SAEGW（RN）節(jié)點，在切換過程中UE用戶面不受影響。UE在NR與現(xiàn)網(wǎng)其他eNodeB之間可支持標(biāo)準(zhǔn)的S1/X2切換。

對于Relay站點建設(shè)需求較大，網(wǎng)絡(luò)帶寬需求較高的情況，建議采用獨立SAEGW組網(wǎng)方案。由于RN采用靜態(tài)IP地址接入SAEGW，無法像普通用戶一樣通過DNS輪詢做負(fù)荷分擔(dān)，獨立SAEGW方案可以采用1+1主備容災(zāi)的方式，可設(shè)置2套SAEGW，配置相同APN數(shù)據(jù)，其中1套作為冷備份，在應(yīng)急情況下通過修改DNS和承載網(wǎng)路由進(jìn)行業(yè)務(wù)切換。與現(xiàn)網(wǎng)SAEGW復(fù)用方案類似，RN在DeNB之間可支持S1/X2接口切換，UE在NR與現(xiàn)網(wǎng)其他eNodeB之間可支持標(biāo)準(zhǔn)的S1/X2切換，在切換過程中UE用戶面不受影響。

表1為3種核心網(wǎng)部署方案之間的差異對比。

4 結(jié)論

LTE-A中繼業(yè)務(wù)是端到端的整體流程，需要無線、核心網(wǎng)、承載網(wǎng)、業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)及平臺的統(tǒng)一規(guī)劃。隨著目前LTE網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋和熱點盲點覆蓋需求日益增長，LTE-A中繼成為現(xiàn)網(wǎng)宏站和室內(nèi)分布的有效補(bǔ)充。LTE-A中繼在無線網(wǎng)中的產(chǎn)品和方案均有豐富的技術(shù)理論支撐和成熟的產(chǎn)業(yè)鏈支持，本文在深入分析Relay技術(shù)和組網(wǎng)的基礎(chǔ)上，提出3種基于Relay架構(gòu)的核心網(wǎng)建設(shè)方案，為后續(xù)現(xiàn)網(wǎng)Relay規(guī)模部署核心網(wǎng)方案提供參考和借鑒。

表1 Relay組網(wǎng)方案對比