一种新型的3G演进网络架构方案

　　[摘要]本文介绍了3GPP Long Term Evolution（LTE）网络架构的最新研究进展，从控制面和用户面功能分离的角度阐述了分布式网络结构的优点，并结合LTE接入网的功能划分提出了一种新型的3G演进网络架构方案。

　　1、引言

　　当前，全球无线通信正呈现出移动化、宽带化和IP化的趋势，移动通信行业的竞争极为激烈。在现有的3G技术还没有大规模商用之前，一些无线宽带接入技术也开始提供部分的移动功能，通过宽带移动化，试图进入移动通信市场，如IEEE 802.16e技术。为了维持在移动通信行业中的竞争力和主导地位，3GPP组织在2004年11月启动了长期演进计划（LTE，Long Term Evolution）以实现3G技术向B3G和4G的平滑过渡。3GPP LTE计划的目标是：更高的数据速率、更低的时延、改进的系统容量和覆盖范围以及较低的成本[1]。根据TR25.913[2]，LTE对空口和接入网的技术指标包括：

　　（1）峰值数据速率，下行达到100Mbit/s，上行50Mbit/s。

　　（2）提高频谱效率（达到Release 6的2～4倍）。

　　（3）接入网时延（用户平面UE-RNC-UE）时延不超过10ms。

　　（4）减小控制平面时延，UE从待机状态到开始传输数据时延不超过100ms（不包括下行寻呼时延）[2]。

　　为了实现这一目标，除了要考虑空中接口技术的演进外，还需要考虑网络体系结构的改进。对无线接入网网络结构的研究就是要找出最优的网络结构并考虑接入网内以及接入网与核心网之间的功能划分，以期能实现更高的数据速率、更低的时延[3]。网络结构和功能划分确定之后，则控制平面的信令流程也随之确定，所以控制平面的信令开销可以从一个方面反映出网络结构的性能。随着技术的发展，通信网络的全IP化趋势已经不可逆转。在全IP网络中，用户可以具有极高的移动性，并有多种接入方式可以选择，这就使得移动性管理问题变得非常突出[4，5]。好的移动性管理协议不仅可以降低网络信令开销，还可以提高快速切换时的QoS。因此，LTE无线接入网网络结构的研究需要从优化网络功能划分、简化控制面和用户面协议结构、提高对数据业务QoS等角度联合加以考虑。

　　2、LTE网络架构研究进展

　　3GPP组织自从2004年11月启动LTE研究计划以来，就召开了一系列频繁的会议。各国主要的通信企业、研究机构和标准化组织都已经制定了相应的工作计划，并就LTE无线网络架构向3GPP组织下属的工作组提交了大量的研究报告。在网络结构研究方面，LTE建议基站（BS）和接入网关（AGW）在用户面直接互联以减小接入时延，将3G网中RNC的底层功能在BS实现，高层功能在AGW实现。并在控制面引入一种RRM （Radio Resource Management）服务器以增强控制面的移动性管理。

　　LTE网络架构研究涉及的功能包括：无线资源管理，UE与网络的QoS协商，位置管理，寻呼、空闲和激活状态移动性管理，不同接入技术间的移动性，安全和加密，报头压缩，Outer ARQ，IP地址分配，漫游，MBMS等。目前已经确定的协议栈结构和功能划分如图1所示。
图1　接入网协议栈结构与功能划分


　　图1中，BS和接入网关AGW是已经确定的逻辑节点，虚线表示的RRM服务器是尚待确定的逻辑节点。图中上部的白色框图表示控制面功能，下部的深色框图表示用户面功能。在BS、AGW和RRM三个逻辑节点内部的功能框表示已经确定归属位置的网络功能，而逻辑节点外部的功能框表示尚为确定部署位置的网络功能。

　　目前，LTE基本确认用户面的报头压缩、用户面和非接入层（NAS，Non Access Stratum）的安全功能终结在AGW，Outer ARQ和RRC功能终结在Node B。然而，究竟由接入层（AS，Access Stratum）还是非接入层来控制报头压缩和安全功能目前还没有定论。

　　2.1　控制面研究现状

　　为实现控制面的快速接入，LTE将3G标准中的Detached，RRC Idle，RRC Connected（包括URA_PCH，CELL_PCH，CELL_DCH，CELL_FACH）6种RRC状态简化为Detached，Standby（LTE_IDLE）和Ready（LTE_ACTIVE）3种状态。RRC状态用以标识用户的占有的接入网资源情况，在3G标准中主要通过RRC连接、SRB和RAB资源的占有或释放来区分。在LTE中3种状态的最终区别还未定义，目前主要从上下文的存储位置（接入网或核心网）、标识用户的UE-Id（IMSI，跟踪区域（URA）ID，小区范围内的C-RNTI，IP地址）、用户位置更新频率（小区范围或跟踪区域范围）和移动性等方面加以区分。

　　根据控制面处理Standby和Ready状态处理节点的不同，LTE R2提出了3种不同的控制面网络功能划分方式：

　　结构A：Standby和Ready状态用户都由BS负责。

　　结构B：Standby和Ready状态用户都由BS之上的集中控制点负责。

　　结构C：Standby状态用户由集中控制点负责，Ready状态用户由BS负责。

　　2.2　用户面研究现状

　　LTE采用AGW和BS直联的方式以实现用户面的快速接入，在这种直联方式中对用户面接入时延影响较大的功能包括：IP地址分配、报头压缩和安全性功能的部署位置。

　　IP地址的主要功能是标识用户和寻址（定位用户）。在移动网络若由AGW给用户分配临时IP地址（Care of Address），用户在AGW范围内移动时临时IP地址不变，每BS范围内用户的IP地址均不连续。此时临时IP地址仅具有标识用户的功能，需要IP隧道辅助实现定位用户的功能。若由BS给用户分配临时IP地址，则无需隧道保持的开销，但缺点是信令开销太大。

　　Motorola在R3-051094[6]和R3-051095[7]中将Mobile IP微移动性研究的宏锚点（Macro-Mobility Anchor）和微锚点（Micro-Mobility Anchor）引入到LTE用户面的研究中，宏锚点和微锚点可视为具有隧道功能的路由器。宏锚点负责AGW范围内用户的移动性管理，微锚点负责URA范围用户的定位，并对宏锚点屏蔽用户在URA范围内的移动性管理。R2-052924[8]对用户面可能的隧道终结点（微锚点或Node B）进行了分析，建议将用户面终结在Node B。

　　报头压缩功能可部署在BS或AGW。若部署在BS端，则仅对空口信息进行压缩，无法提高接入网有线信道利用率。若部署在AGW端，可同时提高空口和接入网有线部分的信道利用率，但在AGW执行报头压缩处理，会增加AGW的负荷，使其成为影响用户面性能的瓶颈。

　　3、一种控制面和用户面完全分离的网络架构

　　本文提出了一种改进的3G LTE系统快速无线接入方法。通过分离接入网的控制面和用户面功能，改进方案能够实现Standby状态用户的快速接入和Ready状态用户的快速切换。

　　本方法在接入网的控制面提出一种URA自制系统的概念。由Node B和RRM Server在接入层（AS）控制面组成一个AS层自制系统，Node B仅与AGW建立用户面和与业务QoS相关的非接入层（NAS）信令连结。

　　本方法在用户面使用Motorola提出的两级锚点方式（AGW到Node B的两级隧道）定位用户，通过微锚点向位于AGW内的宏锚点屏蔽URA内的移动性信息，能够降低AGW的NAS信令负荷。本文建议的协议栈结构如图2所示。


图2　建议方案的协议接口结构

　　其中E2、E3和E5为接入网控制面接口；E1、E4和E6为接入网用户面接口。用户通过E1、E4接口中的控制面接口向AGW发送非接入层的控制信令。

　　Node B负责无线的1，2层处理和Node B范围内的RRM。每Node B有一张其所属范围的Ready状态用户上下文列表，切换时用户上下文将作为控制面资源由RRM服务器在Node B之间传递。由于用户平面功能和隧道在Node B终结，Node B将负责用户面NAS层与AS层的信令协商。

　　RRM服务器主要负责URA范围内Paging消息的发起、Ready状态下URA内外的移动性管理、跨Node B的RRM和接入网认证。

　　AGW负责Standby状态下的移动性管理（MM），会话管理（SM），应用层认证和加密（Ciphering），计费（Charging），Legal Interception，Deep Packet Inspection。无论用户处于何种RRC连接状态，AGW只在URA级别上知道用户的存在，URA范围内的用户定位由微锚点负责。

　　3.1　改进控制面结构的优点

　　在改进结构中，RRM Server作为接入层信令的终结点，而AGW作为用户面功能的终结点，由Node B的RRC负责AS和NAS层的QoS参数协商和信令映射。这种控制面和用户面分离的协议栈结构能够移动用户AS和NAS功能的并行切换。当用户在Ready状态进行切换时，AS层切换由RRM服务器控制在接入网内部完成，NAS层切换由AGW内的Micro-Mobility Anchor或Macro-Mobility Anchor完成。由于AS和NAS功能分离并由不同的节点进行切换控制，因此改进方案能够实现并行切换从而减小了切换时延。

　　3.2　改进用户面结构的优点

　　本方法在用户面通过AGW到Node B的两级隧道定位用户。分别为宏锚点＜-＞微锚点和微锚点＜-＞Node B隧道。其中宏锚点负责分配用户CoA地址，微锚点向宏锚点屏蔽用户在URA内的移动性。微锚点即可作为AGW的内嵌对象实现，也可单独作为一个网络节点实现。

　　若宏锚点到Node B采用一层隧道实现，Ready状态用户每次跨Node B切换时，用户都需要通知宏锚点修改其地址映射表（用户CoA地址＜-＞用户所在NodeB＝以定位用户。

　　若宏锚点到Node B采用两层隧道实现，其结构如图3所示。Ready状态用户仅在跨URA切换时需通知两级锚点修改映射表；而在同一URA中的切换只需通知微锚点修改CoA地址＜-＞用户所在Node B映射表。两级分层隧道能将宏锚点的隧道更新信令分散到各微锚点进行处理，从而减轻了作为用户面集中控制点的AGW的负担。
图3　两级隧道实现方式


　　4、结论

　　本文提出了一种用于3G演进的分布式网络架构，该架构具有以下优点。

　　（1）结构提出了URA自制系统的概念，在接入网实现了相对独立的控制面和用户面，实现了资源的并行切换，减小了Ready状态用户的切换时延。

　　（2）结构在用户面引入了分层隧道的思想（通过AGW到Node B的两级隧道定位用户），通过将AGW隧道更新信令分散到各微锚点进行处理，能够降低AGW负载。
作者：范晨，常永宇，杨大成    来源：电信工程技术与标准化