LTE-SAE体系结构及性能剖析(1)

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。