LTE-SAE體系結構及性能剖析

引言

LTE是由3GPP（第三代合作伙伴計劃）定義的移動寬帶網絡標準的下一個演進目標，支持在成對頻譜和非成對頻譜上的運行，可實現對現有和未來的無線頻帶頻譜的高效利用。它還支持1.4-20MHz的信道帶寬。業界對LTE的廣泛支持，確保了LTE擁有規模經濟效益，因此是一種非常經濟高效的解決方案。

2006年9月，3GPP最終確定了LTE（長期演進）：也稱之為演進的UTRA和UTRAN（Evolved UTRA and UTRAN）的研究項目。該項研究的目標是確定3GPP接入技術的長期演進計劃，使其可以在遙遠的將來保持競爭優勢，相應的工作項目計劃在2007年下半年完成。

3GPP還開展了一項平行研究：即系統架構演進（SAE），來展示核心網絡的演進要點。這是一個基于IP的扁平網絡體系結構，旨于簡化網絡操作，確保平穩、有效地部署網絡。

本文將重點介紹LTE-SAE（長期演進-系統體系結構演進）的網絡性能和結構特點，該系統能夠將3GPP和3GPP2在新舊頻段上的系統性能提升至一個史無前例的高度，這個經過簡化和優化的體系結構在用戶平面上所使用的節點數量最少。此外，它還引入了一些能夠簡化操作和維護工作的新特性。

演進目標：統一標準的高性能移動寬帶

寬帶移動通信正迅速成為現實。據相關預測，2011年以前，全球將有15億人使用寬帶業務，這些人當中將有超過一半使用移動寬帶業務，而他們當中的大多數人將通過HSPA（高速分組接入）/LTE網絡獲得服務。而在目前，用戶可以通過3G/HSPA享受高速移動服務：

使用基于HSPA的手機和筆記本電腦上網并發送電子郵件；

用HSPA調制解調器替換原有的DSL調制解調器；

使用3G手機快速下載和上載音視頻文件。

移動寬帶正經歷快速的增長，而LTE則能夠提供更為出色的用戶體驗。該技術將大大改善移動視頻、博客、高端游戲、豐富的多媒體電話和專業服務等要求更為嚴苛的應用，還能與現有蜂窩系統進行互操作。因此，在3GPP版本8中引入的LTE是移動無線通信下一個重要的演進步驟，LTE采用OFDM（正交頻分復用）無線接入技術和先進的天線技術。

除了LTE之外，3GPP還定義了一個基于IP的扁平網絡體系結構，作為系統體系結構演進（SAE）的一部分。LTE-SAE體系結構及概念的目標和設計思想是將所有基于IP的業務高效地推廣至大眾市場。該體系結構基于GSM/WCDMA核心網，并從它們演進而來，因此有助于簡化網絡操作以及平穩、有效地部署網絡。

LTE-SAE體系結構可降低運營支出和資本支出。例如，為了處理更多的數據流量，運營商只需在新的扁平體系結構中升級兩類節點（基站和網關）的容量。另一個重點領域是網絡操作功能，目標是實現高度自動化的網絡配置。

除此之外，由于3GPP和3GPP2已經就CDMA和LTE-SAE系統之間的互通達成一致，CDMA運營商將能把他們的網絡演進至LTE-SAE，并受益于規模經濟和巨大的芯片組出貨量。

LTE是一項多用途技術，其中主要的3GPP要求如下：

下行峰值比特率高于100Mbps，無線接入網（RAN）中的往返時間低于10毫秒。

支持新老頻段中從低于5MHz到最高20MHz的靈活的載波帶寬。

支持FDD和TDD系統。

支持切換和漫游至現有移動網絡，從而為所有移動用戶提供全面的網絡覆蓋。

如上所述，運營商可以根據現有網絡和頻譜的具體情況以及移動寬帶和多媒體業務的經營目標靈活地引入LTE。

技術概述

總的體系結構

LTE-SAE體系結構的主要改進包括：

一個通用錨點和一個支持所有接入技術的網關節點；

一個經過優化的用戶平面體系結構，將節點類型從以前的4種縮減到只有2種（基站和網關）；

所有接口均支持基于IP的協議；

RAN與CN（核心網）之間的功能分離，類似于WCDMA與HSPA之間的功能分離；

移動性管理實體（MME）與網關之間的控制平面/用戶平面分離；

集成采用基于客戶端和網絡的移動IP的非3GPP接入技術。

LTE-SAE體系結構包括分組數據網（PDN）和服務網關。PDN網關是所有接入技術的通用錨點，為所有用戶提供一個穩定的IP接入點，無論他們是在一種接入技術之內移動，還是在多種接入技術之間移動。

服務網關是3GPP移動網絡內的錨點。MME功能與網關功能分離，這樣有助于網絡部署、單個技術的演進以及全面靈活的擴容。

GSM和WCDMA/HSPA系統通過SGSN（服務GPRS支持節點）和演進后的核心網之間的標準接口集成到演進后的系統中。這些接口包括：與MME相連、用于傳送上下文并在不同接入技術之間建立承載的接口，與網關相連、用于與用戶設備（UE）建立IP連接的接口。因此，網關節點的功能相當于一個服務WCDMA/HSPA終端設備的GGSN（網關GPRS支持節點）。

該體系結構還能將SGSN和MME功能整合到同一個節點之中，從而實現一個支持GSM、WCDMA/HSPA和LTE技術的通用分組核心網。

歸屬地用戶服務器（HSS）通過一個可能基于Diameter協議而不是SS7信令的建議接口連接至分組核心網。這將為實現控制平面的IP聯網提供一個簡化的協調解決方案，因為用于策略控制和計費的現有網絡信令是基于Diameter協議。

LTE基站通過RAN-CN（無線接入網-核心網）接口連接至核心網。MME負責處理移動性等控制信令。用戶數據通過一個基于IP的傳輸網在基站和網關節點之間傳送。為了能夠高速切換處于激活模式的終端設備，每一個LTE基站都與其相鄰基站建立了邏輯連接。

集成cdma2000系統之后將允許用戶在cdma200和LTE系統之間無縫移動。這種解決方案支持單/雙無線切換，可實現從CDMA到LTE的靈活遷移。圖1顯示了如何將cdma2000系統集成到LTE-SAE體系結構中。GSM和WCDMA系統現有的服務質量（QoS）概念較為復雜，因此，LTE-SAE的QoS概念融合了簡約、靈活接入和向后兼容的理念。LTE-SAE采用了一種基于類別的服務質量概念，能夠讓運營商方便高效地區分各種分組業務。

圖1 LTE-SAE體系結構的示意圖

圖中顯示了如何將cdma2000系統集成到LTE-SAE體系結構中。