引言

   LTE是由3GPP（第三代合作伙伴計劃）定義的移動寬帶網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)對現(xiàn)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(yè)界對LTE的廣泛支持，確保了LTE擁有規(guī)模經(jīng)濟效益，因此是一種非常經(jīng)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(shù)的長期演進計劃，使其可以在遙遠的將來保持競爭優(yōu)勢，相應(yīng)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(tǒng)架構(gòu)演進（SAE），來展示核心網(wǎng)絡(luò)的演進要點。這是一個基于IP的扁平網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，旨于簡化網(wǎng)絡(luò)操作，確保平穩(wěn)、有效地部署網(wǎng)絡(luò)。

   本文將重點介紹LTE-SAE（長期演進-系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演進）的網(wǎng)絡(luò)性能和結(jié)構(gòu)特點，該系統(tǒng)能夠?qū)?GPP和3GPP2在新舊頻段上的系統(tǒng)性能提升至一個史無前例的高度，這個經(jīng)過簡化和優(yōu)化的體系結(jié)構(gòu)在用戶平面上所使用的節(jié)點數(shù)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(tǒng)一標準的高性能移動寬帶

    寬帶移動通信正迅速成為現(xiàn)實。據(jù)相關(guān)預(yù)測，2011年以前，全球?qū)⒂?5億人使用寬帶業(yè)務(wù)，這些人當中將有超過一半使用移動寬帶業(yè)務(wù)，而他們當中的大多數(shù)人將通過HSPA（高速分組接入）/LTE網(wǎng)絡(luò)獲得服務(wù)。而在目前，用戶可以通過3G/HSPA享受高速移動服務(wù)：

• 使用基于HSPA的手機和筆記本電腦上網(wǎng)并發(fā)送電子郵件；
• 用HSPA調(diào)制解調(diào)器替換原有的DSL調(diào)制解調(diào)器；
• 使用3G手機快速下載和上載音視頻文件。

    移動寬帶正經(jīng)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(shù)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(yè)服務(wù)等要求更為嚴苛的應(yīng)用，還能與現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)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(fù)用）無線接入技術(shù)和先進的天線技術(shù)。

    除了LTE之外，3GPP還定義了一個基于IP的扁平網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，作為系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)演進（SAE）的一部分。LTE-SAE體系結(jié)構(gòu)及概念的目標和設(shè)計思想是將所有基于IP的業(yè)務(wù)高效地推廣至大眾市場。該體系結(jié)構(gòu)基于GSM/WCDMA核心網(wǎng)，并從它們演進而來，因此有助于簡化網(wǎng)絡(luò)操作以及平穩(wěn)、有效地部署網(wǎng)絡(luò)。

    LTE-SAE體系結(jié)構(gòu)可降低運營支出和資本支出。例如，為了處理更多的數(shù)據(jù)流量，運營商只需在新的扁平體系結(jié)構(gòu)中升級兩類節(jié)點（基站和網(wǎng)關(guān)）的容量。另一個重點領(lǐng)域是網(wǎng)絡(luò)操作功能，目標是實現(xiàn)高度自動化的網(wǎng)絡(luò)配置。
    除此之外，由于3GPP和3GPP2已經(jīng)就CDMA和LTE-SAE系統(tǒng)之間的互通達成一致，CDMA運營商將能把他們的網(wǎng)絡(luò)演進至LTE-SAE，并受益于規(guī)模經(jīng)濟和巨大的芯片組出貨量。

    LTE是一項多用途技術(shù)，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(wǎng)（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(tǒng)。
• 支持切換和漫游至現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)，從而為所有移動用戶提供全面的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

    如上所述，運營商可以根據(jù)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和頻譜的具體情況以及移動寬帶和多媒體業(yè)務(wù)的經(jīng)營目標靈活地引入LTE。

技術(shù)概述

總的體系結(jié)構(gòu)

    LTE-SAE體系結(jié)構(gòu)的主要改進包括：

• 一個通用錨點和一個支持所有接入技術(shù)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點；
• 一個經(jīng)過優(yōu)化的用戶平面體系結(jié)構(gòu)，將節(jié)點類型從以前的4種縮減到只有2種（基站和網(wǎng)關(guān)）；
• 所有接口均支持基于IP的協(xié)議；
• RAN與CN（核心網(wǎng)）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(wǎng)關(guān)之間的控制平面/用戶平面分離；
• 集成采用基于客戶端和網(wǎng)絡(luò)的移動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，為所有用戶提供一個穩(wěn)定的IP接入點，無論他們是在一種接入技術(shù)之內(nèi)移動，還是在多種接入技術(shù)之間移動。

    服務(wù)網(wǎng)關(guān)是3GPP移動網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的錨點。MME功能與網(wǎng)關(guān)功能分離，這樣有助于網(wǎng)絡(luò)部署、單個技術(shù)的演進以及全面靈活的擴容。

    GSM和WCDMA/HSPA系統(tǒng)通過SGSN（服務(wù)GPRS支持節(jié)點）和演進后的核心網(wǎng)之間的標準接口集成到演進后的系統(tǒng)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(shù)之間建立承載的接口，與網(wǎng)關(guān)相連、用于與用戶設(shè)備（UE）建立IP連接的接口。因此，網(wǎng)關(guān)節(jié)點的功能相當于一個服務(wù)WCDMA/HSPA終端設(shè)備的GGSN（網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點）。

    該體系結(jié)構(gòu)還能將SGSN和MME功能整合到同一個節(jié)點之中，從而實現(xiàn)一個支持GSM、WCDMA/HSPA和LTE技術(shù)的通用分組核心網(wǎng)。

    歸屬地用戶服務(wù)器（HSS）通過一個可能基于Diameter協(xié)議而不是SS7信令的建議接口連接至分組核心網(wǎng)。這將為實現(xiàn)控制平面的IP聯(lián)網(wǎng)提供一個簡化的協(xié)調(diào)解決方案，因為用于策略控制和計費的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)信令是基于Diameter協(xié)議。 

    LTE基站通過RAN-CN（無線接入網(wǎng)-核心網(wǎng)）接口連接至核心網(wǎng)。MME負責處理移動性等控制信令。用戶數(shù)據(jù)通過一個基于IP的傳輸網(wǎng)在基站和網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間傳送。為了能夠高速切換處于激活模式的終端設(shè)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(tǒng)之后將允許用戶在cdma200和LTE系統(tǒng)之間無縫移動。這種解決方案支持單/雙無線切換，可實現(xiàn)從CDMA到LTE的靈活遷移。圖1顯示了如何將cdma2000系統(tǒng)集成到LTE-SAE體系結(jié)構(gòu)中。GSM和WCDMA系統(tǒng)現(xiàn)有的服務(wù)質(zhì)量（QoS）概念較為復(fù)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(wù)質(zhì)量概念，能夠讓運營商方便高效地區(qū)分各種分組業(yè)務(wù)。

圖1  LTE-SAE體系結(jié)構(gòu)的示意圖

 

圖中顯示了如何將cdma2000系統(tǒng)集成到LTE-SAE體系結(jié)構(gòu)中。 

IP networks：IP網(wǎng)絡(luò)

Other access:其它接入技術(shù)

LTE接入技術(shù)

    在仔細研究了各種不同的接入技術(shù)之后，3GPP選擇了OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)作為下行方向的接入技術(shù)，并選擇了SC-FDMA（單載波頻分多址）技術(shù)作為上行方向的接入技術(shù)。這兩項技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜靈活性，同時也能滿足有關(guān)吞吐量和頻譜效率的苛刻指標。

    本質(zhì)而言，LTE物理層只為其上的網(wǎng)絡(luò)層提供共享信道，使用的是一個1毫秒的傳輸時間間隔（TTI）。與HSPA中所采用的方法類似，LTE必須采用速率自適應(yīng)和具有軟合并功能的混合自動重傳請求（HARQ）迅速適應(yīng)各種信道變化，而采用OFDM和SC-FDMA技術(shù)可以探測到頻率和時間域內(nèi)的變化。LTE物理層中的子載波間距為15kHz。

    無線接口協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)基于HSPA的體系結(jié)構(gòu)。協(xié)議的名稱相同，而且功能也相似。不同之處在于LTE和HSPA所采用的多址技術(shù)不同，還有就是LTE是一個全分組系統(tǒng)（也就是說，沒有必要支持傳統(tǒng)的電路交換域）。圖2顯示了無線接口協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。請注意：除了非接入層（NAS）協(xié)議之外，所有無線接口協(xié)議都終接于網(wǎng)絡(luò)側(cè)的eNodeB。

    PDCP（分組數(shù)據(jù)融合協(xié)議）負責處理無線接口的報頭壓縮和安全功能。RLC（無線鏈路控制）協(xié)議主要負責確保數(shù)據(jù)的無損耗傳輸。MAC（媒體接入控制）協(xié)議負責處理上下行調(diào)度和HARQ信令。

    與此類似，RRC（無線資源控制）協(xié)議負責處理無線承載的建立、激活模式的移動性管理以及系統(tǒng)信息的廣播，而NAS協(xié)議負責處理空閑模式的移動性管理和業(yè)務(wù)建立。

 

圖2  無線接口協(xié)議的體系結(jié)構(gòu) – 控制平面和用戶平面

 

User plane:用戶平面

Control：控制平面

LTE-SAE network：LTE-SAE網(wǎng)絡(luò)

LTE性能評估

    在對LTE的接入性能進行全面評估后，3GPP得出的結(jié)論是：LTE接入技術(shù)不僅能夠滿足所規(guī)定的要求，而且能實現(xiàn)所期望的頻譜靈活性。目前已經(jīng)進行了很多系統(tǒng)級和鏈路級的性能模擬試驗。下面列出了模擬試驗所達到的頻譜效率和用戶吞吐量。

    頻譜效率為：當站間距離（ISD）為500米時，下行方向1.7-2.7bps/Hz/小區(qū)，上行方向0.7bps/Hz/小區(qū)。

    小區(qū)邊緣用戶吞吐量為：當使用10個用戶進行模擬而且每個小區(qū)的緩存都滿載時，下行方向0.18-0.28bps/Hz/小區(qū)，上行方向0.022-0.05bps/Hz/小區(qū)。 

   我們從圖3所示的峰值速率可以看出，LTE滿足并超過了下行100Mbps和上行50Mbps的目標。實際上，如果分配20MHz的頻譜，LTE的下行速率可超過325Mbps，上行速率可超過80Mbps。

    往返時間（RTT）約為7毫秒，單向時延為3.5毫秒，HARQ RTT為5毫秒。

圖3 不同頻譜分配情況下的LTE峰值比特率

Peak data rate:峰值數(shù)據(jù)速率

Uplink：上行

Downlink：下行

Bandwidth：帶寬

操作與維護

    對LTE-SAE的一個重要要求是能夠降低運營支出。自我管理在實現(xiàn)這一目標方面扮演了一個關(guān)鍵角色。例如，自我配置功能有助于方便快速地安裝、集成和部署基站（包括無線接入網(wǎng)的初期建設(shè)），減少準備工作量以及與運營商的交流工作量，從而降低成本，提升LTE-SAE網(wǎng)絡(luò)的初期部署速度。同樣，自我優(yōu)化功能可減少調(diào)整和維護LTE-SAE網(wǎng)絡(luò)的工作量，這些功能包括：自動優(yōu)化相鄰小區(qū)和自動調(diào)整用于控制切換以及其它無線資源管理算法的參數(shù)。

終端與設(shè)備

    LTE從一開始就被設(shè)計用于支持小型、高性能、高能效的最終用戶設(shè)備。除了手機和筆記本電腦之外，LTE還將支持多種設(shè)備：

• 對上下行速率有著極高要求的設(shè)備，如電視機和攝像機
• 對時延有著極高要求的設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)游戲機。

LTE-SAE的產(chǎn)品實現(xiàn)

    目前全球主流廠家正在正在加緊開發(fā)LTE-SAE產(chǎn)品。

無線接入產(chǎn)品

    領(lǐng)先的廠家通常把LTE和HSPA產(chǎn)品將基于相同的軟硬件體系結(jié)構(gòu)，首批產(chǎn)品將支持多個頻段以及FDD和TDD。

    通過使用插件，運營商可以將LTE添加到現(xiàn)有的基站中，使它們支持雙模式和雙頻段。在這個場景中，運營支撐系統(tǒng)（OSS）將支持網(wǎng)絡(luò)遷移和無縫管理。易用特性包括：即插即用型基站、自動調(diào)試、關(guān)鍵性能指標（KPI）的自動報告功能。

    此外還將開發(fā)獨立、高性能的宏基站和微型基站產(chǎn)品。“主用單元-遠程單元”的理念將有助于在空間有限和很難獲得合適空間的站點部署新設(shè)備。
    例如，在今年的巴塞羅那“2008全球移動大會”上，愛立信公布了其下一代無線基站RBS 6000系列產(chǎn)品。該節(jié)能型的站點解決方案提供了市場上最小的宏基站，而且同時支持GSM/EDGE、WCDMA/HSPA和LTE等多種技術(shù)。該產(chǎn)品實現(xiàn)了開發(fā)一個真正多標準的解決方案的長遠目標，而且為客戶提供一個無縫、集成和環(huán)保的解決方案。

核心網(wǎng)產(chǎn)品

    先進的所有適用核心網(wǎng)產(chǎn)品未來都應(yīng)該支持SAE功能?；谘葸M后的核心網(wǎng)產(chǎn)品的網(wǎng)關(guān)功能將支持LTE業(yè)務(wù)，為GSM和WCDMA/HSPA系統(tǒng)提供GGSN功能，并提供對移動IP的支持。MME功能即可以用作一個獨立的LTE移動服務(wù)器節(jié)點，也可以與GSM和WCDMA/HSPA系統(tǒng)的SGSN功能結(jié)合使用。此外， HSS和策略控制器（Policy Controller）也將支持SAE功能。結(jié)果就是一個支持所有接入技術(shù)的通用核心網(wǎng)。

移動平臺、寬帶模塊和固定無線終端產(chǎn)品

    LTE移動平臺再次采用了被實踐證明非常成功的WCDMA移動平臺的體系結(jié)構(gòu)，因此可確保穩(wěn)定性、縮短產(chǎn)品的上市時間、并降低成本。例如，終端設(shè)備廠商將會看到，EMP的LTE移動平臺使用了與WCDMA移動平臺相同的軟件界面。

    對首款商用芯片組針對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進行了優(yōu)化，設(shè)計用于緊湊型的移動電子設(shè)備，如手機、筆記本電腦的寬帶模塊、電視機、攝像機和固定無線終端設(shè)備等。

     LTE芯片組的關(guān)鍵特性包括：上下行速率分別為100Mbps和50Mbps、多種帶寬、支持4個頻段。

    將LTE、GSM和WCDMA/HSPA集成到LTE移動平臺上將可確保LTE受益于WCDMA的規(guī)模經(jīng)濟。因此，LTE從誕生之日起就能實現(xiàn)全國覆蓋和全球漫游。

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)與部署

    由于LTE被定義為支持FDD和TDD系統(tǒng)各頻段中從低于5MHz到最高20MHz的靈活的載波帶寬，運營商既可以使用新的頻段也可以使用現(xiàn)有頻段引入LTE。在網(wǎng)絡(luò)部署初期，最簡便的方法是部署10到20MHz的載波（例如，IMT 2000 Extension或高級無線業(yè)務(wù)所使用的頻段），但LTE最終將在所有蜂窩頻段上部署。

     LTE終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)從一開始就能最多支持4個頻段，這意味著可以使用多個頻段對其進行全球部署。

    目前，大多數(shù)商用蜂窩系統(tǒng)使用的是FDD技術(shù)。通常而言，與TDD相比，F(xiàn)DD的終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量更多。但TDD是FDD的一個良好補充，例如，用于填補FDD上下行鏈路之間的中心間距（centrum gap）。如果系統(tǒng)的LTE硬件與FDD和TDD硬件相同（除了濾波器），TDD運營商最終將能受益于FDD產(chǎn)品的規(guī)模經(jīng)濟。

    LTE還是惟一可在成對頻譜和非成對頻譜上使用同一平臺的技術(shù)，可幫助運營商實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟。LTE可在同一基站平臺上用于成對頻譜（FDD）和非成對頻譜（TDD），這可以使運營商能在不同頻段情況下靈活使用LTE技術(shù)，并從最優(yōu)化的全球LTE解決方案中受益。例如在2008年1月，愛立信首次在同一基站平臺上演示了頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）模式的長期演進（LTE）技術(shù)。LTE-TDD模式演示涵蓋了多項應(yīng)用，并展示了采用2x2MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)的下行鏈路超過90Mbps的速度。此前曾以下行鏈路160 Mbps的速度展示FDD模式下的LTE技術(shù)。

    在定義LTE-SAE體系結(jié)構(gòu)時，3GPP特別注重支持靈活的網(wǎng)絡(luò)配置和提供極高的業(yè)務(wù)可用性。例如，在核心網(wǎng)中，將控制功能（MME）與用戶平面分離增加了網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性。

    為了對分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的處理進行優(yōu)化，運營商可以將網(wǎng)關(guān)節(jié)點分布部署在網(wǎng)絡(luò)的多個站點，以減少傳輸資源的使用量（圖4）。這種方法還能最大程度縮短時延，而短時延是開展IMS多媒體語音通信、高峰值速率寬帶數(shù)據(jù)接入等實時業(yè)務(wù)的一個重要先決條件。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)舉例

Local ip:本地IP連接

Centralized:用于提供移動性、安全性等功能的集中式服務(wù)器群

Gateway:網(wǎng)關(guān)

Local p2p:本地P2P連接

    此外，該體系結(jié)構(gòu)還能實現(xiàn)MME功能的集中部署，MME功能為LTE提供核心網(wǎng)控制。為降低運營成本，可以將MME功能部署在中心站點，這些站點與其它控制節(jié)點共址于服務(wù)器群中。

    LTE-SAE體系結(jié)構(gòu)通過核心網(wǎng)節(jié)點池實現(xiàn)高可用性。在實際運行中，如果某個核心網(wǎng)節(jié)點發(fā)生故障，基站可以連接至節(jié)點池中其它任意核心網(wǎng)節(jié)點。簡而言之，LTE-SAE可提供極高的業(yè)務(wù)可用性。

    運營商在WCDMA/HSPA網(wǎng)絡(luò)中部署LTE-SAE體系結(jié)構(gòu)和功能的一個有效方法是升級現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。這種方法尤其適合早期部署，因為WCDMA/HSPA網(wǎng)絡(luò)中此時的多余容量可用于支持LTE。例如，運營商可以運行一個WCDMA/HSPA和LTE通用核心網(wǎng)，同時共享可用的控制容量和凈荷處理容量，以提升容量的整體利用率，并降低LTE早期部署的運營支出和資本支出。

    與此類似，cdma2000運營商也可以通過演進核心網(wǎng)架構(gòu)實現(xiàn)對SAE的支持。

總結(jié)

    LTE-SAE解決方案可實現(xiàn)高于100Mbps的下行峰值速率和低于10毫秒的往返時間，并能極大簡化網(wǎng)絡(luò)操作和維護工作。該體系結(jié)構(gòu)針對移動寬帶業(yè)務(wù)進行了優(yōu)化。LTE-SAE解決方案還可與GSM、WCDMA/HSPA和cdma2000系統(tǒng)高效集成。

    理想的可以平滑過渡的基站和核心網(wǎng)產(chǎn)品系列應(yīng)該均能升級至LTE-SAE，目前主流公司正在為一些新的網(wǎng)絡(luò)部署項目開發(fā)一整套LTE基站產(chǎn)品。不僅如此， LTE移動平臺也為開發(fā)各種不同類型的終端和設(shè)備-包括寬帶模塊、固定和移動通信終端設(shè)備-打下了一個堅實的基礎(chǔ)。結(jié)合上述技術(shù)優(yōu)勢，LTE-SAE將能為全球各地的用戶實現(xiàn)移動寬帶業(yè)務(wù)。

    在LTE TDD/FDD方面取得的最新成果，繼續(xù)為全球在此領(lǐng)域開展重要研究推波助瀾。與此同時，TDD也繼續(xù)在中國等市場上發(fā)揮其國際作用，例如愛立信已著手與中國的大唐集團開展研究合作。

    據(jù)預(yù)測，LTE移動平臺將出現(xiàn)在各類終端設(shè)備中。LTE-SAE將受益于GSM和WCDMA/HSPA網(wǎng)絡(luò)強勁的發(fā)展勢頭和龐大的生態(tài)系統(tǒng)，將規(guī)模經(jīng)濟延伸到各類終端、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。

    總之，LTE-SAE的強大性能和靈活的系統(tǒng)架構(gòu)，加上業(yè)界對LTE-SAE的廣泛支持，確保了LTE-SAE未來在全球市場擁有規(guī)模經(jīng)濟效益和光明的前景。

參考文獻

1）Per Beming、Lars Frid、Göran Hall、Peter Malm、Thomas Noren、Magnus Olsson和Göran Rune, LTE/SAE architecture, Ericsson Review;

2）3GPP TR 25.913 “Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (EUTRAN)”.