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【文件原名】：3GPP LTE/SAE網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化進展

【摘要或目錄】：(全文)

3GPP LTE/SAE網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化進展
1、引言

　　隨著寬帶無線接入概念的出現(xiàn)， WiFi和 WiMAX等無線接入方案迅猛發(fā)展。相比之下WCDMA/HSDPA/HSUPA雖然在支持移動性和QoS方面有較大優(yōu)勢，但空中接口和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，無線頻譜利用率和傳輸時延等能力方面明顯落后。另一方面 OFDM技術(shù)為核心的新一代技術(shù)逐漸成熟，接入速率提升到了100 Mbit/s的范疇，相形之下2 Mbit/s的WCDMA R99傳輸速率、14.4 Mbit/s R5 HSDPA的峰值速率已經(jīng)無法滿足需求。為此，3GPP在2004年底經(jīng)過認(rèn)真的討論決定采用過去為B3G或4G發(fā)展的技術(shù)來使用3G頻段，以便于占有寬帶無線接入市場，并制定了長期演化計劃LTE（Long Term Evolution）。

　　除了對無線接入網(wǎng)演進的研究，3GPP還要進行系統(tǒng)架構(gòu)方面的演進工作，并將其定義為SAE（System Architecture Evolution）。因此整個計劃按照結(jié)構(gòu)劃分也可以分為兩個部分：無線側(cè)（即我們一般所指的LTE）和網(wǎng)絡(luò)側(cè)（系統(tǒng)架構(gòu)演進SAE）。無線側(cè)工作目標(biāo)主要包括以下幾個方面：頻譜利用率，用戶吞吐量，時延上的性能提高；無線網(wǎng)絡(luò)簡化；對基于分組業(yè)務(wù)MBMS，IMS的有效支持。網(wǎng)絡(luò)側(cè)工作目標(biāo)主要包括以下幾個方面：時延，容量，吞吐量的性能；核心網(wǎng)簡化；基于IP業(yè)務(wù)和服務(wù)的優(yōu)化；對非3GPP接入技術(shù)的支持和切換的簡化。

　　3GPP為此規(guī)劃了清晰的技術(shù)發(fā)展路線，還根據(jù)工作進程制定了明確的時間表。3GPP組織的工作，基本可以分為兩個階段：2005年3月到2006年6月為SI（Study Item）階段，主要完成目標(biāo)需求的定義，明確LTE的概念，完成可行性研究報告；2006年6月到2007年6月為WI（Work Item）階段，完成核心技術(shù)的規(guī)范工作，同時LTE相配合的SAE項目SI也開始進行。在2007年中期完成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定（3GPP R7），在2008年或2009年推出商用產(chǎn)品。目前，對LTE的物理層技術(shù)已有了較多文獻（鑒于于文件較多，參考文獻中未全部列出）的介紹，因此下面主要介紹的是關(guān)于LTE項目部分的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和與之相關(guān)的接口高層協(xié)議，以及關(guān)于SAE部分。

2、3GPP LTE核心技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化進展

　　2.1　LTE目前的標(biāo)準(zhǔn)化進展

　　第一階段（SI階段）延長到2006年9月份才結(jié)束，截止到9月已完成包括物理層接入方案、信道結(jié)構(gòu)的研究、RAN-CN功能調(diào)整和優(yōu)化、無線接口協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)、信令的流程與終端移動性、演進的MIMO機制、宏分集與射頻部分、狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移問題等方面的研究，形成3GPP LTE的可行性研究報告。

　　第二階段（WI階段）從2006年9月開始，預(yù)計到2007年6月，完成核心的技術(shù)規(guī)范撰寫工作。在2007年年中完成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定工作后，預(yù)計在2008年或2009年將成熟的商用產(chǎn)品推向市場。

　　2.2　接入網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

　　3GPP LTE在接入網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)方面，設(shè)計的主要目標(biāo)是滿足低時延、低復(fù)雜度、低成本的要求，從而提供更高的用戶容量、系統(tǒng)吞吐量和端到端的服務(wù)質(zhì)量保證�？紤]到最終將要實現(xiàn)所有業(yè)務(wù)通過分組域傳輸，如何保證各種分組業(yè)務(wù)、特別是實時性要求較高的分組業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)顯然已無法滿足要求，需要進行調(diào)整與演進。

　　2.2.1　R6版本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　在R6版本中�；�站為終端進行空中接口L1層處理（如信道編解碼、速率匹配，擴頻等），同時負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)流量的控制與管理和無線資源管理（如功率控制）。無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）則負(fù)責(zé)對擁有和控制他轄域內(nèi)的無線資源，包括管理所屬小區(qū)的負(fù)荷控制和擁塞控制，這些小區(qū)中待建的新的無線連接進行接納控制和碼字分配，執(zhí)行系統(tǒng)信息廣播與系統(tǒng)接入控制功能，以及切換等移動性管理，宏分集合并等無線資源管理和控制功能。 SGSN（GPRS服務(wù)支持節(jié)點）負(fù)責(zé)管理分組交換數(shù)據(jù)流量的控制和管理。SGSN通過Iu_PS接口與UTRAN相連，通過Gn/Gp接口與GGSN相連，主要提供PS域的路由轉(zhuǎn)發(fā)、移動性管理、會話管理、鑒權(quán)和加密功能。GGSN（GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點）負(fù)責(zé)與核心網(wǎng)的連接，是PS域的功能結(jié)點，通過Gn/Gp接口與SGSN相連，通過Gi接口與外部網(wǎng)絡(luò)相連，提供數(shù)據(jù)包在移動網(wǎng)和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間的路由和封裝。主要功能能是同外部IP分組網(wǎng)絡(luò)的功能接口，GGSN需要提供UE接入網(wǎng)外部分組網(wǎng)絡(luò)的關(guān)口功能，從外部網(wǎng)的觀點來看，GGSN就好像是可尋址移動網(wǎng)絡(luò)中所有用戶的IP的路由器，需要同外部網(wǎng)絡(luò)交換路由信息，也可以說GGSN是移動網(wǎng)與外部網(wǎng)之間的網(wǎng)關(guān)。

　　2.2.2　LTE（R7版本）中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　2006年3月的會議上，3GPP確定接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要由演進型eNodeB（eNodeB）和接入網(wǎng)關(guān)（AGW）構(gòu)成。eNodeB由R6階段的NodeB、RNC、SGSN、GGSN四個主要網(wǎng)元演進而來，eNodeB之間通過X2接口采用網(wǎng)格（mesh）方式互連，同時還建議當(dāng)eNodeB需要同其它eNodeB通信時這個接口總是存在的，例如對支持對處于LTE_ACTIVE狀態(tài)下手機的切換。同時E-Node B與AGW之間的接口稱為S1接口。eNodeB通過S1接口與EPC（Evolved Packet Core）連接。S1接口支持多對多的AGWs和eNodeB連接關(guān)系。

　　這種結(jié)構(gòu)類似于典型的IP寬帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用兩層扁平網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，支持IMS、VoIP、SIP、Mobile IP等各種先進技術(shù)。通過與R6版本的直觀比較可以看出LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)極大降低了系統(tǒng)復(fù)雜性，系統(tǒng)內(nèi)部相應(yīng)的交互操作隨之減少，系統(tǒng)時延可以明顯降低。

　　2.3　空中接口協(xié)議結(jié)構(gòu)

　　E-UTRAN與UTRAN相比，去掉了RNC，而只是由若干個eNodeB組成。eNodeB提供E-UTRA的用戶平面（RLC/MAC/PHY）和用戶平面（RRC）協(xié)議。RNC功能被分散到了演進的Node B（E-Node B）和接入網(wǎng)關(guān)（AGW）中。而AGW因為包含了原SGSN功能，還是歸屬為SAE的邊界節(jié)點，只不過與E-UTRA相關(guān)的部分用戶面和控制面的功能在LTE中定義。
　　E-UTRAN結(jié)構(gòu)中，eNodeB是在NodeB原有功能基礎(chǔ)上，增加了RNC的物理層、MAC層、RRC、調(diào)度、接入控制、承載控制、移動性管理和相鄰小區(qū)無線資源管理等功能，提供相當(dāng)于原來的RLC/MAC/PHY以及RRC層的功能。具體包括：UE附著時的AGW選擇，調(diào)度和傳輸尋呼信息，調(diào)度和傳輸BCCH信息，上下行資源動態(tài)分配，RB控制、無線資源準(zhǔn)入控制，LTE_ACTIVE時的移動性管理。

　　AGW承擔(dān)的功能則包括：發(fā)起尋呼，LTE_IDLE態(tài)UE信息管理，移動性管理，用戶面加密處理，PDCP（分組數(shù)據(jù)的包頭壓縮），SAE承載控制，NAS信令的加密和完整性保護。

　　E-UTRAN的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)從整體上主要進行了以下簡化：

　�。�1）使用共享信道用于承載用戶的控制信令和業(yè)，取代了R6中的專用信道，減少傳輸信道個數(shù)，使多個用戶共享空中接口的資源；

　�。�2）減少MAC層實體個數(shù)；

　�。�3）使用MBMS代替BMC層廣播媒體控制層以及CTCH公共業(yè)務(wù)信道；

　�。�4）刪除下行宏分集；

　�。�5）使用時隙統(tǒng)籌（Scheduling gap）方案替代UTRAN的壓縮模式。

　　（6）簡化無線資源控制（RRC）狀態(tài)，刪除了CELL_FACH態(tài)，將UTMS中的RRC狀態(tài)和PMM狀態(tài)合并為一個狀態(tài)集；

　　下面我們按照各平面組成，對各功能體的作用進行詳細(xì)介紹。

　　2.3.1　用戶平面

　　用戶平面用于執(zhí)行無線接入承載業(yè)務(wù)，主要負(fù)責(zé)用戶發(fā)送和接收得所有信息的處理。由MAC，RLC，PDCP 3個子層構(gòu)成。LTE采用AGW和eNodeB直聯(lián)的方式以實現(xiàn)用戶面的快速接入。這種接入方式下，各功能體的功能也有了變化。其中MAC層主要用于，邏輯信道和傳輸信道的映射，復(fù)用和解復(fù)用；數(shù)據(jù)量測量；HARQ功能；UE內(nèi)的優(yōu)先級調(diào)度和UE間的優(yōu)先級調(diào)度；TF（傳輸格式）選擇；　RLC PDU（協(xié)議數(shù)據(jù)單元）的按序提交。RLC層功能主要是支持AM（確認(rèn)模式）、UM（非確認(rèn)模式）、TM（透明模式）數(shù)據(jù)傳輸；ARQ；數(shù)據(jù)切分（重切分）和重組（級聯(lián)）；SDU的按序投遞；數(shù)據(jù)的重復(fù)檢測；協(xié)議錯誤檢測和恢復(fù)；AGW和eNodeB間的流量控制；SDU（業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元）丟棄。PDCP（分組數(shù)據(jù)的包頭壓縮層）位于UPE，主要任務(wù)是頭壓縮，只支持ROHC算法；用戶面數(shù)據(jù)加密；下層RLC按序投遞時，PDCP分組數(shù)據(jù)的包頭壓縮的重排緩沖（主要用于跨eNodeB切換）。

　　2.3.2　控制平面

　　控制平面負(fù)責(zé)用戶無線資源的管理，無線連接的建立，業(yè)務(wù)的QoS保證和最終的資源釋放，主要有上層的RRC層和非接入子層（NAS）實現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)簡化了控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)的過程，使得遷移時間相應(yīng)減少。其中NAS功能是SAE承載管理；鑒權(quán)；AGW和UE間信令加密控制；用戶面信令加密控制；移動性管理；LTE_IDLE時的尋呼發(fā)起。NAS層主要包括3個協(xié)議狀態(tài)：

　�。�1）LTE_DETACHED：網(wǎng)絡(luò)和UE側(cè)都沒有RRC實體，此時UE通常處于關(guān)機、去附著等狀態(tài)。

　�。�2）LTE_IDLE：對應(yīng)RRC的IDLE狀態(tài)，UE和網(wǎng)絡(luò)側(cè)存儲的信息包括：給UE分配的IP地址，安全相關(guān)的參數(shù)（密鑰等），UE的能力信息，無線承載。此時UE的狀態(tài)轉(zhuǎn)移由基站或AGW決定。

　　（3）LTE_ACTIVE：對應(yīng)RRC連接狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移由基站或AGW決定。

　　至于RRC層則主要用于系統(tǒng)消息廣播和尋呼建立、管理、釋放RRC連接；RRC信令的加密和完整性保護；RB管理；廣播/多播服務(wù)支持；NAS直傳信令傳遞�？刂泼鍾RC功能移入E-Node B中并且只包含RRC_IDLE和RRC_DETACHED兩種狀態(tài)：

　�。�1）RRC_IDLE狀態(tài)下，eNodeB不存儲UE上下文，對應(yīng)LTE_IDLE；

　�。�2）RRC_CONNECTED狀態(tài)下，eNodeB有UE上下文，網(wǎng)絡(luò)側(cè)知道UE的Cell級位置，可進行信令傳輸，對應(yīng)LTE_ACTIVE。

3、3GPP SAE標(biāo)準(zhǔn)化進展及現(xiàn)狀

　　除了對無線接入網(wǎng)演進的研究，3GPP目前也開始進行系統(tǒng)架構(gòu)方面的演進工作，并將其定義為SAE。SAE的工作目標(biāo)與LTE一致：一是性能提高：減少時延，提供更高的用戶數(shù)據(jù)速率，提高系統(tǒng)容量和覆蓋率，減少運營成本；二是可以實現(xiàn)一個基于IP網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有或者新的接入技術(shù)的移動性的靈活配置和實施；三是優(yōu)化IP傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)預(yù)定增長從根本上說，就是在未來10年或者更長一段時間確保3GPP系統(tǒng)的競爭力。

　　3GPP對SAE這一階段的工作也制定了詳細(xì)的計劃表。預(yù)計到2007年底/2008年初完成大部分的規(guī)范，2009年開始部署計劃。

　　3.1　簡化的SAE架構(gòu)

　　目前，一些發(fā)起并參與LTE/SAE標(biāo)準(zhǔn)制定和技術(shù)研究工作的3GPP成員，已超過30多家，正在積極研究和開發(fā)符合3G LTE/SAE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)和設(shè)備，目標(biāo)是在保證技術(shù)和系統(tǒng)性能領(lǐng)先的同時，最大程度地利用并兼容現(xiàn)有的系統(tǒng)平臺，保持系統(tǒng)的平滑演進，以提供最優(yōu)的無線通信解決方案，并且在2006年9月3GPP給出了Packet Core簡化的SAE架構(gòu)，鑒于整個架構(gòu)接口還在定義中，我們這里只對幾個關(guān)鍵實體進行介紹。

　　MME（Mobility Management Entity）功能體主要處理移動性管理，包括：存儲UE控制面上下文，包括UEID、狀態(tài)、跟蹤區(qū)（treaking area，TA）等；移動性管理；鑒權(quán)和密鑰管理；信令的加密、完整性保護；管理和分配用戶臨時ID。

　　UPE（User Plane Entity）功能體負(fù)責(zé)用戶面處理，包括：數(shù)據(jù)的路由和轉(zhuǎn)發(fā)；用戶面加密終結(jié)點；頭壓縮；存儲UE用戶面上下文，包括基本IP承載信息、路由信息等；eNodeB間切換（3GPP AS間切換）用戶面支持；LTE_IDLE時下行數(shù)據(jù)觸發(fā)/發(fā)起尋呼。

　　IASA（Inter-Access System Anchor）功能體處理系統(tǒng)間用戶面支持：處理不同接入系統(tǒng)間的用戶面切換；數(shù)據(jù)的路由和轉(zhuǎn)發(fā)；計費數(shù)據(jù)收集；到PDN的網(wǎng)關(guān)功能；部分功能可能和UPE合作。

　　3.2　下一步要討論和研究的重點

　　目前在以下幾個方面正在展開討論和研究實現(xiàn)工作：

　　一是MME-UPE合并還是獨立，盡管目前的草案中還是將其分開，但是也已經(jīng)有建議，將其進一步合并來簡化系統(tǒng)；

　　二是演進系統(tǒng)移動性的實現(xiàn)。如何在現(xiàn)有和新的頻段上使用新的演進接入系統(tǒng)所帶來的影響，同時演進后的不同系統(tǒng)間移動性問題的解決，例如手機開機后的搜索和連接過程；漫游中接口的確認(rèn)，對于不同的接入系統(tǒng)的無縫覆蓋問題。這些都需要增加對非3GPP接入系統(tǒng)的支持。

　　三是策略控制和計費（Policy Control and Charging）：由于承載網(wǎng)采用了分組技術(shù)，特別是IP技術(shù)，使服務(wù)質(zhì)量方面的問題尤其突出�；�本目標(biāo)是QoS控制機制的實現(xiàn)，暫時不考慮具體接入技術(shù)和承載技術(shù)。在最新的3GPP R7草案中，把R6版中的策略控制功能（PDF）和基于流的計費功能（FBC）合并，在業(yè)務(wù)控制層和接入/承載層之間增加資源接納控制相關(guān)的功能實體稱為——PCC（Policy Control and Charging，策略控制和計費），完成資源接納控制功能，實現(xiàn)對接入/承載相關(guān)節(jié)點的功能和資源進行一定程度上的控制。這樣做主要針對移動接入網(wǎng)的特性，主要提供的功能有：基于用戶的定制信息實現(xiàn)策略控制、基于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的計費控制。目前PCC支持Pull方式，借助于Diffserv技術(shù)實現(xiàn)業(yè)務(wù)。同時接口的融合不僅提高通信效率，降低業(yè)務(wù)建立時延，還可以保證控制的一致性。

4、結(jié)束語

　　3GPP LTE/SAE項目作為3GPP目前的最大的新技術(shù)研發(fā)項目，在移動通信領(lǐng)域帶來了新一輪的技術(shù)發(fā)展機遇，給我國企業(yè)參與國際標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了機會。針對TD-SCDMA系統(tǒng)國內(nèi)單位利用近年來國內(nèi)企業(yè)在相關(guān)方面的技術(shù)積累，已經(jīng)在3GPP LTE中就物理層、協(xié)議功能設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和系統(tǒng)需求等提出了市場需求以及相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計，并積極展開工作，尤其是在時隙長度上，正是在中國公司的堅持下才使得3GPP在這個問題上達成一致，避免了TD-SCDMA系統(tǒng)和LTETDD系統(tǒng)在演進中的沖突。

　　LTE/SAE項目的進展總體上說比較順利。雖然前期項目的進度有了一定程度的延后，影響項目的總進度，但是整個系統(tǒng)已經(jīng)確定了大部分基本技術(shù)框架。因此可以確信隨著項目的進展以及若干系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)問題的解決，具體技術(shù)細(xì)節(jié)的設(shè)計的不斷完善，LTE/SAE系統(tǒng)將逐步明確。2007年中該演進系統(tǒng)第一版本規(guī)范的發(fā)布應(yīng)該可以實現(xiàn)。同時從目前各方面來看，2010年前后，我們將有可能看到一個商用的LTE/SAE系統(tǒng)。