（通信与信息系统专业论文）tdlte核心网研究与系统优化.pdf

摘要 摘要 随着移动通信技术的快速发展，针对用户对业务带宽、传输时延等多方面 的需求，新的移动通信系统就必须提供更快的传输速率、更稳定的传输过程和 更小的传输时延。3 g p p 推出了新的演进技术演进分组系统( e v o l v e dp a c k e t s y s t e m ，e p s ) ，主要包括无线接1 2 长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 和 系统架构演进( s y s t e ma r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n ，s a e ) 。其中l t e 技术定义了两 种双工方式t d d 和f d d 。l t e 网络架构分为两部分，包括演进后的接入网 e u t r a n 和演进后的核心网e p c ( e v o l v e dp a c k e tc o r e ) 。在t d l t e 系统测 试中，组合式核心网( c o m b oe p c ) 作为一款用于测试和演示中的核心网系统， 发挥了很大的作用。 本课题基于t d l t e 技术基础，针对组合式核心网在应用中出现的问题与 不足，采用虚拟化技术，以v m w a r ee s x i 系统为载体，对组合式核心网进行系 统优化。该系统较组合式核心网具有稳定性好、可靠性高、减少硬件投入及运 维方便等特点，已在实际的应用中发挥了显著的作用。 本文在叙述本课题的研究背景和意义的基础上，介绍了l t e 网络的基础知 识；阐述了本系统采用v l 1 w a r ee s x i 系统的虚拟化技术实现的对组合式核心网 系统的优化方案，并详细分析了该优化方案的设计与实现过程，以及对该系统 的测试与应用。 关键词：l t ee p c 虚拟化技术v l a n a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t om e e t u s g r s v a r i o u sn e e d so nb u s i n e s sb a n d w i d t h ，t r a n s m i s s i o nd e l a ya n ds oo n n e w m o b i l eb r o a d b a n ds y s t e mn e e dt op r o v i d ef a s t e rt r a n s m i s s i o nr a t e ，m o r es t a b l e t r a n s m i s s i o np r o c e s sa n ds m a l l e rt r a n s m i s s i o nd e l a y t h e3 g p pr e l e a s e dn e w e v o l v e dt e c h n o l o g yc a l l e de v o l v e dp a c k e ts y s t e m ( e p s ) i tc o n t a i n sl o n gt e r m e v o l u t i o n ( l t e ) a n ds y s t e ma r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n ( s a e ) ，t h e r e i m o ，l t eh a st w o f u l l d u p l e xm o d ei n c l u d et d da n df d d l t en e t w o r ka r c h i t e c t u r ei sd i v i d e di n t o t w op a r t s ，i n c l u d i n gt h ee v o l v e da c c e s sn e t w o r ke - u t r a na n dt h ee v o l v e dp a c k e t c o r e f o rt d - l t es y s t e mt e s t ，a sae p cs y s t e mf o rt e s t i n ga n dd e m o n s t r a t i o n ， c o m b oe p c p l a y s ac r u c i a lr o l e t h i st h e s i si sb a s e do nt d l t et e c h n o l o g y i nv i e wo ft h ee v o l v e dp a c k e t c o r en e t w o r ke m e r g e dp r o b l e m sa n ds h o r t a g ei nt h ea p p l i c a t i o n ，t h i st h e s i su s i n g v m w a r ee s x is y s t e mw i t hv i r t u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yg i v e st h es y s t e mo p t i m i z a t i o n t oc o m b oe p c c o m p a r e dt oc o m b oe p c ，t h i ss y s t e m ，w h i c hp r o v i d e sb e t t e r s t a b i l i t y , h i g h e rr e l i a b i l i t y , r e d u c e dh a r d w a r ei n v e s t m e n t ，o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e c o n v e n i e n ta n ds oo n ，h a sp l a y e das i g n i f i c a n tr o l ei nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n b a s e do nt h eb a c k g r o u n da n dp u r p o s eo ft h et a s k ，t h i st h e s i si n t r o d u c e sb a s i c k n o w l e d g eo fl t e i te x p o u n d st h eo p t i m i z a t i o np r o j e c to ft h ec o m b oe p cw i t h v m w a r ee s x is y s t e mt h a ti sb a s e do nv i r t u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y t 1 1 i st h e s i sg i v e su s t h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h eo p t i m i z a t i o np r o j e c ta n di m p l e m e n t a t i o n ，a sw e l la st h e t e s ta n da p p l i c a t i o no ft h i ss y s t e m k e y w o r d s ：l t e e p cv i r t u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yv l a n i i 第一章绪论 第一章绪论 第一节课题提出的背景及实际意义 1 1 1l t e 技术发展背景 自1 9 世纪9 0 年代马可尼发明无线电通信以来，移动通信技术已经经历了 一段相当长的里程。这其中在2 0 世纪8 0 年代以来，移动通信技术发展更为迅 速【l 】。随着2 0 世纪9 0 年代以来g s m 等各种移动通信网络在全球范围内的广泛 发展，移动通信业务得到了前所未有的巨大成功。同时，随着人们在工作与交 流中对传输数据业务的需求的不断增加，移动通信网络也从g s m 网络向 g p r s e d g e 和w c d m a h s d p a 网络成功演进。但从未来的发展趋势来看， 随着用户之间的交流更趋多元化，用户体验更加丰富，用户希望移动终端能够 提供包括语音、视频、e m a i l 等更为广泛的信息支持。这就要求新的移动通信 系统就必须提供更快的传输速率，更稳定的传输过程和更小的传输时延。为了 适应这些需求，由世界各国电信组织共同组成的3 g p p ( t h et h i r dg e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 标准化组织推出的3 g 无线接入网的演进系统无线接口长期 演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 和以分组接入核心网为演进方法的系统架构 演进( s y s t e ma r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n ，s a e ) ，这两者共同构成了演进分组系统 ( e v o l v e dp a c k e ts y s t e m ，e p s ) 【2 1 。 1 9 9 8 年6 月，我国向国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ， i t u ) 提交了t d s c d m a 技术方案。作为我国提出的3 g 移动通信标准， t d s c d m a 在2 0 0 0 年正式被i t u 和3 g p p 标准化组织接纳，是我国电信技术 史上的以此重大突破，目前已经得到国际社会的广泛接受和认可。随着我国在 2 0 0 9 年颁发的3 g 牌照，国内运营商大力推动我国3 g 时代的到来，并把l t e 作为向4 g 网络演进的方向。作为t d s c d m a 的演进技术，t d l t e 研究的深 度和广度将直接影响我国在未来移动通信领域的竞争力和话语权，因此，我国 需大力支持t d l t e 技术的发展，加快商业化应用进程。 第一章绪论 1 1 2 l t e 技术发展现状 2 g 3 g 有两个主要流派，3 g p p 和3 g p p 2 ，3 g p p 主要支持g s m 、w c d m a 及t d s c d m a 技术，3 g p p 2 则主要支持c d m a 和c d m ae v - d o 技术f 2 2 】。目 前，移动无线通信技术主要有三条演进路径：一是w c d m a 和t d s c d m a ， 均从h s p a 演进只h s p a + ，进而到l t e ；二是c d m a 2 0 0 0 沿着e v - d o r e v o 瓜e v ：刖r e v b ，三是8 0 2 1 6 m 的w i m a x 路线。大致过程见图1 1 所示。 = 1 2 0 e 0 6 2 0 0 7 = 三2 一o o s 一一确，圜少 图1 1 移动无线通信技术的演进路径 为了应对w i m a x 等移动通信网络对3 g 网络的冲击，3 g p p 组织大力推动 l t e 技术及其标准化的发展，并于2 0 0 8 年1 1 月冻结了l t er e l e a s e 8 版本，也 就意味着l t e 规范已经基本完善，主要技术已趋于成熟，这就使得l t e 技术已 经能够用于商业化部署，进入试验与商用阶段【2 3 1 。在电信运营商的大力支持下， 各大设备供应商也都把研发资源向l t e 相关产品倾斜。目前，全球已有多个国 家部署了商用l t e 网络【3 1 。 3 g p p 标准目前已确定t d s c d m a 的演进技术t d l t e 为唯一基于t d d 技术的l t e 标准，与国际上l t e 商用进程相比，我国的t d l t e 商用试验已经 全面启动，t d l t e 必将为我国在移动信息的发展中带来无限的机遇。而作为 t d 网络的经营者，中国移动正不遗余力地推动t d l t e 产业的发展进程，目前 全国已建立六个大规模试验网，正在进行阶段性测试工作，预计在不久的将来 即可投入商用。 2 第一章绪论 1 1 3 本课题研究的内容及意义 随着t d l t e 试验网大规模测试工作的展开，各种相关产品不断涌现。在 l t e 核心网系统设计上，根据不同的设计理念和应用范围出现了两种不同的设 计方法，分别为组合式核心网c o m b oe p c 和分布式核心网d i s t r i b u t ee p c 。其 中组合式核心网广泛应用于现场测试与l t e 系统演示中，是一款模拟的核心网 设备。组合式核心网的这一应用特点就要求其运维方便，能够在不同的测试现 场快速的搭建核心网系统环境，并且需要具有操作简单、运行稳定的特点，使 现场的测试人员能够方便入手。 本课题根据本人在阿尔卡特朗讯公司实习期间所做的工作，针对组合式核 心网在t d l t e 大规模试验网的测试及t d l t e 系统的演示工作中出现的问题， 采用服务器虚拟化技术，对其进行创新性设计，对系统性能进行了优化，使其 能够具有更好的稳定性，操作简单，运维方便，满足现场测试及演示的需要。 第二节论文内容及结构 本文内容安排如下： 第一章主要介绍了l t e 技术发展的背景，分析了时下全球对l t e 技术的发 展规划，阐述了我国在t d l t e 标准制定中做出的贡献以及我国现阶段的 t d l t e 部署现状，从而引出本课题提出的意义。 第二章主要介绍了l t e 网络的技术基础，分析l t e 所采用的关键技术，对 l t e 网络中出现的两种双工模式t d d 和f d d 作了横向比较，且对l t e 系统的 网络架构进行了研究，分别对网络架构中的接入网e u t r a n 和核心网e p c 作 了系统的分析。 第三章对l t e 无线接口协议作了详细的分析，包括控制平面协议与控制平 面协议的划分，并对s 1 、x 2 网络接口协议进行简要的分析。 第四章详细阐述了l t e 组合式核心网的系统构成，工作机制以及在实际应 用中出现的不足，提出目前较为新颖的虚拟化技术，并对虚拟化技术的实现原 理以及服务器虚拟化技术的运用作了详尽的描述，提出运用虚拟化技术对组合 式核心网进行优化的方案，并对该方案的具体开发过程和系统配置作了系统的 阐述。 3 第一章绪论 第五章阐述了如何搭建l t e 网络平台，先对c o m p a c te p c 进行功能测试， 检验其是否能实现核心网的功能，然后对c o m p a c te p c 进行性能测试，与组合 式核心网作对比，检验其是否能满足性能需求。最后通过一个实际测试现场中 对c o m p a c te p c 的应用，描述了其稳定性与可靠性，并降低了核心网的运维成 本。 第六章对本课题研究成果进行总结，并对未来的工作和研究方向进行了展 望。 4 第二章l t e 技术基础 第二章l t e 技术基础 2 1 1 l t e 技术特征 第一节l t e 技术介绍 3 g p p 对l t e 技术标准进行了详细的阐述，与3 g 网络相比，l t e 不论是 在系统性能方面，还是在网络部署与网络架构方面，都有明显的提升，其业务 支持能力也有了显著的提高，其主要特征如下： 1 提高了传输速率，下行峰值速率达到1 0 0 m b p s 、上行峰值速率达到 5 0 m b p s ： 2 提高了频谱效率，下行链路5 0 0 i t s ) h z ，( 3 4 倍于r 6 版本的h s d p a ) ： 上行链路2 5 ( b i t s ) h z ，是r 6 版本h s u p a 的2 3 倍； 3 与3 g 技术包括电路交换域和分组域相比，l t e 技术仅支持分组域业务， 系统完全基于分组交换，不在保留电路交换域业务； 4 l t e 技术具有严格的q o s 机制，能够对v o p 等实时业务具有很好地支 持； 5 l t e 的系统原理使得其能够支持多种系统带宽，使系统在实际部署中具 有了广泛的灵活性，不论是1 2 5 m h z 的窄带宽，还是2 0 m h z 的大带宽，l t e 都能很好地支持，这就能够对实际网络中的分散频带进行充分的利用，提高了 频带利用效率； 6 网络时延有了显著的降低，用户面时延可达到5 m s ，控制面时延也低于 l o o m s ，明显提高了系统服务质量，为开展实时业务提供了技术支持。 7 提升了小区边界的服务质量，在不增加基站数量和不改变基站位置的情 况下能够增加小区边界的比特速率，使用户体验更趋多元化； 8 能够支持现有的3 g 系统和w i m a x 等非3 g p p 规范的系统，具有向下兼 容的特剧4 1 。 l t e 技术较之3 g 技术具有明显的优势，下行1 0 0 m b p s 的峰值速率和上行 5 0 m b p s 的峰值速率与3 g 相比有了很大的提升；仅基于分组的数据传送使系统 5 第二章l t e 技术基础 实现更趋简单；低时延的特点对实时业务，高用户体验提供了很好地支持：小 区边界速率的提升则使系统的覆盖面得到了广泛的提高；而向下兼容的技术特 征则大大降低了通信设备的更换成本，充分利用现有资源。 2 1 2 l t e 关键技术 l t e 中关键技术主要包括物理层传输技术和网络结构两部分【5 】： 1 物理层传输技术 1 ) o f d m 传输 为了充分利用信道资源，我们在同一信道中进行多路传输，称之为共享信 道，而在共享信道中需要采用信道复用技术来解决信号干扰。多路复用和多址 技术，是对信道资源的一种分割复用和对接受信号的寻址分离技术，即在通信 系统的发送端对信道资源进行划分分割，分配给多路或多用户，在同一信道中 进行传输；在接收端，需要把接收到的信号分离开来，恢复出发送端发送的多 路或多用户信号【6 1 。 信道复用传输的主要方式有以下四种： ( 1 ) 频分复用：将多路或多用户信号分配在分离的频带上进行复用； ( 2 ) 时分复用：将多路或多用户信号分配在周期性的时间间隔上进行 复用； ( 3 ) 码分复用：将多路或多用户信号配置到某些正交信号上进行复 用： ( 4 ) 空分复用：把空间分割出来将多路或多用户信号进行复用。 作为一种频分复用技术，o f d m 是基于正交多载波的，其基本设计思路是： 高速串行数据流通过进行串并转换，把其分割成大量的低速数据流，对各路数 据分别采用独立的载波调制，叠加后进行发送，接收端再根据正交载波的特性 对各路信号进行分离【_ 7 1 。 o f d m 与传统的f d m 的区别在于，传统的f d m ( 如图2 1 所示) 将较宽 的频带分成若干个较窄的子载波，然后对这些子载波进行并行发送【8 】。这样就 会使得子载波之间发生相互干扰，而为了避免这种干扰，就需要在相邻的子载 波之间留出一定的保护间隔。而o f d m ( 如图2 2 所示) 则恰恰是把这些子载 6 第二章l t e 技术基础 波重叠分布，同时利用子载波之间的正交性，以避免干扰。这样不但有效地避 免了子载波之间的干扰，也使得频谱效率得到了很大的提高。 图2 1 传统f d m 频谱 ，删、。 图2 2o f d m 频谱 目前o f d m 技术的应用特点有： ( 1 ) 低速并行传输：经串并转换后的高速串行数据流，被分割成若干个 低速并行的数据流；对各路数据分别采用独立的载波调制，叠加后进行发送； ( 2 ) 抗多径时延引起的码间干扰：在o f d m 技术中引入循环前缀( c p ， c y c l i cp r e f i x ) ，在c p 的时问问隔长于信道时延扩展的情况下就可以消除码间 干扰的影响； ( 3 ) 抗衰落与均衡：由于o f d m 对信道频带的分割作用，每个子载波占 据相对窄的信道带宽，因而可以把它看作是平坦衰落的信道，以使o f d m 技术 具有系统大带宽的抗衰落特性和子载波小带宽的均衡简单的特性； 7 第二章l t e 技术基础 ( 4 ) 多用户调度：o f d m 系统可以利用信道的频率选择性进行多用户的 调度，用户可以选择最好的频域资源进行数据传输，从而获得频域调度的多用 户分集增益； ( 5 )基于d f t 实现： 离散傅里叶变换( d f t ，d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 对o f d m 信号进行调制和解调的应用解决了o f d m 的技术实现 问题。 l t e 系统下行多址方式采用正交频分多址( o f d m a ) ，上行为基于正交频 分复用( o f d m ) 传输技术的单载波频分多址( s c f d m a ) 。 o f d m 系统的优点： ( 1 ) 各子信道上的正交调制和解调分别采用离散傅里叶反变换i d f t 和 离散傅里叶变换d f t 实现，运算量小，实现简单。 ( 2 ) o f d m 系统可以对上下行链路采用数量不等的子信道，实现上下行 链路的非对称传输。 ( 3 ) 频率选择性深衰落不会同时出现在所有的子信道中，这样就可以通 过对子信道进行动态分配，选择性利用信噪比较高的子信道，系统的性能能够 得到显著提升。 o f d m 系统的缺点： ( 1 ) 对频率偏差敏感：在传输过程中，由于发射机与接收机频率偏差等 出现的频率偏移，使得子载波之间的正交性被破坏，影响信号质量。 ( 2 ) 存在较高的峰均k t , ( p a r r ) ：o f d m 调制后对各路子信道进行叠加输 出，当多个信号的相位一致时，叠加后信号的瞬间功率，与平均功率相比，将 大大增加，这将导致较大的峰均比，这就要求发射机p a 的具有更高的线性特 征，增加了研发发射机的技术难度。 2 )多天线技术( m i m o ) 多天线技术( m i m o ) 的引入是为了通过多流传输来提高峰值数据速率【6 】。 m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，多输入多输出) 泛指在发射端和接收端 同时采用多天线，在丰富散射的信道环境下，通过有效地开发信道的空间维， 相对传统的单发单收技术，m i m o 技术能卓有成效的提高无线通信系统的容量 以及传输数据的速率，而不以系统带宽和发射功率为代价，在新一代移动通信 系统中，m i m o 技术将具有广泛的应用前景。m i m o 技术可通过利用空间信道 的相关性实现空间复用，也可被用于获得分集增益从而增加接收端的载干比。 8 第二章l t e 技术基础 因此，m i m o 技术可用于提高系统性能，不但可以提高系统的容量和提高小区 的覆盖范围，还可以提高业务的数据传输速率。 下行m i m o 采用空间复用、波束赋形和传输分集等技术，目前m i m o 技 术下行基本天线配置为2 x 2 ，即2 天线发送和2 天线接收，最大支持4 天线进 行下行方向四层传输。 上行m i m o 技术包括空间复用和传输分集，目前m i m o 技术上行基本天 线配置为l x 2 ，即1 天线发送和2 天线接收。m i m o 天线数目为虚拟的天线数 目。 2 网络结构 l t e 网络节点主要由演进型n o d eb 和接入网关( m m e s a eg w ) 组成， 演进型n o d eb 简写为e n o d e b 或e n b ，其网络结构如图2 - 3 所示。 m m e s a eg a t e w a y i m me s a eg a t e w a y ，0 瓯 e n b 图2 3l t e 扁平化网络结构 9 第二章l t e 技术基础 与传统的3 g 和2 g 相比，l t e 网元减少了r n c 节点，接入网e u t r a n 仅由若干e n o d e b 构成，r n c 的功能由e n o d e b 和核心网共同完成，这样就不 用再对接入节点进行汇集，有效减少网元数目，使网络架构更趋向于扁平化， 不但能够简化部署，还能方便维护，有效减少设备成本【9 】【1 0 】。l t e 这一扁平化 网络结构能够有效降低整体系统时延，从而可以开展更多业务，改善用户体验。 2 1 3l t et d d 与f d d 比较 在第三代移动通信系统( 3 g ) 中，3 g 频谱被划分为成对频谱和非成对频 谱，分别用于实现频分双i ( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ，f d d ) 和时分双i ( t i m e d i v i s i o nd u p l e x ，t d d ) 这两种双工模式。作为3 g 技术的演进，l t e 的系统不 仅需要支持在成对频谱中部署，非成对频谱也应支持。因此，l t e 系统也需要 支持f d d 和t d d 两种双工模式【l l 】。 1 f d d 与t d d 工作原理 频分双工( f d d ) 和时分双工( t d d ) 是两种不同的双工方式。f d d 双工 方式中，接收和发送上下行信号，是在相互分离的两个对称频率信道上进行。 f d d 用保护频段来分离接收和发送信道，以避免上下行信号间的干扰。f d d 在堆成信道上传输的这一特性使得发送信号和接收信号具有同时进行的特点， 这样可以有效减少系统时延，提升用户体验。 t d d 双工方式中，对分布在相同频带中的上下行信号在时间上进行划分， 分别在不同时间段中进行传送。t d d 方式不需要对称频段，可以进行灵活配置， 充分利用剩余资源。 2 与f d d 双工方式相比，t d d 具有如下优势： 1 )能够利用零散的频段，使系统资源得到合理化配置； 2 )在上下行数据传输不一致的业务中，利用调整上下行时隙转换点， 来调整上下行在传输中所占比例，避免系统资源浪费，提升业务质量； 3 )上下行信道共用的这一特性，使得基站在接收和发送信号时采用相 同的射频模块，大大降低了设备的研发成本和复杂度； 4 ) t d d 上下行共信道的特点对利用智能天线等技术更加便利，并能 有效降低终端的复杂性； 5 ) t d d 帧结构继承了t d s c d m a 的帧结构，这为t d l t e 与 1 0 第二章l t e 技术基础 t d s c d m a 两种技术的融合奠定了基础。 但是在实际网络中，考虑到小区之间的上下行干扰问题，l t et d d 方式调 整上下行链路间转换点位置的灵活性就会大大削弱。 3 相对于l t et d d ，l t et d d 的缺点如下： 1 ) 若t d d 上下行时隙对称分配，t d d 需要在频域上占用更多的带宽； 2 ) 由于t d d 的上下行在不同时间段传输，上下行的转换需要消耗一部 分时间，增加了时间上的开销，降低了频谱效率； 3 ) t d d 上下行采用同频传输这一特性，使得上下行的干扰与f d d 相比 更加严重。基站之间在时间上要求严格同步，上下行切换时间也要严格同步， 使得网络成本大大增加。 第二节l t e 网络架构分析 2 2 1 l t e 网络架构概述 l t e 网络架构分为两部分，包括演进后的接入网e u t r a n 和演进后的核 心网e p c ( e v o l v e dp a c k e tc o r e ) ，如图2 4 所示。e u t r a n 和e p c 共同构成 了演进分组系统( e v o l v e dp a c k e ts y s t e m ，e p s ) 。演进后的网络不再支持电路 交换域，完全基于分组交换，传统语音通信制式网络只是给终端用户提供的服 务之一。 x 2 c x 2 c p l a n es l u s u p a a n t x 2 u x 2u p l a n es 1 - m m e s 1c 纠& r t e a p a c c e s sp o i n t ( f o ri pc l o u d ) 图2 4 l t e 网络架构 1 1 第二章l t e 技术基础 e p c 和e - u t r a n 之间的功能分布如图2 5 所示： s 1 移动性 安全闸 物理屡 e - u t r a ne p c 图2 5e - u t r a n 和e p c 的功能划分 2 2 2 接入网e u t r a n l t e 接入网e u t r a n 主要由e n o d e b 组成，如图2 3 所示。e n o d e b 与 e n o d e b 之间采用x 2 接口相连，e n o d e b 与e p c 相连则采用s l 接口。确切的 说，e n o d e b 通过s 1 m m e 接口与m m e 相连，通过s 1 u 接口与s - g w 相连。 s 1 接口支持多对多的m m e s g w 与e n o d e b 之间的连接。e n o d e b 与u e 间的 协议为无线接入层协议。对于普通的终端服务而言，在e u t r a n 上无中心控 制节点，因而可以说e u t r a n 采用的是一种扁平化的网络结构。这种扁平化 网络结构的选择能够有效地降低系统的复杂性，减少系统内部的交互工作，进 而有效地减少了系统时延。 e n o d e b 具有如下功能： 1 2 一一一一一一一一一一一一 眦一一一一一呲一一眦一 第二章l t e 技术基础 1 无线资源管理：包括所有与无线承载的相关功能，如无线承载控制，接 入控制等； 2 口报文头压缩：通过对口数据包头的压缩能够有效的利用无线接1 2 资 源； 3 u e 附着时的m m e 选择：由于e n o d e b 可以与多个m m e s g w 之间存 在s l 接1 2 ，所以当u e 接入到网络时，需要选择一个m m e 进行附着； 4 在与s - g w 进行用户面数据交互式，提供到s - g w 的路由； 5 寻呼消息的调度与传输：e n o d b 在接收到来自m m e 的寻呼消息后，根 据一定的调度原则向空中接口发送寻呼消息； 6 系统广播信息的调度与传输：系统广播信息的内容来自m m e 或操作维 护，e n o d e b 负责按照一定的调度原则向空中接口发送系统广播信息； 7 测量与测量报告的配置。 2 2 3 核心网e p c 核心网( e v o l v e dp a c k e tc o r e ，e p c ) 主要负责对用户终端的控制和承载的 建立【2 4 1 。 1 核心网e p c 逻辑功能 1 ) 网络接入控制功能：用来控制用户接入e p s 系统。 ( 1 ) 网络与接入网的选择：当u e 获取i p 连接时需要选择一个p l m n 或接入网； ( 2 ) 鉴权和认证功能：对请求服务的用户以及服务请求的有效性进行鉴 权和认证，以确定用户使用网络的合法性，其中鉴权功能往往伴随着移动性管 理功能； ( 3 ) 准入控制功能：用来决定用户请求的资源是否可用，若可用，则为 用户预留出相应的资源； ( 4 ) 策略与计费强制功能( p c e f ) ：包括业务数据流检测，计费功能， 策略增强等； ( 5 ) 合法监听功能：该功能由网络运营商或服务供应商实施，向授权的 官方机构提供用户的相关信息。 1 3 第二章l t e 技术基础 2 ) 分组路由和传输功能：路由是指用于在p l m n 内部，或p l m n 之间 进行分组数据传输的有序节点列表。每个路由都是由一个起始节点、零个或几 个中间节点和一个目的节点组成。e p s 是一个m 网络，使用i p 网络的寻路和 传输机制，功能主要包括： ( 1 ) i p 头压缩功能：用于优化无线容量： ( 2 ) 分组包过滤功能：用于检查u e 是否使用了分配给u e 的p v 4 或i p v 6 地址前缀。 3 ) 安全功能：主要包括信息的加密功能以及对其进行完整性保护。 ( 1 ) 加密功能：对信令和用户数据进行加密，用以确保信道上传输时的 安全； ( 2 ) 完整性保护：确保u e 与网络之间通信时信令能够完整有效地交互。 4 ) 移动管理功能：用于网络跟踪u e 所处的位置，特别是在e c m 空闲状 态下u e 的位置。 ( 1 ) e c m 空闲状态时u e 的可达性管理：当u e 处于e c m 空闲态时， 网络仅确定u e 在哪个跟踪域t a 中，当网络对e c m 空闲态下的u e 进行寻呼 时，需要在u e 注册的t a 的所有小区内进行寻呼，若u e 注册了多个t a ，则 该u e 注册的所有t a 都需由同一个m m e 进行服务； ( 2 ) e n o d e b 之间的移动锚点功能：u e 在e u t r a n 内移动时，用户面 的锚点； ( 3 ) 3 g p p 标准网络之间的移动锚点功能：当u e 在e u t r a n 接入系统 和2 g 3 g 接入系统之间进行移动时，用户面的锚点： ( 4 ) 空闲态时的信令消减( i s r ) 功能； ( 5 ) 移动限制：当u e 在e u t r a n 内移动时对u e 进行接入限制，由 u e 、接入网和核心网共同提供。e c m 处于空闲态时，移动限制功能由u e 执 行从核心网处接收到的信息，当e c m 处于连接态时，移动限制功能由接入网 和核心网共同执行，核心网会给接入网提供一个切换列表来列出u e 的漫游区 域和接入限制区域。 5 ) 无线资源管理( 洲) 功能：涉及无线通信通路的分配及维护，由无 线接入网组成。 6 ) 网络管理功能：提供对e p s 的操作和维护。 1 4 第二章l t e 技术基础 ( 1 ) m m e 之间的负载平衡：m m e 负载平衡功能是指把一个接入m m e 资源池的u e 导向另一个合适的m m e ，以确保m m e 之间的负荷的平衡； ( 2 ) m m e 之间的负载平衡调整：负载平衡调整可以把已注册到某m m e 上的u e 调整到处于同一个m m e 资源池内的其他的m m e 中去； ( 3 ) 过载时的m m e 控制：m m e 中包含避免过载以及过载时的处理机 制，正常情况下，m m e 使用n a s 信令来拒绝u e 的n a s 请求。在一些非常见 得情况下，m m e 通过进行负载限制来限制e n o d e b 产生的负载。 7 ) 选择功能： ( 1 ) p d n 网关选择功能：p d n 网关选择功能是指为3 g p p 接入分配一个 p d n 网关，由该网关提供到u e 的p d n 连接。分配的准则是基于h s s 提供的 用户信息和其他附加的标准； ( 2 ) 服务网关选择功能：服务网关选择功能是指为u e 提供一个可用的 服务网关。服务网关的选择是基于网络拓扑结构，一般情况下，某一服务网关 服务区域内的u e 就由该服务网关服务，若服务网关的服务区有重叠，则选择 服务网关应尽可能减少未来服务网关需要切换的概率。而且，服务网关的选择 还应服务网关间的负载平衡； ( 3 ) m m e 的选择功能：m m e 的选择功能是指为u e 选择一个可使用的 服务m m e 。服务m m e 的选择是基于网络拓扑结构的。一般情况下，m m e 服 务区内的u e 应由该m m e 服务，当m m e 服务区重叠时，选择m m e 服务区应 尽可能减少未来m m e 需要切换的概率。当m m e s g s n 选择一个目标m m e 时，需在可能的目标m m e 间进行负载平衡，而当e n o d e b 选择m m e 时，应 进行m m e 间的负载平衡； ( 4 ) s g s n 选择功能：服务s g s n 的选择是基于网络拓扑结构，一般情 况下，s g s n 服务区内的u e 应由该s g s n 服务，当s g s n 服务区重叠时，选 择s g s n 服务区应尽可能减少未来s g s n 需要切换的概率。当m m e s g s n 选 择一个目标s g s n 时，需在可能的目标s g s n 间进行负载平衡； ( 5 ) p c i 强的选择功能。 8 ) p 网络相关功能：包括域名服务功能和d h c p 功能。 ( 1 ) 域名服务功能：域名服务功能是把p d n 网关名字解析为p d n 网关 地址： ( 2 ) d h c p 功能：传递u e 的i p 配置信息。 1 5 第二章l t e 技术基础 9 ) e n o d e b 与多个m m e 连接的功能：一个e n o d e b 可以与多个服务m m e 连接，但e n o d e b 必须决定哪个m m e 来接收u e 的信令。为了减少核心网中非 必要的信令开销，原则上一个己附着在某个服务m m e 上的u e 将一直由该服 务m m e 服务，直到该u e 离开m m e 关联的资源池的覆盖范围。其中资源池 指的是从r a n 角度看，一个或多个t a ，由一组m m e 来服务，这组m m e 就 叫做一个m m e 资源池。 1 0 ) e u t r a n 共享功能：e u t r a n 共享是不同运营商之间达成的共享 接入网的协议。也就是说，e u t r a n 的用户终端需能在共享接入网中辨别不 同运营商的核心网，并且这些核心网能够被当做一般的、非共享的核心网来处 理。 1 1 ) 口地址分配功能：在l t e 网络系统中，u e 必须通过获得i p 地址来 正常访问网络。p 地址的分配可以在默认承载建立的时候进行，也可以在默认 承载建立后进行。 1 2 ) 网络协助的小区变更功能：当从一个e u t r a n 小区向一个 g s m e d g er a n ( g e 凡) 小区切换时，若g e r a n 不支持p s 域切换，则可 以使用小区变更功能来提高小区切换时的分组数据性能。 1 3 ) 计费管理功能：服务网关s - g w 和p d n 网关提供计费管理功能。服 务网关s - g w 为接入网络的u e 收集计费信息。p d n 网关也能为u e 提供计费 功能，在漫游情况下，还负责处理其他的p l m n 服务网关提供的计费信息。 1 4 ) 支持多p d n ：该功能使得u e 可以同时与多个p d n 进行口业务交互。 2 核心网e p c 网元及连接各网元间的网络接口功能 e p c 网元主要包括：移动管理实体( m m e ) 、服务网关( s e r v i n gg w ，s - g w ) 、 p d n 网关( p g w ) 、政策与计费规则功能( p c r f ) 、归属用户服务器( h s s ) 2 5 】 o 各网元与连接各网元间的网络接口如图2 6 所示： 1 6 第二章l t e 技术基础 图2 6l t e 网元及网络接口 1 ) 核心网各网元功能 ( 1 ) m m e ：控制节点，处理移动终端与核心网之间的信令交互。在终端 与核心网之间使用非接入层协议( n a s ) 。 m m e 支持的主要功能可分为： 非接入层( n a s ，n o n a c c e s ss t r a t u m ) 信令的处理与接入层安全 控制； 分发寻呼消息至e n o d e b ； 移动性管理涉及核心网节点之间的信令控制； 空闲状态时移动性控制； s a e 承载控制； 对非接入层协议n a s 信令进行加密与完整性保护； 跟踪区列表管理； p d n 网关与服务网关s - g w 选择； 向2 g 3 g 切换时s g s n 的选择； 漫游与鉴权。 ( 2 ) 服务网关( s g w ) ：核心网有两类逻辑网关，分别是服务网关s - g w 和p d n 网关( p g w ) 。s - g w 的功能如下： 当e n o d e b 之间进行切换时，s - g w 作为本地移动的锚点； 1 7 第二章i 丁e 技术基础 当用户在e n o d e b 之间切换进行路径选择后，s - g w 要向源e n o d e b 发送一个或多个结束记号，该记号帮助e n o d e b 实现无损切换； 对于3 g p p 之间的移动而言，s - g w 时移动的锚点； 对e c m 空闲态时的下行分组包进行缓存，发起服务请求过程； 合法监听； 分组路由与转发： 在上下行做分组包标记； 上下行计费，如漫游u e 的计费； 运营商之间计费时，进行计费统计。 ( 3 ) p d n 网关( p g w ) ：p g w 作为s g i 接口的终点，是核心网连接p d n 的接口网关。p g w 的功能如下： 对用户数据进行筛选； 合法监听； 用户的口地址分配； 在上下行做分组包标记； 上下行业务级计费： 上下行业务级的关口控制： 上下行业务级的速率控制； d h c p v 4 d h c p v 6 服务器功能和用户功能； 分组数据包筛选。 ( 4 ) p c r f ：p c r f 是服务数据流和口承载资源的策略与计费控制策略 决策点，它为p c e f ( 策略与计费执行功能) 选择及提供可用的策略和计费控 制决策。 ( 5 ) h s s ：h s s 为归属地用户服务器，用来存储用户签约信息和位置信 息的用户数据库系统。 2 ) 核心网各网络接口的功能口6 1 ( 1 )