（通信与信息系统专业论文）lte接口信令仿真与干扰协调技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 是3 g p p 组织为满足用户需求而制定的长期演进项目， 它可以为用户提供宽带高速无线通信服务。l t e 技术规范只定义了接口标准，只要产 品符合接口标准就能满足众多供应商产品间的互操作性。因而，产品接口协议一致性 测试对保障其性能和质量、促进l t e 商用部署具有重要意义。本文使用t t c n 3 语言 实现了l t es 1 和x 2 接口信令交互仿真平台，并将e n b 实体与仿真平台对接，进行协 议一致性测试。在分析接口信令和e n b 的测试过程中，发现可以通过完善x 2 负荷指 示信令改进s f r ( s o f tf r e q u e n c yr e u s e ) i c i c ( i n t e r - c e l li n t e r f e r e n c ec o o r d i n a t i o n ) 方案， 基于此提出一种s f ri c i c 改进方案，用以改进s f r 方案的不足。 本文重点分析了l t es 1 和x 2 接口的协议栈、应用协议的基础过程和功能等，然 后实现了t t c n 3 和c c + + 语言版l t es 1 和x 2 接口信令交互仿真平台。t t c n 3 版仿 真平台分别实现了e n b 和m m e 仿真器，以独立测试用例方式仿真s 1 和x 2 接口的协 议交互。最后实现仿真平台与e n b 实体对接，测试其协议一致性。c c + + 版仿真平台 主要实现了模拟用户入网、通信和退网等功能的信令交互过程。 在协议分析和协议测试时发现可以通过增加x 2 a p 负荷指示消息信元，帮助e n b 与邻小区交互频率资源分配情况，选取合适的资源分配给用户。对s f ri c i c 方案研究 分析，发现在边缘用户饱和时再接入边缘用户导致功率比增加、中心用户饱和时新接 入中心用户将使用主子载波造成资源浪费等问题。为解决此问题，提出了一种基于x 2 接口的s f r 改进用方案。当边缘用户饱和时给新接入的边缘用户选择合适的次子载波， 当中心用户饱和时新接入中心用户超阈值可以降低功率比。设计出改进方案所需信令 内容，完成了信令消息的a s n 1 语言描述。最后通过仿真对比证明改进方案可以提高 边缘用户的吞吐量。 本文最后建立仿真模型，分别对f f r 和s f r 进行仿真分析，得到i c i c 方案性能 和用户分布之间关系。根据仿真结果分析，用户均匀分布时使用f f r 方案更能提高边 缘用户性能；而在用户非均匀分布时，小区中心用户越集中，使用s f r 效果越显著， 同时功率比越小边缘用户的性能指标越好。因此建议l t e 系统在用户均匀分布的场景 下使用f f r 规划频率资源，在用户非均匀分布情况下使用s f r 规划频率资源。 关键词：干扰协调；改进软频率复用；s 1 和x 2 接口；协议一致性测试 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 f 页 a b s t r a c t l t ei saw i r e l e s sb r o a d b a n dt e c h n o l o g yd e s i g n e dt os u p p o r th i 曲d a t ar a t es e r v i c e t h e i n t e r f a c e sh a v eb e e ns t a n d a r d i z e d ，w h i c ha l l o wt e r m i n a l sf r o md i f f e r e n tv e n d o r st o i n t e r o p e r a t ei nl t en e t w o r k t h e r e f o r e ，t h ep r o t o c o lc o n f o r m a n c et e s t i n gi s n e e d e dt o e n s u r ep r o d u c tp e r f o r m a n c e ，w h i c hi sm u c hs i g n i f i c a n tt ol t ed e p l o y m e n t t h ei n t e r a c t i v e s i m u l a t i o np l a t f o r mo fl t es1a n dx 2i n t e r f a c es i g n a l i n gh a sb e e ni m p l e m e n t e db yt t c n 3 l a n g u a g e ，p r o t o c o lc o n f o r m a n c et e s t i n gc a ne a s i l yb et a k e n o n c et h ee n bi sc o n n e c t e dt ot h i s s i m u l a t i o np l a t f o r m t h ea u t h o rf i n d st h a tt h es f ri c i cs c h e m ec a nb ei m p r o v e db y i m p r o v i n gx 2 一a pm e s s a g ee x c h a n g e b a s e do nt h i s ，a ni m p r o v e ds f ri c i cs c h e m ei s p r o p o s e di nt h i st h e s i s t h ep r o t o c o ls t a c ka n da p p l i c a t i o np r o t o c o lp r o c e d u r e so fl t es1a n dx 2i n t e r f a c e h a v e b e e ne m p h a t i c a l l ya n a l y z e di nt h i st h e s i s t h ee n ba n dm m es i m u l a t o r sa r e e s t a b l i s h e db yt t c n 3r e s p e c t i v e l y ，t h e n ，s1a n dx 2i n t e r f a c e ss i g n a l i n gi n t e r a c t i o ni s a c h i e v e du s i n gt e s tc a s e s t h ep r o t o c o lc o n f o r m a n c et e s t i n gh a sb e e nc a r r i e do u tb y s i m u l a t i o np l a t f o r mc o n n e c t e dt oe n b m e a n w h i l e ac c + + v e r s i o ns i m u l a t i o np l a t f o r mi s e s t a b l i s h e d ，w h i c hh a sa c h i e v e dt h es i m u l a t i o no fs i g n a l i n gi n t e r a c t i o n i nt h ep r o c e s so fp r o t o c o la n a l y s i sa n dc o n f o r m a n c et e s t i n g ，t h ea u t h o rf i n d st h a t a d j a c e n te n b sc a l ls h a r er e s o u r c ea l l o c a t i o ni n f o r m a t i o nb ya d d i n gi n f o r m a t i o ne l e m e n tt o l o a di n f o r m a t i o nm e s s a g e i ns f rs c h e m e ，t h en e wa c c e s s e dc e l l - e d g eu s e r sw i l l i n c r e a s et h ep o w e rr a t i o ，w h e nt h ec e l l - e d g eu s e r sa r es a t u r a t e d ，a n dt h en e wa c c e s s e di n n e r - c e l lu s e r sw i l lb ea l l o c a t e dw i t hp r i m a r ys u b - c a r r i e r s ，r e s u l t i n gi nw a s t i n go fp o w e r t os o l v e t h o s ep r o b l e m s ，a ns f ri m p r o v e m e n ts c h e m eb a s e do nt h ex 2i n t e r f a c ei sp r o p o s e di n t h i s t h e s i s o nt h ec o n d i t i o nt h a tt h ec e l l e d g eu s e r sa r es a t u r a t e da n dt h en e wa c c e s s e dc e l l e d g e u s e r sa r el e s st h a nt h ed e f i n e dt h r e s h o l d ，t h en e wa c c e s s e dc e l l - e d g eu s e rw i l lb ea l l o c a t e d w i t hs u i t a b l es e c o n ds u b c a r r i e r s ，a n dw h e nt h ec e l l - c e n t e ru s e r sa r es a t u r a t e da n dt h en e w a c c e s s e dc e l l c e n t e ru s e r sa r em o r et h a nt h ed e f i n e dt h r e s h o l d t h es y s t e mw i l lr e d u c et h e p o w e rr a t i or e s p e c t i v e l y t h ea d d e ds i g n a l i n gm e s s a g e i s d e s i g n e da n dt h e a s n 1 d e s c r i p t i o ni sg i v e n t h ep r o p o s e ds c h e m e c a ni m p r o v e c e l l e d g eu s e r s t h r o u g h p u t ， c o m p a r e dw i t hs f r s c h e m e f i n a l l y , as i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e di nm a t l a b ，o nw h i c h t h ep e r f o r m a n c eo ff f r a n ds f ri c i cs c h e m ei sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ef f rs c h e m e s h o w sab e t t e rp e r f o r m a n c ew h e nt h eu s e r sa r eu n i f o r m l yd i s t r i b u t e da n dt h es f rs c h e m e c a n p r o v i d eab e t t e rp e r f o r m a n c ew h e n t h eu s e r sa r ed i s t r i b u t e dn o n u n i f o r m l y b a s e do nt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 r e s u l t sa t t a i n e da b o v e ，t h ea u t h o rs u g g e s t st h a tf f ra n ds f rc o u l db eu s e di nu n i f o r m l y d i s t r i b u t e da n dn o n u n i f o r m l yd i s t r i b u t e ds c e n a r i o sr e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：i c i c ；s f ri m p r o v e m e n ts c h e m e ；si & x 2i n t e r f a c e ；p r o t o c o lc o n f o r m a n c e t e s t i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 本文研究背景与意义 传统以码分多址接a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 为核心技术的第三代 移动通信( 3 r d g e n e r a t i o n ，3 g ) 系统已经无法满足用户对无线通信的需求，而以正交频 分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术为核心的全球微波 互联接入( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，w i m a x ) 技术的高传输速率 和高频谱利用率引起了移动通信业的极大关注。为了应对w i m a x 的挑战，3 g p p ( t h e 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 在2 0 0 4 年底启动了移动通信领域的长期演进( l o n g t e m le v o l u t i o n ，l t e ) 项目【l 】。2 0 0 8 年底，r e l e a s e 8 协议全部冻结，标志着l t e 基本 框架的建立。为了保证l t e 技术的生命力，更好的满足用户对未来移动通信的需求， 3 g p p 随后开始了l t e a 演进，目前已经进行到r e l e a s e l 2 协议的演进工俐。 基本的传输技术和多址技术是蜂窝移动通信技术的基础。为了摆脱高通公司 c d m a 专利问题的纠缠，以及d s p 技术的飞速发展和l t e 的传输速率目标，l t e 系统 采用了o f d m 技术作为基本的传输方式。o f d m 的主要思想是1 3 j ：将系统带宽分成若 干个正交子子载波，将高速数掘信号进行串并变换成低速数据调制到子载波上进行传 输。每个子载波上信号带宽小于相干带宽，所以可将子载波看成平坦性衰落信道，从 而避免了符号间干扰。每个子载波只是原系统带宽的- d , 部分，所以信道均衡更容易 实现。但是o f d m 技术也可能导致过高的峰均比，这对功放的要求会很高，如果在上 行中使用o f d m 技术会使得手机终端的成本大增，并且减短电池寿命。所以3 g p p 最 终决定下行采用o f d m a 多址技术，上行采用单载波频分多址技术。 l t e 协议只对网络架构和网元功能做了定义，并没有对网元的具体实现开发做详 细规定，各设备厂商可以根据自身条件自主实现网元功能。为了保证不同厂商网元之 间的互操作性，3 g p p 对网元之间的接口进行标准化。如此，运营商就可以选购不同设 备商的不同网元设备，促进设备商之间的竞争和发展，避免了运营商购买某家的某个 网元设备而网络中其他网元设备也必须从这家设备商购买的强制销售情况。为了保证 不同厂商网元的互操作性，网元必须经过一致性测试才能正式商用。一致性测试主要 测试网元设备对规范的满足程度，测试包括正常和异常情况下的处理流程【2 】。所以一致 性测试是设备商的网元产品走向商用部署前的重要测试，各大厂商都非常重视。因为 一致性测试进程可以推进产品的商业应用，所以其对l t e 的成熟与商用也具有重大意 义。 l t e 接入网只由e n b 网元组成，e n b 和核心网之间的接口为s 1 接口，e n b 和e n b 之间的接口为x 2 接口。因此通过s 1 和x 2 接口一致性测试是e n b 走向商用的必由之 路，而网元产品通过协议一致性测试也推动了l t e 系统的商用化进程。所以协议一致 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 性测试对设备商的产品商用和l t e 商用部署都具有重要的意义。由于各设备商之间的 竞争关系，因此网元设备的一致性测试一直是设备商各自为战，极少相互沟通，形成 重复劳动和资源浪费。本文设计并实现了l t es 1 和接口信令交互仿真平台，不依 赖某个厂商的网元产品，包含了所有工信部颁布的测试用例集，只需要将e n b 与平台 对接就能实现对其的协议一致性测试，对不同厂商的e n b 设备具有一定的通用性。各 设备商不必完全重新开发协议一致性测试仪，只需要完成信令交互平台和自己产品的 对接就能完成协议一致性测试。因此l t es 1 和x 2 接口信令交互仿真平台的开发和实 现，对通信设备商的设备商用、l t e 商用部署都具有重大意义。 通过对l t es 1 和x 2 接口进行协议一致性测试，本文发现可以通过改进现有的信 令消息，实现e n b 之间的资源分配情况的交互，可以更有效的处理资源分配问题，提 高干扰协调效率。而在l t e 系统中，由于频率资源的限制，为了提高频率利用率其系 统频率复用因子为一，即每个小区都使用相同的频率资源，因而造成了严重的小区间 的干扰( i n t e r - c e l li n t e r f e r e n c e ，i c i ) 。由于小区边缘用户距离服务基站较远接收到的有 用信号比较差，而受到邻基站的干扰比较严重，因此小区边缘用户的小区间干扰问题 尤为严重。如果不采用措施减少小区间干扰将严重影响用户服务质量，给l t e 的实际 应用带来巨大困难，因此干扰协调问题是l t e 商用化过程中亟待解决的问题之一。 l t e 系统小区间干扰分为上行干扰和下行干扰两种。下行干扰如图1 一l a ) 所示， 小区1 的用户1 和小区2 的用户l 同时分配到了资源p r b l ，当基站给各自服务的用 户发送数据时，e n b l 和e n b 2 发送的信号互为干扰。小区的第一层干扰小区有六个干 扰源，第二层干扰小区有1 2 个，可见干扰相当严重。如果用户处于小区边缘区域是则 有用信号比较低，信干噪比更差，势必影响用户的q o s 。上行干扰如图1 1b ) 所示， 当两个使用同样资源的邻区用户离的很近的时候，会对对方造成严重的上行干扰。 a ) 下行小区间干扰b ) 上行小区间干扰 图1 1l t e 小区间干扰示意图 由以上分析可知：在小区的边缘，小区间干扰尤为严重，使得小区边缘用户的吞 吐率下降，小区边缘用户的峰值速率降低，降低了边缘用户的用户体验。因此i c i 是 推进l t e 实际应用过程中亟待解决的问题之一，解决i c i 问题是本文研究的出发点和 目的所在。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 国内外研究现状 2 0 1 0 年5 月，中兴通讯公司率先完成了l t es 1 l k 2 接口一致性的正式测试。2 0 1 1 年8 月，诺基亚西门子通信成功完成了工信部l t ex 2 s 1 接口一致性测试，成为首家 顺利通过正式测试的通信厂商。由于各通信设备商都是各自为战，涉及到各自的商业 机密，不会沟通和共享各自的接口一致性测试工具，所以很难接触到设备商的协议一 致性测试资料。公开文献上目前只有文献 2 和 3 中l t es 1 x 2 接1 2 一致性测试进行了 概要描述。 通过分析协议一致性测试现状，并且与设备商的设备测试工作人员的沟通，最后 本文使用t t c n 3 语言开发出l t es 1 和x 2 接口信令交互仿真平台。该平台不依赖于 任何设备商的网元设备，使用g t r 环境搭建，可以仿真信令交互情况，包含了工信部 颁布的所有测试用例。如果设备商需要测试e n b 设备的协议一致性，只需要将e n b 和 仿真平台对接，替换掉平台中的被测e n b 仿真器，运行测试用例集就能完成e n b 协议 一致性测试。 在上文中提到的l t e 系统在中存在严重的i c i 问题，l t e 标准的讨论中提出了一 些干扰抑制技术，大致可以分为干扰随机化、干扰消除、干扰协调掣引。 干扰随机化( i c ir a n d o m i z a t i o n ) 主要是通过不同小区信号采用不同的扰码或者采 用不同的交织模式工作。小区专属加扰是指在编码和交织之后再进行人为加扰从而本 小区用户就可以根据专属加扰分辨出接收到的信号是来自本小区还是其他小区，因此 可以只解码本小区信号；专属交织是指在信号编码和之后分别对不同的小区采用不同 的交织模式，每种交织模式对应不同的交织编号。小区用户可以通过检查交织的模式 编号判断信号来自何处，从而达到减少i c i 的目的【4 1 。但是本质上讲干扰随机化并没有 减少小区间干扰信号的功率，只是把干扰随机化成“白噪声，因此效果差强人意。 小区间干扰消除( i c ic a n c e l l a t i o n ) ，主要原理是将干扰小区发射的干扰信号先解调， 解码，然后将来自该小区的干扰信号编码、调制重构、再删除。如此则用户需知道干 扰小区的导频结构，且用户收到的干扰信号需足够强达此目的【4 】。因此，小区间干扰消 除的信令开销大、复杂度高，而且效果也不是特别理想。 小区间干扰协调( i c ic o o r d i n a t i o n ) ，主要是针对边缘用户信噪比较差而提出的干 扰消除方法。干扰协调经典方案都是将资源分成适用于不同用户的不同频率资源段， 尽量使相邻小区边缘用户资源正交，从而用户和干扰源距离尽可能远，从而达到了抑 制相邻小区的干扰，提高边缘用户的吞吐量的目的1 4 j 。 综上所述，消除小区间干扰的三种方案中以干扰协调方案最为可行有效，所以本 文以干扰协调为主要研究内容。干扰协调技术伴随着o f d m 技术的发展也取得了长足 的进展，下面就i c i c 的研究现状做一个简单的概要。 目前3 g p pl t e 中关于干扰协调技术的方案已经有很多，在g a r yb o u d r e a u 关于干 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 墨i _ i 一 i , i ii i i i 量鼍曼皇冒 扰技术的文章【5 1 中介绍了目前主流的i c i c 方案，以及方案原理描述和效果。比较新颖 的方案当属各种部分频率复用方案，其中具有代表性的是华为公司提出的软频率复用 方案1 6 】，西门子公司提出的部分频率复用方案【7 】和高通公司提出的频率复用方案【8 】。这 几个比较经典的干扰协调方案都是通过频率复用的方式达到干扰协调的目的。将用户 分成若干类，一般中心用户频率复用因子较低，边缘用户频率复用因子较大。总体来 说就是降低边缘用户频谱利用率换取用户高信噪比。 文献【9 】以部分频率复用方案为例，量化研究l t e 系统中干扰协调效果，计算出小 区边缘区域和中心区域的大小比例。文献 1 0 研究了o f d m a 多小区系统的下行i c i c 问题，引入了基于s f r 表示频谱效率和公平关系的效用函数。文献基于s f r 分配频谱 资源，公式化效用函数，然后分析研究- d , 区模型简化问题，最后得出合理模型。分 布式i c i c 策略是，在s f r 的基础上，几个小区规定一部分公用频谱资源为频谱池，各 小区根据自己的负载情况占有或者释放频谱池内资源，从而降低信令负载和复杂度， 提高小区边缘用户吞吐率。 文献 11 基于l t e a 系统，研究下行干扰协调问题，提出了将邻小区分成不同的组， 并且每一组标以不同的i d 。当目标小区发生严重的小区间干扰时，目标小区可以获得 干扰源信息，并以此确定干扰时由哪个小区引起的。从而可以大大提高干扰协调的针 对性，达到比较好干扰协调效果。文献 1 2 讨论了在大规模不规则小区网络中应用部分 频率复用的情况，目的是使部分频率复用摆脱传统部分频率复用策略对子载波数和功 率设置的控制。 文献f 1 5 1 研究了一种动态干扰协调策略，该策略通过l t e 系统的x 2 接口交互干 扰协调信息，达到干扰避免和干扰协调的目的。在文献 1 6 中，提出了一种合适的干扰 协调算法，作者将多小区问题分解成分布式优化问题和给小区边缘用户分配最少子信 道数并且保证他们的使用率最低问题，从而降低了干扰协调方案的复杂度。文献 1 7 】 提出了一种基于用户分组思想的半动态干扰协调方案。首先，基于用户的位置信息， 将用户分成不同的群组，然后给每一组用户划出可用的频谱资源，这些可用的频谱资 源有的是相互正交的，而有的不正交。根据邻用户组的负载状况和分配信息将每一组 用户的可用资源按使用优先级划分。最后，不同优先级的资源分配给用户的时候使用 不同的资源分配算法，从而达到最小化邻小区干扰、最大化频谱利用率的目的。 通过上述分析发现，相比于静态和半静态干扰协调方案，动态干扰协调可以取得 更好的效果，但是如果所有资源都动态分配的话会导致信令负载过重，影响系统的整 体性能。本文结合l t es 1 和x 2 接口信令分析和仿真平台的测试结果，提出一种在s f r 方案的基础上的改进方案。系统首先采用s f r 规划分配频率资源，当边缘用户或中心 用户饱和时再使用改进的信令消息交互资源分配情况，动态给再接入的用户分配合适 的资源，可以提升干扰协调效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 本文主要内容及结构安排 本文使用t t c n 3 语言实现了l t es 1 和x 2 接口信令交互仿真平台，并将e n b 实 体与仿真平台对接，对e n b 进行协议一致性测试。在分析接口信令过程和对e n b 进行 测试中，本文发现可以通过完善x 2 接口负荷指示信令，设计出s f ri c i c 改进方案， 可以解决现在s f ri c i c 方案在边缘用户饱和时新接入用户会导致功率比增加，中心用 户饱和时新接入中心用户会浪费功率资源等问题。最后对干扰协调方案的仿真研究， 给出了s f r 和f f r 适用的具体情况和网络资源规划建议。其中信令交互仿真平台是由 项目组同学一起完成，具体分工在第3 章有详细介绍。 第一章主要介绍了论文的研究背景、研究内容、研究意义和贡献。 第二章主要介绍了l t e 系统架构和l t e 接入网结构以及s 1 和x 2 接口的信令分 析研究，为后文的s 1 和x 2 接口信令交互仿真平台的实现和研究起到了铺垫和指引的 作用。 第三章在第二章信令分析的基础上给出了l t es 1 和x 2 接口信令交互仿真平台的 设计、实现和测试的过程。用x 2 接口一个信令过程的具体实现过程说明整个平台的实 现过程。并且在信令交互仿真平台的基础上设计了如何进行e n b 协议一致性测试，并 实际和e n b 对接测试了其协议一致性。 第四章主要介绍了目前l t e 系统中经典的干扰协调方案，结合干扰协调的思想和 第二章、第三章的信令分析和交互分析，提出了一种s f r 干扰协调的改进方案。该方 案主要针对边缘用户饱和或中心用户饱和时，对现有的s f r 方案的资源分配方式进行 改进，可以提高小区边缘用户的吞吐量和覆盖率，并对该方案进行仿真验证其在边缘 用户吞吐量性能和小区边缘区域覆盖率上的提高。最后设计了支持该方案的所需的信 令消息，以及信令消息的a s n 1 语言描述。 第五章主要是以全频率复用方案和3 小区频率复用方案为对比方案定量分析了 f f r 干扰协调方案和s f r 干扰协调方案。在用户均匀分布和非均匀分布时，仿真分析 分析了两种干扰协调方案的性能。建议在用户均匀分布时，使用f f r 方案可以获得更 好的干扰协调效果，但是当用户非均匀分布时，或者中心小区用户比较集中的时候建 议使用s f r 复用方案。 最后总结了全文，并且对未来工作的方向进行展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章l t e 架构及s 1 和x 2 接口协议分析 本文所有的分析和研究都基于l t e 系统，信令交互平台主要模拟s i & x 2 接口信 令交互。因此本章对l t e 系统架构做简要介绍，并重点分析l t e 系统接入网的s 1 接 口、x 2 接口的相关协议。 2 1l t e 总体架构 l t e 舍弃了以往蜂窝通信系统的电路交换传输模式，只支持分组数据交换业务， 为l i e ( u s e re q u i p m e n t ) 提供和分组数据网之间的无缝移动i p 连接。l t e 包含了无线 接入技术演进和系统架构演进( 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 ) 1 9 1 ，l t e 的接入 网即是e v o l v e du n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ( e u t r a n ) ，s a e 包含了演进 后的分组系统( e v o l v e dp a c k e tc o r e ，e p c ) 。l t e 和s a e 共同组成了演进分组系统【1 8 】 ( e p s ，e v o l v e dp a c k e ts y s t e m ) 。 e n b 小f x 问r r m r b 控制 连接移动性控制 无线准入控制 e n b 测量配置和规定 动态资源分配( 调度嚣) 二圈 i p d c p r l c m a c p h y e - u t r a n s 1 接口 m m e n a s 安全性 空闲模式处理 e p s 承载挖制 s g w 移动性锚链 圃 图2 - 1e u t p j u n t 和e p c 结构和功能示意图 l 即 e u t r a n 只含e n b 网元节点，而e p c 则有多个节点组成，每个节点之间都通过 标准化的接口相互连接。由图2 1 所示，e p c 主要负责用户终端的全面控制和有关承 载协议的建立等，而接入网则负责u e 与无线相关的功能，如动态资源分配、移动性 控制、网络性能的测量配置和小区间的r r m 等。下面对重点节点功能进行详细说明。 e n b ，负责用户接入的相关功能，主要包括：无线承载控制、无线准入控制、无 线接口的移动性管理、u e 上下行调度以及动态资源分配、发送给u e 的数据包加密和 i p 报头的压缩等功能【l9 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 p g w ( p u b l i cd a t an e t w o r kg a t e w a y ，公共数据网关) ，负责用户的i p 地址分配、用 户的q o s 保证以及基于流量的计费。p g w 负责把下行用户的口包根据用户不同的需 求分给不同的q o s 承载，并为保证比特率的承载提供q o s 承载。 s - g w ( s e r v i n gg a t e w a y ，服务网关) ，为用户发送i p 数据包，当用户在e n b 之间 移动时，其作为数据承载的本地移动性管理实体。当用户为空闲状态时，s - g w 会保存 用户的承载信息，以方便用户被呼叫时重新建立承载。 m m e ( m o b i l i t ym a n a g e m e n te n t i t y ) ，处理u e 和核心网信令交互的控制节点，u e 和核心网之间的协议成为非接入层协议( n o n a c c e s ss t r a t u m ，n a s ) 。m m e 主要功能为 与承载相关的功能和与连接相关的功能两类。其中与承载相关的功能是由n a s 协议中 的会话管理层执行，具体包括承载的创建、维护和释放：与连接相关的功能由n a s 协 议中的连接或移动管理层来执行，具体包括连接建立和u e 与网络之间的通信安全机 制。 2 2l t ee u t r a n 接口协议分析 l t e 的接入网是有e n b 组成的，如图2 2 所示，由于在接入网中没有中心控制节 点，因此称其为扁平架构。s 1 接口是连接e n b 和m m e s g w 之间的标准化接口，其 中e n 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，并且s 1 接口 支持它们之间的多对多连接【2 0 】。x 2 接口是e n b 之间的标准化接口，提供e n b 之间点 对点的连接f 2 l 】。u e 与e n b 之间通过u u 标准化接口接口进行连接和通信。 m m e ，s g wm m e s - g w ： u e 。 图2 - 2l t ee - u t r a n 框架结构【1 8 】 从图2 2 中可以看出，一个m m e s g w 可以管理多个e n b ；并且多个m m e s g w 也可能为一个e n b 提供服务。服务同一公共区域的m m e s g w 节点集合称之为 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 m m e s g w 池，而其服务的公共区域称之为“m m e s g w 池域”。池域中每一个e n b 控制的u e 相关数据可以在多个节点之间共享，从而方便把用户转移给同一个池中不 同的m m e s g w 管理，这样可以平衡池域中m m e 负载，而且这样也避免了某一个 m m e s g w 故障导致其管理的u e 不能正常工作情况的发生。一般情况下，u e 在一 个m m e s g w 内移动时，u e 的上下文只保留在一个m m e 中，可以减少切换时的信 息转移。 2 2 1s 1 接口协议简要分析 s 1 接口将l t e 统划分成为了无线接入网和核心网两部分，具体结构如图2 3 所示。 图2 - 3s 1 接口结构示意图【2 叫 s 1 接口协议结构是基于全i p 协议传输栈不依赖于在g s m 和u m t s 系统中所使用 的传统7 号信令网络配置，这样就简化了l t e 网络部署，节约了成本。 根据功能分离思想，s 1 接口分成了用户面接口和控制面接口。图2 3 中的s 1 u 即 用户面协议接口，主要连接e n b 和服务网关，主要传送用户数据和相应的用户面控制 帧；s 1 m m e 连接了e n b 和m m e ，为控制面协议接口，主要功能是无线接入承载控 制、接口专用的操作维护等。 本文主要研究是的s l m m e 信令应用协议即s 1 a p ( s la p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) ，是s 1 接口的上层信令消息，主要用于完成s 1 接口控制面的功能，属于s 1 控制面协议。 s 1 m m e 控制平面协议栈如图2 - 4 所利2 5 】，其基于人们所熟知的s c t p i p 协议栈。 在p 层之上采用了s c t p ( s t r e a mc o n t r o lt r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) 协议，其对t c p 的可 靠传输协议的延续可以保证上层s 1 a p 的可靠传输。s c t p 的多留处理可以很容易实现 网络冗余传输，避免“头拥塞”和“多重寻址”等| 2 2 l 。 图2 5 所示为s 1 用户平面协议栈结卡勾【2 5 】，此协议栈基于u m t s 中的g t p u d p 协 议栈。将g t p 作为用户面协议是因为其有可鉴别隧道的机制并支持3 g p p 内部的移动 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 性，采用u d p 主要是作为用户数据的传输协议。 无线传 传输网 6 t p - u u d p i p v 6 ( r f c2 4 6 0 ) 或和 i p v 4 ( r f c7 9 1 ) 数据链路层 物理层 图2 _ 4s 1 m m e 控制平面协议栈图2 5s 1 u 用户平面协议栈 s 1 a p 基本过程分为两类，有应答消息的过程称为类型一过程，无应答消息的为 类型二。 类型一过程主要包括：切换准备过程、切换资源分配过程、路径切换请求过程、 切换取消过程、e r a b 建立过程、e r a b 修改过程、e r a b 取消过程、初始化上下文 建立过程、重置过程、u e 上下文释放过程、u e 上下文修改过程、e n b 配置更新过程、 m m e 配置更新过程和写替换告警过程。 类型二过程主要包括：切换通知过程、e r a b 释放指示过程、寻呼过程、初始化 u e 过程、下行n a s 传输过程、上行n a s 传输过程、错误指示过程。u e 上下文释放 请求过程、s 1c d m a 2 0 0 0 隧道过程、u e 能力信息指示过程、e n b 状态转移过程、m m e 状态转移过程、本地报告过程、过载过程、e n b m m e 配置传输过程、上下行u e 相 关l p p a 传输过程和上下行非u e 相关l p p a 传输过程。 本文将s 1 接口除切换过程之外的主要的a p 信令过程进行串联，如图2 - 6 所示。 信令流程包括了从s 1 接口的建立，到用户附着等等，一直到最终的资源释放，包含了 出移动性管理之外的所有重要s 1 a p 过程。 s 1 a p 主要控制管理以下信令过程： e s l 接口管理功能。主要包括：复位功能，确保s l 接口良好的初始定义；错误指 示功能，当遇到的错误是未定义失败消息时，允许报告或处理发生的错误；过载功能， 指示s 1 接口控制平面负载状况；负载均衡功能，保证一个m m e 池域内的m m e 负载 均等；s 1 接口建立功能，初始化s 1 接口建立以及提供配置信息；c n b 与m m e 配置 更新功能，主要是为了保证e n b 与m m e 之间正确的交互通过s 1 接口更新需要的应用 层配置数据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 e n b 删e s 1s e t u pr e q u e s t 一 s 1s e t u pr e s p o n s e ) 5 ： l n i t l a lu em e s s a g e 、 d o w n l i n k n a st r a n s p o r t - u e i u p l i n kn a st r a n s p o r t 一 一 i n i t i a lc o n t e x ts e t u pr e ( i i u e s t u ec a p a b i l l t yl n f oi n d l c a t l o n 、移 i n l t l a lc o n t e x ts e t u pr e s p o n s e 上 ： u ec o n t e x tm o d i f i c a t i o nr e q i u e s t ) 雀 u ec o n t e x tm o d i f i c a t l o nr e s p o n s e 卜 e n bc o n f i g u r a t i o nu p d a t e e n bc o n f i g u r a t l o nu p d a t e a c k n o w l e d g e m m ec o n f i g u r a t l o nu p d a t e m m ec o n f l g u r a t i o nu p d a t e 卜 a c k n o w l e d g e r e s e t r e s e ta c k n o w l e d g e 】 r e s e t r e s e ta c k n o w l e d g e e - r a bs e t u pr e q u e s t ， e r a bs e t u pr e s p o n s e ) e e r a bm o d i f yr e q u e s t e e r a bm o d l f yr e s p o n s e e r a br e l e a s ec o m m a n d e r a br e l e a s er e s p o n s e u ec o n t e x tr e l e a s ec o m m a n d b u e u ec c i n t e x ti 疆l e a s ec o m p l e t e 幽2 - 6 除移动性管理之外的s1 a p 主要过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 e u e 附着。c n b 向m m e 发送s l 建立请求消息其中主要包括跟踪域标识，跟踪域 标识和m m e 寻呼u e 的标识必须相