4G5G移动通信中的网络技术综述论文.doc

通信网课程综述论文4G移动通信中的核心网技术与5G移动通信技术展望摘 要：本论文是东南大学信息科学与工程学院大四第一个长学期的研讨课通信网的期末专题研讨的综述论文。通过一个学期的研讨学习，我们认识了各种网络技术和协议，并对部分协议的细节做了细致的探究，通过抓包软件分析我们日常生活中所用的网络产生的协议数据包，加深了我们对于网络相关知识的理解。期末专题研讨，我所在的小组选择了“4G5G移动通信中的网络技术”的课题，通过前期调研，提出了“4G移动通信中的核心网技术与5G移动通信技术展望”的题目，希望通过文献检索和归纳了解移动通信网络的技术变迁、现行移动通信网络的总体结构尤其是核心网的构成，并对5G移动通信的标志性技术做一个展望。关键词：核心网 LTE EPS EPC 4G 5G报告时间：2015年1月10日 IT+CT=ICT政府+民间核心网分为电路域和分组域移动软交换HSDPAALL IPIMSHSPA+EPC(SAE)E-UTRAN(LTE)CNUEAN图1.0 大量资料检索后总结出的移动通信技术发展框图 14 / 14ITU: International Telecommunication Union国际电信联盟,联合国专门机构，管理无线电频谱和卫星轨道资源，制定全球电信标准。3GPP: 3rd Generation Partnership Project第三代合作伙伴计划，标准化机构，3GPP主要是制订以GSM核心网为基础，UTRA(FDD为W-CDMA技术，TDD为TD-CDMA技术)为无线接口的第三代技术规范。3GPP的组织伙伴包括欧洲的ETSI、日本的ARIB、日本的TTC、韩国的TTA美国的T1和中国通信标准化协会六个标准化组织。5GPPP: 5rd Generation Public-Private Partnership 欧盟为维持其在移动通信方面的领先优势（欧洲ETSI是3GPP的主导）率先在其Horizon 2020计划中成立了5G PPP（Public-Private Partnership） (5G政府民间合作计划)。5GPPP由政府出资管理项目吸引民间企业和组织参加，计划在2014-2020年期间投资7亿欧元，拉动5-10倍企业投资，其机制类似我国的重大科技专项。5G PPP计划发展800个成员，包括ICT的各个领域：无线/光通讯、物联网、IT(虚拟化、SDN、云计算、大数据)、软件、安全、终端和智能卡等。UMTS: Universal Mobile Telecommunications System通用移动通信系统，3GPP制定的全球3G标准之一，主体包括CDMA接入网络和分组化的核心网络等一系列技术规范和接口协议。3GPP的UMTS标准的4个版本：R99、R4、R5、R6。UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network UMTS 陆地无线接入网，由NODE B（3G移动基站）和RNC（无线网络控制器）构成。RNC: Radio Network Controller无线网络控制器，关键网元，接入网的组成部分，提供移动性管理，管理用于传输数据的无线接入载波。IMS: IP Multimedia SubsystemIP多媒体子系统，本质上说是一种网络结构。该项技术植根于移动领域，最初是3GPP为移动网络定义的，而在NGN的框架下，IMS应同时支持固定接入和移动接入。EPS: Evolved Packet System演进的分组域系统，EPS=SAE核心网(EPC)LTE接入网(E-UTRAN)+用户设备UE。LTE: Long Time Evolution项目名称，研究的是无线接入网络的长期演进，新的无线接入系统称为演进的UTRAN (E-UTRAN)。SAE: System Architecture Evolution项目名称，研究的是3GPP核心网络的长期演进，目的是定义一个新的全IP分组核心网，称为演进的分组核心网EPC（Evolved Packet Core）。2004年12月，3GPP在希腊雅典会议上启动了面向全IP的分组域核心网的演进项目SAE，其核心网也被称为演进的分组核心网EPC（Evolved Packet Core）。网元简单理解就是网络中的元素，网络中的设备。总之，网元是网络管理中可以监视和管理的最小单位。空中接口空中接口是相对于有线通信中的“线路接口”（如RS-232I2CSPIUSBEthernet）而言的。无线通信技术当中，“空中接口”是基站和移动电话之间的无线传输规范，它定义每个无线信道的使用频率、带宽、接入时机、编码方法以及越区切换。在不同制式的蜂窝移动通信网络中，空中接口的术语是不同的：在GSM/GPRS/EDGE网络，CDMA2000网络中，被称为Um接口；在TD-SCDMA和WCDMA网络中，被称为Uu接口。移动通信系统的组成4G移动通信系统由核心网(CN)、演进的UMTS 陆地无线接入网(E-UTRAN)、用户设备(UE)三大部分组成，CN主要完成用户认证、位置管理、呼叫连接控制、用户信息传送等功能。一、 移动通信技术的演进图1.1 移动通信技术发展路线图上世纪80年代问世的第一代模拟制式手机（1G）只能进行语音通话。1996到1997年出现的第二代GSM、CDMA等数字制式手机（2G）便增加了接收数据的功能，如接收电子邮件或网页，其核心网氛分为电路域和分组域，分别承载话音和数据业务。GPRS/EDGE所代表的2.5G使得数据传输速度增大，现在大多数手机包括我自己还在使用GPRS制式的手机数据业务。2008年，国际电信联盟正式公布第三代移动通信标准，3G服务能够以比2G更高的速率传送声音及数据信息。严格上讲，LTE只属于3.9G，引入了OFDM和MIMO等关键传输技术，分为两种制式，FDD-LTE和TD-LTE，即频分双工LTE系统和时分双工LTE系统，二者技术的主要区别在于空中接口的物理层上（像帧结构、时分设计、同步等）。LTE其实并未被3GPP认可为国际电信联盟所描述的下一代无线通讯标准IMT-Advanced，因此在严格意义上其还未达到4G的标准，只有升级版的LTE Advanced才满足国际电信联盟对4G的要求。3G3G标准的指导思想是网元可分别独立演进，网络要实现平滑过渡。其总体目标是最终实现全IP化的全球宽带移动通信网络。具体讲，就是无线接入网技术和核心交换网技术各有自己的演进路线。在接入技术方面，特别是空中接口，3GPP致力于不断提高频谱利用率，除WCDMA作为首选空中接口技术获得不断完善外，UMTS还相继引入了TD-SCDMA和HSDPA技术(High Speed Downlink Packet Access，高速下行链路数据分组接入)。在核心网技术方面，则引入了分组软交换技术，进而顺应IP多媒体应用的发展趋势引入了IP多媒体域，也就是IMS(IP Multimedia Service，IP多媒体服务)以实现全IP多业务移动网络的最终发展目标。4G4G作为第四代移动通信技术，有着无法比拟的优越性，它能够快速传输语音、文本、视频和图像信息，能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求，国际电信联盟对于4G系统的标准为符合100 Mbit/s数据传输速度的系统，当之无愧的被称为机器之间的高速对话。LTE（Long Term Evolution）主要研究3GPP无线接入网的长期演进技术，升级版的LTE Advanced将最终满足国际电信联盟对4G系统的要求。SAE（System Architecture Evolution）则是研究核心网的长期演进，它定义了一个全IP的分组核心网EPC（Evolved Packet Core）。5G5G正式的统一名称来自国际电信联盟，IMT-2020： International Mobile Telecommunication (IMT) for 2020 and Beyond面向2020年及未来的全球移动通信。全球范围内，移动通信行业正在广泛地开展有关5G技术与标准的研发活动，其共同特点是，首先展开的是对于用户需求、应用场景、技术发展趋势等的调研工作。二、 EPS系统及其核心网EPC1. EPC的结构及其主要网元功能图2.1 EPS系统EPC主要包含MME、SGW、PGW、PCRF等网元。其中SGW和PGW常常合设并被称为SAE-GW。MME：Mobility Management Entity，LTE接入下的控制面网元，负责移动性管理功能；处理NAS消息，UE移动性管理实体；对UE进行鉴权和NAS消息完整性保护；支持为UE建立一个或多个PDN连接；支持UE/网络发起的服务请求；支持UE在LTE系统内漫游；控制UE在2G/3G网络和LTE网络间进行重选、切换；维护处于EMM-REGISTERED状态的UE的跟踪区列表；为UE选择PGW、SGW和UE选择目标MME（S1切换中）；当UE切换到2G/3G网络时，为UE选择SGSN；管理EPS承载，专用承载和默认承载；MME Pool。SGW：Serving Gateway，SAE网络用户面接入服务网关，相当于传统Gn SGSN的用户面功能；服务网关是连接E-UTRAN的分组数据接口的终点；当UE在eNodeB间切换时，作为其“锚点”；支持为UE建立一个或多个PDN连接；支持UE/网络发起的服务请求；管理EPS承载，包括专用承载和默认承载；为ECM-IDLE状态的UE缓存下行分组，并发起服务请求过程；基于承载的计费。PGW：PDN Gateway，SAE网络的边界网关，提供承载控制、计费、地址分配和非3GPP接入等功能，相当于传统的GGSN；PDN网关是连接分组数据网络的分组数据接口的终点，也是连接外部分组数据网络的锚点；UE IP地址分配；管理EPS承载，包括专用承载和默认承载；上/下行SDF进行计费、数据流检测、门控、速率控制；基于APN-AMBR对下行非GBR数据进行速率控制；绑定SDF与承载；上下行传输层的分组标记；PCRF选择功能；事件报告；基于传输资源的接纳控制；策略增强功能（按照运营商定义的规则来进行资源分配）以及分组过滤(DPI)和增强计费功能（例如每个URL计费）；PS域安全功能:用户黑名单、防DoS攻击等。PCRF：Policy and Charging Rules Function，策略控制服务器，根据用户特点和业务需求提供数据业务资源管控，完成对用户数据报文的策略和计费控制。HSS: SAE网络用户数据管理单元，用于存储用户签约信息的数据库。主要功能包括：存储用户签约信息、用户鉴权、位置信息管理等；图2.2 EPC控制面接口及协议栈图2.3 EPC用户面接口及协议栈 本论文中不去深究上两图中的具体技术细节，而主要是用来说明我们在课堂上经常听到老师强调的一个理念：网络是分层的。2. EPS系统的特点EPC的特点为仅有分组域而无电路域、基于全IP结构、控制与承载分离且网络结构扁平化，可以支持3GPP和非3GPP（如Wi-Fi、WiMAX等）多种接入方式，是支持异构网络的融合架构。在此架构下，短信、语音等传统的电路域业务将借助VoLTE模式进行承载，也可以采用CSFB（Circuit Switched Fallback，电路域回落）的方案使用原有的电路域完成语音业务。综上所述，EPC网络是4G移动通信网络的核心网。它属于核心网范畴，具备用户签约数据存储，移动性管理和数据交换等移动网络的传统能力，并能够给用户提供超高速的上网体验。概括来说，EPC具备如下特点：1 核心网趋同化，交换功能路由化；2 业务平面与控制平面完全分离；3 网元数目最小化，协议层次最优化；4 网络扁平化，全IP化。三、 5G移动通信及其标志性技术1. 5G业务发展需求图3.1 HD/3D/VR Everywhere 图3.2 Denser Traffic图3.3 Information Clouds & IoT 图3.4 Super Lower Latency2. 5G技术需求更高性能Performance Enhancement：Denser & Higher Speed；Up to 10Gbps；Super Lower Latency；更高效率Efficient Radio Resource Utility：Up to 100bps/Hz and Green；更加智能灵活Network Intelligence：SON/SDN/SDR/NFV；3. 5G标志性技术Massive MIMO；多小区协同通信；C-RAN: Centralized, Cooperative and Cloud Radio Access Network集中化的、协作的、“云”化的无线接入网；UDN: Ultra Dense Network超密集网络；SON: Self-Organized Network自组织网络；SDN: Software Defined Network软件定义网络；NFV: Network Function Virtualization网络功能虚拟化；D2D: Device-to-Device设备到设备；1) SDN由于传统的网络设备（交换机、路由器）的固件是由设备制造商锁定和控制，所以SDN希望将网络控制与物理网络拓扑分离，从而摆脱硬件对网络架构的限制。这样企业便可以像升级、安装软件一样对网络架构进行修改，满足企业对整个网站架构进行调整、扩容或升级。而底层的交换机、路由器等硬件则无需替换，节省大量的成本的同时，网络架构迭代周期将大大缩短。举个不恰当的例子，SDN技术就相当于把每人家里路由器的的管理设置系统和路由器剥离开。以前我们每台路由器都有自己的管理系统，而有了SDN之后，一个管理系统可用在所有品牌的路由器上。如果说现在的网络系统是功能机，系统和硬件出厂时就被捆绑在一起，那么SDN就是Android系统，可以在很多智能手机上安装、升级，同时还能安装更多更强大的手机App（SDN应用层部署）。2) 多小区协同通信图3.5 密集组网下的LTE-B异构部署场景密集多小区场景时基于干扰协调的干扰消除方法；密集多小区场景时能量与频谱高效协作的波束成形方法；3) D2D图3.6 D2D通信模型3GPP中的SAE架构为基于蜂窝网的D2D通信提供了可能，所谓D2D通信，就是对于邻近的两个用户，无需通过基站实现相互通信，两者之间直接通信，如图所示。一个应用实例：在一个大型音乐会上，建有一个媒体服务器，供参观者下载大量的相关资源；若下载请求很多，会造成网络拥堵，这时，如果应用D2D通信，已经下载资源的用户可以直接分享给别的用户。D2D通信和wlan热点、蓝牙在功能上很相似，但一方面：D2D对应用透明，自动在蜂窝和D2D模式间切换，无需用户手动设置；另一方面，也是最重要的，D2D是利用了蜂窝网资源，用户的QoS（比如最小通信速率）是能得到很大保障的，当前已有大量文献对DU和CU之间的干扰控制进行了研究，若对两者的功率进行合理的控制，能大大提高蜂窝小区的信道容量。图3.7 LTE-A网络SIP（Settion Initiation Protocol)建立示意图图3.8 D2D链接建立示意图在SAE架构的LTE-A网络中，D2D链接的建立：UE需要下载资源，于是向AS（application server）发送请求，首先UE和基站通信，然后MME控制管理，在外部数据网关（PDN GW）和UE间建立了通道。图中的SIP都是打包在IP数据包里面的，由于网关会处理IP头，所以知道当前的用户被那个基站所服务，因此能够发现潜在的D2D链接（比如前后两个用户目的和源IP一样，且被同一个基站服务），这时网关会标记这一分组数据，然后交给基站去check是否这一链接能提供有效的D2D链接，若可以，则在UE1和UE2之间建立D2D链接，接下来两者直接通信。四、 结语图4.1 中国移动核心网网络架构为了实现技术、产品的平滑过渡，所有的新技术都要有前向兼容性，从2G网络逐渐过度到3G4G，电路域逐渐消失，分组域逐渐承担了所有话音和数据业务，基于全IP的网络结构逐渐显现。我们大学阶段选择信息工程专业学到了什么？通信原理中的调制解调、编码解码、同步，通信网概论中的部分网络协议。我们学习的知识还只是非常基础的理论，技术方面可能只涉及到物理层的一些皮毛，对不同的网络协议有一点点了解，这在业界是远远不够的。通信行业发展迅速，通信所涉及的技术层面非常广泛，想要成为这个行业的翘楚还有很长的路要走。移动通信往后发展不止涉及到电信业，还会扩展到IT业，就是所谓的ICT，这么多的领域需要很好的多方位的合作才能保证技术更迭的质量和效率，所以5G中有了政府的参与。这是一个学科交叉的时代，更是一个合作的时代！参考文献1吕红卫,冯征. EPC架构核心网组网方式分析J. 电信工程技术与标准化,2010,11:12-16.2李远东. 全球5G研发现状EB/OL. /list/list.asp?id=8494, 2014-11-173华为高通. 经典EPC核心网培训教材EB/OL. /link?url=TT7fyptLVJ7bfU7uu6e5gJHIIs672fNaTWrDQkaehwfk3B-qnVEdORdZb_iuJDojBvmOsLPn_N-Xb_EtOfdmHaA744w1liX4TrF80McqGgq.4大唐移动. L