LTE Femto网络结构特性分析

LTEFemto网络结构特性分析随着无线移动数据业务不断发展,TE商用实在必然°LTE主要关注2.3GHz、2.6GHz相对较高的频段，这种高频段下使用室外站进行室内穿透覆盖的范围将大大降低；以及用户对吞吐量需求不断提高，覆盖扇区小型化趋势不可逆转。根据Femto论坛2011年5月的调查，60%回应调查的运营商都是考虑在LTE的部署当中使用小蜂窝。LTEFemto正是这样一种微微基站，它具有体积小、布网灵活、功耗小、解决室内覆盖的同时增加容量、成本明显低于宏基站、自组织等特点，是LTE时代灵活快速布网非常重要的一个解决方案。LTEFemto在3GPP中缩写为HeNB(HomeENodeB)，支持LTEeNB(eNodeB)的绝大部分功能，建立在成熟的LTE技术制式之上，支持TDD(TimeDivisionDuplexing，时分双工)/FDD(FrequencyDivisionDuplexing,频分双工)两种双工方式，提供室内高容量解决方案，相对于2G/3GFemto能够提供极大丰富的业务。LTEFemto网络结构新变化LTEFemto相比于3GFemto网络，HeNBGW(HomeENodeBGateway)是可选设备。当不部署HeNBGW时，HeNB直接通过S1接口连接MME(MobilityManagementEntity/S-GW(ServingGateway)。当部署HeNBGW时，HeNB先通过SI接口连接到HeNBGW，HeNBGW仍然通过S1接口连接到MME/S-GW；对HeNB而言，HeNBGW即是MME/S-GW；对MME/S-GW而言，HeNBGW即是HeNB。S1接口的定义和功能完全相同：包括eNB和MME/S-GW之间、HeNB和MME/S-GW之间、HeNB和HeNBGW之间、HeNBGW和MME/S-GW之间。相邻HeNB之间支持X2接口；当HeNB支持LIPA(LocalIPAccess，本地IP接入)功能时，支持和MME/S-GW之间的S5接口。LTEFemto网络结构特点根据是否配置HeNBGW以及HeNBGW功能的不同，3GPPTR23.830标准定义了3种HeNB网络结构分别适用于不同的应用场景，运营商可根据已有的基础设施、Femto部署进程、部署范围和数量等进行选择。配置HeNBGW；■:-!；LiiL^i|；■:-!；LiiL^i|ha■-TE—uHSSCl^Q^W-3~*・w-ii*—"iHfeNSS-GW此结构中专门设置了HeNBGW,如图所示。HeNBGW提供SI接口控制面和用尸面数据的聚合分发、HeNB/UE的注册和接入控制功能。HeNB和HeNBGW之间的安全性由SeGW(SecurityGateway)保证，SeGW既可是一个单独的物理实体，也可与HeNBGW合并。优点ControlTransmissionProtocol,流控制传输协议，兼有TCP和UDP的特点)连接，HeNBGW和每个HeNB之间都会建立一条SCTP连接。这样带来的好处是：新增HeNB时不会影响到MME，MME上的SCTP心跳消息数不会增加，因此不会增加MME负荷。用户频繁开关HeNB产生的SCTP连接建立和释放消息，由HeNBGW处理，不会发送到MME,避免增加MME的CPU负载°S-GW上的GTPCGPRSTunnellingProtocol)/UDP/IP连接测量需求少，S-GW需要处理的UDP/IP通道和GTP回显消息少，新增HeNB时不会影响到S-GW。HeNB不需要支持Sl-Flex接口(允许一个eNB连接到多个MME/S-GWP00L，实现负载均衡、冗灾等)，且会减少S1连接，可以简化HeNB实现。HeNB不知道MME和S-GWIP地址，EPC(EvolvedPacketCore)的IP地址空间更加安全。HeNBGW可以实现寻呼优化。HeNBGW可实现DoS(DenialofService)服务来保护EPC，实现QoS，检测过滤业务攻击；HeNBGW可实现切换优化，HeNB之间切换时，MME和S-GW用户面的消息交换减少(EPC不需要知道HeNB接入小区的变化)；HeNBGW可实现故障处理优化，避免MME处理大量的HeNB故障消息，如HeNB电源故障。部分业务如SIPTO(SelectedIPTrafficOffload，IP数据分流，指用户的业务流数据不经过运营商的核心网络，直接从HeNB分流)可终止在HeNBGW，本地S-GW和P-GW(PDNGateway)中支持SIPTO的功能可直接在HeNBGW实现。缺点HeNB—次只能连接到一个HeNBGW,减少了冗余备份和负载分担的能力。HeNBGW需要转发HeNB到MME、ME到HeNB的GTP-U/T-PDU数据,GW的负荷会随着U-Plane的业务量成比例增加。应用场景这种结构和3GHNB的结构相似，控制面和用户面都在GW聚合分发。如果HNBGW和HeNBGW在相同的硬件上实现，则可重用已有的3GHNBGW设备，充分利用现有资源，快速、低成本地部署LTEHeNB，适合已经部署3GHNB且希望能够融合LTEHeNB网络的场景。如果运营商在某一较集中的范围内部署大规模的HeNB，大量HeNB产生的大量SCTP消息和UDP/IP通道会对MME/S-GW性能负荷提出更高的要求，部署一个独立的HeNBGW来处理这些大量的消息和通道，将会减少HeNB数量的增加对MME/S-GW的影响。未配置HeNBGW|_工丄_S-G'A此结构中没有未配置HeNBGW|_工丄_S-G'A此结构中没有HeNBGW实体，如图所示。HeNB直接连接到MME或S-GW，没有GW的聚合转发功能。HeNB可以支持Sl-Flex接口，连接到多个MME/S-GW。优点系统故障点少，且不会出现GW单点故障。如果一个HeNB故障，不会影响到其他HeNB；而第1种结构中，如果GW故障，则会影响到该GW下所有的HeNB。扁平化网络结构和eNB结构类似，包括支持Sl-Flex。HeNB直接通过S1接口和MME/S-GW相连，不需要GW处理，减少系统级处理，降低时延。前向兼容性好，HeNB支持新特性需要升级时，不用考虑是否需要升级HeNBGW支持S1接口°HeNBGW支持SIPTO的功能部分可集中部署到SIPTO网关上。缺点不提供SCTP/GTP-U（用户层面的GPRS隧道协议）的集中连接，在新增大量HeNB时，SCTP心跳消息（每个SCTP连接）可能会导致MME超负荷运行。用户频繁开关HeNB时，产生的SCTP连接建立和释放消息，会增加MMECPU负荷。新增大量HeNB时，UDP/IP数据、GTP-echo消息可能会导致S-GW超负荷。MME/S-GW超负荷时，需要另外部署MME/S-GW处理。如果新部署MME/S-GW,则由于要支持HeNB和eNB的切换，需要考虑新部署MME/S-GW和原MME/S-GW之间的互联关系。HeNB的数量由MME和S-GW的处理能力决定。HeNB支持Sl-Flex功能，将会导致HeNB更加复杂。应用场景这种结构适合小规模数量HeNB或HeNB位置分散的网络，不会导致MME/S-GW超负荷。在LTEFemto发展初期，HeNB数量少，无法利用已有3GHeNBGW时；以及HeNB用于热点覆盖、补盲应用，HeNB的位置比较分散时，可以选择此结构，将HeNB直接连接到MME/S-GW，与eNB使用共同的核心网设备，而不需要新部署HeNBGW。HeNBGW用于控制平面匚凶拠也LT：lluCSGHeNBGW用于控制平面匚凶拠也LT：lluCSG卜IgMESGWHeNB此结构中HeNBGW只用于控制平面，如图所示。HeNBGW只对S1-MME进行聚合转发。HeNB的用户面接口S1-U直连到S-GW，和eNB的S1-U一样。S1-MME接口方面的优点和第1种网络结构优点相同:新增HeNB时不会影响到MME,MME上的SCTP心跳消息数不会增加，不会增加MME负荷。用户频繁开关HeNB产生的SCTP连接建立和释放消息，由HeNBGW处理，不会发送到MME，因此不会增加MME的CPU负载。HeNB不需要支持S1-Flex接口，且会减少S1C-Plane连接，可以简化HeNB实现。HeNBGW可实现寻呼优化、故障处理优化，避免MME处理大量的HeNB故障消息，如HeNB电源故障。HeNBGW可实现切换优化，同一GW下的HeNB之间切换可由GW处理，减少MME/S-GW消息处理过程。HeNBGW可以做进一步的优化，如HeNBGW可以作为X2接口的控制器，减少HeNB的接口数量（X2接口本来由eNB实现）。S1-U接口有更少的故障点、更小的单点故障可能性。U-Plane具有更低的时延和系统级处理。缺点不提供GTP-U的集中连接，新增大量HeNB时，UDP/IP数据、GTP-echo消息会导致S-GW超负荷。当S-GW超负荷时，需要另外部署S-GW处理。在C-Plane，HeNB一次只能连接到一个HeNBGW,减少了冗余备份和负载分担的能力。应用场景这种结构中HeNBGW只实现S1-MME接口，不支持S1-U接口，比第1种结构中GW的实现简单；由于GW提供S1-MME的集中连接，当HeNB数量增加时，可以在S-GW优化U-Plane连接处理，保证S-GW不超负荷，因此能支持的HeNB数量比第2种结构多，但比第1种结构少。当网络中已部署3GHNBGW设备，HeNB数量中等（介于前两种结构支持的HeNB数量之间），可以