3GPP LTE/SAE网络体系结构和标准化进展

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1、引言

　　随着宽带无线接入概念的出现，WiFi和WiMAX等无线接入方案迅猛发展。相比之下WCDMA/HSDPA/HSUPA虽然在支持移动性和QoS方面有较大优势，但空中接口和网络结构过于复杂，无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后。另一方面OFDM技术为核心的新一代技术逐渐成熟，接入速率提升到了100 Mbit/s的范畴，相形之下2 Mbit/s的WCDMA R99传输速率、14.4 Mbit/s R5 HSDPA的峰值速率已经无法满足需求。为此，3GPP在2004年底经过认真的讨论决定采用过去为B3G或4G发展的技术来使用3G频段，以便于占有宽带无线接入市场，并制定了长期演化计划LTE（Long Term Evolution）。

　　除了对无线接入网演进的研究，3GPP还要进行系统架构方面的演进工作，并将其定义为SAE（System Architecture Evolution）。因此整个计划按照结构划分也可以分为两个部分：无线侧（即我们一般所指的LTE）和网络侧（系统架构演进SAE）。无线侧工作目标主要包括以下几个方面：频谱利用率，用户吞吐量，时延上的性能提高；无线网络简化；对基于分组业务MBMS，IMS的有效支持。网络侧工作目标主要包括以下几个方面：时延，容量，吞吐量的性能；核心网简化；基于IP业务和服务的优化；对非3GPP接入技术的支持和切换的简化。

　　3GPP为此规划了清晰的技术发展路线，还根据工作进程制定了明确的时间表。3GPP组织的工作，基本可以分为两个阶段：2005年3月到2006年6月为SI（Study Item）阶段，主要完成目标需求的定义，明确LTE的概念，完成可行性研究报告；2006年6月到2007年6月为WI（Work Item）阶段，完成核心技术的规范工作，同时LTE相配合的SAE项目SI也开始进行。在2007年中期完成相关标准制定（3GPP R7），在2008年或2009年推出商用产品。目前，对LTE的物理层技术已有了较多文献（鉴于于文件较多，参考文献中未全部列出）的介绍，因此下面主要介绍的是关于LTE项目部分的网络结构和与之相关的接口高层协议，以及关于SAE部分。

2、3GPP LTE核心技术及标准化进展

　　2.1　LTE目前的标准化进展

　　第一阶段（SI阶段）延长到2006年9月份才结束，截止到9月已完成包括物理层接入方案、信道结构的研究、RAN-CN功能调整和优化、无线接口协议的体系结构、信令的流程与终端移动性、演进的MIMO机制、宏分集与射频部分、状态与状态转移问题等方面的研究，形成3GPP LTE的可行性研究报告。

　　第二阶段（WI阶段）从2006年9月开始，预计到2007年6月，完成核心的技术规范撰写工作。在2007年年中完成相关标准制定工作后，预计在2008年或2009年将成熟的商用产品推向市场。

　　2.2　接入网体系结构

　　3GPP LTE在接入网体系结构方面，设计的主要目标是满足低时延、低复杂度、低成本的要求，从而提供更高的用户容量、系统吞吐量和端到端的服务质量保证。考虑到最终将要实现所有业务通过分组域传输，如何保证各种分组业务、特别是实时性要求较高的分组业务的服务质量，原有的网络结构显然已无法满足要求，需要进行调整与演进。

　　2.2.1　R6版本的网络结构

　　在R6版本中。基站为终端进行空中接口L1层处理（如信道编解码、速率匹配，扩频等），同时负责网络流量的控制与管理和无线资源管理（如功率控制）。无线网络控制器（RNC）则负责对拥有和控制他辖域内的无线资源，包括管理所属小区的负荷控制和拥塞控制，这些小区中待建的新的无线连接进行接纳控制和码字分配，执行系统信息广播与系统接入控制功能，以及切换等移动性管理，宏分集合并等无线资源管理和控制功能。SGSN（GPRS服务支持节点）负责管理分组交换数据流量的控制和管理。SGSN通过Iu_PS接口与UTRAN相连，通过Gn/Gp接口与GGSN相连，主要提供PS域的路由转发、移动性管理、会话管理、鉴权和加密功能。GGSN（GPRS网关支持节点）负责与核心网的连接，是PS域的功能结点，通过Gn/Gp接口与SGSN相连，通过Gi接口与外部网络相连，提供数据包在移动网和外部数据网络之间的路由和封装。主要功能能是同外部IP分组网络的功能接口，GGSN需要提供UE接入网外部分组网络的关口功能，从外部网的观点来看，GGSN就好像是可寻址移动网络中所有用户的IP的路由器，需要同外部网络交换路由信息，也可以说GGSN是移动网与外部网之间的网关。

　　2.2.2　LTE（R7版本）中的网络结构

　　2006年3月的会议上，3GPP确定接入网结构主要由演进型eNodeB（eNodeB）和接入网关（AGW）构成。eNodeB由R6阶段的NodeB、RNC、SGSN、GGSN四个主要网元演进而来，eNodeB之间通过X2接口采用网格（mesh）方式互连，同时还建议当eNodeB需要同其它eNodeB通信时这个接口总是存在的，例如对支持对处于LTE_ACTIVE状态下手机的切换。同时E-Node B与AGW之间的接口称为S1接口。eNodeB通过S1接口与EPC（Evolved Packet Core）连接。S1接口支持多对多的AGWs和eNodeB连接关系。

　　这种结构类似于典型的IP宽带网络结构，采用两层扁平网络架构，支持IMS、VoIP、SIP、Mobile IP等各种先进技术。通过与R6版本的直观比较可以看出LTE网络结构极大降低了系统复杂性，系统内部相应的交互操作随之减少，系统时延可以明显降低。

　　2.3　空中接口协议结构

　　E-UTRAN与UTRAN相比，去掉了RNC，而只是由若干个eNodeB组成。eNodeB提供E-UTRA的用户平面（RLC/MAC/PHY）和用户平面（RRC）协议。RNC功能被分散到了演进的Node B（E-Node B）和接入网关（AGW）中。而AGW因为包含了原SGSN功能，还是归属为SAE的边界节点，只不过与E-UTRA相关的部分用户面和控制面的功能在LTE中定义。
　　E-UTRAN结构中，eNodeB是在NodeB原有功能基础上，增加了RNC的物理层、MAC层、RRC、调度、接入控制、承载控制、移动性管理和相邻小区无线资源管理等功能，提供相当于原来的RLC/MAC/PHY以及RRC层的功能。具体包括：UE附着时的AGW选择，调度和传输寻呼信息，调度和传输BCCH信息，上下行资源动态分配，RB控制、无线资源准入控制，LTE_ACTIVE时的移动性管理。

　　AGW承担的功能则包括：发起寻呼，LTE_IDLE态UE信息管理，移动性管理，用户面加密处理，PDCP（分组数据的包头压缩），SAE承载控制，NAS信令的加密和完整性保护。

　　E-UTRAN的协议栈结构从整体上主要进行了以下简化：

　　（1）使用共享信道用于承载用户的控制信令和业，取代了R6中的专用信道，减少传输信道个数，使多个用户共享空中接口的资源；

　　（2）减少MAC层实体个数；

　　（3）使用MBMS代替BMC层广播媒体控制层以及CTCH公共业务信道；

　　（4）删除下行宏分集；

　　（5）使用时隙统筹（Scheduling gap）方案替代UTRAN的压缩模式。

　　（6）简化无线资源控制（RRC）状态，删除了CELL_FACH态，将UTMS中的RRC状态和PMM状态合并为一个状态集；

　　下面我们按照各平面组成，对各功能体的作用进行详细介绍。

　　2.3.1　用户平面

　　用户平面用于执行无线接入承载业务，主要负责用户发送和接收得所有信息的处理。由MAC，RLC，PDCP 3个子层构成。LTE采用AGW和eNodeB直联的方式以实现用户面的快速接入。这种接入方式下，各功能体的功能也有了变化。其中MAC层主要用于，逻辑信道和传输信道的映射，复用和解复用；数据量测量；HARQ功能；UE内的优先级调度和UE间的优先级调度；TF（传输格式）选择；　RLC PDU（协议数据单元）的按序提交。RLC层功能主要是支持AM（确认模式）、UM（非确认模式）、TM（透明模式）数据传输；ARQ；数据切分（重切分）和重组（级联）；SDU的按序投递；数据的重复检测；协议错误检测和恢复；AGW和eNodeB间的流量控制；SDU（业务数据单元）丢弃。PDCP（分组数据的包头压缩层）位于UPE，主要任务是头压缩，只支持ROHC算法；用户面数据加密；下层RLC按序投递时，PDCP分组数据的包头压缩的重排缓冲（主要用于跨eNodeB切换）。

　　2.3.2　控制平面

　　控制平面负责用户无线资源的管理，无线连接的建立，业务的QoS保证和最终的资源释放，主要有上层的RRC层和非接入子层（NAS）实现。这种结构简化了控制平面从睡眠状态到激活状态的过程，使得迁移时间相应减少。其中NAS功能是SAE承载管理；鉴权；AGW和UE间信令加密控制；用户面信令加密控制；移动性管理；LTE_IDLE时的寻呼发起。NAS层主要包括3个协议状态：

　　（1）LTE_DETACHED：网络和UE侧都没有RRC实体，此时UE通常处于关机、去附着等状态。

　　（2）LTE_IDLE：对应RRC的IDLE状态，UE和网络侧存储的信息包括：给UE分配的IP地址，安全相关的参数（密钥等），UE的能力信息，无线承载。此时UE的状态转移由基站或AGW决定。

　　（3）LTE_ACTIVE：对应RRC连接状态，状态转移由基站或AGW决定。

　　至于RRC层则主要用于系统消息广播和寻呼建立、管理、释放RRC连接；RRC信令的加密和完整性保护；RB管理；广播/多播服务支持；NAS直传信令传递。控制面RRC功能移入E-Node B中并且只包含RRC_IDLE和RRC_DETACHED两种状态：

　　（1）RRC_IDLE状态下，eNodeB不存储UE上下文，对应LTE_IDLE；

　　（2）RRC_CONNECTED状态下，eNodeB有UE上下文，网络侧知道UE的Cell级位置，可进行信令传输，对应LTE_ACTIVE。

3、3GPP SAE标准化进展及现状

　　除了对无线接入网演进的研究，3GPP目前也开始进行系统架构方面的演进工作，并将其定义为SAE。SAE的工作目标与LTE一致：一是性能提高：减少时延，提供更高的用户数据速率，提高系统容量和覆盖率，减少运营成本；二是可以实现一个基于IP网络的现有或者新的接入技术的移动性的灵活配置和实施；三是优化IP传输网络，实现预定增长从根本上说，就是在未来10年或者更长一段时间确保3GPP系统的竞争力。

　　3GPP对SAE这一阶段的工作也制定了详细的计划表。预计到2007年底/2008年初完成大部分的规范，2009年开始部署计划。

　　3.1　简化的SAE架构

　　目前，一些发起并参与LTE/SAE标准制定和技术研究工作的3GPP成员，已超过30多家，正在积极研究和开发符合3G LTE/SAE技术标准的系统和设备，目标是在保证技术和系统性能领先的同时，最大程度地利用并兼容现有的系统平台，保持系统的平滑演进，以提供最优的无线通信解决方案，并且在2006年9月3GPP给出了Packet Core简化的SAE架构，鉴于整个架构接口还在定义中，我们这里只对几个关键实体进行介绍。

　　MME（Mobility Management Entity）功能体主要处理移动性管理，包括：存储UE控制面上下文，包括UEID、状态、跟踪区（treaking area，TA）等；移动性管理；鉴权和密钥管理；信令的加密、完整性保护；管理和分配用户临时ID。

　　UPE（User Plane Entity）功能体负责用户面处理，包括：数据的路由和转发；用户面加密终结点；头压缩；存储UE用户面上下文，包括基本IP承载信息、路由信息等；eNodeB间切换（3GPP AS间切换）用户面支持；LTE_IDLE时下行数据触发/发起寻呼。

　　IASA（Inter-Access System Anchor）功能体处理系统间用户面支持：处理不同接入系统间的用户面切换；数据的路由和转发；计费数据收集；到PDN的网关功能；部分功能可能和UPE合作。

　　3.2　下一步要讨论和研究的重点

　　目前在以下几个方面正在展开讨论和研究实现工作：

　　一是MME-UPE合并还是独立，尽管目前的草案中还是将其分开，但是也已经有建议，将其进一步合并来简化系统；

　　二是演进系统移动性的实现。如何在现有和新的频段上使用新的演进接入系统所带来的影响，同时演进后的不同系统间移动性问题的解决，例如手机开机后的搜索和连接过程；漫游中接口的确认，对于不同的接入系统的无缝覆盖问题。这些都需要增加对非3GPP接入系统的支持。

　　三是策略控制和计费（Policy Control and Charging）：由于承载网采用了分组技术，特别是IP技术，使服务质量方面的问题尤其突出。基本目标是QoS控制机制的实现，暂时不考虑具体接入技术和承载技术。在最新的3GPP R7草案中，把R6版中的策略控制功能（PDF）和基于流的计费功能（FBC）合并，在业务控制层和接入/承载层之间增加资源接纳控制相关的功能实体称为——PCC（Policy Control and Charging，策略控制和计费），完成资源接纳控制功能，实现对接入/承载相关节点的功能和资源进行一定程度上的控制。这样做主要针对移动接入网的特性，主要提供的功能有：基于用户的定制信息实现策略控制、基于业务数据流的计费控制。目前PCC支持Pull方式，借助于Diffserv技术实现业务。同时接口的融合不仅提高通信效率，降低业务建立时延，还可以保证控制的一致性。

4、结束语

　　3GPP LTE/SAE项目作为3GPP目前的最大的新技术研发项目，在移动通信领域带来了新一轮的技术发展机遇，给我国企业参与国际标准的制定提供了机会。针对TD-SCDMA系统国内单位利用近年来国内企业在相关方面的技术积累，已经在3GPP LTE中就物理层、协议功能设计、网络架构和系统需求等提出了市场需求以及相应的系统设计，并积极展开工作，尤其是在时隙长度上，正是在中国公司的坚持下才使得3GPP在这个问题上达成一致，避免了TD-SCDMA系统和LTETDD系统在演进中的冲突。

　　LTE/SAE项目的进展总体上说比较顺利。虽然前期项目的进度有了一定程度的延后，影响项目的总进度，但是整个系统已经确定了大部分基本技术框架。因此可以确信随着项目的进展以及若干系统设计基础问题的解决，具体技术细节的设计的不断完善，LTE/SAE系统将逐步明确。2007年中该演进系统第一版本规范的发布应该可以实现。同时从目前各方面来看，2010年前后，我们将有可能看到一个商用的LTE/SAE系统。