第3章_LTE系统架构

第3章LTE系统架构3.1通信协议的概念3.2分层设计的概念3.3LTE系统架构3.4EPC与E-UTRAN功能划分3.5系统协议框架与E-UTRAN通用协议模型3.6UMTS核心网结构和演进3.1通信协议的概念3.1.1协议的概念协议的基本特点：（1）协议中的每个实体都必须了解协议，并且预先知道所要完成的所有步骤。（2）协议中的每个实体都必须同意并遵循它。（3）协议必须是清楚的，每一步必须明确定义，并且不会引起误解。协议通常由语义、语法和定时关系3部分组成。这3部分称为协议的三个要素：（1）语义（Semantics）：涉及用于协调与差错处理的控制信息。（2）语法（Syntax）：涉及数据及控制信息的格式、编码及信号电平等。（3）定时（Timing）：涉及速度匹配和排序等。3.1.2通信协议的概念通信网是由许多具有信息交换和处理能力的节点互连而成的。要使整个网络有条不紊地工作，就要求每个节点必须遵守一些事先约定好的有关数据格式及时序等的规则。这些为实现网络数据交换而建立的规则、约定或标准就称为通信协议。通信协议的特点是具有层次性、可靠性和有效性。3.2分层设计的概念3.2.1为什么要分层设计为了能够使不同地理分布且功能相对独立的用户之间实现资源共享和信息沟通，移动通信系统需要涉及和解决许多复杂的问题，包括信号传输、差错控制、寻址、数据交换和提供用户接口等一系列问题。体系结构是为简化这些问题的研究、设计与实现而抽象出来的一种结构模型。3.2.2移动通信网的分层模型（1）根据功能进行抽象分层，每个层次所要实现的功能或服务均有明确的规定。（2）每层功能的选择应有利于标准化。（3）不同的系统分成相同的层次，对等层次具有相同功能。（4）高层使用下层提供的服务时，下层服务的实现是不可见的。（5）层的数目要适当。层次太少则功能不明确，层次太多则体系结构过于庞大。3.2.2移动通信网的分层模型把网络通信分成两部分功能：面向处理功能和面向传送功能。面向处理功能部分更接近于各类应用和软件，种类繁多，层出不穷。面向传送功能部分更接近各类传送功能和硬件，类型较少，如图3-1所示。3.2.2移动通信网的分层模型图3-2给出了移动通信网络分层模型的示意图，该模型将移动通信网络中的每个节点抽象为若干层，每层实现一种相对独立的功能。在这个分层模型中的一些重要的术语如下：（1）实体与对等实体。（2）协议。（3）服务与接口。（4）服务访问点（SAP）与原语。3.2.2移动通信网的分层模型服务访问点及调用过程示意如图3-3所示。3.2.2移动通信网的分层模型原语是指上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换的一些命令，它是只有相邻两层才能够识别和理解的语言。原语分为四类，分别是：请求（Request）、指示（Indication）、响应（Response）、确认（Confirm）。原语的工作原理如图3-4所示。3.2.2移动通信网的分层模型为了能更好地理解上面所介绍的实体、协议、服务、接口等概念，如图3-5所示的邮政系统为例来说明这个问题。3.2.2移动通信网的分层模型按照与邮政系统类似的逻辑，从2G到3G再到B3G和4G，移动通信系统都采用了这样的分层模型，如图3-6所示为UMTS系统的网络协议分层模型。3.3LTE系统架构3.3.13GPP定义LTE系统架构的基本原则（1）信令与数据传输在逻辑上是独立的。（2）E-UTRAN与演进后的分组交换核心网在功能上是分开的。（3）RRC连接的移动性管理完全由E-UTRAN进行控制。（4）E-UTRAN接口上的功能，应定义得尽量简化，选项应尽可能少。（5）多个逻辑节点可以在同一个物理网元上实现。3.3.2影响LTE系统架构形成的决定性因素1．控制平面中间节点存在中间控制节点最大的缺陷在于，相比扁平架构，中间控制节点增加了控制面路径上网元的数量，不利于满足LTE系统控制面时延需求，因此将LTE的接入网系统最终定义为如图3-7所示的扁平架构。3.3.2影响LTE系统架构形成的决定性因素2．上行宏分集如果在定义系统架构时考虑上行宏分集这一特性，将存在如下一些不利的因素。（1）不可避免地需要定义协议功能来支持UE的行为，如RRC层需要对激活集进行管理，并且信令的长度会随着激活集大小的增加而增加。（2）无线资源管理的复杂度提高。（3）上行宏分集潜在地将会引入新的网络单元，随之接口数量也会增加。（4）上行宏分集将在基站与上行宏分集功能节点之间引入并行的业务量传输，激活集内的基站由于在用户面接收重复的数据还会带来硬件的处理负担。（5）由于选择性合并的需要，宏分集节点还需要对上行数据进行必要的缓存。同时也将会在上行方向引入用户面的时延。（6）不利于满足LTE的降低成本与复杂度的需求。3.3.2影响LTE系统架构形成的决定性因素3．无线资源管理的实现方式无线资源管理的实现方式也对系统架构产生影响。集中方式的无线资源管理需要集中控制节点，用以进行切换的决策、小区间的负载共享、无线资源管理数据库的更新等。分布式的实现方式下，无线资源管理功能分布在eNB实现，不需要集中控制节点。3.3.3LTE系统架构LTE系统架构与3GPP已有系统类似，仍然分为两部分，如图3-7所示，包括演进后的核心网EPC（即图中的MME/S-GW）和演进后的接入网E-UTRAN。演进后的系统仅存在分组交换域。3.4EPC与E-UTRAN功能划分针对LTE的系统架构，LTE网络功能划分如图3-8所示。3.4.1eNodeB功能eNodeB功能包括下列几个方面：（1）无线资源管理相关的功能，如无线承载控制、接纳控制、连接移动性管理、上/下行动态资源分配/调度等。（2）IP头压缩与用户数据流的加密。（3）UE附着时的MME选择。（4）提供到SAE网关的用户面数据的路由。（5）寻呼消息的调度与传输。（6）系统广播信息的调度与传输。（7）测量与测量报告的配置。3.4.2MME/S-GW功能MME具有如下功能：（1）寻呼消息分发。MME负责将寻呼消息按照一定的原则分发到相关的eNB。（2）安全控制。（3）空闲状态的移动性管理。（4）SAE承载控制。（5）非接入层信令的加密与完整性保护。服务网关S-GW具有如下功能：（1）终止由于寻呼原因产生的用户平面数据包。（2）支持由于UE移动性产生的用户平面切换。3.5系统协议框架与E-UTRAN通用协议模型3.5.1系统协议框架如图3-7和图3-8所示，E-UTRAN系统是由eNodeB组成的，提供了用户平面和控制平面的协议，用户平面包括分组数据汇聚协议（PacketDataConvergenceProtocol，PDCP）层、无线链路控制（RadioLinkControl，RLC）层、媒体接入控制（MediumAccessControl，MAC）层；控制平面包括无线资源控制（RadioResourceControl，RRC）层。eNodeB之间通过X2接口相连。3.5.2E-UTRAN通用协议模型E-UTRAN接口的通用协议模型如图3-9所示，适用于E-UTRAN相关的所有接口，即S1和X2接口。E-UTRAN接口的通用协议模型继承了UMTS系统中UTRAN接口的定义原则，即控制平面与用户平面相分离，无线网络层与传输网络层相分离。3.6UMTS核心网结构和演进3.6.1SAE网络架构SAE架构中，原有PS域的SGSN和GGSN功能归并后重新进行了划分，成为两个新的逻辑网元：移动管理实体（MME）和服务网关（ServingGateway），实现PS域的承载和控制相分离。新增的PDNGW网元实现各种类型的无线接入，如图3-10所示。3.6.1SAE网络架构从核心网侧看，可分为3GPP接入和非3GPP接入。作为IMS网络架构的接入层，SAE负责使用数据业务的各种接入，如WiMAX接入、WLAN接入和使用E-UTRAN接入等，如图3-11所示。3.6.2主要网元1．移动管理实体（MME，MobilityManagementEntity）MME主要负责非接入层（NAS）的信令的疏导、加密和完整性保护，终结用户信令。2．服务网关（ServingGW）ServingGW主要负责用户面数据的传输、转发和路由，终结来自无线接入网的用户数据包。3．分组数据网络网关（PDNGW，PacketDateNetworkGateway）PDNGW主要负责非3GPP接入部分，包括用户数据报的过滤、对数据报进行QoS级别分类、对数据报进行门控和速率控制等、根据计费策略进行计费，同时作为非3GPP接入用户的锚点处理切换流程。4．策略和计费规则功能（PCRF，PolicyandChargingRulesFunction）PCRF主要负责对用户的业务请求进行QoS授权、门控规则和计费规则的下发，它是PCC架构中的一个逻辑实体，在实际组网中可以单独为一个物理实体。3.6.3主要网元的部署要求1．SGSN和GGSN由于MME和ServingGW本身已经是把SGSN和GGSN功能归并进行重新划分后产生的逻辑实体，用于实现承载和控制相分离。2．PDF和CRFSAE融合架构的策略控制和计费规划采用策略和计费控制架构（PCC），策略控制和计费规则功能（PCRF）整合了原先的策略控制功能（PDF）和计费规则功能（CRF）。3．ePDG当非3GPP接入作为非信任方式接入3GPP网络时（如另一个运营商的WiMAX网络），需要增加一个新的网元ePDG（enhancedPDG），它在原有3GPPPDG的功能上，还提供其他的扩展功能。