GG移動通信中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述論文

1、通信網(wǎng)課程綜述論文4G移動通信中的核心網(wǎng)技術(shù)與5G移動通信技術(shù)展望摘 要：本論文是東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院大四第一個(gè)長學(xué)期的研討課通信網(wǎng)的期末專題研討的綜述論文。通過一個(gè)學(xué)期的研討學(xué)習(xí)，我們認(rèn)識了各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和協(xié)議，并對部分協(xié)議的細(xì)節(jié)做了細(xì)致的探究，通過抓包軟件分析我們?nèi)粘Ｉ钪兴玫木W(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的協(xié)議數(shù)據(jù)包，加深了我們對于網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識的理解。期末專題研討，我所在的小組選擇了“4G5G移動通信中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”的課題，通過前期調(diào)研，提出了“4G移動通信中的核心網(wǎng)技術(shù)與5G移動通信技術(shù)展望”的題目，希望通過文獻(xiàn)檢索和歸納了解移動通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)變遷、現(xiàn)行移動通信網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)尤其是核心網(wǎng)的構(gòu)成，并對5G

2、移動通信的標(biāo)志性技術(shù)做一個(gè)展望。關(guān)鍵詞：核心網(wǎng) LTE EPS EPC 4G 5G報(bào)告時(shí)間：2015年1月10日IT+CT=ICT政府+民間核心網(wǎng)分為電路域和分組域移動軟交換HSDPAALL IPIMSHSPA+EPC(SAE)E-UTRAN(LTE)CNUEAN圖1.0 大量資料檢索后總結(jié)出的移動通信技術(shù)發(fā)展框圖ITU: International Telecommunication Union國際電信聯(lián)盟,聯(lián)合國專門機(jī)構(gòu)，管理無線電頻譜和衛(wèi)星軌道資源，制定全球電信標(biāo)準(zhǔn)。3GPP: 3rd Generation Partnership Project第三代合作伙伴計(jì)劃，標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，3GPP主

3、要是制訂以GSM核心網(wǎng)為基礎(chǔ)，UTRA(FDD為W-CDMA技術(shù)，TDD為TD-CDMA技術(shù))為無線接口的第三代技術(shù)規(guī)范。3GPP的組織伙伴包括歐洲的ETSI、日本的ARIB、日本的TTC、韓國的TTA美國的T1和中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織。5GPPP: 5rd Generation Public-Private Partnership 歐盟為維持其在移動通信方面的領(lǐng)先優(yōu)勢（歐洲ETSI是3GPP的主導(dǎo)）率先在其Horizon 2020計(jì)劃中成立了5G PPP（Public-Private Partnership） (5G政府民間合作計(jì)劃)。5GPPP由政府出資管理項(xiàng)目吸引民間企業(yè)和組織

4、參加，計(jì)劃在2014-2020年期間投資7億歐元，拉動5-10倍企業(yè)投資，其機(jī)制類似我國的重大科技專項(xiàng)。5G PPP計(jì)劃發(fā)展800個(gè)成員，包括ICT的各個(gè)領(lǐng)域：無線/光通訊、物聯(lián)網(wǎng)、IT(虛擬化、SDN、云計(jì)算、大數(shù)據(jù))、軟件、安全、終端和智能卡等。UMTS: Universal Mobile Telecommunications System通用移動通信系統(tǒng)，3GPP制定的全球3G標(biāo)準(zhǔn)之一，主體包括CDMA接入網(wǎng)絡(luò)和分組化的核心網(wǎng)絡(luò)等一系列技術(shù)規(guī)范和接口協(xié)議。3GPP的UMTS標(biāo)準(zhǔn)的4個(gè)版本：R99、R4、R5、R6。UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access

5、Network UMTS 陸地?zé)o線接入網(wǎng)，由NODE B（3G移動基站）和RNC（無線網(wǎng)絡(luò)控制器）構(gòu)成。RNC: Radio Network Controller無線網(wǎng)絡(luò)控制器，關(guān)鍵網(wǎng)元，接入網(wǎng)的組成部分，提供移動性管理，管理用于傳輸數(shù)據(jù)的無線接入載波。IMS: IP Multimedia SubsystemIP多媒體子系統(tǒng)，本質(zhì)上說是一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)技術(shù)植根于移動領(lǐng)域，最初是3GPP為移動網(wǎng)絡(luò)定義的，而在NGN的框架下，IMS應(yīng)同時(shí)支持固定接入和移動接入。EPS: Evolved Packet System演進(jìn)的分組域系統(tǒng)，EPS=SAE核心網(wǎng)(EPC)LTE接入網(wǎng)(E-UTRAN)+用戶

6、設(shè)備UE。LTE: Long Time Evolution項(xiàng)目名稱，研究的是無線接入網(wǎng)絡(luò)的長期演進(jìn)，新的無線接入系統(tǒng)稱為演進(jìn)的UTRAN (E-UTRAN)。SAE: System Architecture Evolution項(xiàng)目名稱，研究的是3GPP核心網(wǎng)絡(luò)的長期演進(jìn)，目的是定義一個(gè)新的全I(xiàn)P分組核心網(wǎng)，稱為演進(jìn)的分組核心網(wǎng)EPC（Evolved Packet Core）。2004年12月，3GPP在希臘雅典會議上啟動了面向全I(xiàn)P的分組域核心網(wǎng)的演進(jìn)項(xiàng)目SAE，其核心網(wǎng)也被稱為演進(jìn)的分組核心網(wǎng)EPC（Evolved Packet Core）。網(wǎng)元簡單理解就是網(wǎng)絡(luò)中的元素，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備。總之，

7、網(wǎng)元是網(wǎng)絡(luò)管理中可以監(jiān)視和管理的最小單位。空中接口空中接口是相對于有線通信中的“線路接口”（如RS-232I2CSPIUSBEthernet）而言的。無線通信技術(shù)當(dāng)中，“空中接口”是基站和移動電話之間的無線傳輸規(guī)范，它定義每個(gè)無線信道的使用頻率、帶寬、接入時(shí)機(jī)、編碼方法以及越區(qū)切換。在不同制式的蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)中，空中接口的術(shù)語是不同的：在GSM/GPRS/EDGE網(wǎng)絡(luò)，CDMA2000網(wǎng)絡(luò)中，被稱為Um接口；在TD-SCDMA和WCDMA網(wǎng)絡(luò)中，被稱為Uu接口。移動通信系統(tǒng)的組成4G移動通信系統(tǒng)由核心網(wǎng)(CN)、演進(jìn)的UMTS 陸地?zé)o線接入網(wǎng)(E-UTRAN)、用戶設(shè)備(UE)三大部分組成，

8、CN主要完成用戶認(rèn)證、位置管理、呼叫連接控制、用戶信息傳送等功能。一、 移動通信技術(shù)的演進(jìn)圖1.1 移動通信技術(shù)發(fā)展路線圖上世紀(jì)80年代問世的第一代模擬制式手機(jī)（1G）只能進(jìn)行語音通話。1996到1997年出現(xiàn)的第二代GSM、CDMA等數(shù)字制式手機(jī)（2G）便增加了接收數(shù)據(jù)的功能，如接收電子郵件或網(wǎng)頁，其核心網(wǎng)氛分為電路域和分組域，分別承載話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS/EDGE所代表的2.5G使得數(shù)據(jù)傳輸速度增大，現(xiàn)在大多數(shù)手機(jī)包括我自己還在使用GPRS制式的手機(jī)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。2008年，國際電信聯(lián)盟正式公布第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)，3G服務(wù)能夠以比2G更高的速率傳送聲音及數(shù)據(jù)信息。嚴(yán)格上講，LTE只屬于3.

9、9G，引入了OFDM和MIMO等關(guān)鍵傳輸技術(shù)，分為兩種制式，F(xiàn)DD-LTE和TD-LTE，即頻分雙工LTE系統(tǒng)和時(shí)分雙工LTE系統(tǒng)，二者技術(shù)的主要區(qū)別在于空中接口的物理層上（像幀結(jié)構(gòu)、時(shí)分設(shè)計(jì)、同步等）。LTE其實(shí)并未被3GPP認(rèn)可為國際電信聯(lián)盟所描述的下一代無線通訊標(biāo)準(zhǔn)IMT-Advanced，因此在嚴(yán)格意義上其還未達(dá)到4G的標(biāo)準(zhǔn)，只有升級版的LTE Advanced才滿足國際電信聯(lián)盟對4G的要求。3G3G標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)思想是網(wǎng)元可分別獨(dú)立演進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)要實(shí)現(xiàn)平滑過渡。其總體目標(biāo)是最終實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P化的全球?qū)拵б苿油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)。具體講，就是無線接入網(wǎng)技術(shù)和核心交換網(wǎng)技術(shù)各有自己的演進(jìn)路線。在接入技術(shù)方面，特

10、別是空中接口，3GPP致力于不斷提高頻譜利用率，除WCDMA作為首選空中接口技術(shù)獲得不斷完善外，UMTS還相繼引入了TD-SCDMA和HSDPA技術(shù)(High Speed Downlink Packet Access，高速下行鏈路數(shù)據(jù)分組接入)。在核心網(wǎng)技術(shù)方面，則引入了分組軟交換技術(shù)，進(jìn)而順應(yīng)IP多媒體應(yīng)用的發(fā)展趨勢引入了IP多媒體域，也就是IMS(IP Multimedia Service，IP多媒體服務(wù))以實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P多業(yè)務(wù)移動網(wǎng)絡(luò)的最終發(fā)展目標(biāo)。4G4G作為第四代移動通信技術(shù)，有著無法比擬的優(yōu)越性，它能夠快速傳輸語音、文本、視頻和圖像信息，能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務(wù)的要求，國際電信

11、聯(lián)盟對于4G系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)為符合100 Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸速度的系統(tǒng)，當(dāng)之無愧的被稱為機(jī)器之間的高速對話。LTE（Long Term Evolution）主要研究3GPP無線接入網(wǎng)的長期演進(jìn)技術(shù)，升級版的LTE Advanced將最終滿足國際電信聯(lián)盟對4G系統(tǒng)的要求。SAE（System Architecture Evolution）則是研究核心網(wǎng)的長期演進(jìn)，它定義了一個(gè)全I(xiàn)P的分組核心網(wǎng)EPC（Evolved Packet Core）。5G5G正式的統(tǒng)一名稱來自國際電信聯(lián)盟，IMT-2020： International Mobile Telecommunication (IMT) for 2

12、020 and Beyond面向2020年及未來的全球移動通信。全球范圍內(nèi)，移動通信行業(yè)正在廣泛地開展有關(guān)5G技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)活動，其共同特點(diǎn)是，首先展開的是對于用戶需求、應(yīng)用場景、技術(shù)發(fā)展趨勢等的調(diào)研工作。二、 EPS系統(tǒng)及其核心網(wǎng)EPC1. EPC的結(jié)構(gòu)及其主要網(wǎng)元功能圖2.1 EPS系統(tǒng)EPC主要包含MME、SGW、PGW、PCRF等網(wǎng)元。其中SGW和PGW常常合設(shè)并被稱為SAE-GW。MME：Mobility Management Entity，LTE接入下的控制面網(wǎng)元，負(fù)責(zé)移動性管理功能；處理NAS消息，UE移動性管理實(shí)體；對UE進(jìn)行鑒權(quán)和NAS消息完整性保護(hù)；支持為UE建立一個(gè)或多

13、個(gè)PDN連接；支持UE/網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的服務(wù)請求；支持UE在LTE系統(tǒng)內(nèi)漫游；控制UE在2G/3G網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行重選、切換；維護(hù)處于EMM-REGISTERED狀態(tài)的UE的跟蹤區(qū)列表；為UE選擇PGW、SGW和UE選擇目標(biāo)MME（S1切換中）；當(dāng)UE切換到2G/3G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，為UE選擇SGSN；管理EPS承載，專用承載和默認(rèn)承載；MME Pool。SGW：Serving Gateway，SAE網(wǎng)絡(luò)用戶面接入服務(wù)網(wǎng)關(guān)，相當(dāng)于傳統(tǒng)Gn SGSN的用戶面功能；服務(wù)網(wǎng)關(guān)是連接E-UTRAN的分組數(shù)據(jù)接口的終點(diǎn)；當(dāng)UE在eNodeB間切換時(shí)，作為其“錨點(diǎn)”；支持為UE建立一個(gè)或多個(gè)PDN連接；支持UE/

14、網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的服務(wù)請求；管理EPS承載，包括專用承載和默認(rèn)承載；為ECM-IDLE狀態(tài)的UE緩存下行分組，并發(fā)起服務(wù)請求過程；基于承載的計(jì)費(fèi)。PGW：PDN Gateway，SAE網(wǎng)絡(luò)的邊界網(wǎng)關(guān)，提供承載控制、計(jì)費(fèi)、地址分配和非3GPP接入等功能，相當(dāng)于傳統(tǒng)的GGSN；PDN網(wǎng)關(guān)是連接分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的分組數(shù)據(jù)接口的終點(diǎn)，也是連接外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的錨點(diǎn)；UE IP地址分配；管理EPS承載，包括專用承載和默認(rèn)承載；上/下行SDF進(jìn)行計(jì)費(fèi)、數(shù)據(jù)流檢測、門控、速率控制；基于APN-AMBR對下行非GBR數(shù)據(jù)進(jìn)行速率控制；綁定SDF與承載；上下行傳輸層的分組標(biāo)記；PCRF選擇功能；事件報(bào)告；基于傳輸資源的接納

15、控制；策略增強(qiáng)功能（按照運(yùn)營商定義的規(guī)則來進(jìn)行資源分配）以及分組過濾(DPI)和增強(qiáng)計(jì)費(fèi)功能（例如每個(gè)URL計(jì)費(fèi)）；PS域安全功能:用戶黑名單、防DoS攻擊等。PCRF：Policy and Charging Rules Function，策略控制服務(wù)器，根據(jù)用戶特點(diǎn)和業(yè)務(wù)需求提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)資源管控，完成對用戶數(shù)據(jù)報(bào)文的策略和計(jì)費(fèi)控制。HSS: SAE網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)據(jù)管理單元，用于存儲用戶簽約信息的數(shù)據(jù)庫。主要功能包括：存儲用戶簽約信息、用戶鑒權(quán)、位置信息管理等；圖2.2 EPC控制面接口及協(xié)議棧圖2.3 EPC用戶面接口及協(xié)議棧 本論文中不去深究上兩圖中的具體技術(shù)細(xì)節(jié)，而主要是用來說明我們在課堂上

16、經(jīng)常聽到老師強(qiáng)調(diào)的一個(gè)理念：網(wǎng)絡(luò)是分層的。2. EPS系統(tǒng)的特點(diǎn)EPC的特點(diǎn)為僅有分組域而無電路域、基于全I(xiàn)P結(jié)構(gòu)、控制與承載分離且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化，可以支持3GPP和非3GPP（如Wi-Fi、WiMAX等）多種接入方式，是支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合架構(gòu)。在此架構(gòu)下，短信、語音等傳統(tǒng)的電路域業(yè)務(wù)將借助VoLTE模式進(jìn)行承載，也可以采用CSFB（Circuit Switched Fallback，電路域回落）的方案使用原有的電路域完成語音業(yè)務(wù)。綜上所述，EPC網(wǎng)絡(luò)是4G移動通信網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)。它屬于核心網(wǎng)范疇，具備用戶簽約數(shù)據(jù)存儲，移動性管理和數(shù)據(jù)交換等移動網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)能力，并能夠給用戶提供超高速的上網(wǎng)體驗(yàn)。

17、概括來說，EPC具備如下特點(diǎn)：1 核心網(wǎng)趨同化，交換功能路由化；2 業(yè)務(wù)平面與控制平面完全分離；3 網(wǎng)元數(shù)目最小化，協(xié)議層次最優(yōu)化；4 網(wǎng)絡(luò)扁平化，全I(xiàn)P化。三、 5G移動通信及其標(biāo)志性技術(shù)1. 5G業(yè)務(wù)發(fā)展需求圖3.1 HD/3D/VR Everywhere 圖3.2 Denser Traffic圖3.3 Information Clouds & IoT 圖3.4 Super Lower Latency2. 5G技術(shù)需求更高性能Performance Enhancement：Denser & Higher Speed；Up to 10Gbps；Super Lower Late

18、ncy；更高效率Efficient Radio Resource Utility：Up to 100bps/Hz and Green；更加智能靈活Network Intelligence：SON/SDN/SDR/NFV；3. 5G標(biāo)志性技術(shù)Massive MIMO；多小區(qū)協(xié)同通信；C-RAN: Centralized, Cooperative and Cloud Radio Access Network集中化的、協(xié)作的、“云”化的無線接入網(wǎng)；UDN: Ultra Dense Network超密集網(wǎng)絡(luò)；SON: Self-Organized Network自組織網(wǎng)絡(luò)；SDN: Software

19、Defined Network軟件定義網(wǎng)絡(luò)；NFV: Network Function Virtualization網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化；D2D: Device-to-Device設(shè)備到設(shè)備；1) SDN由于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換機(jī)、路由器）的固件是由設(shè)備制造商鎖定和控制，所以SDN希望將網(wǎng)絡(luò)控制與物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞蛛x，從而擺脫硬件對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的限制。這樣企業(yè)便可以像升級、安裝軟件一樣對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行修改，滿足企業(yè)對整個(gè)網(wǎng)站架構(gòu)進(jìn)行調(diào)整、擴(kuò)容或升級。而底層的交換機(jī)、路由器等硬件則無需替換，節(jié)省大量的成本的同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)迭代周期將大大縮短。舉個(gè)不恰當(dāng)?shù)睦?，SDN技術(shù)就相當(dāng)于把每人家里路由器的的管理設(shè)置系統(tǒng)和路

20、由器剝離開。以前我們每臺路由器都有自己的管理系統(tǒng)，而有了SDN之后，一個(gè)管理系統(tǒng)可用在所有品牌的路由器上。如果說現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是功能機(jī)，系統(tǒng)和硬件出廠時(shí)就被捆綁在一起，那么SDN就是Android系統(tǒng)，可以在很多智能手機(jī)上安裝、升級，同時(shí)還能安裝更多更強(qiáng)大的手機(jī)App（SDN應(yīng)用層部署）。2) 多小區(qū)協(xié)同通信圖3.5 密集組網(wǎng)下的LTE-B異構(gòu)部署場景密集多小區(qū)場景時(shí)基于干擾協(xié)調(diào)的干擾消除方法；密集多小區(qū)場景時(shí)能量與頻譜高效協(xié)作的波束成形方法；3) D2D圖3.6 D2D通信模型3GPP中的SAE架構(gòu)為基于蜂窩網(wǎng)的D2D通信提供了可能，所謂D2D通信，就是對于鄰近的兩個(gè)用戶，無需通過基站實(shí)現(xiàn)相

21、互通信，兩者之間直接通信，如圖所示。一個(gè)應(yīng)用實(shí)例：在一個(gè)大型音樂會上，建有一個(gè)媒體服務(wù)器，供參觀者下載大量的相關(guān)資源；若下載請求很多，會造成網(wǎng)絡(luò)擁堵，這時(shí)，如果應(yīng)用D2D通信，已經(jīng)下載資源的用戶可以直接分享給別的用戶。D2D通信和wlan熱點(diǎn)、藍(lán)牙在功能上很相似，但一方面：D2D對應(yīng)用透明，自動在蜂窩和D2D模式間切換，無需用戶手動設(shè)置；另一方面，也是最重要的，D2D是利用了蜂窩網(wǎng)資源，用戶的QoS（比如最小通信速率）是能得到很大保障的，當(dāng)前已有大量文獻(xiàn)對DU和CU之間的干擾控制進(jìn)行了研究，若對兩者的功率進(jìn)行合理的控制，能大大提高蜂窩小區(qū)的信道容量。圖3.7 LTE-A網(wǎng)絡(luò)SIP（Settion Initiation Protocol)建立示意圖圖3.8 D2D鏈接建立示意圖在SAE架構(gòu)的LTE-A網(wǎng)絡(luò)中，D2D鏈接的建立：UE需要下載資源，于是向AS（application server）發(fā)送請求，首先UE和基站通信，然后MME控制管理，在外部數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)（PDN GW）和UE間建立了通道。圖中的SIP都是打包在IP數(shù)據(jù)包里面的，由于網(wǎng)關(guān)會處理IP頭，所以知道當(dāng)前的用戶被那個(gè)基站所服務(wù)，因此能夠發(fā)現(xiàn)潛在的D2D鏈接（比如前