第3章_LTE系統(tǒng)架構(gòu)

1、第3章 LTELTE系統(tǒng)架構(gòu)3.1 通信協(xié)議的概念通信協(xié)議的概念3.2 分層設(shè)計的概念分層設(shè)計的概念3.3 LTE系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)3.4 EPC與與E-UTRAN功能劃功能劃分分3.5 系統(tǒng)協(xié)議框架與系統(tǒng)協(xié)議框架與E-UTRAN通用協(xié)議模型通用協(xié)議模型3.6 UMTS核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)和演進核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)和演進3.1 3.1 通信協(xié)議的概念通信協(xié)議的概念3.1.1 協(xié)議的概念協(xié)議的概念協(xié)議的基本特點： （1）協(xié)議中的每個實體都必須了解協(xié)議，并且預(yù)先知道所要完成的所有步驟。 （2）協(xié)議中的每個實體都必須同意并遵循它。 （3）協(xié)議必須是清楚的，每一步必須明確定義，并且不會引起誤解。 協(xié)議通常由語義、語法和定時

2、關(guān)系3部分組成。這3部分稱為協(xié)議的三個要素：（1）語義（Semantics）：涉及用于協(xié)調(diào)與差錯處理的控制信息。（2）語法（Syntax）：涉及數(shù)據(jù)及控制信息的格式、編碼及信號電平等。（3）定時（Timing）：涉及速度匹配和排序等。3.1.2 3.1.2 通信協(xié)議的概念通信協(xié)議的概念通信網(wǎng)是由許多具有信息交換和處理能力的節(jié)點互連而成的。要使整個網(wǎng)絡(luò)有條不紊地工作，就要求每個節(jié)點必須遵守一些事先約定好的有關(guān)數(shù)據(jù)格式及時序等的規(guī)則。這些為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、約定或標(biāo)準(zhǔn)就稱為通信協(xié)議。通信協(xié)議的特點是具有層次性、可靠性和有效性。3.2 分層設(shè)計的概念3.2.1 為什么要分層設(shè)計為什么要分

3、層設(shè)計為了能夠使不同地理分布且功能相對獨立的用戶之間實現(xiàn)資源共享和信息溝通，移動通信系統(tǒng)需要涉及和解決許多復(fù)雜的問題，包括信號傳輸、差錯控制、尋址、數(shù)據(jù)交換和提供用戶接口等一系列問題。體系結(jié)構(gòu)是為簡化這些問題的研究、設(shè)計與實現(xiàn)而抽象出來的一種結(jié)構(gòu)模型。3.2.2 3.2.2 移動通信網(wǎng)的分層模型移動通信網(wǎng)的分層模型（1）根據(jù)功能進行抽象分層，每個層次所要實現(xiàn)的功能或服務(wù)均有明確的規(guī)定。（2）每層功能的選擇應(yīng)有利于標(biāo)準(zhǔn)化。（3）不同的系統(tǒng)分成相同的層次，對等層次具有相同功能。（4）高層使用下層提供的服務(wù)時，下層服務(wù)的實現(xiàn)是不可見的。（5）層的數(shù)目要適當(dāng)。層次太少則功能不明確，層次太多則體系結(jié)構(gòu)過

4、于龐大。3.2.2 3.2.2 移動通信網(wǎng)的分層模型移動通信網(wǎng)的分層模型把網(wǎng)絡(luò)通信分成兩部分功能：面向處理功能和面向傳送功能。面向處理功能部分更接近于各類應(yīng)用和軟件，種類繁多，層出不窮。面向傳送功能部分更接近各類傳送功能和硬件，類型較少，如圖3-1所示。3.2.2 3.2.2 移動通信網(wǎng)的分層模型移動通信網(wǎng)的分層模型圖3-2給出了移動通信網(wǎng)絡(luò)分層模型的示意圖，該模型將移動通信網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點抽象為若干層，每層實現(xiàn)一種相對獨立的功能。在這個分層模型中的一些重要的術(shù)語如下：（1）實體與對等實體。（2）協(xié)議。（3）服務(wù)與接口。（4）服務(wù)訪問點（SAP）與原語。3.2.2 3.2.2 移動通信網(wǎng)的分層

5、模型移動通信網(wǎng)的分層模型服務(wù)訪問點及調(diào)用過程示意如圖3-3所示。3.2.2 3.2.2 移動通信網(wǎng)的分層模型移動通信網(wǎng)的分層模型原語是指上層使用下層所提供的服務(wù)必須通過與下層交換的一些命令，它是只有相鄰兩層才能夠識別和理解的語言。原語分為四類，分別是：請求（Request）、指示（Indication）、響應(yīng)（Response）、確認(rèn)（Confirm）。原語的工作原理如圖3-4所示。3.2.2 3.2.2 移動通信網(wǎng)的分層模型移動通信網(wǎng)的分層模型為了能更好地理解上面所介紹的實體、協(xié)議、服務(wù)、接口等概念，如圖3-5所示的郵政系統(tǒng)為例來說明這個問題。3.2.2 3.2.2 移動通信網(wǎng)的分層模型移動

6、通信網(wǎng)的分層模型按照與郵政系統(tǒng)類似的邏輯，從2G到3G再到B3G和4G，移動通信系統(tǒng)都采用了這樣的分層模型，如圖3-6所示為UMTS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層模型。3.3 LTE系統(tǒng)架構(gòu) 3.3.1 3GPP定義定義LTE系統(tǒng)架構(gòu)的基本原則系統(tǒng)架構(gòu)的基本原則（1）信令與數(shù)據(jù)傳輸在邏輯上是獨立的。（2）E-UTRAN與演進后的分組交換核心網(wǎng)在功能上是分開的。（3）RRC連接的移動性管理完全由 E-UTRAN進行控制。（4）E-UTRAN接口上的功能，應(yīng)定義得盡量簡化，選項應(yīng)盡可能少。（5）多個邏輯節(jié)點可以在同一個物理網(wǎng)元上實現(xiàn)。3.3.2 3.3.2 影響影響LTELTE系統(tǒng)架構(gòu)形成的決系統(tǒng)架構(gòu)形成的決

7、定性因素定性因素1控制平面中間節(jié)點控制平面中間節(jié)點存在中間控制節(jié)點最大的缺陷在于，相比扁平架構(gòu)，中間控制節(jié)點增加了控制面路徑上網(wǎng)元的數(shù)量，不利于滿足LTE系統(tǒng)控制面時延需求，因此將LTE的接入網(wǎng)系統(tǒng)最終定義為如圖3-7所示的扁平架構(gòu)。3.3.2 3.3.2 影響影響LTELTE系統(tǒng)架構(gòu)形成的決系統(tǒng)架構(gòu)形成的決定性因素定性因素2上行宏分集上行宏分集如果在定義系統(tǒng)架構(gòu)時考慮上行宏分集這一特性，將存在如下一些不利的因素。（1）不可避免地需要定義協(xié)議功能來支持UE的行為，如RRC層需要對激活集進行管理，并且信令的長度會隨著激活集大小的增加而增加。（2）無線資源管理的復(fù)雜度提高。（3）上行宏分集潛在地將

8、會引入新的網(wǎng)絡(luò)單元，隨之接口數(shù)量也會增加。（4）上行宏分集將在基站與上行宏分集功能節(jié)點之間引入并行的業(yè)務(wù)量傳輸，激活集內(nèi)的基站由于在用戶面接收重復(fù)的數(shù)據(jù)還會帶來硬件的處理負(fù)擔(dān)。（5）由于選擇性合并的需要，宏分集節(jié)點還需要對上行數(shù)據(jù)進行必要的緩存。同時也將會在上行方向引入用戶面的時延。（6）不利于滿足LTE的降低成本與復(fù)雜度的需求。3.3.2 3.3.2 影響影響LTELTE系統(tǒng)架構(gòu)形成的決系統(tǒng)架構(gòu)形成的決定性因素定性因素3無線資源管理的實現(xiàn)方式無線資源管理的實現(xiàn)方式無線資源管理的實現(xiàn)方式也對系統(tǒng)架構(gòu)產(chǎn)生影響。集中方式的無線資源管理需要集中控制節(jié)點，用以進行切換的決策、小區(qū)間的負(fù)載共享、無線資源

9、管理數(shù)據(jù)庫的更新等。分布式的實現(xiàn)方式下，無線資源管理功能分布在eNB實現(xiàn)，不需要集中控制節(jié)點。3.3.3 LTE3.3.3 LTE系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)LTE系統(tǒng)架構(gòu)與3GPP已有系統(tǒng)類似，仍然分為兩部分，如圖3-7所示，包括演進后的核心網(wǎng)EPC（即圖中的MME/S-GW）和演進后的接入網(wǎng)E-UTRAN。演進后的系統(tǒng)僅存在分組交換域。3.4 EPC3.4 EPC與與E-UTRANE-UTRAN功能劃分功能劃分針對LTE的系統(tǒng)架構(gòu)，LTE網(wǎng)絡(luò)功能劃分如圖3-8所示。3.4.1 eNode B3.4.1 eNode B功能功能eNode B功能包括下列幾個方面：（1）無線資源管理相關(guān)的功能，如無線承載控

10、制、接納控制、連接移動性管理、上/下行動態(tài)資源分配/調(diào)度等。（2）IP頭壓縮與用戶數(shù)據(jù)流的加密。（3）UE附著時的MME選擇。（4）提供到SAE網(wǎng)關(guān)的用戶面數(shù)據(jù)的路由。（5）尋呼消息的調(diào)度與傳輸。（6）系統(tǒng)廣播信息的調(diào)度與傳輸。（7）測量與測量報告的配置。3.4.2 MME/S-GW3.4.2 MME/S-GW功能功能MME具有如下功能：（1）尋呼消息分發(fā)。MME負(fù)責(zé)將尋呼消息按照一定的原則分發(fā)到相關(guān)的eNB。（2）安全控制。（3）空閑狀態(tài)的移動性管理。（4）SAE承載控制。（5）非接入層信令的加密與完整性保護。服務(wù)網(wǎng)關(guān)S-GW具有如下功能：（1）終止由于尋呼原因產(chǎn)生的用戶平面數(shù)據(jù)包。（2）支

11、持由于UE移動性產(chǎn)生的用戶平面切換。3.5 3.5 系統(tǒng)協(xié)議框架與系統(tǒng)協(xié)議框架與E-UTRANE-UTRAN通用通用協(xié)議模型協(xié)議模型3.5.1 系統(tǒng)協(xié)議框架系統(tǒng)協(xié)議框架如圖3-7和圖3-8所示，E-UTRAN系統(tǒng)是由eNode B組成的，提供了用戶平面和控制平面的協(xié)議，用戶平面包括分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）層、無線鏈路控制（Radio Link Control，RLC）層、媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）層；控制平面包括無線資源控制（Radio Resource Control，RRC）層。e

12、Node B之間通過X2接口相連。3.5.2 E-UTRAN3.5.2 E-UTRAN通用協(xié)議模型通用協(xié)議模型E-UTRAN接口的通用協(xié)議模型如圖3-9所示，適用于E-UTRAN相關(guān)的所有接口，即S1和X2接口。E-UTRAN接口的通用協(xié)議模型繼承了UMTS系統(tǒng)中UTRAN接口的定義原則，即控制平面與用戶平面相分離，無線網(wǎng)絡(luò)層與傳輸網(wǎng)絡(luò)層相分離。3.6 UMTS3.6 UMTS核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)和演進核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)和演進 3.6.1 SAE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)SAE架構(gòu)中，原有PS域的SGSN和GGSN功能歸并后重新進行了劃分，成為兩個新的邏輯網(wǎng)元：移動管理實體（MME）和服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Serving Gatew

13、ay），實現(xiàn)PS域的承載和控制相分離。新增的PDN GW網(wǎng)元實現(xiàn)各種類型的無線接入，如圖3-10所示。3.6.1 SAE3.6.1 SAE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從核心網(wǎng)側(cè)看，可分為3GPP接入和非3GPP接入。作為IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的接入層，SAE負(fù)責(zé)使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的各種接入，如WiMAX接入、WLAN接入和使用E-UTRAN接入等，如圖3-11所示。3.6.2 3.6.2 主要網(wǎng)元主要網(wǎng)元1移動管理實體（移動管理實體（MME，Mobility Management Entity）MME主要負(fù)責(zé)非接入層（NAS）的信令的疏導(dǎo)、加密和完整性保護，終結(jié)用戶信令。2服務(wù)網(wǎng)關(guān)（服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Serving GW）Se

14、rving GW主要負(fù)責(zé)用戶面數(shù)據(jù)的傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)和路由，終結(jié)來自無線接入網(wǎng)的用戶數(shù)據(jù)包。3分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)（分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)（PDN GW，Packet Date Network Gateway）PDN GW主要負(fù)責(zé)非3GPP接入部分，包括用戶數(shù)據(jù)報的過濾、對數(shù)據(jù)報進行QoS級別分類、對數(shù)據(jù)報進行門控和速率控制等、根據(jù)計費策略進行計費，同時作為非3GPP接入用戶的錨點處理切換流程。4策略和計費規(guī)則功能（策略和計費規(guī)則功能（PCRF，Policy and Charging Rules Function）PCRF主要負(fù)責(zé)對用戶的業(yè)務(wù)請求進行QoS授權(quán)、門控規(guī)則和計費規(guī)則的下發(fā)，它是PCC架構(gòu)中的一個邏輯實體，在實際組網(wǎng)中可以單獨為一個物理實體。3.6.3 3.6.3 主要網(wǎng)元的部署要求主要網(wǎng)元的部署要求1SGSN和和GGSN由于MME和Serving GW本身已經(jīng)是把SGSN和GGSN