2.2.3 下一代移动宽带接入技术

1．网络架构

LTE作为全IP网络，提出了全新的网络指标，例如，显著提升了峰值数据速率，即在20 MHz带宽上达到 100 Mb/s下行传输速率，50 Mb/s的上行传输速率；明显提高了频谱效率，实现了 2～4 倍的R6 频谱效率；无线接入网（UE到E-Node B用户面）延迟时间低于10 ms，明显降低控制面的等待时间，低于 100 ms。

LTE系统的扁平化网络架构如图 2-27 所示。

LTE将原有 2G/3G的三级架构变为两级：无线侧和核心网。

无线侧又称为演进型UMTS地面无线接入网E-UTRAN（Evolved-UTRAN）。E-UTRAN与UTRAN架构完全不同，采用“扁平”的无线访问网络结构，取消RNC/BSC（无线网络控制器/基站控制器）节点，简化网络设计。原有控制节点RNC/BSC的功能部分下移到基站Node B，部分上移到核心网，实现了全IP路由，网络结构趋近于IP宽带网络结构。E-UTRAN结构中包含了若干个E-Node B（eNB），提供了终止于UE的E-UTRA用户面（PHY/MAC）协议和控制面（无线资源控制，RRC）协议。E-Node B之间采用网格方式互连，E-Node B与服务网关S-GW（Serving Gateway）之间的接口称为S1 接口。E-UTRAN的协议栈结构还是与URTAN一样分为用户面和控制面，但简化了很多。比如，去掉了无线链路控制层（RLC）层，该实体功能被并入MAC层；分组数据压缩协议（PDCP）功能在网络侧被移到了S-GW中；控制面RRC功能移入E-Node B中，并在网络侧终止于E-Node B。

3GPP在开展LTE研究工作的同时，启动了面向全IP 的分组域核心网的演进项目SAE（System Architecture Evolution，系统架构演进），R8版本后改为EPS（Evolved Packet System，演进的分组数据系统）。EPS的目标是“制定一个具有高数据率、低延迟、高安全和高QoS、数据分组化、支持多种无线接入技术为特征的，具有可移植性的系统框架结构”。3GPP组织的EPS项目是基于未来移动通信的全IP网络而发起的，主要集中于分组域承载。

EPS的主要思想是定义了一个新的核心网络架构——EPC（Evolved Packet Core，演进的核心网），目的用于简化现有移动分组网络架构，通过网元整合和功能的重新划分减少业务处理的中间环节，实现网络架构的扁平化。LTE与EPC之间有着紧密的联系，共同构建了 3GPP的系统整体演进。下面对网络架构中涉及到的各网元进行详细介绍。

（1）E-UTRAN

E-UTRAN是LTE的主要实体，对应的网元实体为E-Node B（也写成eNodeB或eNB）。该实体的主要功能包括：

• 头压缩及用户平面加密；
• 在没有路由到达移动性管理实体MME（Mobility Management Entity）的情况下，MME的选择取决于UE提供的信息；
• 基于最大汇聚比特率AMBR（Aggregate Maximum Bit Rate）和MBR的上行承载级速率执行；
• 上下行承载级准许控制；
• 在上行链路中，对传输层的数据包进行标记，如基于EPS承载相关的QoS等级标识（QoS Class Identifier，QCI）设置区分码点（DiffServ Code Point）。

（2）移动性管理实体MME

MME是一个信令实体，主要负责移动性管理和用户的鉴权认证等功能：

• 非接入层的信令及其安全；
• 信令加密和完整性保护；
• 3GPP不同接入网络的核心网络节点之间的移动性管理（终结于S3 节点）；
• UE在EPS连接性管理-空闲（ECM-Idle）状态下可达（包括寻呼重发的控制和执行）；
• 跟踪区列表管理；
• 选择服务网关（S-GW）和分组数据网络网关P-GW（Packet Data Network-Gateway）；
• 发生跨MME切换时，选择目的MME；
• 发生与 2G/3G 3GPP接入网切换时，选择SGSN；
• 漫游控制；
• 鉴权和密钥管理；
• 承载管理，包括建立专有承载；
• 合法侦听。

MME若要支持非 3GPP接入，还需要具备以下功能：

• 在切换到HRPD时，选择和维护HRPD的接入点（终结于S101 接口）；
• 在预注册和切换时，需能在E-UTRAN和HRPD接入之间透明传输HRPD信令消息和状态信息；
• 核心网（CN）节点重新分配时，要前传上行话务的通用路由封装协议密钥（GREKey）到目标服务网关S-GW。

S-GW和MME可能在一个物理节点或不同的物理节点内实现。

（3）服务网关（Serving Gateway）

服务网关（S-GW）终结于和E-UTRAN的接口，主要负责用户面处理，包括：

• 支持eNB间的切换，发生切换时作为本地锚点；
• 在eNB间切换时，在路径转换后通过立即向源eNB发送一个或多个“结束标记”来协助完成eNB的重排序功能；
• 支持 3GPP不同接入技术的切换，发生切换时作为用户面的锚点，中继 2G/3G系统和分组数据网络网关（P-GW）之间的数据传输；
• 在ECM-Idle状态时，为下行数据包提供缓存及触发网络进行寻呼；
• 合法侦听；
• 数据包的路由和转发；
• 为上行/下行链路传输层的数据包打上标记；
• 针对用户和QCI分类进行运营商间的计费；
• 针对UE，PDN，QCI的上/下行链路计费。

（4）分组数据网络网关PDN Gateway

PDN Gateway（Packet Data Network Gate way，P-GW）终结于和外面数据网络（如互联网、IMS等）的SGi接口，它是演进的分组数据系统EPS的锚点，即是 3GPP与非 3GPP网络间的用户面数据链路的锚点，负责管理 3GPP和非 3GPP间的数据路由，管理用户在3GPP接入和非 3GPP接入（如WLAN，WiMAX等）间的移动。

如果UE访问多个数据网络，UE将对应一个或多个P-GW。P-GW主要负责用户面处理，包括：

• 深度数据包检测，实现基于每个用户的数据包过滤；
• 合法侦听；
• 分配UE的IP地址；
• 策略与计费的执行功能（Policy and Charging Enforcement Function，PCEF）；
• 数据包分类和路由；
• 非 3GPP接入网络的接入锚点；
• 给上行/下行链路传输层的数据包打上标记；
• 支持策略与计费控制PCC（Policy and Charging Control）架构的上/下行链路业务的计费；
• 支持PCC架构的上/下行链路业务门控功能；
• 支持PCC架构的上/下行链路业务速率控制；
• 基于接入点名称-最大汇聚比特率（APN-AMBR）的上/下行链路速率控制；
• 在相同的保证比特率-服务质量等级标识（GBR QCI）下，基于业务数据流（SDF）集合的累计最大比特速率MBR的下行链路速率控制；
• 支持动态主机配置型协议DHCPv4 和DHCPv6 功能（客户端、中继、服务器）；
• 网络不支持点对点（PPP）承载类型。

除此之外，当P-GW需要支持基于GRPS隧道协议（GTP）的S5/S8 接口时，还要包含以下功能：

• 上/下行链路承载绑定；
• 上行链路承载绑定校验；
• RFC 4861 文件定义的功能。

当P-GW需要支持基于代理移动IP（PMIP）的S5/S8 接口时，还要包含以下功能：

• 支持 3GPP接入和非 3GPP接入之间用户面数据的锚点；
• 支持本地移动锚点LMA（Locat Mobility Anchor）；
• 在使用S2c接口时，支持双堆栈移动IP版本 6（DSMIPv6）归属代理；
• 分配GRE key用在基于PMIP的S5/S8 接口上，（或S2a/S2b接口上）封装上行话务到P-GW；
• 如果S2a使用MIPv4 FA CoA（外地代理-转交地址）模式，支持MIPv4 归属代理。

（5）归属用户服务器HSS

HSS是用于存储用户签约信息的数据库，归属网络中可以包含一个或多个HSS。HSS负责保存以下跟用户相关的信息：

• 用户标识、编号和路由信息；
• 用户安全信息：用于鉴权和授权的网络接入控制信息；
• 用户位置信息：HSS支持用户注册，并存储系统间的位置信息；
• 用户轮廓信息。

HSS还能产生用于鉴权、完整性保护和加密的用户安全信息。

HSS负责与不同域和子系统中的呼叫控制和会话管理实体进行联系。

（6）策略与计费规则功能PCRF

PCRF是策略与计费控制单元。在非漫游场景时，在归属网络中只有一个PCRF与UE的IP连接访问网络（IP-CAN）会话相关。PCRF终结于Rx接口和Gx接口；在漫游场景并且业务流是由本地疏导时，可能由归属网络或拜访网络对一个UE的IP-CAN会话实施策略和计费控制。归属网络的PCRF为H-PCRF（归属PCRF），拜访网络的PCRF为V-PCRF（拜访PCRF）。

H-PCRF的功能包括：

• 对于归属网络的业务，该功能终结于Rx ⁺ 参考点；
• 在漫游情况下，对本地疏导时，H-PCRF终结于S9 参考点；
• 在多个参考点上（S9，Rx ⁺ ），对于同一个UE建立的IP-CAN会话（PCC会话绑定）建立会话关联；
• 在漫游情况下，由归属地路由业务时，H-RCRF终结于S7 参考点；
• 对于不同的IP-CAN类型，终结点为S7a，S7b或S7c/S9。

V-PCRF的功能包括：

• 在漫游情况下，有本地疏导时，V-PCRF终结于S7（Gx）和S9 参考点；
• 在漫游情况下，有本地疏导时，并且使用拜访网络的应用功能（AF）时，终结于Rx ⁺ 参考点；
• 对于不同的IP-CAN类型，V-PCRF终结点为S7a，S7b或S7c/S9；
• 终结S9（即PCRF间的接口）参考点。

2．关键技术

LTE采用的核心技术主要是正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）以及多入多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）天线技术两者的完美结合，已成为下一代移动通信技术的首选。但是，由于系统设计的差异，同时由于系统上下行无线环境的差异，OFDMA，MIMO在应用上还是存在一定差异的。下面分别进行描述。

1）OFDM/OFDMA

OFDM（正交频分复用）是多载波调制的一种技术，其主要思想是：将信道分隔成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。在接收端正交信号通过采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI（Inter-Channel Interference，信道间干扰）。每个子信道上的信号带宽小于信道的相干带宽，因此在每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间的干扰（ISI）。而且，由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。OFDM由于其上述优良的特性，成为B3G/4G关键的技术之一。

（1）LTE下行OFDMA

LTE下行采用传统的正交频分复用多址OFDMA技术，将整个频带分割成许多子载波，将频率选择性衰落信道转化为若干平坦衰落子信道，从而有效地抵抗无线移动环境中的频率选择性衰落。由于子载波重叠占用频谱，OFDM能够提供较高的频谱利用率和较高的信息传输速率。通过给不同的用户分配不同的子载波，OFDMA提供了天然的多址方式，并且由于占用不同的子载波，用户间满足相互正交，没有小区内干扰ICI（Internal-CellInterference）。流程处理如图 2-28 所示。

先将比特流经过信道编码/交织/加扰成为传输中的时域符号（这点与 3G完全相同），通过串并转换的方式，将高速率信号变为若干低速率信号，经过QAM调制，然后进行子载波映射，通过IFFT（Inverse Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换）将频域信号转换为时域信号。

为了最大限度地消除符号间干扰，需要在OFDM符号之间插入保护间隔，保护间隔长度大于无线信道的最大时延扩展，这样使一个符号的多径分量不会对下一个符号造成干扰。同时，为了避免空闲保护间隔，由多径传播造成子载波间的正交性被破坏，将每个OFDM符号以后时间中的样点复制到OFDM符号的前面，形成循环前缀CP（cyclic prefix）。即在IFFT后加入循环前缀，形成时域的最终输出信号。

（2）LTE上行DFT-S-OFDM

DFT-S-OFDM一定程度上相当于单载波的OFDM，从名称可以剖析出其原理：一是离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT），获得多个离散的频域信号；然后是S（Spreading）扩频，主要是进行扩频/子载波映射（Spreading/Subcarrier Mapping），对离散的DFT信号在频率上做重新分配（映射到物理资源上），即在更广泛的频率上获得多个离散的频域信号，LTE目前使用的是集中分配方式，即把DFT信号在频域上做连续的分配，也有分散分配方式。不同区域的子载波，同时进行这种子载波（Subcarriers）的重新分配，保证了相互之间的正交性，一定程度上可以理解为频域的扩频（Spreading）。最后是IFFT/OFDM，即将前面的频域信号通过快速傅里叶转换为时域信号，完成信号的基带处理。处理流程如图 2-29 所示。

LTE上行采用DFT-S-OFDM技术主要是从终端的能力角度出发确定的。DFT-S-OFDM可以认为是单载波频分多址（SC-FDMA）的频域产生方式，是OFDM在IFFT调制前进行了基于傅里叶变换的预编码。因此，可以避免因多载波方案引起较高的峰均功率比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）问题，可以降低对终端功放的要求，提高功率的利用率。DFT-S-OFDM的优势在于其信号的时域实现，能够在一定程度上降低PAPR。但是，由于解码也是在时域进行的，因此只能利用时域选择性衰落。

2）MIMO

无线通信系统可以利用的资源包括：空间、时间、频率和功率。在B3G/4G系统中，空间资源和频率资源被重新开发使用，从而大大提高了系统的性能。MIMO天线技术在发送端和接收端同时使用多根天线（如图 2-30 所示），扩展了空间域，充分利用了空间扩展所提供的特征，在无须增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性。目前，多天线技术已成为了B3G/4G系统的关键技术之一。

为了满足LTE在高数据率和大容量方面的需求，LTE系统理所当然要引入MIMO天线技术。

下行MIMO技术包括空间复用、波束赋形和传输分集。目前，MIMO技术下行基本天线配置为 2×2，即 2 根天线发送和 2 根天线接收，最大支持 4 根天线进行下行方向的四层传输。

上行MIMO技术包括空间复用和传输分集。目前，MIMO技术上行基本天线配置为1×2，即 1 根天线发送和 2 根天线接收。

通过MIMO的应用，可实现峰值速率的成倍增长，同时也极大提升网络的资源效率。