3GPP LTE/SAE网络体系结构和标准化进展

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。