LTE/EPS 在4G 移动通信的演进研究

鲁 璐，穆 雪

(1.解放军理工大学通信工程学院，江苏 南京， 210007;2.中国人民解放军63623 部队，甘肃 酒泉， 732750)

移动通信是当今世界上最先进的通信方式之一，经过20 多年的发展，移动通信正在向4G 快速迈进。与3G 相比，4G 技术无论在通信范围、通信质量还是在支持高速数据媒体业务的能力上都比3G 有很多超越之处。从未来的发展趋势看，用户希望通过移动终端随时随地交流各种信息，尤其是大数据量的信息，为了适应业务带宽、传输时延以及网络覆盖等多方面的需要，3GPP 标准委员会启动了长期演进计划(LTE)和系统架构演进项目(SAE)，希望通过持续的演进和增强，保持自己在通信领域的技术先发优势，保证为运营商和用户不断增长的需求提供满意的支持。SAE 后改名为演进分组系统(EPS)，后来经过设计提出了全IP的LTE/EPS 架构［1］。

1 4G的要求

4G是集3G 与宽带无线局域网(WLAN)于一体，并能够传输高质量视频图像。它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。4G 系统能够以100 Mbps的速度下载，比目前的拨号上网快2000 倍，上传的速度也能达到20 Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面，4G 与固定宽带网络在价格方面不相上下，而且计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。此外，4G 可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，4G 有着不可比拟的优越性。

作为第四代移动通信技术，其主要的要求是:

(1)数据率要超过通用移动通信系统(UMTS)，即从2 Mb/s 提高到100 Mb/s，移动速度上要从步行到车速。

(2)满足第三代移动通信尚不能达到的在覆盖、质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。WLAN应能与B-ISDN和ATM 兼容，实现宽带多媒体通信，并形成综合宽带通信网(IBCN)。

(3)对全速移动用户能提供150 Mb/s的高质量的影像服务。

2 LTE 系统

3GPP LTE的目标是成为在21 世纪20 年代支撑世界电信工业的移动通信系统。为实现这一目标，从一开始LTE就利用3GPP 在定义移动通信系统特别是无线接口方面的优势，作为其标准化工作的指导思想，依靠十几年来在3G研究的技术基础上设计出“准4G”系统［2］。

2.1 LTE 目标和关键技术

长期演进(LTE)项目是在3G 与4G 技术之间的一个过渡，由于它具有100 Mbps的数据下载能力，被视为从3G 向4G 演进的主流技术。长期演进的主要目标包括:降低时延，提高用户数据速率，改善系统容量以及覆盖，降低运营商的成本。为了达到这个目标，需要同时考虑无线接口以及无线网络架构的演进。LTE 系统设计主要研究新的物理层传输方案、先进的天线技术和灵活的带宽以及无线接口的高层协议等内容［3］。

3GPP 从系统性能要求、网络的部署场景、网络架构、业务支持能力等方面对LTE 进行了详细的描述。与3G 相比，LTE 具有如下技术特征:

(1)提高了通信速率结合频谱效率;

(2)以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将给予分组交换;

(3)服务质量(QoS)保证，通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务的服务质量;

(4)系统部署灵活，可以支持1.25 MHz ～20 MHz 之间的多种系统带宽;

(5)减低无线网络时延，解决了向下兼容的问题，并降低了网络时延;

(6)增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率;

(7)强调向下兼容，支持已有的3G 系统和非3GPP 规范系统的协同运作。

此外，LTE 支持各种多媒体业务，并通过系统设计和严格的QoS 机制，保证实时业务(如VoIP)的服务质量。

标准化的LTE是以MIMO和OFDM 两大关键技术为支撑的，采用MIMO 技术可以使空间中产生多个独立而且同行的信道系统，可以使信道容量和信道的可靠性得到提高，使误码率得到降低。OFDM 使各子载波信号频谱互相重叠，子载波正交复用技术大大减少了保护带宽，提高了频带利用率。通过两者结合，充分利用两种技术的优点，使分集增益和系统容量有所提高，频率选择性衰落有所减弱，通过现在的发展来看，将MIMO和OFDM 进行结合已成为新一代移动通信的重要技术。图1为MIMO-OFDM 模型框图［4］。

图1 MIMO-OFDM 模型框图

2.2 网络结构

图2为3GPP R6 版本的网络架构，从图中可以看出3G网络有基站(Node B)、无线网络控制器(RNC)、服务通用分组无线业务支持节点(SGSN)和网关通用分组无线业务支持节点(GGSN)四种网络节点组成。

图2 3GPP R6 版本的网络架构

为了达到系统时延要求，LTE 对原有的网络架构进行了较大的改进，使其仅由演进UMTS 陆地无线接入网(E-UTRAN)基站(E-Node B)和接入网关(aGW)组成。图3 给出了LTE的网络架构，与图2 给出的网络结构相比较，有两点突出的变化。一是没有了RNC，空中接口的用户平面和控制平面的功能由E-Node B 进行管理和控制，由于少了一层节点，用户面的数据传送和无线资源的控制变得更加快速;二是aGW 承担了接入网用户数据的分组数据汇聚子层的功能，也承担了部分核心网的功能，从整体网络结构的角度看，接入网和核心网(CN)的界限开始变得模糊。这样的网络结构设计，主要用于支持用户设备(UE)在整个网络内的移动性，保证用户的无缝切换。每个E-Node B 均是通过网络连接形式与接入网关(aGW)连接，一个E-Node B 可以和多个aGW 互联，反之亦然。

图3 LTE的网络架构

3 EPS 系统

EPS的目标是制定一个具有高数据率、低延迟、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3GPP 系统框架结构。3GPP的EPS 项目是基于未来移动通信的全IP 网络而发起的，EPS 网络可以支持端到端的QoS保证，支持全面分组化和多接入技术，可以与现有3GPP 系统的互通，也可以支持非3GPP 网络(WLAN、WiMAX)的接入，支持用户在3GPP 网络和非3GPP 网络之间的漫游和切换。

3.1 EPS 网络结构

EPS的工作目标与LTE 一致，可提高性能，减少时延，提高系统容量和覆盖率，减少运营成本，可实现一个基于IP 网络的现有或者新的接入技术移动性的灵活配置和实施，是优化IP 传输网络。但不同于LTE，EPS 更多的是从系统整体角度考虑未来移动通信的发展趋势和特征，从网络架构方面确定将来移动通信的发展方向。图4 给出了EPS 网络结构。

图4 EPS 网络结构

LTE/EPS 体系结构的主要改进包括以下几点［5］:

(1)一个通用锚点和一个支持所有接入技术的网关节点;

(2)一个经过优化的用户平面体系结构，将节点类型从以前的四种缩减到只有两种(基站和网关);

(3)所有接口均支持基于IP的协议;

(4)无线接入网(RAN)与CN 之间的功能分离，类似于宽带码分多址(WCDMA)与高速分组接入(HSPA)之间的功能分离;

(5)移动性管理实体(MME)与网关之间的控制平面/用户平面分离;

(6)集成采用基于客户端和网络的移动IP的非3GPP接入技术。

LTE/SAE 体系结构包括分组数据网(PDN)和服务网关。PDN 网关是所有接入技术的通用锚点，为所有用户提供一个稳定的IP 接入点。目前移动通信网络从2G、3G 到LTE无线网络演进后，核心网需要同时接入2G、3G和LTE 无线网络。

3.2 EPS 系统架构

目前，一些发起并参与LTE/EPS 标准制定和技术研究工作的3GPP 成员已超过30 多家，正在积极研究和开发符合3G LTE/EPS 技术标准的系统和设备，目标是在保证技术和系统性能领先的同时，最大程度地利用并兼容现有的系统平台，保持系统的平滑演进，以提供最优的无线通信解决方案，3GPP 给出了Packet Core 简化的EPS 架构［6］，如图5所示。

MME 功能主要处理移动性管理，包括:存储UE 控制面上下文，包括用户设备ID，状态，跟踪区等;移动性管理;鉴权和密钥管理;信令的加密、完成性保护;管理和分配用户临时ID。

图5 EPS 系统架构

用户平面实体(UPE)功能体负责用户面处理，包括数据的路由和转发、用户面加密终结点、头压缩、存储UE用户面上下文包括基本IP 承载信息、路由信息等、E-Node B 间切换(3GPP AS 间切换)用户面支持。

内部接入系统锚点(IASA)功能体处理系统间用户面支持;处理不同接入系统间的用户面切换;数据的路由与转发;计费数据收集;到PDN 网关功能;部分功能可以和UPE 合作。

网络架构涉及端到端的系统方面、核心网和不同的接入系统。网络架构的演进应该考虑到空口的演进，包括是否需要修改网络结构，在网络节点之间不同功能的划分;如何为整个网络提供较低的时延，如何有效地支持各种业务(如VoIP 等)。EPS 需要考虑对全IP 网络的影响，支持不同接入系统，基于运营商策略、用户喜好和接入网条件组合的接入选择，考虑实现基本系统性能的改善，维持整个系统协商的QoS，特别是域间和不同网络之间，从网络链路到基站的QoS等。EPS 支持不同的接入系统之间的移动性，包括业务连续性，I-WLAN和3GPP PS 域的业务连续性，支持多种接入技术和终端在不同接入基础的移动性等［7］。

4 总结

在4G 进程中，LTE/EPS 架构起着引导作用，LTE/EPS解决方案可实现高于100 Mbps的下行峰值速率和低于10 ms的往返时间，并能极大简化网络操作和维护工作，还可与GSM、WCDMA/HSPA和cdma2000 系统高效集成，将能为全球各地的用户实现移动宽带业务。LTE/EPS 将受益于GSM和WCDMA/HSPA 网络强劲的发展势头和庞大的生态系统，将规模经济延伸到各类终端、设备和网络设备中。LTE/EPS以其强大性能和灵活的系统架构，确保了在未来能够拥有光明的前景。

［1］3GPP System Architecture Evolution:Report on Technical Options and Conclusions(Release 7).3GPP，3GPP TR 23.882.

［2］Stefania Sesia，Issan Toufik，Matthew Baker.LTE，The UMTS Long Term Evolution［J］.Theory to Practice，2009.12.

［3］张志林.3GPP LTE 物理层和空中接口技术［M］.北京:电子工业出版社，2011.

［4］倪宏斌.4G 移动通信系统中MIMO-OFDM 技术的应用［J］.科技传播，2011，1:163－164.

［5］杨琴英.更快更优的LTE 技术［J］.信息与电脑，2010，8:93－94.

［6］孙天伟.3GPP LTE/SAE 网络体系结构和标准化进展［J］.广东通信技术，2007，27(2):33－39.

［7］官微，段红光.LTE 关键技术及其发展趋势分析［J］.电子测试，2009，5(5):22－27.