基于Relay架构的移动核心网方案研究

陈 丰，黄桂东，周德山（中讯邮电咨询设计院有限公司广东分公司，广东广州510627）

0 引言

中继（Relay）技术作为LTE-Advanced系统的关键技术之一，具有建设成本低廉、部署方式灵活等特点，可以很好地解决当前LTE网络频谱资源紧张和高频覆盖不足等问题，为LTE系统带来更大的覆盖范围和系统容量。LTE-A中继技术早在R9版本中就被引入到3GPP协议，长期以来受到各大运营商和设备供应商的广泛关注。

1 中继技术简介

LTE-A中继技术引入了宿主eNodeB（DeNB——Donor-eNB）和中继节点（RN——Relay Node）的概念。中继节点RN通过无线方式连接到所归属的DeNB，RN与DeNB之间的接口称为Un接口，RN所服务的UE与RN之间的接口称为Uu接口，RN的X2与S1接口由Un承载，DeNB支持服务RN的MME的S11接口连接。

LTE-A中继网络架构中，RN节点支持eNode B和UE 2种不同网元的功能。RN作为特殊UE通过Un接口与DeNB建立空口连接，并建立与RN归属核心网（MME/SGW/PGW）的路由通道；同时RN作为一个eNode B，与所服务的UE建立Uu接口连接，并与所服务UE对应的核心网（MME/SGW/PGW）建立S1逻辑连接，与其他eNodeB建立X2逻辑连接。RN可以在DeNB覆盖范围内灵活部署。普通UE在RN和DeNB之间移动，支持基于标准的S1接口和X2接口切换。LTE-A中继网络架构如图1所示。

图1 LTE-A中继网络架构示意图

LTE-A中继架构的网络组织较为复杂，但组网方式灵活，且移动Relay业务可广泛应用于高铁、地铁、公交等移动场景、应急话务和抢险救灾等特殊场合。本文主要针对LTE-A中继网络架构的组网特性，对移动分组核心网的RN部署及建设方案进行分析和研究。

2 中继技术架构

2.1 Relay技术原理概述

LTE-A中继网络架构提供完整的L3层中继，RN可作为UE功能实体通过DeNB接入到Relay EPC中，Relay EPC的用户面出口指向RN归属的MME网元和SGW网元，为RN提供S1-MME和S1-U接入，从而实现RN覆盖下的所有用户接入LTE系统。对RN来说，DeNB及其核心网是透明的网络，直接为RN提供S1AP接入。LTE-A中继架构的基本网络架构图如图2所示。在3GPP定义的LTE-A中继网络架构中，图2的SGW（Relay）和PGW（Relay）可以是独立的标准网元，也可以是集成在DeNB中的逻辑功能实体。

图2 LTE-A中继架构基本网络架构图

2.2 Relay接口协议栈

基于Relay架构的用户面协议栈如图3所示，RN的S1-U接口通过DeNB及SGW/PGW（Relay）与归属SGW连接，RN的S1-U业务地址采用静态IP，与SGW的S1-U地址在同一网段。

基于Relay架构的控制面协议栈如图4所示，RN的S1-MME接口通过DeNB及SGW/PGW（Relay）与归属MME连接，RN的S1-MME业务地址采用静态IP，与MME的S1-MME业务地址在同一网段。

2.3 Relay信令流程

如图5所示，基于Relay架构的业务信令流程如下。

步骤1：RN通过DeNB接入Relay EPC，完成附着、鉴权、会话建立的流程。

步骤2：Relay EPC将RN的默认承载通道与RN归属的EPC网络互联。

步骤3：RN通过Relay EPC的用户面直接与归属的EPC网络建立S1连接。

步骤4：UE通过RN接入LTE网络。

对于移动过程中的跟踪区更新和切换流程，UE在RN和DeNB之间或RN在不同DeNB之间，均满足标准的信令业务流程，在此不作赘述。

图3 LTE-A中继网络架构的用户面协议栈

图4 LTE-A中继网络架构的控制面协议栈

3 移动核心网组网方案

3.1 方案资源需求

基于Relay架构的核心网建设方案需要满足下列资源需求，同时要对相关网元需进行相应设置。

a）SIM卡资源：RN节点具备UE功能，需要使用4G USIM用于网络接入认证，采用专用Relay APN，不能接入现网APN（如3gnet），不使用语音业务。

b）HSS签约：HSS上为RN的SIM卡签约静态IP地址，该地址与MME的S1-MME和SGW的S1-U地址在同一网段。SIM卡仅签约Relay APN，不签约现网APN（如3gnet），不开通语音功能。

c）S1路由：S1业务路由器（现网为IP承载B网PS-LAR和LCR）放通RN静态IP地址与MME和SGW之间的路由。

d）TA规划：无线区域为RN规划独立的跟踪区标识（TA），用于区分现网eNodeB的TA。

e）域名解析：MME（Relay）通过本地Host或DNS配置Relay APN的域名解析记录，解析结果为PGW（Relay）的GTP-C地址，配置RN归属TA的域名解析记录，解析结果为SGW（Relay）的GTP-C地址。

f）MME（Relay）网元：可独立设置MME（Relay）或与现网MME共用，2种方案仅在TA和S11路由配置上有差异。

g）SAEGW（Relay）网元：需要配置Relay APN，该APN下的流量不计费，不需进行深度报文解析，话单功能可选。该APN的SGi接口与现网MME和SGW的S1接口互通。

图5 LTE-A中继网络架构信令流程

3.2 DeNB集成SAEGW方案

在DeNB集成SAEGW方案中，DeNB除了支持eNB的基本功能外，还提供虚拟SGW和PGW功能，包括为RN创建会话、管理EPS承载，并通过S1-AP和S11接口与MME（Relay）进行对接。

MME（Relay）需要将S11接口路由与DeNB内部的虚拟SAEGW上的S11业务地址互通，DeNB的虚拟SAEGW功能节点需配置Relay APN，并将该APN出口路由与现网MME和SGW的S1业务地址互通。

DeNB集成SAEGW方案如图6所示。

图6 DeNB集成SAEGW方案

3.3 现网SAEGW复用方案

现网SAEGW复用方案中，DeNB使用普通eNB设备，复用现网的SAEGW作为SAEGW（Relay）网元，为RN创建会话、管理EPS承载，并通过S1-AP和S11接口与MME（Relay）进行对接。

现网复用的SAEGW（Relay）需配置Relay APN，并将该APN出口路由与现网MME和SGW的S1业务地址互通。UE的信令和流量会经过SAEGW（Relay）迂回后再到达现网的MME和SAEGW，这部分UE在承载网上的业务带宽需求会翻倍。

现网SAEGW复用方案如图7所示。

图7 现网SAEGW复用方案

3.4 独立SAEGW组网方案

独立SAEGW组网方案中，DeNB使用普通eNB设备，将一套独立的SAEGW作为专用SAEGW（Relay）网元，为RN创建会话和管理EPS承载，并通过S1-AP和S11接口与MME（Relay）进行对接。

MME（Relay）和DeNB需要与专用SAEGW（Relay）放通S11和S1-U接口路由，专用SAEGW需配置Relay APN，并将该APN出口路由与现网MME和SGW的S1业务地址互通。UE的信令和流量会经过SAEGW（Relay）迂回后再到达现网的MME和SAEGW，这部分UE在承载网上的业务带宽需求会翻倍。

独立SAEGW组网方案如图8所示。

图8 独立SAEGW组网方案

3.5 组网方案对比

DeNB集成SAEGW方案对核心网改动较小，便于实施，但需要额外部署特殊DeNB设备，全网铺开建设成本较高、工程量较大。由于DeNB内集成的SAEGW为分布式配置，RN在DeNB之间不支持S1/X2切换，每次跨DeNB覆盖都需要重新附着建立EPS承载，在RN切换过程中UE用户面会中断。UE在NR与现网其他eNodeB之间可支持标准的S1/X2切换。

对于前期Relay站点建设需求量较低，整体流量带宽需求不高的情况，可以考虑采用现网SAEGW复用方案。RN在DeNB之间可支持S1/X2接口切换，RN用户面锚定在现网复用的SAEGW（RN）节点，在切换过程中UE用户面不受影响。UE在NR与现网其他eNodeB之间可支持标准的S1/X2切换。

对于Relay站点建设需求较大，网络带宽需求较高的情况，建议采用独立SAEGW组网方案。由于RN采用静态IP地址接入SAEGW，无法像普通用户一样通过DNS轮询做负荷分担，独立SAEGW方案可以采用1+1主备容灾的方式，可设置2套SAEGW，配置相同APN数据，其中1套作为冷备份，在应急情况下通过修改DNS和承载网路由进行业务切换。与现网SAEGW复用方案类似，RN在DeNB之间可支持S1/X2接口切换，UE在NR与现网其他eNodeB之间可支持标准的S1/X2切换，在切换过程中UE用户面不受影响。

表1为3种核心网部署方案之间的差异对比。

4 结论

LTE-A中继业务是端到端的整体流程，需要无线、核心网、承载网、业务支撑系统及平台的统一规划。随着目前LTE网络深度覆盖和热点盲点覆盖需求日益增长，LTE-A中继成为现网宏站和室内分布的有效补充。LTE-A中继在无线网中的产品和方案均有丰富的技术理论支撑和成熟的产业链支持，本文在深入分析Relay技术和组网的基础上，提出3种基于Relay架构的核心网建设方案，为后续现网Relay规模部署核心网方案提供参考和借鉴。

表1 Relay组网方案对比