一種新型的3G演進網(wǎng)絡架構方案

　　[摘要]本文介紹了3GPP Long Term Evolution（LTE）網(wǎng)絡架構的最新研究進展，從控制面和用戶面功能分離的角度闡述了分布式網(wǎng)絡結構的優(yōu)點，并結合LTE接入網(wǎng)的功能劃分提出了一種新型的3G演進網(wǎng)絡架構方案。

　　1、引言

　　當前，全球無線通信正呈現(xiàn)出移動化、寬帶化和IP化的趨勢，移動通信行業(yè)的競爭極為激烈。在現(xiàn)有的3G技術還沒有大規(guī)模商用之前，一些無線寬帶接入技術也開始提供部分的移動功能，通過寬帶移動化，試圖進入移動通信市場，如IEEE 802.16e技術。為了維持在移動通信行業(yè)中的競爭力和主導地位，3GPP組織在2004年11月啟動了長期演進計劃（LTE，Long Term Evolution）以實現(xiàn)3G技術向B3G和4G的平滑過渡。3GPP LTE計劃的目標是：更高的數(shù)據(jù)速率、更低的時延、改進的系統(tǒng)容量和覆蓋范圍以及較低的成本[1]。根據(jù)TR25.913[2]，LTE對空口和接入網(wǎng)的技術指標包括：

　�。�1）峰值數(shù)據(jù)速率，下行達到100Mbit/s，上行50Mbit/s。

　�。�2）提高頻譜效率（達到Release 6的2～4倍）。

　�。�3）接入網(wǎng)時延（用戶平面UE-RNC-UE）時延不超過10ms。

　　（4）減小控制平面時延，UE從待機狀態(tài)到開始傳輸數(shù)據(jù)時延不超過100ms（不包括下行尋呼時延）[2]。

　　為了實現(xiàn)這一目標，除了要考慮空中接口技術的演進外，還需要考慮網(wǎng)絡體系結構的改進。對無線接入網(wǎng)網(wǎng)絡結構的研究就是要找出最優(yōu)的網(wǎng)絡結構并考慮接入網(wǎng)內以及接入網(wǎng)與核心網(wǎng)之間的功能劃分，以期能實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率、更低的時延[3]。網(wǎng)絡結構和功能劃分確定之后，則控制平面的信令流程也隨之確定，所以控制平面的信令開銷可以從一個方面反映出網(wǎng)絡結構的性能。隨著技術的發(fā)展，通信網(wǎng)絡的全IP化趨勢已經(jīng)不可逆轉。在全IP網(wǎng)絡中，用戶可以具有極高的移動性，并有多種接入方式可以選擇，這就使得移動性管理問題變得非常突出[4，5]。好的移動性管理協(xié)議不僅可以降低網(wǎng)絡信令開銷，還可以提高快速切換時的QoS。因此，LTE無線接入網(wǎng)網(wǎng)絡結構的研究需要從優(yōu)化網(wǎng)絡功能劃分、簡化控制面和用戶面協(xié)議結構、提高對數(shù)據(jù)業(yè)務QoS等角度聯(lián)合加以考慮。

　　2、LTE網(wǎng)絡架構研究進展

　　3GPP組織自從2004年11月啟動LTE研究計劃以來，就召開了一系列頻繁的會議。各國主要的通信企業(yè)、研究機構和標準化組織都已經(jīng)制定了相應的工作計劃，并就LTE無線網(wǎng)絡架構向3GPP組織下屬的工作組提交了大量的研究報告。在網(wǎng)絡結構研究方面，LTE建議基站（BS）和接入網(wǎng)關（AGW）在用戶面直接互聯(lián)以減小接入時延，將3G網(wǎng)中RNC的底層功能在BS實現(xiàn)，高層功能在AGW實現(xiàn)。并在控制面引入一種RRM （Radio Resource Management）服務器以增強控制面的移動性管理。

　　LTE網(wǎng)絡架構研究涉及的功能包括：無線資源管理，UE與網(wǎng)絡的QoS協(xié)商，位置管理，尋呼、空閑和激活狀態(tài)移動性管理，不同接入技術間的移動性，安全和加密，報頭壓縮，Outer ARQ，IP地址分配，漫游，MBMS等。目前已經(jīng)確定的協(xié)議棧結構和功能劃分如圖1所示。

圖1　接入網(wǎng)協(xié)議棧結構與功能劃分


　　圖1中，BS和接入網(wǎng)關AGW是已經(jīng)確定的邏輯節(jié)點，虛線表示的RRM服務器是尚待確定的邏輯節(jié)點。圖中上部的白色框圖表示控制面功能，下部的深色框圖表示用戶面功能。在BS、AGW和RRM三個邏輯節(jié)點內部的功能框表示已經(jīng)確定歸屬位置的網(wǎng)絡功能，而邏輯節(jié)點外部的功能框表示尚為確定部署位置的網(wǎng)絡功能。

　　目前，LTE基本確認用戶面的報頭壓縮、用戶面和非接入層（NAS，Non Access Stratum）的安全功能終結在AGW，Outer ARQ和RRC功能終結在Node B。然而，究竟由接入層（AS，Access Stratum）還是非接入層來控制報頭壓縮和安全功能目前還沒有定論。

　　2.1　控制面研究現(xiàn)狀

　　為實現(xiàn)控制面的快速接入，LTE將3G標準中的Detached，RRC Idle，RRC Connected（包括URA_PCH，CELL_PCH，CELL_DCH，CELL_FACH）6種RRC狀態(tài)簡化為Detached，Standby（LTE_IDLE）和Ready（LTE_ACTIVE）3種狀態(tài)。RRC狀態(tài)用以標識用戶的占有的接入網(wǎng)資源情況，在3G標準中主要通過RRC連接、SRB和RAB資源的占有或釋放來區(qū)分。在LTE中3種狀態(tài)的最終區(qū)別還未定義，目前主要從上下文的存儲位置（接入網(wǎng)或核心網(wǎng)）、標識用戶的UE-Id（IMSI，跟蹤區(qū)域（URA）ID，小區(qū)范圍內的C-RNTI，IP地址）、用戶位置更新頻率（小區(qū)范圍或跟蹤區(qū)域范圍）和移動性等方面加以區(qū)分。

　　根據(jù)控制面處理Standby和Ready狀態(tài)處理節(jié)點的不同，LTE R2提出了3種不同的控制面網(wǎng)絡功能劃分方式：

　　結構A：Standby和Ready狀態(tài)用戶都由BS負責。

　　結構B：Standby和Ready狀態(tài)用戶都由BS之上的集中控制點負責。

　　結構C：Standby狀態(tài)用戶由集中控制點負責，Ready狀態(tài)用戶由BS負責。

　　2.2　用戶面研究現(xiàn)狀

　　LTE采用AGW和BS直聯(lián)的方式以實現(xiàn)用戶面的快速接入，在這種直聯(lián)方式中對用戶面接入時延影響較大的功能包括：IP地址分配、報頭壓縮和安全性功能的部署位置。

　　IP地址的主要功能是標識用戶和尋址（定位用戶）。在移動網(wǎng)絡若由AGW給用戶分配臨時IP地址（Care of Address），用戶在AGW范圍內移動時臨時IP地址不變，每BS范圍內用戶的IP地址均不連續(xù)。此時臨時IP地址僅具有標識用戶的功能，需要IP隧道輔助實現(xiàn)定位用戶的功能。若由BS給用戶分配臨時IP地址，則無需隧道保持的開銷，但缺點是信令開銷太大。

　　Motorola在R3-051094[6]和R3-051095[7]中將Mobile IP微移動性研究的宏錨點（Macro-Mobility Anchor）和微錨點（Micro-Mobility Anchor）引入到LTE用戶面的研究中，宏錨點和微錨點可視為具有隧道功能的路由器。宏錨點負責AGW范圍內用戶的移動性管理，微錨點負責URA范圍用戶的定位，并對宏錨點屏蔽用戶在URA范圍內的移動性管理。R2-052924[8]對用戶面可能的隧道終結點（微錨點或Node B）進行了分析，建議將用戶面終結在Node B。

　　報頭壓縮功能可部署在BS或AGW。若部署在BS端，則僅對空口信息進行壓縮，無法提高接入網(wǎng)有線信道利用率。若部署在AGW端，可同時提高空口和接入網(wǎng)有線部分的信道利用率，但在AGW執(zhí)行報頭壓縮處理，會增加AGW的負荷，使其成為影響用戶面性能的瓶頸。

　　3、一種控制面和用戶面完全分離的網(wǎng)絡架構

　　本文提出了一種改進的3G LTE系統(tǒng)快速無線接入方法。通過分離接入網(wǎng)的控制面和用戶面功能，改進方案能夠實現(xiàn)Standby狀態(tài)用戶的快速接入和Ready狀態(tài)用戶的快速切換。

　　本方法在接入網(wǎng)的控制面提出一種URA自制系統(tǒng)的概念。由Node B和RRM Server在接入層（AS）控制面組成一個AS層自制系統(tǒng)，Node B僅與AGW建立用戶面和與業(yè)務QoS相關的非接入層（NAS）信令連結。

　　本方法在用戶面使用Motorola提出的兩級錨點方式（AGW到Node B的兩級隧道）定位用戶，通過微錨點向位于AGW內的宏錨點屏蔽URA內的移動性信息，能夠降低AGW的NAS信令負荷。本文建議的協(xié)議棧結構如圖2所示。


圖2　建議方案的協(xié)議接口結構

　　其中E2、E3和E5為接入網(wǎng)控制面接口；E1、E4和E6為接入網(wǎng)用戶面接口。用戶通過E1、E4接口中的控制面接口向AGW發(fā)送非接入層的控制信令。

　　Node B負責無線的1，2層處理和Node B范圍內的RRM。每Node B有一張其所屬范圍的Ready狀態(tài)用戶上下文列表，切換時用戶上下文將作為控制面資源由RRM服務器在Node B之間傳遞。由于用戶平面功能和隧道在Node B終結，Node B將負責用戶面NAS層與AS層的信令協(xié)商。

　　RRM服務器主要負責URA范圍內Paging消息的發(fā)起、Ready狀態(tài)下URA內外的移動性管理、跨Node B的RRM和接入網(wǎng)認證。

　　AGW負責Standby狀態(tài)下的移動性管理（MM），會話管理（SM），應用層認證和加密（Ciphering），計費（Charging），Legal Interception，Deep Packet Inspection。無論用戶處于何種RRC連接狀態(tài)，AGW只在URA級別上知道用戶的存在，URA范圍內的用戶定位由微錨點負責。

　　3.1　改進控制面結構的優(yōu)點

　　在改進結構中，RRM Server作為接入層信令的終結點，而AGW作為用戶面功能的終結點，由Node B的RRC負責AS和NAS層的QoS參數(shù)協(xié)商和信令映射。這種控制面和用戶面分離的協(xié)議棧結構能夠移動用戶AS和NAS功能的并行切換。當用戶在Ready狀態(tài)進行切換時，AS層切換由RRM服務器控制在接入網(wǎng)內部完成，NAS層切換由AGW內的Micro-Mobility Anchor或Macro-Mobility Anchor完成。由于AS和NAS功能分離并由不同的節(jié)點進行切換控制，因此改進方案能夠實現(xiàn)并行切換從而減小了切換時延。

　　3.2　改進用戶面結構的優(yōu)點

　　本方法在用戶面通過AGW到Node B的兩級隧道定位用戶。分別為宏錨點＜-＞微錨點和微錨點＜-＞Node B隧道。其中宏錨點負責分配用戶CoA地址，微錨點向宏錨點屏蔽用戶在URA內的移動性。微錨點即可作為AGW的內嵌對象實現(xiàn)，也可單獨作為一個網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)。

　　若宏錨點到Node B采用一層隧道實現(xiàn)，Ready狀態(tài)用戶每次跨Node B切換時，用戶都需要通知宏錨點修改其地址映射表（用戶CoA地址＜-＞用戶所在NodeB＝以定位用戶。

　　若宏錨點到Node B采用兩層隧道實現(xiàn)，其結構如圖3所示。Ready狀態(tài)用戶僅在跨URA切換時需通知兩級錨點修改映射表；而在同一URA中的切換只需通知微錨點修改CoA地址＜-＞用戶所在Node B映射表。兩級分層隧道能將宏錨點的隧道更新信令分散到各微錨點進行處理，從而減輕了作為用戶面集中控制點的AGW的負擔。

圖3　兩級隧道實現(xiàn)方式


　　4、結論

　　本文提出了一種用于3G演進的分布式網(wǎng)絡架構，該架構具有以下優(yōu)點。

　�。�1）結構提出了URA自制系統(tǒng)的概念，在接入網(wǎng)實現(xiàn)了相對獨立的控制面和用戶面，實現(xiàn)了資源的并行切換，減小了Ready狀態(tài)用戶的切換時延。

　　（2）結構在用戶面引入了分層隧道的思想（通過AGW到Node B的兩級隧道定位用戶），通過將AGW隧道更新信令分散到各微錨點進行處理，能夠降低AGW負載。