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[摘要]本文介紹了3GPP Long Term Evolution（LTE）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的最新研究進(jìn)展，從控制面和用戶(hù)面功能分離的角度闡述了分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合LTE接入網(wǎng)的功能劃分提出了一種新型的3G演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案。
1、引言
當(dāng)前，全球無(wú)線(xiàn)通信正呈現(xiàn)出移動(dòng)化、寬帶化和IP化的趨勢(shì)，移動(dòng)通信行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)極為激烈。在現(xiàn)有的3G技術(shù)還沒(méi)有大規(guī)模商用之前，一些無(wú)線(xiàn)寬帶接入技術(shù)也開(kāi)始提供部分的移動(dòng)功能，通過(guò)寬帶移動(dòng)化，試圖進(jìn)入移動(dòng)通信市場(chǎng)，如IEEE 802.16e技術(shù)。為了維持在移動(dòng)通信行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力和主導(dǎo)地位，3GPP組織在2004年11月啟動(dòng)了長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃（LTE，Long Term Evolution）以實(shí)現(xiàn)3G技術(shù)向B3G和4G的平滑過(guò)渡。3GPP LTE計(jì)劃的目標(biāo)是：更高的數(shù)據(jù)速率、更低的時(shí)延、改進(jìn)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(duì)空口和接入網(wǎng)的技術(shù)指標(biāo)包括：
�。�1）峰值數(shù)據(jù)速率，下行達(dá)到100Mbit/s，上行50Mbit/s。
（2）提高頻譜效率（達(dá)到Release 6的2～4倍）。
�。�3）接入網(wǎng)時(shí)延（用戶(hù)平面UE-RNC-UE）時(shí)延不超過(guò)10ms。
�。�4）減小控制平面時(shí)延，UE從待機(jī)狀態(tài)到開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)時(shí)延不超過(guò)100ms（不包括下行尋呼時(shí)延）[2]。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，除了要考慮空中接口技術(shù)的演進(jìn)外，還需要考慮網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。對(duì)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究就是要找出最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并考慮接入網(wǎng)內(nèi)以及接入網(wǎng)與核心網(wǎng)之間的功能劃分，以期能實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率、更低的時(shí)延[3]。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(kāi)銷(xiāo)可以從一個(gè)方面反映出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的性能。隨著技術(shù)的發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)的全I(xiàn)P化趨勢(shì)已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)。在全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)中，用戶(hù)可以具有極高的移動(dòng)性，并有多種接入方式可以選擇，這就使得移動(dòng)性管理問(wèn)題變得非常突出[4，5]。好的移動(dòng)性管理協(xié)議不僅可以降低網(wǎng)絡(luò)信令開(kāi)銷(xiāo)，還可以提高快速切換時(shí)的QoS。因此，LTE無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究需要從優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)功能劃分、簡(jiǎn)化控制面和用戶(hù)面協(xié)議結(jié)構(gòu)、提高對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)QoS等角度聯(lián)合加以考慮。
2、LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究進(jìn)展
3GPP組織自從2004年11月啟動(dòng)LTE研究計(jì)劃以來(lái)，就召開(kāi)了一系列頻繁的會(huì)議。各國(guó)主要的通信企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化組織都已經(jīng)制定了相應(yīng)的工作計(jì)劃，并就LTE無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向3GPP組織下屬的工作組提交了大量的研究報(bào)告。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究方面，LTE建議基站（BS）和接入網(wǎng)關(guān)（AGW）在用戶(hù)面直接互聯(lián)以減小接入時(shí)延，將3G網(wǎng)中RNC的底層功能在BS實(shí)現(xiàn)，高層功能在AGW實(shí)現(xiàn)。并在控制面引入一種RRM （Radio Resource Management）服務(wù)器以增強(qiáng)控制面的移動(dòng)性管理。
LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究涉及的功能包括：無(wú)線(xiàn)資源管理，UE與網(wǎng)絡(luò)的QoS協(xié)商，位置管理，尋呼、空閑和激活狀態(tài)移動(dòng)性管理，不同接入技術(shù)間的移動(dòng)性，安全和加密，報(bào)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(jié)構(gòu)和功能劃分如圖1所示。
圖1中，BS和接入網(wǎng)關(guān)AGW是已經(jīng)確定的邏輯節(jié)點(diǎn)，虛線(xiàn)表示的RRM服務(wù)器是尚待確定的邏輯節(jié)點(diǎn)。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(hù)面功能。在BS、AGW和RRM三個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的功能框表示已經(jīng)確定歸屬位置的網(wǎng)絡(luò)功能，而邏輯節(jié)點(diǎn)外部的功能框表示尚為確定部署位置的網(wǎng)絡(luò)功能。
目前，LTE基本確認(rèn)用戶(hù)面的報(bào)頭壓縮、用戶(hù)面和非接入層（NAS，Non Access Stratum）的安全功能終結(jié)在AGW，Outer ARQ和RRC功能終結(jié)在Node B。然而，究竟由接入層（AS，Access Stratum）還是非接入層來(lái)控制報(bào)頭壓縮和安全功能目前還沒(méi)有定論。
2.1 控制面研究現(xiàn)狀
為實(shí)現(xiàn)控制面的快速接入，LTE將3G標(biāo)準(zhǔn)中的Detached，RRC Idle，RRC Connected（包括URA_PCH，CELL_PCH，CELL_DCH，CELL_FACH）6種RRC狀態(tài)簡(jiǎn)化為Detached，Standby（LTE_IDLE）和Ready（LTE_ACTIVE）3種狀態(tài)。RRC狀態(tài)用以標(biāo)識(shí)用戶(hù)的占有的接入網(wǎng)資源情況，在3G標(biāo)準(zhǔn)中主要通過(guò)RRC連接、SRB和RAB資源的占有或釋放來(lái)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(chǔ)位置（接入網(wǎng)或核心網(wǎng)）、標(biāo)識(shí)用戶(hù)的UE-Id（IMSI，跟蹤區(qū)域（URA）ID，小區(qū)范圍內(nèi)的C-RNTI，IP地址）、用戶(hù)位置更新頻率（小區(qū)范圍或跟蹤區(qū)域范圍）和移動(dòng)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(diǎn)的不同，LTE R2提出了3種不同的控制面網(wǎng)絡(luò)功能劃分方式：
結(jié)構(gòu)A：Standby和Ready狀態(tài)用戶(hù)都由BS負(fù)責(zé)。
結(jié)構(gòu)B：Standby和Ready狀態(tài)用戶(hù)都由BS之上的集中控制點(diǎn)負(fù)責(zé)。
結(jié)構(gòu)C：Standby狀態(tài)用戶(hù)由集中控制點(diǎn)負(fù)責(zé)，Ready狀態(tài)用戶(hù)由BS負(fù)責(zé)。
2.2 用戶(hù)面研究現(xiàn)狀
LTE采用AGW和BS直聯(lián)的方式以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)面的快速接入，在這種直聯(lián)方式中對(duì)用戶(hù)面接入時(shí)延影響較大的功能包括：IP地址分配、報(bào)頭壓縮和安全性功能的部署位置。
IP地址的主要功能是標(biāo)識(shí)用戶(hù)和尋址（定位用戶(hù)）。在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)若由AGW給用戶(hù)分配臨時(shí)IP地址（Care of Address），用戶(hù)在AGW范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)臨時(shí)IP地址不變，每BS范圍內(nèi)用戶(hù)的IP地址均不連續(xù)。此時(shí)臨時(shí)IP地址僅具有標(biāo)識(shí)用戶(hù)的功能，需要IP隧道輔助實(shí)現(xiàn)定位用戶(hù)的功能。若由BS給用戶(hù)分配臨時(shí)IP地址，則無(wú)需隧道保持的開(kāi)銷(xiāo)，但缺點(diǎn)是信令開(kāi)銷(xiāo)太大。
Motorola在R3-051094[6]和R3-051095[7]中將Mobile IP微移動(dòng)性研究的宏錨點(diǎn)（Macro-Mobility Anchor）和微錨點(diǎn)（Micro-Mobility Anchor）引入到LTE用戶(hù)面的研究中，宏錨點(diǎn)和微錨點(diǎn)可視為具有隧道功能的路由器。宏錨點(diǎn)負(fù)責(zé)AGW范圍內(nèi)用戶(hù)的移動(dòng)性管理，微錨點(diǎn)負(fù)責(zé)URA范圍用戶(hù)的定位，并對(duì)宏錨點(diǎn)屏蔽用戶(hù)在URA范圍內(nèi)的移動(dòng)性管理。R2-052924[8]對(duì)用戶(hù)面可能的隧道終結(jié)點(diǎn)（微錨點(diǎn)或Node B）進(jìn)行了分析，建議將用戶(hù)面終結(jié)在Node B。
報(bào)頭壓縮功能可部署在BS或AGW。若部署在BS端，則僅對(duì)空口信息進(jìn)行壓縮，無(wú)法提高接入網(wǎng)有線(xiàn)信道利用率。若部署在AGW端，可同時(shí)提高空口和接入網(wǎng)有線(xiàn)部分的信道利用率，但在AGW執(zhí)行報(bào)頭壓縮處理，會(huì)增加AGW的負(fù)荷，使其成為影響用戶(hù)面性能的瓶頸。
3、一種控制面和用戶(hù)面完全分離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
本文提出了一種改進(jìn)的3G LTE系統(tǒng)快速無(wú)線(xiàn)接入方法。通過(guò)分離接入網(wǎng)的控制面和用戶(hù)面功能，改進(jìn)方案能夠?qū)崿F(xiàn)Standby狀態(tài)用戶(hù)的快速接入和Ready狀態(tài)用戶(hù)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(gè)AS層自制系統(tǒng)，Node B僅與AGW建立用戶(hù)面和與業(yè)務(wù)QoS相關(guān)的非接入層（NAS）信令連結(jié)。
本方法在用戶(hù)面使用Motorola提出的兩級(jí)錨點(diǎn)方式（AGW到Node B的兩級(jí)隧道）定位用戶(hù)，通過(guò)微錨點(diǎn)向位于AGW內(nèi)的宏錨點(diǎn)屏蔽URA內(nèi)的移動(dòng)性信息，能夠降低AGW的NAS信令負(fù)荷。本文建議的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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(hù)面接口。用戶(hù)通過(guò)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(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)的1，2層處理和Node B范圍內(nèi)的RRM。每Node B有一張其所屬范圍的Ready狀態(tài)用戶(hù)上下文列表，切換時(shí)用戶(hù)上下文將作為控制面資源由RRM服務(wù)器在Node B之間傳遞。由于用戶(hù)平面功能和隧道在Node B終結(jié)，Node B將負(fù)責(zé)用戶(hù)面NAS層與AS層的信令協(xié)商。
RRM服務(wù)器主要負(fù)責(zé)URA范圍內(nèi)Paging消息的發(fā)起、Ready狀態(tài)下URA內(nèi)外的移動(dòng)性管理、跨Node B的RRM和接入網(wǎng)認(rèn)證。
AGW負(fù)責(zé)Standby狀態(tài)下的移動(dòng)性管理（MM），會(huì)話(huà)管理（SM），應(yīng)用層認(rèn)證和加密（Ciphering），計(jì)費(fèi)（Charging），Legal Interception，Deep Packet Inspection。無(wú)論用戶(hù)處于何種RRC連接狀態(tài)，AGW只在URA級(jí)別上知道用戶(hù)的存在，URA范圍內(nèi)的用戶(hù)定位由微錨點(diǎn)負(fù)責(zé)。
3.1 改進(jìn)控制面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)
在改進(jìn)結(jié)構(gòu)中，RRM Server作為接入層信令的終結(jié)點(diǎn)，而AGW作為用戶(hù)面功能的終結(jié)點(diǎn)，由Node B的RRC負(fù)責(zé)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(hù)面分離的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)能夠移動(dòng)用戶(hù)AS和NAS功能的并行切換。當(dāng)用戶(hù)在Ready狀態(tài)進(jìn)行切換時(shí)，AS層切換由RRM服務(wù)器控制在接入網(wǎng)內(nèi)部完成，NAS層切換由AGW內(nèi)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(diǎn)進(jìn)行切換控制，因此改進(jìn)方案能夠?qū)崿F(xiàn)并行切換從而減小了切換時(shí)延。
3.2 改進(jìn)用戶(hù)面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)
本方法在用戶(hù)面通過(guò)AGW到Node B的兩級(jí)隧道定位用戶(hù)。分別為宏錨點(diǎn)＜-＞微錨點(diǎn)和微錨點(diǎn)＜-＞Node B隧道。其中宏錨點(diǎn)負(fù)責(zé)分配用戶(hù)CoA地址，微錨點(diǎn)向宏錨點(diǎn)屏蔽用戶(hù)在URA內(nèi)的移動(dòng)性。微錨點(diǎn)即可作為AGW的內(nèi)嵌對(duì)象實(shí)現(xiàn)，也可單獨(dú)作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。
若宏錨點(diǎn)到Node B采用一層隧道實(shí)現(xiàn)，Ready狀態(tài)用戶(hù)每次跨Node B切換時(shí)，用戶(hù)都需要通知宏錨點(diǎn)修改其地址映射表（用戶(hù)CoA地址＜-＞用戶(hù)所在NodeB＝以定位用戶(hù)。
若宏錨點(diǎn)到Node B采用兩層隧道實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。Ready狀態(tài)用戶(hù)僅在跨URA切換時(shí)需通知兩級(jí)錨點(diǎn)修改映射表；而在同一URA中的切換只需通知微錨點(diǎn)修改CoA地址＜-＞用戶(hù)所在Node B映射表。兩級(jí)分層隧道能將宏錨點(diǎn)的隧道更新信令分散到各微錨點(diǎn)進(jìn)行處理，從而減輕了作為用戶(hù)面集中控制點(diǎn)的AGW的負(fù)擔(dān)。
4、結(jié)論
本文提出了一種用于3G演進(jìn)的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)。
�。�1）結(jié)構(gòu)提出了URA自制系統(tǒng)的概念，在接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了相對(duì)獨(dú)立的控制面和用戶(hù)面，實(shí)現(xiàn)了資源的并行切換，減小了Ready狀態(tài)用戶(hù)的切換時(shí)延。
�。�2）結(jié)構(gòu)在用戶(hù)面引入了分層隧道的思想（通過(guò)AGW到Node B的兩級(jí)隧道定位用戶(hù)），通過(guò)將AGW隧道更新信令分散到各微錨點(diǎn)進(jìn)行處理，能夠降低AGW負(fù)載。
