基于LTE面向?qū)＞W(wǎng)的小型化核心網(wǎng)設(shè)計(jì)研究

王 楓

（南京高達(dá)軟件有限公司，江蘇 南京 210012）

0 引 言

專(zhuān)網(wǎng)核心網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)對(duì)于拓展無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景有著重要意義，尤其是小型化核心網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)對(duì)于部分項(xiàng)目及企業(yè)在信息實(shí)時(shí)共享方面有著重要幫助。鑒于此，本文在深入探討了LTE通信系統(tǒng)基本概念和相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，認(rèn)真研究了專(zhuān)網(wǎng)核心網(wǎng)組網(wǎng)的相關(guān)內(nèi)容，以期對(duì)當(dāng)前專(zhuān)網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)提供建設(shè)性思路。

1 LTE系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及特點(diǎn)

1.1 LTE系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展歷史

2004年3GPP開(kāi)始進(jìn)行LTE標(biāo)準(zhǔn)化工作，2005年世界各地的五大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商為了便于實(shí)現(xiàn)不同頻段部署，在FDD和TDD同時(shí)需求的場(chǎng)景上實(shí)現(xiàn)了規(guī)格差異最小化。2008年3GPP發(fā)布了第一版LTE——3GPP Release 8，以單一全球標(biāo)準(zhǔn)支持LTE的FDD和TDD，有效支持了不同頻段的部署。

美國(guó)高通公司，2000年在OFDMA領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)，2006年實(shí)現(xiàn)了全球首個(gè)移動(dòng)OFDM系統(tǒng)商用，2009年發(fā)布了全球首個(gè)完整多模3G/LTE集成芯片組解決方案。2012年，中國(guó)移動(dòng)在中國(guó)香港推出了LTE FDD/TDD融合網(wǎng)絡(luò)。此后，LTE升級(jí)為增強(qiáng)型LTE，即LTE-Advance。該技術(shù)首先實(shí)現(xiàn)載波聚合（Carrier Aggregation，CA），然后完成兩個(gè)10 MHz載波的聚合，實(shí)現(xiàn)了聚合峰值數(shù)據(jù)速率150 Mb/s（Cat 4）的效果。LTE-Advanced能夠聚合多達(dá)5個(gè)載波，以提高所有用戶的用戶數(shù)據(jù)速率。2013年，韓國(guó)的運(yùn)營(yíng)商SK電信推出了首個(gè)LTE-Advanced商用服務(wù)。2009年至2013年全球的LTE網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量達(dá)0.72億。目前，LTE系統(tǒng)通信技術(shù)已經(jīng)得到非常深入的推廣和廣泛的應(yīng)用。

1.2 LTE系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)迅猛發(fā)展，對(duì)應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)不斷豐富，用戶需求不斷得以滿足，LTE無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)高速發(fā)展的階段。從目前來(lái)看，LTE系統(tǒng)分為分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)（Time Division Long Term Evolution，TD-LTE）和頻分雙工長(zhǎng)期演進(jìn)（Frequency Division Duplexing Long Term Evolution，F(xiàn)DD-LTE）兩種模式[1]。

根據(jù)相關(guān)調(diào)查可知，目前全球已經(jīng)提出了多達(dá)12個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。2016年初，商用的LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的國(guó)家和地區(qū)達(dá)126個(gè)，相比2015年增長(zhǎng)顯著。在目前運(yùn)行的LTE網(wǎng)絡(luò)中，TD-LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)量占比約9.7%，而TD-LTE與FDD-LTE混合組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)占比為4.6%，其中采用1.8 GHz頻段的網(wǎng)絡(luò)占比42.16%，而其余網(wǎng)絡(luò)使用的頻段為800 MHz和2.6 GHz頻段。至2017年，全球已經(jīng)有581家運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)了LTE網(wǎng)絡(luò)商用[2]。

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)所示，95.71%的韓國(guó)用戶可連接到LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，92.03%的日本用戶能夠?qū)崿F(xiàn)同LTE網(wǎng)絡(luò)的連接，然而菲律賓和斯里蘭卡等國(guó)的連接率低于45%，可見(jiàn)LTE網(wǎng)絡(luò)整體發(fā)展存在不平衡。截至2018年初，已在58個(gè)國(guó)家和地區(qū)部署了111個(gè)TD-LTE商用網(wǎng)絡(luò)，其中包括37個(gè)TD/ FD-LTE融合網(wǎng)絡(luò)。目前，中國(guó)移動(dòng)的TD-LTE用戶達(dá)到6.5億。中國(guó)第4代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的水平與國(guó)際同步，已經(jīng)在通信網(wǎng)絡(luò)方面展現(xiàn)出后發(fā)優(yōu)勢(shì)。LTE-TDD通信體系構(gòu)架如圖1所示。

圖1 LTE-TDD通信體系構(gòu)架

1.3 LTE系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)分析

LTE通信系統(tǒng)作為當(dāng)前主流的通信系統(tǒng)，其本身存在諸多優(yōu)勢(shì)。一是控制平面容量大，在5 MHz的帶寬下，每個(gè)通信小區(qū)能夠至少支持200個(gè)用戶的通信過(guò)程。二是用戶平面延時(shí)小，在小型IP分組情況下，對(duì)應(yīng)的通信時(shí)延小于5 ms，在單用戶連接的情況下實(shí)現(xiàn)零負(fù)載支持。三是覆蓋范圍廣，在5 km范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻譜效率、吞吐量以及移動(dòng)性目標(biāo)。四是頻譜靈活性高，在上行和下行鏈路中，LTE系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同頻譜之間的分配，主要分配頻譜帶寬在1.25 MHz、3 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz以及 20 MHz等 7種頻譜。五是無(wú)線資源管理高效化，在端到端的QoS能夠高效支持高層傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線接入技術(shù)之間的負(fù)載均衡[3]。

2 LTE通信系統(tǒng)概述

2.1 LTE系統(tǒng)架構(gòu)概述

本文所探討的通信系統(tǒng)為L(zhǎng)TE系統(tǒng)。目前，LTE系統(tǒng)的雙工方式分為頻分雙工FDD和時(shí)分雙工TDD。由于頻譜資源是一類(lèi)重要的無(wú)線通信資源，而基于時(shí)分雙工的LTE-TDD能夠充分利用頻譜資源，相比LTE-FDD具有更高的頻譜利用率，因此首先需要分析LTE-TDD系統(tǒng)架構(gòu)[4]。

對(duì)于LTE-TDD系統(tǒng)架構(gòu)而言，需要采用演進(jìn)的通用陸基無(wú)線接入網(wǎng)（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，E-Utran）構(gòu)架體系，其對(duì)應(yīng)的總體原則如下[5]。單接口基于該接口控制的實(shí)體通信邏輯模型來(lái)設(shè)計(jì)，一個(gè)物理網(wǎng)單元涵蓋多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)。對(duì)于E-UTRAN構(gòu)架體系接口進(jìn)行定義時(shí)，要盡可能地減少接口功能的劃分?jǐn)?shù)量。無(wú)線資源控制（Radio Resource Control，RRC）連接的移動(dòng)性需完全有E-UTRAN構(gòu)架體系協(xié)調(diào)控制，完全區(qū)分E-Utran構(gòu)架和演進(jìn)型分組核心網(wǎng)（Evolved Packet Core network，EPC）的功能，由此可以得到如圖1所示的LTE-TDD通信體系統(tǒng)架構(gòu)。由圖1可知，該架構(gòu)體系中涵蓋了演化型核心網(wǎng)EPC（MME/S-GW）和演化型接入網(wǎng)E-UTRAN，E-UTRAN由演進(jìn)型結(jié)點(diǎn)B（eNode B）組成，且每個(gè)eNode B均通過(guò)S1接口同演進(jìn)型核心網(wǎng)EPC之間相連接，而eNode B之間則通過(guò)X2接口進(jìn)行相互連接。S1接口支持多對(duì)多連接方式，其用戶終端在移動(dòng)性管理實(shí)體MME上終止，而用戶終端和控制端的另一端在eNode B上終止，由此實(shí)現(xiàn)LTE-TDD系統(tǒng)組成。

2.2 SC-FDMA技術(shù)概述

單載波頻分多址（Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access，SC-FDMA）技術(shù)作為部署在LTE通信系統(tǒng)中的重要無(wú)線傳輸技術(shù)，是蜂窩技術(shù)迅速演進(jìn)的典型代表。該技術(shù)采用單載波調(diào)制、離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT）預(yù)編碼以及頻域均衡技術(shù)，與正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）技術(shù)有著很高的近似程度，最大優(yōu)勢(shì)是峰值功率特性優(yōu)良[6]。對(duì)于這一技術(shù)而言，典型的接入方案是離散傅里葉變換擴(kuò)展正交頻分多址（Discrete Fourier Transform-Spread Orthogonal Frequency Division Multiplexing，DFT-SOFDMA）方案，是應(yīng)用DFT-S-OFDM信號(hào)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入實(shí)施通信的關(guān)鍵方式。

根據(jù)3GPP規(guī)定，SC-FDMA每幀時(shí)長(zhǎng)為10 ms，并且一個(gè)SC-FDMA符號(hào)由20個(gè)子幀構(gòu)成[7]。在發(fā)送端主要通信鏈路涵蓋循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（Cyclic Redundancy Code，CRC）校驗(yàn)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信息的信道編碼、速度匹配、碼塊級(jí)聯(lián)、數(shù)據(jù)和控制信息復(fù)用、信道交織以及送入物理層基帶處理。這一過(guò)程涵蓋添加干擾、映射、預(yù)編碼、導(dǎo)頻插入、快速傅立葉反變換（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）以及添加循環(huán)前綴，最后通過(guò)天線發(fā)送。在接收端則是這一過(guò)程的逆過(guò)程。

3 基于LTE專(zhuān)網(wǎng)核心網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 基于LTE專(zhuān)網(wǎng)核心網(wǎng)功能和技術(shù)需求

相較于公網(wǎng)，專(zhuān)網(wǎng)核心網(wǎng)主要面向?qū)I(yè)化場(chǎng)景，相應(yīng)功能呈現(xiàn)專(zhuān)業(yè)化特征，并且技術(shù)形式更具針對(duì)性。在LTE系統(tǒng)的專(zhuān)網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)中，要求具備較高的容量和高速的信息共享速度，并且具備多媒體業(yè)務(wù)和集群通信等相關(guān)業(yè)務(wù)功能[8]。在這些具有針對(duì)性的應(yīng)用功能需求下，LTE專(zhuān)網(wǎng)核心網(wǎng)組網(wǎng)過(guò)程需支持移動(dòng)和會(huì)話管理、安全防護(hù)和用戶管理以及IP自動(dòng)分配管理等相關(guān)功能。根據(jù)這些功能需求，則需要包含音視頻及分組數(shù)據(jù)據(jù)尋呼管理與控制、通信小區(qū)移動(dòng)切換管理、數(shù)據(jù)承載及交換以及遠(yuǎn)程連接維護(hù)和功能擴(kuò)展等核心網(wǎng)技術(shù)[9,10]。

3.2 基本設(shè)計(jì)原則及組網(wǎng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

3.2.1 基本設(shè)計(jì)原則

在上述研究基礎(chǔ)上，本文根據(jù)當(dāng)前應(yīng)用需求并結(jié)合TD-LTE進(jìn)行專(zhuān)網(wǎng)核心網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)[11]。首先，去除計(jì)費(fèi)系統(tǒng)模塊。D-LTE網(wǎng)絡(luò)包括了移動(dòng)管理實(shí)體（Mobile Managenment Entity，MME）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Serving GateWay，SGW）、PDN網(wǎng)關(guān)（Packet Data Network Gateway，PGW）、歸屬簽約用戶服務(wù)器（Home Subscriber Server，HSS）以及負(fù)責(zé)策略和計(jì)費(fèi)控制單元（Policy and Charging Rules Function，PCRF）。在公網(wǎng)介入中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能使用需要通過(guò)用戶費(fèi)用予以限制。對(duì)于專(zhuān)網(wǎng)而言，其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和使用全均為己方，因此無(wú)需進(jìn)行計(jì)費(fèi)，對(duì)此可以省略計(jì)費(fèi)系統(tǒng)模塊，降低網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)。鑒于專(zhuān)網(wǎng)的專(zhuān)用性質(zhì)，可省略IP連接訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)（IP-Connectivity Access Network，IP-CAN）承載與IP-CAN會(huì)話相關(guān)的政策信息管理功能，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)小型化設(shè)計(jì)。其次，集成HSS網(wǎng)絡(luò)單元。專(zhuān)網(wǎng)核心網(wǎng)用戶相比公網(wǎng)用戶規(guī)模上要小很多，對(duì)此可將HSS網(wǎng)絡(luò)單元加載于MME模塊中，以降低HSS網(wǎng)絡(luò)單元開(kāi)銷(xiāo)。再次，組網(wǎng)設(shè)計(jì)。鑒于專(zhuān)網(wǎng)專(zhuān)用功能設(shè)計(jì)，相應(yīng)功能簡(jiǎn)單，因此組網(wǎng)架構(gòu)較為簡(jiǎn)單，不需要同其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，不存在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)切換，可以進(jìn)行網(wǎng)關(guān)集成設(shè)計(jì)。最后，簡(jiǎn)易便捷的Web管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)。專(zhuān)網(wǎng)用戶少，功能少且具有針對(duì)性，并且由私人及其單位予以維護(hù)，因此降低維護(hù)成本顯得極為重要。簡(jiǎn)便的管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)可降低維護(hù)難度，以降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

3.2.2 組網(wǎng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

依據(jù)提出的原則，開(kāi)展基于LTE通信系統(tǒng)的專(zhuān)網(wǎng)核心網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)，將LTE核心網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行非必要功能性簡(jiǎn)化，對(duì)部分子系統(tǒng)模塊進(jìn)行刪減、集成以及剝離等處理，得到如圖2所示的專(zhuān)網(wǎng)核心網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)。相比公網(wǎng)，設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)去除了PCRF網(wǎng)絡(luò)單元，將MME和HSS進(jìn)行高度融合集成，并整合了SGW和PGW網(wǎng)關(guān)功能，從而形成了一個(gè)高度集成的小型化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，從而在一定程度上降低了硬件投資和后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

3.3 基于LTE專(zhuān)網(wǎng)核心網(wǎng)拓展

3.3.1 系統(tǒng)安全性

設(shè)計(jì)的專(zhuān)網(wǎng)核心網(wǎng)架構(gòu)是否具有實(shí)用價(jià)值要看聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)是否具備安全性。因此，要求對(duì)用戶進(jìn)行權(quán)限劃分，并根據(jù)不同等級(jí)開(kāi)放不同的功能權(quán)限，同時(shí)對(duì)權(quán)限用戶通過(guò)有限度的接口變更，以此防止系統(tǒng)參數(shù)被修改，從而確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息交互具備有效的安全管控，降低系統(tǒng)被篡改的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化是當(dāng)前在5G通信技術(shù)席卷下的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)理念。當(dāng)前主要核心網(wǎng)及其相關(guān)設(shè)備需在具有特定要求的平臺(tái)下運(yùn)行。進(jìn)行虛擬化設(shè)計(jì)就是要分離這種設(shè)備運(yùn)營(yíng)過(guò)程和平臺(tái)系統(tǒng)，從而提升設(shè)備系統(tǒng)兼容性，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)信息管理，提高系統(tǒng)資源整合配置能力。

3.3.3 控制頁(yè)面同用戶頁(yè)面剝離

控制頁(yè)面和用戶頁(yè)面進(jìn)行剝離設(shè)計(jì)也是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的基本理念。設(shè)計(jì)的專(zhuān)網(wǎng)核心網(wǎng)架構(gòu)將控制頁(yè)面和數(shù)據(jù)頁(yè)面進(jìn)行了有效分離，有助于在5G通信技術(shù)高度發(fā)展下進(jìn)行接入和拓展設(shè)計(jì)，從而在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的更新演化中不過(guò)多地淘汰昂貴的通信設(shè)備，從而降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)成本。

4 結(jié) 論

專(zhuān)網(wǎng)核心網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)是在公網(wǎng)核心網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合特定的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)子模塊的剝離和集成等設(shè)計(jì)，并對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行革新和替代，從而形成具有專(zhuān)用功能的易于維護(hù)的小型化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為相關(guān)單位的網(wǎng)絡(luò)通信需求提供技術(shù)支持。本文結(jié)合TD-LTE核心網(wǎng)基礎(chǔ)，針對(duì)專(zhuān)網(wǎng)的基本功能需求，從網(wǎng)元結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)方式以及易用性上對(duì)核心網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行裁剪，設(shè)計(jì)了基于TD-LTE的面向?qū)＞W(wǎng)的小型化核心網(wǎng)。通過(guò)將MME、SGW、PGW以及HSS等網(wǎng)元集中在一個(gè)設(shè)備上，降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，從而為當(dāng)前開(kāi)展專(zhuān)網(wǎng)設(shè)計(jì)的相關(guān)單位開(kāi)展專(zhuān)網(wǎng)功能性設(shè)計(jì)提供有效性建設(shè)思路。