TDLTE核心网研究与系统优化Word文档格式.docx
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ThisthesisisbasedonTD·
LTEtechnology．InviewoftheEvolvedPacketCorenetworkemergedproblemsandshortageintheapplication，thisthesisusingVMwareESXisystemwithvirtualizationtechnologygivesthesystemoptimization
toComboEPC．ComparedtoComboEPC，thissystem，whichprovidesbetterstability,higherreliability,reducedhardwareinvestment，operationandmaintenanceconvenientandsoon，hasplayedasignificantroleinthepracticalapplication．
Basedonthebackgroundandpurposeofthetask，thisthesisintroducesbasic
knowledgeofLTE．ItexpoundstheoptimizationprojectoftheComboEPCwithVMwareESXisystemthatisbasedonvirtualizationtechnology．T11isthesisgivesusthedetailedanalysisoftheoptimizationprojectandimplementation，aswellasthetestandapplicationofthissystem．
Keywords：
LTEEPCVirtualizationTechnologyVLAN
II
第一章绪论
第一章绪论
第一节课题提出的背景及实际意义
1．1．1LTE技术发展背景
自19世纪90年代马可尼发明无线电通信以来，移动通信技术已经经历了一段相当长的里程。
这其中在20世纪80年代以来，移动通信技术发展更为迅速【l】。
随着20世纪90年代以来GSM等各种移动通信网络在全球范围内的广泛发展，移动通信业务得到了前所未有的巨大成功。
同时，随着人们在工作与交流中对传输数据业务的需求的不断增加，移动通信网络也从GSM网络向GPRS／EDGE和WCDMA／HSDPA网络成功演进。
但从未来的发展趋势来看，随着用户之间的交流更趋多元化，用户体验更加丰富，用户希望移动终端能够提供包括语音、视频、Email等更为广泛的信息支持。
这就要求新的移动通信系统就必须提供更快的传输速率，更稳定的传输过程和更小的传输时延。
为了适应这些需求，由世界各国电信组织共同组成的3GPP（theThirdGeneration
PartnershipProject）标准化组织推出的3G无线接入网的演进系统无线接口长期演进（LongTermEvolution，LTE）和以分组接入核心网为演进方法的系统架构演进（SystemArchitectureEvolution，SAE），这两者共同构成了演进分组系统（EvolvedPacketSystem，EPS）
【21。
1998年6月，我国向国际电信联盟（InternationalTelecommunicationsUnion，
ITU）提交了TD．SCDMA技术方案。
作为我国提出的3G移动通信标准，TD．SCDMA在2000年正式被ITU和3GPP标准化组织接纳，是我国电信技术史上的以此重大突破，目前已经得到国际社会的广泛接受和认可。
随着我国在2009年颁发的3G牌照，国内运营商大力推动我国3G时代的到来，并把LTE作为向4G网络演进的方向。
作为TD．SCDMA的演进技术，TD．LTE研究的深度和广度将直接影响我国在未来移动通信领域的竞争力和话语权，因此，我国需大力支持TD．LTE技术的发展，加快商业化应用进程。
1．1．2LTE技术发展现状
2G／3G有两个主要流派，3GPP和3GPP2，3GPP主要支持GSM、WCDMA及TD—SCDMA技术，3GPP2则主要支持CDMA和CDMAEV-DO技术f22】。
目前，移动无线通信技术主要有三条演进路径：
一是WCDMA和TD．SCDMA，均从HSPA演进只HSPA+，进而到LTE；
二是CDMA2000沿着EV-DOReVO瓜eV：
刖ReVB，三是802．16m的WiMAX路线。
大致过程见图1．1所示。
=120e062007=三2一oos一一确，圜少
图1．1移动无线通信技术的演进路径
为了应对WiMAX等移动通信网络对3G网络的冲击，3GPP组织大力推动LTE技术及其标准化的发展，并于2008年11月冻结了LTERelease8版本，也就意味着LTE规范已经基本完善，主要技术已趋于成熟，这就使得LTE技术已经能够用于商业化部署，进入试验与商用阶段【231。
在电信运营商的大力支持下，各大设备供应商也都把研发资源向LTE相关产品倾斜。
目前，全球已有多个国家部署了商用LTE网络【31。
3GPP标准目前已确定TD．SCDMA的演进技术TD．LTE为唯一基于TDD技术的LTE标准，与国际上LTE商用进程相比，我国的TD．LTE商用试验已经全面启动，TD．LTE必将为我国在移动信息的发展中带来无限的机遇。
而作为TD网络的经营者，中国移动正不遗余力地推动TD．LTE产业的发展进程，目前全国已建立六个大规模试验网，正在进行阶段性测试工作，预计在不久的将来即可投入商用。
2
1．1．3本课题研究的内容及意义
随着TD．LTE试验网大规模测试工作的展开，各种相关产品不断涌现。
在LTE核心网系统设计上，根据不同的设计理念和应用范围出现了两种不同的设计方法，分别为组合式核心网ComboEPC和分布式核心网DistributeEPC。
其中组合式核心网广泛应用于现场测试与LTE系统演示中，是一款模拟的核心网设备。
组合式核心网的这一应用特点就要求其运维方便，能够在不同的测试现场快速的搭建核心网系统环境，并且需要具有操作简单、运行稳定的特点，使现场的测试人员能够方便入手。
本课题根据本人在阿尔卡特朗讯公司实习期间所做的工作，针对组合式核心网在TD．LTE大规模试验网的测试及TD．LTE系统的演示工作中出现的问题，采用服务器虚拟化技术，对其进行创新性设计，对系统性能进行了优化，使其能够具有更好的稳定性，操作简单，运维方便，满足现场测试及演示的需要。
第二节论文内容及结构
本文内容安排如下：
第一章主要介绍了LTE技术发展的背景，分析了时下全球对LTE技术的发
展规划，阐述了我国在TD．LTE标准制定中做出的贡献以及我国现阶段的TD．LTE部署现状，从而引出本课题提出的意义。
第二章主要介绍了LTE网络的技术基础，分析LTE所采用的关键技术，对LTE网络中出现的两种双工模式TDD和FDD作了横向比较，且对LTE系统的网络架构进行了研究，分别对网络架构中的接入网E．UTRAN和核心网EPC作了系统的分析。
第三章对LTE无线接口协议作了详细的分析，包括控制平面协议与控制平面协议的划分，并对S1、X2网络接口协议进行简要的分析。
第四章详细阐述了LTE组合式核心网的系统构成，工作机制以及在实际应用中出现的不足，提出目前较为新颖的虚拟化技术，并对虚拟化技术的实现原理以及服务器虚拟化技术的运用作了详尽的描述，提出运用虚拟化技术对组合式核心网进行优化的方案，并对该方案的具体开发过程和系统配置作了系统的阐述。
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第五章阐述了如何搭建LTE网络平台，先对CompactEPC进行功能测试，检验其是否能实现核心网的功能，然后对CompactEPC进行性能测试，与组合式核心网作对比，检验其是否能满足性能需求。
最后通过一个实际测试现场中
对CompactEPC的应用，描述了其稳定性与可靠性，并降低了核心网的运维成
本。
第六章对本课题研究成果进行总结，并对未来的工作和研究方向进行了展
望。
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第二章LTE技术基础
第一节LTE技术介绍
2．1．1LTE技术特征
3GPP对LTE技术标准进行了详细的阐述，与3G网络相比，LTE不论是在系统性能方面，还是在网络部署与网络架构方面，都有明显的提升，其业务支持能力也有了显著的提高，其主要特征如下：
1．提高了传输速率，下行峰值速率达到100Mbps、上行峰值速率达到
50Mbps：
2．提高了频谱效率，下行链路500it／s）／Hz，（3～4倍于R6版本的HSDPA）：
上行链路2．5（bit／s）／Hz，是R6版本HSUPA的2～3倍；
3．与3G技术包括电路交换域和分组域相比，LTE技术仅支持分组域业务，系统完全基于分组交换，不在保留电路交换域业务；
4．LTE技术具有严格的QoS机制，能够对VoP等实时业务具有很好地支持；
5．LTE的系统原理使得其能够支持多种系统带宽，使系统在实际部署中具有了广泛的灵活性，不论是1．25MHz的窄带宽，还是20MHz的大带宽，LTE都能很好地支持，这就能够对实际网络中的分散频带进行充分的利用，提高了频带利用效率；
6．网络时延有了显著的降低，用户面时延可达到5ms，控制面时延也低于lOOms，明显提高了系统服务质量，为开展实时业务提供了技术支持。
7．提升了小区边界的服务质量，在不增加基站数量和不改变基站位置的情况下能够增加小区边界的比特速率，使用户体验更趋多元化；
8．能够支持现有的3G系统和Wimax等非3GPP规范的系统，具有向下兼
容的特剧41。
LTE技术较之3G技术具有明显的优势，下行100Mbps的峰值速率和上行50Mbps的峰值速率与3G相比有了很大的提升；
仅基于分组的数据传送使系统
5
实现更趋简单；
低时延的特点对实时业务，高用户体验提供了很好地支持：
小区边界速率的提升则使系统的覆盖面得到了广泛的提高；
而向下兼容的技术特征则大大降低了通信设备的更换成本，充分利用现有资源。
2．1．2LTE关键技术LTE中关键技术主要包括物理层传输技术和网络结构两部分【5】：
1．物理层传输技术
1）OFDM传输
为了充分利用信道资源，我们在同一信道中进行多路传输，称之为共享信道，而在共享信道中需要采用信道复用技术来解决信号干扰。
多路复用和多址技术，是对信道资源的一种分割复用和对接受信号的寻址分离技术，即在通信系统的发送端对信道资源进行划分分割，分配给多路或多用户，在同一信道中进行传输；
在接收端，需要把接收到的信号分离开来，恢复出发送端发送的多路或多用户信号【61。
信道复用传输的主要方式有以下四种：
（1）频分复用：
将多路或多用户信号分配在分离的频带上进行复用；
（2）时分复用：
将多路或多用户信号分配在周期性的时间间隔上进行
复用；
（3）码分复用：
将多路或多用户信号配置到某些正交信号上进行复
用：
（4）空分复用：
把空间分割出来将多路或多用户信号进行复用。
作为一种频分复用技术，OFDM是基于正交多载波的，其基本设计思路是：
高速串行数据流通过进行串／并转换，把其分割成大量的低速数据流，对各路数据分别采用独立的载波调制，叠加后进行发送，接收端再根据正交载波的特性对各路信号进行分离【_71。
OFDM与传统的FDM的区别在于，传统的FDM（如图2．1所示）将较宽的频带分成若干个较窄的子载波，然后对这些子载波进行并行发送【8】。
这样就会使得子载波之间发生相互干扰，而为了避免这种干扰，就需要在相邻的子载波之间留出一定的保护间隔。
而OFDM（如图2．2所示）则恰恰是把这些子载
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波重叠分布，同时利用子载波之间的正交性，以避免干扰。
这样不但有效地避免了子载波之间的干扰，也使得频谱效率得到了很大的提高。
图2．1传统FDM频谱
，删、。
图2．2OFDM频谱
目前OFDM技术的应用特点有：
（1）低速并行传输：
经串／并转换后的高速串行数据流，被分割成若干个
低速并行的数据流；
对各路数据分别采用独立的载波调制，叠加后进行发送；
（2）抗多径时延引起的码间干扰：
在OFDM技术中引入循环前缀（CP，
CyclicPrefix），在CP的时问问隔长于信道时延扩展的情况下就可以消除码间干扰的影响；
（3）抗衰落与均衡：
由于OFDM对信道频带的分割作用，每个子载波占据相对窄的信道带宽，因而可以把它看作是平坦衰落的信道，以使OFDM技术具有系统大带宽的抗衰落特性和子载波小带宽的均衡简单的特性；
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（4）多用户调度：
OFDM系统可以利用信道的频率选择性进行多用户的调度，用户可以选择最好的频域资源进行数据传输，从而获得频域调度的多用户分集增益；
（5）基于DFT实现：
离散傅里叶变换（DFT，DiscreteFourierTransform）对OFDM信号进行调制和解调的应用解决了OFDM的技术实现问题。
LTE系统下行多址方式采用正交频分多址（OFDMA），上行为基于正交频分复用（OFDM）传输技术的单载波频分多址（SC．FDMA）。
OFDM系统的优点：
（1）各子信道上的正交调制和解调分别采用离散傅里叶反变换IDFT和
离散傅里叶变换DFT实现，运算量小，实现简单。
（2）OFDM系统可以对上下行链路采用数量不等的子信道，实现上下行
链路的非对称传输。
（3）频率选择性深衰落不会同时出现在所有的子信道中，这样就可以通过对子信道进行动态分配，选择性利用信噪比较高的子信道，系统的性能能够得到显著提升。
OFDM系统的缺点：
（1）对频率偏差敏感：
在传输过程中，由于发射机与接收机频率偏差等
出现的频率偏移，使得子载波之间的正交性被破坏，影响信号质量。
（2）存在较高的峰均kt'
（PARR）：
OFDM调制后对各路子信道进行叠加输
出，当多个信号的相位一致时，叠加后信号的瞬间功率，与平均功率相比，将
大大增加，这将导致较大的峰均比，这就要求发射机PA的具有更高的线性特征，增加了研发发射机的技术难度。
2）多天线技术（MIMO）多天线技术（MIMO）的引入是为了通过多流传输来提高峰值数据速率【6】。
MIMO（MultipleInputMultipleOutput，多输入多输出）泛指在发射端和接收端同时采用多天线，在丰富散射的信道环境下，通过有效地开发信道的空间维，相对传统的单发单收技术，MIMO技术能卓有成效的提高无线通信系统的容量以及传输数据的速率，而不以系统带宽和发射功率为代价，在新一代移动通信系统中，MIMO技术将具有广泛的应用前景。
MIMO技术可通过利用空间信道的相关性实现空间复用，也可被用于获得分集增益从而增加接收端的载干比。
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因此，MIMO技术可用于提高系统性能，不但可以提高系统的容量和提高小区的覆盖范围，还可以提高业务的数据传输速率。
下行MIMO采用空间复用、波束赋形和传输分集等技术，目前MIMO技术下行基本天线配置为2x2，即2天线发送和2天线接收，最大支持4天线进行下行方向四层传输。
上行MIMO技术包括空间复用和传输分集，目前MIMO技术上行基本天线配置为lx2，即1天线发送和2天线接收。
MIMO天线数目为虚拟的天线数目。
2．网络结构
LTE网络节点主要由演进型NodeB和接入网关（MME／SAEGW）组成，演进型NodeB简写为eNodeB或eNB，其网络结构如图2-3所示。
MME／SAEGatewayMME／SAEGateway
』
，0
＼i
eNB
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图2．3LTE扁平化网络结构
9
与传统的3G和2G相比，LTE网元减少了RNC节点，接入网E．UTRAN仅由若干eNodeB构成，RNC的功能由eNodeB和核心网共同完成，这样就不用再对接入节点进行汇集，有效减少网元数目，使网络架构更趋向于扁平化，不但能够简化部署，还能方便维护，有效减少设备成本【9】【10】。
LTE这一扁平化网络结构能够有效降低整体系统时延，从而可以开展更多业务，改善用户体验。
2．1．3LTETDD与FDD比较
在第三代移动通信系统（3G）中，3G频谱被划分为成对频谱和非成对频谱，分别用于实现频分双I（FrequencyDivisionDuplex，FDD）和时分双I（TimeDivisionDuplex，TDD）这两种双工模式。
作为3G技术的演进，LTE的系统不仅需要支持在成对频谱中部署，非成对频谱也应支持。
因此，LTE系统也需要支持FDD和TDD两种双工模式【ll】。
1．FDD与TDD工作原理频分双工（FDD）和时分双工（TDD）是两种不同的双工方式。
FDD双工
方式中，接收和发送上下行信号，是在相互分离的两个对称频率信道上进行。
FDD用保护频段来分离接收和发送信道，以避免上下行信号间的干扰。
FDD在堆成信道上传输的这一特性使得发送信号和接收信号具有同时进行的特点，这样可以有效减少系统时延，提升用户体验。
TDD双工方式中，对分布在相同频带中的上下行信号在时间上进行划分，分别在不同时间段中进行传送。
TDD方式不需要对称频段，可以进行灵活配置，充分利用剩余资源。
2．与FDD双工方式相比，TDD具有如下优势：
1）能够利用零散的频段，使系统资源得到合理化配置；
2）在上下行数据传输不一致的业务中，利用调整上下行时隙转换点，来调整上下行在传输中所占比例，避免系统资源浪费，提升业务质量；
3）上下行信道共用的这一特性，使得基站在接收和发送信号时采用相同的射频模块，大大降低了设备的研发成本和复杂度；
4）TDD上下行共信道的特点对利用智能天线等技术更加便利，并能有效降低终端的复杂性；
5）TDD帧结构继承了TD．SCDMA的帧结构，这为TD．LTE与
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TD．SCDMA两种技术的融合奠定了基础。
但是在实际网络中，考虑到小区之间的上下行干扰问题，LTETDD方式调
整上下行链路间转换点位置的灵活性就会大大削弱。
3．相对于LTETDD，LTETDD的缺点如下：
1）若TDD上下行时隙对称分配，TDD需要在频域上占用更多的带宽；
2）由于TDD的上下行在不同时间段传输，上下行的转换需要消耗一部分时间，增加了时间上的开销，降低了频谱效率；
3）TDD上下行采用同频传输这一特性，使得上下行的干扰与FDD相比更加严重。
基站之间在时间上要求严格同步，上下行切换时间也要严格同步，使得网络成本大大增加。
第二节LTE网络架构分析
2．2．1LTE网络架构概述
LTE网络架构分为两部分，包括演进后的接入网E．UTRAN和演进后的核心网EPC（EvolvedPacketCore），如图2．4所示。
E．UTRAN和EPC共同构成了演进分组系统（EvolvedPacketSystem，EPS）。
演进后的网络不再支持电路交换域，完全基于分组交换，传统语音通信制式网络只是给终端用户提供的服
务之一。
X2C·
X2CplaneSlU·
S’Upaant
X2U·
X2UplaneS1-MME·
S1C纠&
rte
AP·
AccessPoint（forIPcloud）
图2．4LTE网络架构
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EPC和E-UTRAN之间的功能分布如图2．5所示：
一一一一一一一
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