TDLTE核心网研究与系统优化.docx

1、TDLTE核心网研究与系统优化TD-LTE核心网研究与系统优化摘要摘 要随着移动通信技术的快速发展，针对用户对业务带宽、传输时延等多方面 的需求，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。3GPP推出了新的演进技术演进分组系统(Evolved Packet System，EPS)，主要包括无线接12长期演进(Long Term Evolution，LTE)和系统架构演进(System Architecture Evolution，SAE)。其中LTE技术定义了两种双工方式TDD和FDD。LTE网络架构分为两部分，包括演进后的接入网 EUTRAN和演进后的核心

2、网EPC(Evolved Packet Core)。在TDLTE系统测 试中，组合式核心网(Combo EPC)作为一款用于测试和演示中的核心网系统， 发挥了很大的作用。本课题基于TDLTE技术基础，针对组合式核心网在应用中出现的问题与 不足，采用虚拟化技术，以VMware ESXi系统为载体，对组合式核心网进行系 统优化。该系统较组合式核心网具有稳定性好、可靠性高、减少硬件投入及运 维方便等特点，已在实际的应用中发挥了显著的作用。本文在叙述本课题的研究背景和意义的基础上，介绍了LTE网络的基础知 识；阐述了本系统采用Vl1ware ESXi系统的虚拟化技术实现的对组合式核心网 系统的优化方案

3、，并详细分析了该优化方案的设计与实现过程，以及对该系统 的测试与应用。关键词：LTE EPC虚拟化技术VLANAbstractAbstractWitll the rapid development of mobile communication technologyto meet usgrsvarious needs on business bandwidth，transmission delay and so onnew mobile broadband system need to provide faster transmission rate，more stable transmiss

4、ion process and smaller transmission delayThe 3GPP released new evolved technology called Evolved Packet System(EPS)It contains Long Term Evolution(LTE)and System Architecture Evolution(SAE)，thereimo，LTE has two Fullduplex mode include TDD and FDDLTE network architecture is divided intotwo parts，inc

5、luding the evolved access network E-UTRAN and the Evolved PacketCoreFor TD-LTE system test，as a EPC system for testing and demonstration，Combo EPC plays a crucial roleThis thesis is based on TDLTE technologyIn view of the Evolved Packet Core network emerged problems and shortage in the application，t

6、his thesis using VMware ESXi system with virtualization technology gives the system optimizationto Combo EPCCompared to Combo EPC，this system，which provides better stability,higher reliability,reduced hardware investment，operation and maintenance convenient and so on，has played a significant role in

7、 the practical applicationBased on the background and purpose of the task，this thesis introduces basicknowledge of LTEIt expounds the optimization project of the Combo EPC with VMware ESXi system that is based on virtualization technologyT11is thesis gives us the detailed analysis of the optimizatio

8、n project and implementation，as well as the test and application of this systemKeywords：LTE EPC Virtualization Technology VLANII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111 LTE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

9、，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 GPRSEDGE和WCDMAHSDPA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(the Third GenerationPartnership Project)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(Long Term Evol

10、ution，LTE)和以分组接入核心网为演进方法的系统架构 演进(System Architecture Evolution，SAE)，这两者共同构成了演进分组系统 (Evolved Packet System，EPS)【21。1998年6月，我国向国际电信联盟(International Telecommunications Union，ITU)提交了TDSCDMA技术方案。作为我国提出的3G移动通信标准， TDSCDMA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

11、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TDSCDMA的演进技术，TDLTE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TDLTE技术的发展，加快商业化应用进程。第一章绪论112 LTE技术发展现状2G3G有两个主要流派，3GPP和3GPP2，3GPP主要支持GSM、WCDMA 及TDSCDMA技术，3GPP2则主要支持CDMA和CDMA EV-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TDSCDMA， 均从HSPA演进只HSPA+，进而到LTE；二是CDMA2000沿着EV-DO

12、ReVO瓜eV：刖ReVB，三是80216m的WiMAX路线。大致过程见图11所示。=120e06 2007=三2一oos一一确，圜少图11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LTE Release8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

13、定TDSCDMA的演进技术TDLTE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TDLTE商用试验已经 全面启动，TDLTE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TDLTE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第一章绪论113本课题研究的内容及意义随着TDLTE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Combo EPC和分布式核心网D

14、istribute EPC。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TDLTE大规模试验网的测试及TDLTE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

15、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TDLTE标准制定中做出的贡献以及我国现阶段的 TDLTE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EUTRAN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

16、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。3第一章绪论第五章阐述了如何搭建LTE网络平台，先对Compact EPC进行功能测试， 检验其是否能实现核心网的功能，然后对Compact EPC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Compact EPC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

17、望。4第二章LTE技术基础第二章LTE技术基础第一节LTE技术介绍211 LTE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500its)Hz，(34倍于R6版本的HSDPA)： 上行链路25(bits)Hz，是R6版本HSUPA的23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

18、换域业务；4LTE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；5LTE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125MHz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Wim

19、ax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第二章LTE技术基础实现更趋简单；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。212 LTE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

20、，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

21、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21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22所示)则恰恰是把这些子载6第二章LTE技术基础波重叠分布，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

22、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21传统FDM频谱， 删 、。图22 OFDM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，Cyclic Prefix)，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

23、衰落特性和子载波小带宽的均衡简单的特性；7第二章LTE技术基础(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，Discrete Fourier Transform)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(SCFDMA)。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

24、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

25、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(Multiple Input Multiple Output，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

26、被用于获得分集增益从而增加接收端的载干比。8第二章LTE技术基础因此，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Node B和接入网关(MMESAE GW)组成， 演进型Node B简写为eN

27、odeB或eNB，其网络结构如图2-3所示。MMESAE Gateway M M ESAE Gateway，0ieNB瓯图23 LTE扁平化网络结构9第二章LTE技术基础与传统的3G和2G相比，LTE网元减少了RNC节点，接入网EUTRAN 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。213 LTE TDD与FDD比较在第三代移动通信系统(

28、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(Frequency Division Duplex，FDD)和时分双I(Time Division Duplex，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】。1FDD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

29、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

30、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TDSCDMA的帧结构，这为TDLTE与10第二章LTE技术基础TDSCDMA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，LTE TDD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LTE TDD，LTE TDD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

31、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221 LTE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EUTRAN和演进后的核 心网EPC(Evolved Packet Core)，如图24所示。EUTRAN和EPC共同构成 了演进分组系统(Evolved Packet System，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。X2CX2Cplane SlUSUpaantX2UX2 Uplane S1-MMES1 C纠&rteAPAccess Point(for IP cloud)图24LTE网络架构11第二章LTE技术基础EPC和E-UTRAN之间的功能分布如图25所示：一一一一一一一