基于LTE面向專網的小型化核心網設計研究

王 楓

（南京高達軟件有限公司，江蘇 南京 210012）

0 引 言

專網核心網組網設計對于拓展無線網絡技術的應用場景有著重要意義，尤其是小型化核心網組網設計對于部分項目及企業在信息實時共享方面有著重要幫助。鑒于此，本文在深入探討了LTE通信系統基本概念和相關技術的基礎上，認真研究了專網核心網組網的相關內容，以期對當前專網組網設計提供建設性思路。

1 LTE系統技術發展歷史、現狀及特點

1.1 LTE系統技術發展歷史

2004年3GPP開始進行LTE標準化工作，2005年世界各地的五大移動運營商為了便于實現不同頻段部署，在FDD和TDD同時需求的場景上實現了規格差異最小化。2008年3GPP發布了第一版LTE——3GPP Release 8，以單一全球標準支持LTE的FDD和TDD，有效支持了不同頻段的部署。

美國高通公司，2000年在OFDMA領域進行研發，2006年實現了全球首個移動OFDM系統商用，2009年發布了全球首個完整多模3G/LTE集成芯片組解決方案。2012年，中國移動在中國香港推出了LTE FDD/TDD融合網絡。此后，LTE升級為增強型LTE，即LTE-Advance。該技術首先實現載波聚合（Carrier Aggregation，CA），然后完成兩個10 MHz載波的聚合，實現了聚合峰值數據速率150 Mb/s（Cat 4）的效果。LTE-Advanced能夠聚合多達5個載波，以提高所有用戶的用戶數據速率。2013年，韓國的運營商SK電信推出了首個LTE-Advanced商用服務。2009年至2013年全球的LTE網絡用戶數量達0.72億。目前，LTE系統通信技術已經得到非常深入的推廣和廣泛的應用。

1.2 LTE系統技術發展現狀

當前LTE無線網絡通信技術迅猛發展，對應的應用技術不斷豐富，用戶需求不斷得以滿足，LTE無線通信網絡建設進入了一個相對高速發展的階段。從目前來看，LTE系統分為分時長期演進（Time Division Long Term Evolution，TD-LTE）和頻分雙工長期演進（Frequency Division Duplexing Long Term Evolution，FDD-LTE）兩種模式[1]。

根據相關調查可知，目前全球已經提出了多達12個LTE網絡系統。2016年初，商用的LTE無線網絡的國家和地區達126個，相比2015年增長顯著。在目前運行的LTE網絡中，TD-LTE無線網絡數量占比約9.7%，而TD-LTE與FDD-LTE混合組網網絡占比為4.6%，其中采用1.8 GHz頻段的網絡占比42.16%，而其余網絡使用的頻段為800 MHz和2.6 GHz頻段。至2017年，全球已經有581家運營商實現了LTE網絡商用[2]。

根據相關統計所示，95.71%的韓國用戶可連接到LTE網絡系統，92.03%的日本用戶能夠實現同LTE網絡的連接，然而菲律賓和斯里蘭卡等國的連接率低于45%，可見LTE網絡整體發展存在不平衡。截至2018年初，已在58個國家和地區部署了111個TD-LTE商用網絡，其中包括37個TD/ FD-LTE融合網絡。目前，中國移動的TD-LTE用戶達到6.5億。中國第4代網絡通信技術的水平與國際同步，已經在通信網絡方面展現出后發優勢。LTE-TDD通信體系構架如圖1所示。

圖1 LTE-TDD通信體系構架

1.3 LTE系統技術特點分析

LTE通信系統作為當前主流的通信系統，其本身存在諸多優勢。一是控制平面容量大，在5 MHz的帶寬下，每個通信小區能夠至少支持200個用戶的通信過程。二是用戶平面延時小，在小型IP分組情況下，對應的通信時延小于5 ms，在單用戶連接的情況下實現零負載支持。三是覆蓋范圍廣，在5 km范圍內實現頻譜效率、吞吐量以及移動性目標。四是頻譜靈活性高，在上行和下行鏈路中，LTE系統能夠實現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，能夠實現無線接入技術之間的負載均衡[3]。

2 LTE通信系統概述

2.1 LTE系統架構概述

本文所探討的通信系統為LTE系統。目前，LTE系統的雙工方式分為頻分雙工FDD和時分雙工TDD。由于頻譜資源是一類重要的無線通信資源，而基于時分雙工的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系統架構[4]。

對于LTE-TDD系統架構而言，需要采用演進的通用陸基無線接入網（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，E-Utran）構架體系，其對應的總體原則如下[5]。單接口基于該接口控制的實體通信邏輯模型來設計，一個物理網單元涵蓋多個邏輯節點。對于E-UTRAN構架體系接口進行定義時，要盡可能地減少接口功能的劃分數量。無線資源控制（Radio Resource Control，RRC）連接的移動性需完全有E-UTRAN構架體系協調控制，完全區分E-Utran構架和演進型分組核心網（Evolved Packet Core network，EPC）的功能，由此可以得到如圖1所示的LTE-TDD通信體系統架構。由圖1可知，該架構體系中涵蓋了演化型核心網EPC（MME/S-GW）和演化型接入網E-UTRAN，E-UTRAN由演進型結點B（eNode B）組成，且每個eNode B均通過S1接口同演進型核心網EPC之間相連接，而eNode B之間則通過X2接口進行相互連接。S1接口支持多對多連接方式，其用戶終端在移動性管理實體MME上終止，而用戶終端和控制端的另一端在eNode B上終止，由此實現LTE-TDD系統組成。

2.2 SC-FDMA技術概述

單載波頻分多址（Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access，SC-FDMA）技術作為部署在LTE通信系統中的重要無線傳輸技術，是蜂窩技術迅速演進的典型代表。該技術采用單載波調制、離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT）預編碼以及頻域均衡技術，與正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）技術有著很高的近似程度，最大優勢是峰值功率特性優良[6]。對于這一技術而言，典型的接入方案是離散傅里葉變換擴展正交頻分多址（Discrete Fourier Transform-Spread Orthogonal Frequency Division Multiplexing，DFT-SOFDMA）方案，是應用DFT-S-OFDM信號進行網絡接入實施通信的關鍵方式。

根據3GPP規定，SC-FDMA每幀時長為10 ms，并且一個SC-FDMA符號由20個子幀構成[7]。在發送端主要通信鏈路涵蓋循環冗余校驗碼（Cyclic Redundancy Code，CRC）校驗后，進行數據和控制信息的信道編碼、速度匹配、碼塊級聯、數據和控制信息復用、信道交織以及送入物理層基帶處理。這一過程涵蓋添加干擾、映射、預編碼、導頻插入、快速傅立葉反變換（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）以及添加循環前綴，最后通過天線發送。在接收端則是這一過程的逆過程。

3 基于LTE專網核心網組網架構設計

3.1 基于LTE專網核心網功能和技術需求

相較于公網，專網核心網主要面向專業化場景，相應功能呈現專業化特征，并且技術形式更具針對性。在LTE系統的專網組網設計中，要求具備較高的容量和高速的信息共享速度，并且具備多媒體業務和集群通信等相關業務功能[8]。在這些具有針對性的應用功能需求下，LTE專網核心網組網過程需支持移動和會話管理、安全防護和用戶管理以及IP自動分配管理等相關功能。根據這些功能需求，則需要包含音視頻及分組數據據尋呼管理與控制、通信小區移動切換管理、數據承載及交換以及遠程連接維護和功能擴展等核心網技術[9,10]。

3.2 基本設計原則及組網構架設計

3.2.1 基本設計原則

在上述研究基礎上，本文根據當前應用需求并結合TD-LTE進行專網核心網組網架構設計[11]。首先，去除計費系統模塊。D-LTE網絡包括了移動管理實體（Mobile Managenment Entity，MME）、服務網關（Serving GateWay，SGW）、PDN網關（Packet Data Network Gateway，PGW）、歸屬簽約用戶服務器（Home Subscriber Server，HSS）以及負責策略和計費控制單元（Policy and Charging Rules Function，PCRF）。在公網介入中，整個網絡功能使用需要通過用戶費用予以限制。對于專網而言，其網絡構建和使用全均為己方，因此無需進行計費，對此可以省略計費系統模塊，降低網絡開銷。鑒于專網的專用性質，可省略IP連接訪問網絡（IP-Connectivity Access Network，IP-CAN）承載與IP-CAN會話相關的政策信息管理功能，以實現網絡小型化設計。其次，集成HSS網絡單元。專網核心網用戶相比公網用戶規模上要小很多，對此可將HSS網絡單元加載于MME模塊中，以降低HSS網絡單元開銷。再次，組網設計。鑒于專網專用功能設計，相應功能簡單，因此組網架構較為簡單，不需要同其他網絡進行連接，不存在數據業務網關切換，可以進行網關集成設計。最后，簡易便捷的Web管理信息系統設計。專網用戶少，功能少且具有針對性，并且由私人及其單位予以維護，因此降低維護成本顯得極為重要。簡便的管理系統設計可降低維護難度，以降低運營維護成本。

3.2.2 組網構架設計

依據提出的原則，開展基于LTE通信系統的專網核心網組網設計，將LTE核心網系統架構進行非必要功能性簡化，對部分子系統模塊進行刪減、集成以及剝離等處理，得到如圖2所示的專網核心網組網架構。相比公網，設計的網絡去除了PCRF網絡單元，將MME和HSS進行高度融合集成，并整合了SGW和PGW網關功能，從而形成了一個高度集成的小型化網絡系統架構，從而在一定程度上降低了硬件投資和后期運營維護成本。

3.3 基于LTE專網核心網拓展

3.3.1 系統安全性

設計的專網核心網架構是否具有實用價值要看聯通的網絡是否具備安全性。因此，要求對用戶進行權限劃分，并根據不同等級開放不同的功能權限，同時對權限用戶通過有限度的接口變更，以此防止系統參數被修改，從而確保整個網絡信息交互具備有效的安全管控，降低系統被篡改的風險。

3.3.2 網絡功能虛擬化

網絡功能虛擬化是當前在5G通信技術席卷下的新型網絡技術理念。當前主要核心網及其相關設備需在具有特定要求的平臺下運行。進行虛擬化設計就是要分離這種設備運營過程和平臺系統，從而提升設備系統兼容性，實現跨平臺信息管理，提高系統資源整合配置能力。

3.3.3 控制頁面同用戶頁面剝離

控制頁面和用戶頁面進行剝離設計也是當前網絡架構設計的基本理念。設計的專網核心網架構將控制頁面和數據頁面進行了有效分離，有助于在5G通信技術高度發展下進行接入和拓展設計，從而在網絡技術的更新演化中不過多地淘汰昂貴的通信設備，從而降低網絡系統設備維護成本。

4 結 論

專網核心網組網設計是在公網核心網架構的基礎上，結合特定的應用場景進行網絡子模塊的剝離和集成等設計，并對相關技術進行革新和替代，從而形成具有專用功能的易于維護的小型化網絡系統，為相關單位的網絡通信需求提供技術支持。本文結合TD-LTE核心網基礎，針對專網的基本功能需求，從網元結構、組網方式以及易用性上對核心網架構進行裁剪，設計了基于TD-LTE的面向專網的小型化核心網。通過將MME、SGW、PGW以及HSS等網元集中在一個設備上，降低網絡的復雜程度，從而為當前開展專網設計的相關單位開展專網功能性設計提供有效性建設思路。