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LTE Small Cell网关及虚拟网关技术研究 [复制链接]

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发表于 2015-12-12 17:41:50 |显示全部楼层
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1帅福利 ,2曾肖玲                          

(1.京信通信技术(广州)有限公司,广东 广州 510663;      

2.广州奔步电脑有限公司,广东 广州 510700)

【摘  要】首先描述了一种Small  Cell系统组网方法以及消息传递过程,具体包括:通过资源调度设备建立消息传输过程中需要的各种资源的映射关系,当消息到达时,只需在资源调度设备中查找所需的资源,就可以确定消息的传输目标。随后验证了以下结论:通过增加虚拟基站,可以在原来的设备中注册更多的HeNB ;通过增加虚拟网关,可以在原来的设备中注册更多的MME  POOL ;用户终端能够通过HeNB接入到网关,并接入核心网,完成终端信令传送。

【关键词】       LTE    Small Cell    虚拟网关    MME POOL

1  引言
随着无线通信技术的发展,基于Femto Cell和Small Cell等LTE HeNB(Home evolved Node B,微型基站)架构系统部署HeNB GW(Home evolved Node B Gateway,微型基站网关)可实现安全接入和S1接口汇聚。但是为了完成不同服务区大量HeNB接入到不同核心网,需要将物理网关虚拟成多个逻辑网关(即虚拟网关),从而实现多个核心网接入和宏微小区切换的功能。

2 Small Cell系统概述
根据3GPP 36.300,LTE Femto Cell和Small Cell 系统主要由HeNB和HeNB GW组成,其中HeNB GW与MME/S-GW通过S1接口建立连接,HeNB与HeNB(或eNB)之间通过X2接口建立连接,HeNB与HeNB GW之间也为S1接口。


2.1 S1接口概述
S1接口包括信令面S1-MME和媒体面S1-U,S1-MME在IP协议之上承载SCTP和S1AP协议,主要实现UE相关信令和非UE相关信令的处理。S1-U在IP协议之上承载UDP和GTP-U协议,主要实现媒体面数据(FTP、流媒体以及视频等相关数据)在eNodeB和
S-GW之间的传送。

2.2 X2接口概述
X2接口分为信令面和媒体面,其中信令面在IP协议之上承载SCTP和X2AP,实现基站与基站之间的信令交换。媒体面实现eNB之间的传送用户数据,在IP协议之上承载UDP和GTP-U协议。
2.3 MME/S-GW介绍
MME是核心网的控制设备,主要包括接入控制、移动性管理、会话管理、网元选择和存储用户承载信息,S-GW位于用户平面,是基站侧的网关,包括会话管理、路由选择、数据转发、Qos控制、计费和信息存储。
2.4 eNB和HeNB介绍
eNB是宏站设备,HeNB是微型基站设备,主要完成用户终端(UE)的接入控制、小区无线资源管理以及移动性管理等功能。


3 Small Cell网关
LTE Femto Cell和Small Cell等微型基站网关的作用是增加HeNB和EPC之间S1接口的扩展性,从MME来看HeNB GW是一个eNB,而从HeNB角度看,HeNB GW是一个MME(Mobility Management Entity,移动管理实体)。
3.1 功能概述
HeNB GW的S1接口实现汇聚功能,完成终端设备(UE)与MME通信的信令,将多个HeNB信令链路汇聚成一条信令链路;网关实现信令路由转发功能,对于HeNB发送到MME的信令,网关接收到后通过特定的信令链路路由到MME,对于MME发送到HeNB的信令,网关接收到后,能够转发到对应的HeNB。
3.2 关键技术分析
根据3GPP S1AP协议规定,宏站唯一标识为eNB ID,占用20bit;宏站小区唯一标识为cell ID,占用28bit,前20bit与eNB ID相同,最多有256个小区,而HeNB的eNB ID和cell ID一致都为28bit,HeNB GW在MME看来是宏站,HeNB是小区。依据实际组网,每个MME/S-GW服务的区域(TAC)不同,多个宏站(或HeNB GW)可以为同一个或不同的TAC服务。根据3GPP S1AP规定,当UE发生小区切换时,会携带目标eNB ID(20位)和cell ID(28位,其前20位为eNB ID),因此存在着当HeNB直接注册到MME时,因使用的目标eNB ID为28位而导致MME无法找到对应的目标基站,无法完成小区切换的情况。当HeNB注册到网关,MME根据目标eNB ID(20位)可以找到对应的网关,那么网关再根据目标cell ID找到对应的HeNB,但此时最多可接256个HeNB,容量无法满足。采用虚拟网关的技术后,HeNB的接入容量得到提高,小区切换问题也得以解决。


4 Small Cell虚拟网关技术分析
虚拟网关技术主要是将网关划分成虚拟基站、虚拟网关、资源调度管理和配置管理4个模块。每个虚拟基站申请20bit的eNB ID,其下HeNB为小区;虚拟网关使用同一个IP地址和不同协议端口号与不同TAC的MME建立S1连接,将UE消息交给不同的MME;而资源调度管理模块根据MME服务的TAC以及eNB ID之间的关系,查找UE消息路由;配置管理模块完成HeNB GW相关信息的配置。
4.1 原理分析
虚拟网关的原理及组网结构如图1所示。
实现方法和步骤如下:

(1)HeNB注册(携带信息为eNB ID和TAC),每个HeNB都执行注册过程(协议规定),建立HeNB中eNB ID与虚拟基站ID和TAC的关系。
(2)虚拟网关注册,使用宏站注册消息,事先设置MME端的IP地址和MME服务的区域,MME1的IP为IP1,MME2的IP为IP2,建立SCTP连接、TAC以及虚拟基站ID的对应关系。
(3)UE附着、去附着、小区切换、位置更新和寻呼等消息都要通过HeNB经过虚拟基站及虚拟网关,最后到达MME,反之消息从MME到虚拟网关和虚拟基站,最后经HeNB再到UE。

4.2 切换技术分析
UE从宏站切换到HeNB GW下HeNB时,宏切换无法识别对方是HeNB小区,所以携带目标基站ID为20bit,目标小区ID为28bit,MME根据20bit的eNB ID,将切换请求转发给网关,虚拟网关根据切换请求消息中28位的目标小区ID,将消息通过虚拟基站发送
给HeNB,完成切换。
UE从HeNB GW下切换到宏站时,切换请求携带目标基站ID为28位,目标小区ID为28位,网关将消息中28位的目标基站ID替换为20bit,然后转发给MME,完成切换。


5  结束语
随着LTE网络技术的日益成熟以及Small Cell系统的规模化应用,微型基站网关(HeNB GW)在移动通信系统成为不可缺少的网元,虚拟网关技术可以简化网络拓扑,减轻核心网的负荷。
参考文献:
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帅福利:高级工程师,硕士毕业于华南理工大学,现任京信通信技术(广州)有限公司业务软件部经理,主要从事网络通信技术、软件技术以及LTE核心侧网络技术等工作,主导研发出LTE多款网络侧设备并申请专利10多项。

曾肖玲:中级工程师,毕业于中南民族大学,现任广州奔步电脑有限公司测试主管,主要从事软件测试以及基于用户图形界面的功能、性能和自动化测试等工作。


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