LTE核心網技術研究及網絡建設分析

王青山??

【摘要】LTE作為3G后續演進技術，具有高速度、低延時的技術特性，LTE時代的移動通信核心網絡將采用EPC網絡承載。面對技術發展，如何做好移動核心網絡規劃設計十分重要。本文“LTE核心網技術研究與網絡建設分析”涉及的內容涵蓋了LTE/EPC基本原理、總體架構、業務模型、規劃流程、網元規劃等內容，并給LTE/EPC網絡建設時的配置建議，對LTE/EPC的建設具有重要的理論與實踐指導意義。

【關鍵詞】LTE；核心網；網絡規劃；建設方案

Research and network construction analysis of LTE core network

Wang Qing-shan

（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710075）

【Abstract】LTE， as the successor to 3G， has a high speed and low latency technology. The mobile communication core network of LTE era will be carried by EPC network. In the face of technological development， it is very important to design and design the core network. This article "LTE core network technology research and analysis of network construction of the involved content covers the basic principle， overall architecture and LTE/EPC business model， the planning process， planning network elements， such as content， and to LTE/EPC network configuration advice， on construction of LTE/EPC has important theoretical and practical significance.

【Key words】LTE；Core network；Network planning；Construction plan

1. 前言

（1）近年來，全球范圍內信息技術創新不斷加快，信息領域新產品、新服務、新業態大量涌現，不斷激發新的消費需求，成為日益活躍的消費熱點。隨著我國通信行業的快速發展，以及智能手機的普遍應用，用戶對高速上網業務的需求越來越明顯，話音業務需求日益趨于飽和，數據業務收入將成為電信行業收入增長的重要來源，移動互聯網的快速發展將驅動移動寬帶需求。

（2）隨著移動寬帶網絡向LTE演進，在LTE的演進和運營中，如何才能實現2G和3G網絡向LTE的平滑演進，如何實現現有網絡和新建網絡的互通，如何向用戶提供一致的業務，成為運營商的焦點。正是在此需求下，3 GPP在關注無線接入網演進的同時，也開展了分組核心網架構的演進工程，并將其定義為EPC。

（3）作為與LTE同步發展的技術，EPC的架構更加符合未來移動通信網絡的發展需要，能夠在提升網絡性能的同時，滿足用戶日益增長的業務需求，從而進一步提升運營商的競爭力。相較于2G， 3G時代的核心網，EPC具有幾大顯著特征：

（4）首先，控制面與用戶面完全分離，網絡趨向扁平化。在網絡流量激增的趨勢下，單用戶的數據流量和高速接入用戶數的雙邊增長，使用戶面的吞吐能力成為移動分組網絡設備的主要瓶頸，并且帶來了大量的網絡投資，而如果在分組核心網中實現了控制面和用戶面的分離，只需對網絡節點提供用戶面處理，就能優化用戶面的性能，并且節約其他網絡節點和承載網的投資。其次，支持3 GPP與非3 GPP（如Wi-Fi， WiMAX等）的多種方式的接入，并支持用戶在3 GPP網絡和非3 GPP網絡之間的漫游和切換。這種支持多種接入的架構給運營商的全業務運營帶來極大的便利，不僅使得網絡的結構更加簡單，降低網絡運營成本，同時還可以實現各種接入方式之間的無縫移動性，給用戶帶來更加良好的業務體驗。最后，核心網中不再有電路域，EPC成為移動電信業務的基本承載網絡。今天，全網IP化己經成為一種必然趨勢，運營商正在加快移動核心網的IP化演進步伐，而如果實現了電路域的消除，就意味著無論是話音還是數據業務都將由分組網絡承載，實現了移動核心網的全IP化。

（5）由于EPC在網絡中處于核心地位，完成用戶的信息管理、呼叫控制與交換、媒體匯聚、業務觸發和網絡互通等重要功能，同時相比于無線接入設備，EPC設備覆蓋面更廣，地位更重要，影響范圍更大。同時電信網絡生命周期長，投資大，EPC平穩有序的演進至關重要。而且EPC發展到現在，網絡日趨復雜，技術快速演進，EPC建網的難度和風險在不斷增加，這些都使得EPC的網絡規劃日顯重要。

2. 本文主要研究的工作內容

（1） LTE/EPC架構和功能。

闡述LTE/EPC網絡架構、網元功能和規劃基礎，并在后續分網元建設方案以及網絡進行研究。

（2） LTE/EPC網絡規劃方案。

對用戶規模進行了預測，根據LTE預測結果，闡明了將采用與現有 2G/3G 核心網融合的方式建設 EPC 核心網，總結出具體的LTE/EPC網絡規劃方案。

（3）對 LTE/EPC網絡研究的總結與展望。

總結了全文的研究成果并對今后的研究方向進行了探討。endprint

3. LTE/EPC架構和功能

3.1LTE核心網（EPC）架構中，控制與承載相分離，主要由移動管理設備（MME）、域名服務器（DNS）、計費網關（CG）、服務網關（S-GW）、分組數據網網關（P-GW）、歸屬簽約用戶服務器（HSS）、策略和計費控制單元（PCRF，）等功能單元組成。其中，S-GW和P-GW可分設亦可合設，EPC架構如圖1和圖2所示。

其中LTE核心網中各主要網元功能如下：

3.2MME：主要負責信號處理和移動性管理。

主要功能包括：

（1）NAS信令和安全；

（2）TA列表的管理；

（3）以合理的方式選擇P-GW和S-GW；

（4）MME的選擇（跨MME切換時）；

（5）接入2/3G切換過程中選擇SGSN；

（6）漫游控制、承載管理和鑒權；

（7）信令面監聽、核心網節點之間的移動性管理等；

SAE-GW：由S-GW和P-GW組成。

P-GW與分組數據網（PDN）連接；S-GW面向eNodeB負責數據處理，作為終結S1-U接口的網關；S-GW和P-GW承載用戶面數據，接受MME的控制。

3.3S-GW的主要功能包括：

（1）當eNodeB間切換時，作為基站局部錨點和幫助完成基站重新排序的功能；

（2）在3GPP切換移動錨點不同接入系統之間（在S4接口和2G/3G系統和P-GW實現服務路由），合法攔截和分組路由和傳遞；

（3）根據每個UE和PDN和QCI上行鏈路和下行鏈路相關計費等；

3.4P-GW的主要功能包括：

（1）分組數據包的路由和轉發；

（2）3GPP和非3GPP網絡之間的錨固作用；

（3）IP地址分配的問題，訪問外部PDN網關功能；

（4）計費和服務質量策略執行功能；

（5）基于業務的會計費職能；

（6）在上行數據分組中傳輸級標記；

（7）上行和下行業務級計費和服務水平門限控制；業務上、下行速率控制等；

3.5存儲用戶簽名信息的數據庫（HSS）主要功能包括：

（1）用戶存儲相關信息；

（2）合同數據管理和認證，如用戶接入網類型的限制，用戶的APN信息，計費信息管理；

（3）支持多種卡和各種認證；實現不同于子系統呼叫會話控制和管理互通實體等；

3.6策略和計費控制單元（PCRF）主要功能包括：

（1）用戶、收費策略的控制功能；

（2）用戶簽約數據管理功能；

（3）事件觸發條件定制功能；

（4）流量優先級和沖突管理功能；

（5）QoS功能、網絡安全功能；

（6）IP-CAN承載與IP-CAN會話相關的政策信息管理功能。

（7）PCRF也可用于無限的每月帶寬限制濫用；

（8）高端用戶的帶寬保證，保證高質量服務的服務質量；

（9）計費政策的動態配置，內容收費；

3.73GPPR8版本的CG：在EPC架構中S-GW和P-GW作為計費節點，S-GW產生計費信息類似 SGSN；P-GW產生類似GGSN的計費信息。計費話單通過計費點發送給計費網關CG，由CG 完成話單錯誤檢測、校正和話單合并，并完成話單的格式轉換，話單以標準格式發送到運營商的計費系統。

3.8DNS：為終端以及EPC核心網網元提供域名解析功能。

4. LTE/EPC網絡規劃方案

4.1LTE/EPC網絡規劃內容。

按照網絡建設階段的不同，核心網規劃可以分為網絡升級擴容規劃和新建網絡規劃兩大類。無論是擴容網絡還是新建網絡，都是在用戶預測和業務預測的基礎上，根據網絡建設要求，通過布置一定的核心網設備，實現網絡的建設目標。在滿足網絡建設目標的基礎上，還需綜合考慮網絡中遠期的發展規劃，注重投資效益，盡可能的降低建設成本。與2G/3 G核心網相比，EPC網絡在接入能力、網絡結構、網絡承載等方面都發生了很大的變化，這些變化決定了EPC的網絡規劃與以往的核心網有所不同。EPC核心網的規劃范圍主要內容：

4.1.1LTE/2G/3G互操作及融合組網。

（1）由于2G/3G/LTE網絡將在一定的時間段內共存，LTE網絡的全覆蓋也不是一賦而就的，這樣必然存在LTE與2G/3G網絡的互通及互操作，方案的不同對現網的改造也不同；EPC網絡全部基于分組域，沒有電路域，為此LTE用戶的語音業務解決方案也是核心網規劃必須考慮的一個重要問題；EPC是未來核心網的目標架構，這樣EPC與現網分組域的融合也是必然趨勢。

（2）此外，對于不同的2G/3G網絡（3GPP和3GPP2網絡）來說，LTE與現網的互通及互操作策略、語音業務解決方案、融合組網策略等方面存在較大差異。因此需要結合現網實際情況，進行方案比選，選擇適宜的建設策略。

4.1.2話務模型分析。

相對于2G/3G網絡，LTE網絡提供對更多業務的承載。一方面不同業務給系統帶來不同的業務負荷，影響整個系統的性能評估；另一方面，LTE網絡需要滿足用戶隨時隨地的自由接入，提供可靠的服務質量至關重要。因此，建立科學適用的話務模型在網絡規劃中具有重要的意義。通過話務模型的分析，進而進行容量相關的規劃，進行整個通信鏈路各個層面的設計。話務模型受各地的社會、經濟環境，主力用戶群的組成情況等因素影響較大；且將隨著用戶的增長不斷發生變化。

4.1.3網元設置。endprint

在用戶規模確定的基礎上，結合話務模型分析，對規劃期內核心網的網絡容量進行預測，此時需要考慮設置門限、地點、擴容方案、安全備份等多種因素。主要涉及到的網元包括：MME， S-GW， P-GW， HSS、網管服務器及計費服務器等。

4.1.4承載帶寬需求。

EPC網絡的信令和數據全部通過IP網絡進行承載，需要根據用戶規模和話務模型，結合網絡組織結構計算出EPC網絡部署建設的承載帶寬需求，同時還要考慮承載網絡負荷因子。核心網規劃中，建議需求帶寬比計算出的結果稍大一些。

4.1.5網絡組織及路由原則。

EPC網絡具有控制和承載的分離、架構扁平化、全面分組化等特點，在網絡組織規劃及路由原則中需要全面考慮上述因素，并結合網絡對端到端QoS支持以及實時業務支持的需求來進行規劃。

4.1.6編號計劃。

網絡標識是指設備在網絡中的標志信息，比如MME的網絡標識LVIIVIEI由MME Group ID和NIIVIE Code組成，在網絡中唯一的標識這臺1VIIVIE設備。電話網的編號計劃指本地網、國內長途網、國際長途網、特種業務以及一些新業務等各種呼叫所規定的號碼編排和規程。EPC網絡引入了一些新的碼號（GUTI， TAI， FQDN），同時又繼承了原有2G/3 G網絡中的碼號。EPC核心網編號計劃包括MME與eNodeB之間、MME和UE之間、MME與SAE-GW之間以及MME與HSS之間的編號計劃等。

4.1.7對現網的改造需求。

EPC與2G/3 G核心網的互通/互操作、融合組網，LTE用戶的語音業務解決方案都會涉及到對現網的升級改造，由于建設策略及方案的差異，會導致對現網升級改造的內容也不盡相同。

4.1.8網絡管理與計費。

通過網管系統，可以對網絡中運行的設備進行監測和控制，并記錄網絡資源的性能和使用情況，以使網絡有效運行，為用戶提供一定質量水平的電信業務。EPC網絡規劃中需要對網管系統進行規劃。EPC網絡和2G/3G網絡一樣，存在內容計費、離線計費、在線計費三種計費需求，并且由于提供業務的多樣性，相對來說，LTE網絡的計費需求更加復雜，需要考慮更多的因素。

4.2LTE/EPC網絡規劃特點。

（1）與2G/3G網絡相比，LTE網絡的規劃有自身特點。LTE網絡中信令風暴等壓力直接由核心網網元MME承接，不再由PCF網元隔離，所以在LTE/EPC規劃中MME信令處理能力的冗余、備份等將是規劃的重點之一。

（2）LTE/EPC規劃還需要關注與eHRPD互操作的問題及PCC等策略相關的網絡規劃。需要指出的是，LTE網絡在中國運營商的引入將是一個復雜的、長期的過程，隨著相關技術的日趨成熟和體制標準的不斷健全，LTE網絡的規劃方法也將逐步充實和完善。

4.3LTE/EPC網絡規劃流程。

從規劃流程上來看，EPC網絡規劃分為基礎數據收集整理、組網方案、網元設置、承載需求、編號規劃、支撐系統規劃等各個階段。在網絡規劃建設的不同階段，對網絡規劃的深度有不同要求，并非每次規劃都需要涵蓋所有的規劃步驟，在具體的工作中，可以根據具體的目標和需要，對規劃流程進行合理剪裁和調整。EPC核心網的規劃流程如下所示：

4.3.1收集規劃需要的輸入數據包括：

（1）網元設置原則。

MME， S-GW， P-GW， HSS， PCRF， DNS等網元的起設門限、擴容門限、是否容災備份以及容災備份原則。

（2）現有網絡數據。

現有網絡結構：規劃區域內運營商現有的話務網絡組織、信令網絡組織、傳輸網絡組織、智能網網絡組織、IP網網絡組織、與其他運營商的互聯互通結構。

現有局房情況：規劃區域內運營商現在擁有的機樓、機房情況，機房規劃及空閑情況，計劃建設的機樓情況。

傳輸條件：包括機樓是否為傳輸樞紐、是否擁有省際電路出口。

（3）業務預測用戶數和滲透率。

根據市場發展策略、區域現有人口指標、經濟指標和電信指標預測出來的本區域LTE用戶數、智能業務滲透率、數據業務滲透率、平均忙時數據流量等。預測值還需要分解到各個規劃子區域。

（4）路由原則。

在用戶面數據方面，包括LTE網內路由原則，LTE網和外網間（區分本運營商和其他運營商）的互聯互通，若未實現2G/3 G/LTE融合組網，還需考慮LTE網和2G/3 G網的互聯互通。在信令網方面，EPC引入了Diameter信令，Diameter信令網與現有SS7信令網服務網絡不同，現有SS7信令網滿足2G/3G網絡用戶漫游信令尋址需求，而Diameter信令網滿足LTE網絡用戶漫游信令尋址需求，兩張網之間沒有互通需求，需要單獨考慮信令網路由原則。要分成2～3段分別維護，對于維護壓力較大，需要權衡建設于維護，全局考慮承載方案。

（5）編碼策略。

包括在LTE網絡上承載的各種業務的編碼策略以及LTE網絡本身運行所需的各種信令的編碼策略。

（6）用戶模型。

包括業務數據模型和信令計算參考模型。業務數據模型包括忙時平均流量、忙時集中比、網間流量分布等。信令計算參考模型包括EPC移動性管理、EPC會話管理以及EPC切換等引起的信令。

（7）編號原則。

包括EPC網元本身的網絡標示編號原則以及MME與eNB，UE SAE-GW（S-GW+P-GW），HSS， DNS等網元之間的編號原則。

（8）融合組網需求。

在LTE網絡初期小規模商用時，采用新建EPC融合核心網和現網設備改造相結合的形式，實現互通，最大限度減少對現網的影響；在后期大規模商用時，現網分組域設備演進升級為核心網全融合設備，有效保護己有投資。endprint

（9）支撐系統發展策略。

包括EPC網絡的BSS系統（營銷、客服、計費、帳務、結算等）、OSS系統（網管、資源管理等）和MSS系統的發展策略。

（10）支撐系統現狀。

包括規劃區域各個支撐系統的實現功能、網絡組織和相互關系。

（11）設備參考價格。

各種網元的配置單價或以容量為依據的價格。

4.3.2規劃網元局點數、負責區域、設備容量、局所設置。

根據子區域用戶數、網元設置門限、備份原則計算網元局點數量，并根據現有網絡結構、地理情況和人文特點劃分每個網元負責的子區域，然后計算每個設備的容量。根據局房情況和傳輸條件，規劃每個網元局所設置。本步驟是一個反復調整修正的過程。本步驟輸出各種網元設置方案及表格。

4.3.3網絡拓撲結構和互聯互通組織。

結合路由原則和上述結果，制定EPC網絡、信令網網絡拓撲結構和互聯互通組織方案，明確與外網哪些局點連接。該階段需橫向比較各網元間關系，檢查各網元負責子區域的交集、子集關系是否合理。如果不合理，返回上一步，如果合理進行下一步。本步驟輸出各期網絡拓撲結構圖。

4.3.4各種接口帶寬計算（S1， S5， S8， S6， S11， Gx， Gy， S Gi等）。

根據編碼策略、用戶模型，結合以上規劃結果，計算各網元各接口的帶寬需求。根據現有承載網結構和傳輸網結構，把帶寬計算結果分配到各個承載網節點和傳輸線路上。

本步驟輸出承載帶寬需求。

4.3.5網元編號規劃。

根據編號原則，結合網絡拓撲結構圖，全網統一規劃EPC號碼，對整個網絡的各個網元以及相關節點進行編號。由于LTE具有永久在線特性，對IP地址的需求量非常大，需在規劃中提前考慮引入IPv6，以避免在網絡建成后，再進行大規模升級的事情發生。本步驟輸出編號計劃。

4.3.6電路域改造需求，分組域改造需求。

LTE用戶語音業務解決方案會涉及到對現網電路域的改造；LTE與2G/3G的互通/互操作及融合組網會涉及到對現網分組域的改造。本步驟輸出現網改造需求。

4.3.7支撐系統規劃。

根據支撐系統發展策略和支撐系統現狀，制定支撐系統規劃方案（包括BSS， OSS和

MSS）。由于LTE是面向數據業務的高帶寬網絡，高速數據業務會使資源不均衡問題更加突出，需要通過支撐系統來確保LTE網絡得到有效、公平的利用，保障電信級業務的用戶體驗。本步驟輸出支撐系統規劃方案。

4.3.8投資估算。

（1）根據設備參考價格和網元數量、帶寬需求，進行投資估算。本步驟輸出工程投資估算表。

（2）EPC核心網規劃至此結束。整個規劃流程，首先需要明確網絡規劃建設的基本原則，確定規劃中的網絡的系統框架、各主要網元的基本設置原則，明確網絡互通方式；之后確定網絡的整個網絡的拓撲結構，計算網絡的承載帶寬需求，然后編制編號計劃，分析是否需要對現網進行改造，并對支撐系統，主要是網管和計費系統做出規劃，最后得出投資估算，對EPC網絡的建設規模、建設質量與建設成本進行評估。

5. 結束語

（1）本文主要介紹了LTE/EPC的組網架構，描述了各核心網元的功能；最后對網絡規劃的內容和原則進行了概述，然后給出了規劃的基本流程，為接下來的規劃建設方案奠定理論基礎。

（2）在下一代無線通信網絡向 LTE/EPC 演進的過程中，移動核心網絡的演進路線比較明朗， 未來的移動通信核心網絡承載將采用 EPC 網絡，IMS 作為業務控制層架構在 EPC 網絡上為 用戶提供多媒體應用。在這種架構下，用戶在漫游時如何實現業務路由的選擇，成為我們需要考慮的另一個重要問題。。

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