2.2 移动宽带接入技术

2.2.1 移动宽带接入技术发展概况

移动宽带接入技术是相对同时期的移动窄带接入技术而言，从发展历史上，可分为以下几个阶段的不同技术。

① 2G技术：GSM（Global System for Mobile Communication），全球移动通信系统，简称“全球通”；GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务），俗称2.5G；EDGE（Enhanced Data Rate for GSM Evolution，增强型数据速率GSM演进技术），俗称2.75G。

② 3G技术：WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access，宽带码分多址接入）；cdma20001x（Code Division Multiple Access 2000），是从cdma One蜕变进化出来，支持3G的一种制式；TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步的码分多址技术）；以及相关增强技术HSPA（High Speed Packet Access，高速分组接入），HSPA+（High Speed Packet Access Plus，增强型的高速分组接入），HRPD（High Rate Packet Data，高速分组数据）。

③ 下一代移动宽带技术：当前全球一致认可的长期演进LTE（Long Term Evolution）技术。

下面将从技术原理、关键技术对各种移动宽带接入技术进行说明。

1.2G移动接入

1）通用分组无线业务GPRS

GPRS是叠加在全球移动通信系统GSM网络上并最大限度重用利用GSM系统资源来进行数据业务的GSM业务。与GSM原有电路域（CS）业务不同的是，它采用业务共享的方式，因此不需要给每个激活用户一条专用GSM电路；它允许用户在GSM网上以分组模式（共享电路）、端到端地发送和接收数据。这种思想也是分组网络设计的核心。GPRS网络架构如图2-21所示。

GPRS网络通过SGSN（Service GPRS Support Node，GPRS服务支持节点）和GGSN（Gateway for GPRS Support Node，GPRS服务支持网关）设备，来完成相应的分组接入的工作及流程。SGSN是为移动终端（MS）提供业务的节点，在激活GPRS业务时，SGSN建立起一个移动性管理环境，包含关于这个移动终端（MS）的移动性和安全性方面的信息。SGSN的主要作用就是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和SGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。GGSN是GPRS网络与外部分组数据网（PDN）相连的网关，它可以和多种不同的数据网络连接。GPRS通过时隙捆绑的方式来提供高效的无线资源利用率，无线接入速率高达171.2kb/s。同时，通过Gs接口将电路域（CS）与分组域（PS）联系起来，使移动交换中心/访问位置寄存器（MSC/VLR）与SGSN之间相互配合而实现诸如联合位置更新、经由GPRS进行CS寻呼等功能，从而节约网络及无线资源。

GPRS虽然是分组网络发展的第一阶段，但其设计的基本思想已经体现出电路域与分组域的差异，以及分组域的用户特征等。这些基本思想也指导了后期的3G发展及其设计。比如，编码效率、载波功率与干扰信号功率之比（C/I）、覆盖的平衡等。GPRS本身有四种编码的选择（CS-1，CS-2，CS-3，CS-4），对应的数据速率分别为9.05kb/s，13.4kb/s，15.6kb/s，21.4kb/s，但是前面两种编码对C/I要求小，能实现小区90%左右的覆盖，后面两种编码虽然速率高，但只能满足小区某些特定区域的要求（如中心区域）。这些体现了分组数据网络的典型特征，即速率/容量与覆盖的平衡，或者以后3G增强方案中的自适应调制和编码的问题，都是对这里采用固定编码速率的一种改进和增强方案。

在信道设计上，GPRS同样引入了新的数据业务信道，如PDTCH（Physical Data Traffic Channel，物理数据业务信道），网络最多分配8个PDTCH给一个用户，由于GSM是时分复用的，这里分配8个PDTCH，也就是分配同一载波上的8个时隙给一个用户，实现单用户业务（或者说GPRS业务）的峰值速率。换言之，以后的高速下行分组接入HSDPA技术，因为是基于CDMA的码分多址技术，因此单个用户的峰值速率或者说某个特定条件下的峰值速率，都是采用多个码的，扩频因子SF（Spreading Factor）长度为16的码字的结果，比如15个码字是业界宣称的14.4Mb/s，10个码字是7.2Mb/s的峰值速率等。这里的资源捆绑的思想同样体现在以后的演进3G（E3G）通信系统中。

在数据业务与语音业务的关系上，同样采用语音优先的原则。通过联系分组域与电路域桥梁的Gs接口，用户在GPRS上进行数据业务时，也能及时接收来自电路域的寻呼，从而完成语音呼叫，待语音业务结束后，才会返回到GPRS网络，继续进行相应的数据业务。

2）增强型数据速率GSM演进技术EDGE

EDGE是GPRS的增强方案。EDGE在速率上有显著提升，如图2-22所示。

为了在现有蜂窝系统中提供更高的数据通信速率，EDGE在技术上进行了大量的改进，主要体现在以下几个方面：

● 8PSK调制方式；

● 9种信道调制编码方式MCS1～MCS9；

● 增强型的AMR编码方式；

● 链路自适应（LA）；

● 递增冗余传输（IR）；

● 无线链路控制（RLC）窗口大小自动调整。

GPRS与EDGE的主要差异如表2-2所示。

从一定意义上来看，EDGE进一步加强了分组域BE（Best Effort，尽力而为）业务的设计思想，比如增强的调制方案和以后的E3G，基本都是延续采用高阶调制来提升峰值速率的思想；多种编码方式，也是从无线信道变化的角度出发来匹配的、对应提升网络资源利用率的措施。递增冗余的传输是混合自动重传的一种方式，混合自动重传是一种较自动重传更有效的方案，该技术在E3G中也有应用。此外，如链路自适应等在E3G也有大量应用。下面再从其他角度来说明EDGE的技术特点。

EDGE技术主要影响现有GSM网络的无线访问部分，如GSM中的BSC（Base Station Controller，基站控制器）和BTS（Base Transceiver Station，基站收发器），而对核心网部分的应用和接口并没有太大的影响。因此，运营商可最大限度地利用原有的无线网络设备，只需少量的投资就可以部署EDGE，并且通过移动交换中心（MSC）和GPRS服务支持节点（SGSN）还可以保留使用原有的网络接口。事实上，EDGE的上述改进提升了GSM应用的性能和效率，并且为将来的宽带服务提供了可能。EDGE技术有效地提高了GPRS信道编码效率及其高速移动数据的速率，它的最高传输速率理论上可达384kb/s，是GPRS业务的3倍，在一定程度上节约了网络投资，满足了无线多媒体应用的带宽需求。

2.3G移动接入

3G（The Third Generation）即第三代移动通信，它是以CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）为基础的技术。第一代移动通信系统采用频分多址（FDMA）的模拟调制方式，这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰语音业务。第二代移动通信系统主要采用时分多址（TDMA）的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大大改善，但TDMA的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。

国际电信联盟（ITU）在2000年5月确定了WCDMA，cdma2000，TD-SCDMA三大主流无线接口标准，已写入3G技术指导性文件《2000年国际移动通信计划》（简称IMT-2000）。IMT-2000主要出于三方面的考虑：一是速率高达2Mb/s，二是在2000年商用，三是核心频段为2GHz。WCDMA，TD-SCDMA是由3GPP组织制定，cdma2000是由3GPP2组织制定，所以可从两条线来介绍它们，如图2-23所示。

WCDMA（宽带码分多址），是一种第三代无线通信技术，由欧洲的3GPP（The Third Generation Parthnership Project）标准组织制定，又称为UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）。由于是3GPP标准组织所制定，因此演进上在很大程度上有GSM的思想，核心网络上基于GSM MAP核心网，只是无线侧进行了增强改进。WCDMA是采用UTRAN（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UMTS陆地无线接入网）为无线接口的第三代移动通信系统。WCDMA采用直接序列扩频码分多址（DS-CDMA，Direct Spreading-CDMA）、频分双工（FDD）方式，码片速率为3.84Mb/s，载波带宽为5MHz。WCDMA有R99和R4版本。可在5MHz的带宽内，提供最高384kb/s的用户数据传输速率。随着后续R5，R6，R7版本的引入，相继出现HSDPA，HSUPA，以及HSPA+等概念，峰值速率也以倍数级增长，从R99的384kb/s增加到现有的21Mb/s。由于该标准的开放性，吸引利益各方参与积极，产业发展情况良好，终端多，价格低，占据了全球绝大部分移动通信市场，是3G三大标准中发展最好的一种。

TD-SCDMA（Time Division-Synchronous CDMA，时分同步CDMA），也是由3GPP标准组织制定的标准。它是由中国主导的3G标准。该标准将智能无线电、同步CDMA和软件无线电等国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持的灵活性、频率灵活性及成本等方面具有独特优势。由于同属3GPP的标准，TD-SCDMA技术的核心网与WCDMA完全相同，无线网有自身的特色，采用TDD即时分双工模式，采用1.6MHz的带宽，同时采用了智能天线，接力切换等无线侧新技术。

cdma2000是由窄带CDMA其中Rev0版本商用较少，当前运营商主要采用RevA版本，RevB版本尚处于试商用阶段。

3.下一代接入技术

下一代接入技术主要指LTE（长期演进项目），该项目一定程度上是3GPP标准组织迫于WiMAX的竞争而出现的产物，因此LTE在关键技术的选择上与WiMAX极为相似。比如采用OFDMA（正交频分多址），MIMO（多入多出天线）等技术。作为后发者，LTE在系统性能及目标上有贴近或者超越3G之势，常常被业界称为3.9G技术。3GPP LTE项目的主要性能目标包括：在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mb/s、上行50Mb/s的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从休眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms；支持100km半径的小区覆盖；能够为350km/h高速移动用户提供大于100kb/s的接入服务；支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1.25MHz到20MHz多种带宽。

2.2.2 第三代移动宽带接入技术

第三代移动宽带接入技术横跨的周期较长，技术演进路线如图2-24所示。

从网络架构而言，3GPP与3GPP2标准由于演进造成的技术差异，使其网络架构不一样。但它们同属于CDMA技术，在关键技术上有很大的相似甚至相同处。cdma200 1x EV-DO在3GPP2标准体系中又称为HRPD，即高速分组数据。此外，对于E3G，它的增强主要体现在无线空口的关键技术上，而在网络架构上与低版本的系列技术没有什么差异。下面我们将从网络架构和关键技术两方面来阐述。

1.网络架构

1）WCDMA/TD-SCDMA网络架构

WCDMA网络基本结构分为终端、无线接入网和核心网三个部分，如图2-25所示，它包括如下功能实体。

图中，粗线表示支持用户业务的接口，细线为支持信令的接口；图中未包括业务支撑系统的网络组织和增值业务平台。

● 移动终端（UE）：用户接入WCDMA网络的设备，包括移动设备（ME）和用户识别模块（SIM）。

● 基站（Node B）：为用户提供服务的无线收发信设备。

● 无线网络控制器（RNC）：它可以控制多个Node B，具有呼叫控制和移动性管理功能。

● MSC服务器（MSC Server）：能对位于它管辖区域中的移动台进行控制、管理并对MGW进行控制的功能实体。

● 拜访位置寄存器（VLR）：它是存储与呼叫处理有关数据的数据库，用于完成呼叫接续。

● 电路域媒体网关（CS-MGW）：话务的承载实体，完成话路接续、编解码转换等功能。

● 关口MSC服务器（GMSC服务器）：它是与其他网络互联互通的设备，包括与PSTN和其他PLMN的互通的信令控制。

● 归属位置寄存器（HLR）：管理移动用户信息的数据库，包括用户识别信息、签约业务信息，以及用户当前的位置信息。●--38-91-572-103-588鉴权中心（AUC）：具有鉴权算法，产生鉴权参数并对用户进行认证的功能实体。

● 服务GPRS支持节点（SGSN）：执行用户位置管理、安全功能和接入控制功能的节点。

● 关口GPRS支持节点（GGSN）：提供PLMN与外部数据网的互通功能的节点。

2）cdma2000网络架构

cdma2000移动网络由移动终端/接入终端（MS/AT）、无线接入网（AN）和核心网（CN）三个部分构成，如图2-26所示。

移动终端（MS/AT）是用户接入移动网络的设备。

无线接入网（AN）实现移动终端接入到移动网络，主要逻辑实体包括cdma2000 1x基站（1x BTS），cdma2000 1x基站控制器（1x BSC），HRPD基站（HRPD BTS），HRPD基站控制器（HRPD BSC），接入网鉴权、授权、计费服务器（AN-AAA），以及与BSC合并设立的分组控制功能（PCF）。

● 1x基站：采用cdma2000 1x Rev.0版本的空中接口技术，提供无线收发信息功能。

● 1x基站控制器：管理多个cdma2000 1x基站，提供语音、数据业务的资源管理、会话管理、路由转发、移动性管理等功能。

● HRPD基站：采用cdma2000 HRPD Rev.A版本的空中接口技术，提供无线收发信息功能。

● HRPD基站控制器：管理多个HRPD 基站，提供语音、数据业务的资源管理、会话管理、路由转发、移动性管理等功能。

● 接入网鉴权、授权、计费服务器（AN-AAA）：提供接入网级的接入认证功能。

● 分组控制功能（PCF）：与cdma2000 1x基站控制器或HRPD基站控制器配合，提供与分组数据有关的无线信道控制功能。

核心网（CN）负责移动性管理、会话管理、认证鉴权，基本的电路域业务和分组域业务的提供、管理和维护等功能，包括核心网电路域和核心网分组域两个部分。

核心网电路域分为两种，即TDM电路域和软交换电路域。

TDM电路域采用ANSI 41标准，主要逻辑实体包括移动交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）和鉴权中心（AC）等。

● 移动交换中心：提供对所管辖区域的移动终端进行呼叫控制、移动性管理、电路交换等功能。

● 拜访位置寄存器：它是存储与呼叫处理有关数据的数据库，用于完成呼叫接续。

● 归属位置寄存器：它是管理移动用户信息的数据库，包括用户识别信息、签约业务信息，以及用户的当前位置信息。

● 鉴权中心：产生鉴权参数并对用户进行认证鉴权。

软交换电路域采用了控制与承载相分离的网络架构，控制平面提供呼叫控制、承载控制和路由解析等信令功能；承载平面提供语音和媒体流的传递和转换功能，主要网元包括移动软交换（MSCe）和媒体网关（MGW）。

● 移动软交换：提供呼叫控制和承载控制功能。

● 媒体网关：提供媒体控制功能。

核心网分组域主要逻辑实体包括分组数据服务节点（PDSN）、认证授权和计费服务器（AAA）、归属代理（HA）、拜访代理（FA）、域名服务器（DNS）。

● 分组数据服务节点（PDSN）：为用户提供分组数据业务，具体功能包括管理用户通信状态和转发用户数据。

● 鉴权、授权、计费服务器（AAA）：提供管理用户的权限、开通业务、认证信息、计费信息等功能。

● 归属代理（HA）：提供移动IP地址分配、路由选择和数据加密等功能。

● 拜访代理（FA）：提供移动IP注册、反向隧道协商，以及数据分组转发等功能。

● 域名服务器（DNS）：提供cdma2000移动网络分组域设备的域名解析功能。

2.关键技术

1）功率控制

由于在一个小区内手机用户是随机分布的，而且是经常变化的，同一手机用户可能有时处在小区的边缘，有时靠近基站。如果手机的发射功率按照最大通信距离设计，则当手机靠近基站时，功率必定有过剩，而且形成有害的电磁辐射，同时每个用户对于其他用户都相当于干扰，即产生“远近效应”。远近效应严重影响系统容量，基站接收端某个用户过大的功率干扰甚至阻断其他用户的通信，解决这个问题的方法是根据通信距离的不同，实时地调整手机的发射功率，即功率控制。

功率控制的原则是，当信道的传播条件突然变好时，功率控制单元应在几微秒内快速响应，以防止由于信号突然增强而对其他用户产生附加干扰；相反，当传播条件突然变坏时，功率调整的速度可以相对慢一些。也就是说，宁愿单个用户的信号质量短时间恶化，也要防止对其他众多用户产生较大的背景干扰。

功率控制分为开环功控和闭环功控（包括外环功控以及内环功控）。

当移动台（手机）发起呼叫时，需要进行开环功率控制，手机从广播信道得到导频信道的发射功率，再测量自己收到的功率，相减后得到下行线路功率损耗值。根据互易原理，由下行路损值近似估计上行的路损值，计算移动台所需的发射功率。

闭环功控分内环和外环，内环功率控制是快速闭环功率控制，最快速度可达1500次/秒，在基站与移动台之间的物理层进行。当物理层测量接收的信噪比低于目标值时，就发出增加发射功率的命令；当物理层测量接收的信噪比高于目标值时，就发出降低发射功率的命令；当信噪比与目标值相差不多时，就发出不调整功率的命令；一个时隙（1000ms/1500次≈0.67ms）给出一次功率控制命令，功率控制命令分三个状态：增加功率、降低功率、保持功率。一次增减功率的步长一般为1dB。

外环功率控制是慢速闭环功率控制，一般在一个发射时间间隔（TTI）（10ms，20ms，40ms，80ms）的量级。外环功率控制是在物理层之上的功率控制，通过CRC检验是否出错，统计接收的数据误块率BLER（Block Error Ratio，对应误码率BER），改变内环功率控制的信噪比目标值，使接收信号质量满足业务质量的要求。

2）RAKE技术

RAKE（瑞克）接收技术是第三代CDMA移动通信系统中的一项重要技术。在CDMA移动通信系统中，由于信号带宽较宽，存在着复杂的多径无线电信号，通信会受到多径衰落的影响。RAKE接收技术实际上是一种多径分集接收技术，可以在时间上空间上分辨出细微的多径信号，对这些分辨出来的多径信号分别进行加权调整、使之复合成加强的信号。由于该接收机中的横向滤波器具有类似于锯齿状的抽头，就像耙子一样，故称该接收机为RAKE接收机。

RAKE 接收技术有效地克服多径干扰，提高接收性能。RAKE接收机能够在时间上分辨和合并时延差大于码片速率的信号，得到信噪比最大的合并接收信道。RAKE接收机由多个相关器组成，每个相关器接收一个径路的信号。多径分集接收改善了系统的接收性能，因此RAKE是3G的关键技术之一。

3）自适应调制和编码方案

自适应调制和编码即AMC（Adaptive Modulation and coding）技术，它的核心思想是网络侧根据当前无线信道的质量状况和网络资源的使用情况，选择最佳的下行链路调制和编码方式，从而尽可能提升终端用户的数据吞吐量，降低传输延迟。该技术在E3G中被引入。编码方式有1/3码率Turbo码，以及3/4，1/2，1/4等方式。编码码率为1，也就意味着没有编码。调制方式有QPSK，16QAM，64QAM多种。E3G给出的峰值速率通常是采用64QAM或者16QAM。调制方式采用64QAM，对信道的信噪比要求极高，因此峰值速率都是理论上的，而不是实际的网络可达速率。

当用户靠近基站，处于信号比较强的通信点时，将被分配级别较高的调制编码方案（例如，64QAM，3/4码率的Turbo码），这种调制编码方案的抗干扰性能和纠错能力差，对信道质量的要求较高，但是能够获得较高的数据速率；而当用户位于小区边界信号弱的通信点时，将被分配级别较低的调制及编码方案，该方案具有较强纠错能力，抗噪声干扰性能较好（例如，QPSK，1/2码率的Turbo码），从而保证数据的可靠传输。

4）混合自动重传请求

所谓自动重传请求（ARQ）就是一次数据传输失败时，就要求发端重传的一种传输机制。在无线传输环境下，信道噪声和由于移动性带来的衰落，以及其他用户的干扰，使得信道传输质量较差，为了保证通信质量，就必须对数据分组加以保护，这种保护主要采用前向纠错编码（FEC），即需要在分组数据中传输额外的比特开销。显然，过多的前向纠错编码会使传输效率变低。因此，一种新的混合差错控制方案HARQ（Hybrid ARQ，混合自动重传）即ARQ和FEC相结合的方案应运而生。HARQ不但可以灵活地调整有效编码速率，还可以补偿由于采用链路适配所带来的误码，从而大大提高系统性能。E3G将AMC和HARQ技术结合起来，实现了更好的链路自适应效果。

5）快速调度

E3G（cdma2000 1x Ev-DO和HSPA）系统根据无线环境做适配，进行快速用户调度，充分利用小区的功率和频谱资源：在cdma2000 1x Ev-DO中，最小的调度时间间隔为1.67ms，HSPA的调度时间间隔为2ms。调度算法的依据主要有队列优先级（Queue priority）、信道质量指示值（CQI value）、缓存大小（Buffer volume）、等待时间/空闲时间（waiting time/Spare time），其他如UE能力，ACK/NACK重复次数，数据重传，压缩模式等。基于上述因素，又形成了行业默认的三种调度算法：Max C/I算法，是基于最大载干比的调度算法；Round Robin算法，是基于公平分配的调度算法；Proportional Fair（PF）算法，是基于部分公平的调度算法。在实际网络运营中，所采用的算法以PF为主。

2.2.3 下一代移动宽带接入技术

1.网络架构

LTE作为全IP网络，提出了全新的网络指标，例如，显著提升了峰值数据速率，即在20MHz带宽上达到100Mb/s下行传输速率，50Mb/s的上行传输速率；明显提高了频谱效率，实现了2～4倍的R6频谱效率；无线接入网（UE到E-Node B用户面）延迟时间低于10ms，明显降低控制面的等待时间，低于100ms。

LTE系统的扁平化网络架构如图2-27所示。

LTE将原有2G/3G的三级架构变为两级：无线侧和核心网。

无线侧又称为演进型UMTS地面无线接入网E-UTRAN（Evolved-UTRAN）。E-UTRAN与UTRAN架构完全不同，采用“扁平”的无线访问网络结构，取消RNC/BSC（无线网络控制器/基站控制器）节点，简化网络设计。原有控制节点RNC/BSC的功能部分下移到基站Node B，部分上移到核心网，实现了全IP路由，网络结构趋近于IP宽带网络结构。E-UTRAN结构中包含了若干个E-Node B（eNB），提供了终止于UE的E-UTRA用户面（PHY/MAC）协议和控制面（无线资源控制，RRC）协议。E-Node B之间采用网格方式互连，E-Node B与服务网关S-GW（Serving Gateway）之间的接口称为S1接口。E-UTRAN的协议栈结构还是与URTAN一样分为用户面和控制面，但简化了很多。比如，去掉了无线链路控制层（RLC）层，该实体功能被并入MAC层；分组数据压缩协议（PDCP）功能在网络侧被移到了S-GW中；控制面RRC功能移入E-Node B中，并在网络侧终止于E-Node B。

3GPP在开展LTE研究工作的同时，启动了面向全IP的分组域核心网的演进项目SAE（System Architecture Evolution，系统架构演进），R8版本后改为EPS（Evolved Packet System，演进的分组数据系统）。EPS的目标是“制定一个具有高数据率、低延迟、高安全和高QoS、数据分组化、支持多种无线接入技术为特征的，具有可移植性的系统框架结构”。3GPP组织的EPS项目是基于未来移动通信的全IP网络而发起的，主要集中于分组域承载。

EPS的主要思想是定义了一个新的核心网络架构——EPC（Evolved Packet Core，演进的核心网），目的用于简化现有移动分组网络架构，通过网元整合和功能的重新划分减少业务处理的中间环节，实现网络架构的扁平化。LTE与EPC之间有着紧密的联系，共同构建了3GPP的系统整体演进。下面对网络架构中涉及到的各网元进行详细介绍。

（1）E-UTRAN

E-UTRAN是LTE的主要实体，对应的网元实体为E-Node B（也写成eNodeB或eNB）。该实体的主要功能包括：

● 头压缩及用户平面加密；

● 在没有路由到达移动性管理实体MME（Mobility Management Entity）的情况下，MME的选择取决于UE提供的信息；

● 基于最大汇聚比特率AMBR（Aggregate Maximum Bit Rate）和MBR的上行承载级速率执行；

● 上下行承载级准许控制；

● 在上行链路中，对传输层的数据包进行标记，如基于EPS承载相关的QoS等级标识（QoS Class Identifier，QCI）设置区分码点（DiffServ Code Point）。

（2）移动性管理实体MME

MME是一个信令实体，主要负责移动性管理和用户的鉴权认证等功能：

● 非接入层的信令及其安全；

● 信令加密和完整性保护；

● 3GPP不同接入网络的核心网络节点之间的移动性管理（终结于S3节点）；

● UE在EPS连接性管理-空闲（ECM-Idle）状态下可达（包括寻呼重发的控制和执行）；

● 跟踪区列表管理；

● 选择服务网关（S-GW）和分组数据网络网关P-GW（Packet Data Network-Gateway）；

● --43-91-889-103-904 发生跨MME切换时，选择目的MME；

● 发生与2G/3G 3GPP接入网切换时，选择SGSN；

● 漫游控制；

● 鉴权和密钥管理；

● 承载管理，包括建立专有承载；

● 合法侦听。

MME若要支持非3GPP接入，还需要具备以下功能：

● 在切换到HRPD时，选择和维护HRPD的接入点（终结于S101接口）；

● 在预注册和切换时，需能在E-UTRAN和HRPD接入之间透明传输HRPD信令消息和状态信息；

● 核心网（CN）节点重新分配时，要前传上行话务的通用路由封装协议密钥（GRE Key）到目标服务网关S-GW。

S-GW和MME可能在一个物理节点或不同的物理节点内实现。

（3）服务网关（Serving Gateway）

服务网关（S-GW）终结于和E-UTRAN的接口，主要负责用户面处理，包括：

● 支持eNB间的切换，发生切换时作为本地锚点；

● 在eNB间切换时，在路径转换后通过立即向源eNB发送一个或多个“结束标记”来协助完成eNB的重排序功能；

● 支持3GPP不同接入技术的切换，发生切换时作为用户面的锚点，中继2G/3G系统和分组数据网络网关（P-GW）之间的数据传输；

● 在ECM-Idle状态时，为下行数据包提供缓存及触发网络进行寻呼；

● 合法侦听；

● 数据包的路由和转发；

● 为上行/下行链路传输层的数据包打上标记；

● 针对用户和QCI分类进行运营商间的计费；

● 针对UE，PDN，QCI的上/下行链路计费。

（4）分组数据网络网关PDN Gateway

PDN Gateway（Packet Data Network Gate way，P-GW）终结于和外面数据网络（如互联网、IMS等）的SGi接口，它是演进的分组数据系统EPS的锚点，即是3GPP与非3GPP网络间的用户面数据链路的锚点，负责管理3GPP和非3GPP间的数据路由，管理用户在3GPP接入和非3GPP接入（如WLAN，WiMAX等）间的移动。

如果UE访问多个数据网络，UE将对应一个或多个P-GW。P-GW主要负责用户面处理，包括：

● 深度数据包检测，实现基于每个用户的数据包过滤；

● 合法侦听；

● 分配UE的IP地址；

● 策略与计费的执行功能（Policy and Charging Enforcement Function，PCEF）；

● 数据包分类和路由；

● 非3GPP接入网络的接入锚点；

● 给上行/下行链路传输层的数据包打上标记；

● 支持策略与计费控制PCC（Policy and Charging Control）架构的上/下行链路业务的计费；

● 支持PCC架构的上/下行链路业务门控功能；

● 支持PCC架构的上/下行链路业务速率控制；

● 基于接入点名称-最大汇聚比特率（APN-AMBR）的上/下行链路速率控制；

● 在相同的保证比特率-服务质量等级标识（GBR QCI）下，基于业务数据流（SDF）集合的累计最大比特速率MBR的下行链路速率控制；

● 支持动态主机配置型协议DHCPv4和DHCPv6功能（客户端、中继、服务器）；

● 网络不支持点对点（PPP）承载类型。

除此之外，当P-GW需要支持基于GRPS隧道协议（GTP）的S5/S8接口时，还要包含以下功能：

● 上/下行链路承载绑定；

● 上行链路承载绑定校验；

● RFC 4861文件定义的功能。

当P-GW需要支持基于代理移动IP（PMIP）的S5/S8接口时，还要包含以下功能：

● 支持3GPP接入和非3GPP接入之间用户面数据的锚点；

● 支持本地移动锚点LMA（Locat Mobility Anchor）；

● 在使用S2c接口时，支持双堆栈移动IP版本6（DSMIPv6）归属代理；

● 分配GRE key用在基于PMIP的S5/S8接口上，（或S2a/S2b接口上）封装上行话务到P-GW；

● 如果S2a使用MIPv4 FA CoA（外地代理-转交地址）模式，支持MIPv4归属代理。

（5）归属用户服务器HSS

HSS是用于存储用户签约信息的数据库，归属网络中可以包含一个或多个HSS。HSS负责保存以下跟用户相关的信息：

● 用户标识、编号和路由信息；

● 用户安全信息：用于鉴权和授权的网络接入控制信息；

● 用户位置信息：HSS支持用户注册，并存储系统间的位置信息；

● 用户轮廓信息。

HSS还能产生用于鉴权、完整性保护和加密的用户安全信息。

HSS负责与不同域和子系统中的呼叫控制和会话管理实体进行联系。

（6）策略与计费规则功能PCRF

PCRF是策略与计费控制单元。在非漫游场景时，在归属网络中只有一个PCRF与UE的IP连接访问网络（IP-CAN）会话相关。PCRF终结于Rx接口和Gx接口；在漫游场景并且业务流是由本地疏导时，可能由归属网络或拜访网络对一个UE的IP-CAN会话实施策略和计费控制。归属网络的PCRF为H-PCRF（归属PCRF），拜访网络的PCRF为V-PCRF（拜访PCRF）。

H-PCRF的功能包括：

● 对于归属网络的业务，该功能终结于Rx+参考点；

● 在漫游情况下，对本地疏导时，H-PCRF终结于S9参考点；

● 在多个参考点上（S9，Rx+），对于同一个UE建立的IP-CAN会话（PCC会话绑定）建立会话关联；

● 在漫游情况下，由归属地路由业务时，H-RCRF终结于S7参考点；

● 对于不同的IP-CAN类型，终结点为S7a，S7b或S7c/S9。

V-PCRF的功能包括：

● 在漫游情况下，有本地疏导时，V-PCRF终结于S7（Gx）和S9参考点；

● 在漫游情况下，有本地疏导时，并且使用拜访网络的应用功能（AF）时，终结于Rx+参考点；

● 对于不同的IP-CAN类型，V-PCRF终结点为S7a，S7b或S7c/S9；

● 终结S9（即PCRF间的接口）参考点。

2.关键技术

LTE采用的核心技术主要是正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）以及多入多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）天线技术两者的完美结合，已成为下一代移动通信技术的首选。但是，由于系统设计的差异，同时由于系统上下行无线环境的差异，OFDMA，MIMO在应用上还是存在一定差异的。下面分别进行描述。

1）OFDM/OFDMA

OFDM（正交频分复用）是多载波调制的一种技术，其主要思想是：将信道分隔成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。在接收端正交信号通过采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI（Inter-Channel Interference，信道间干扰）。每个子信道上的信号带宽小于信道的相干带宽，因此在每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间的干扰（ISI）。而且，由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。OFDM由于其上述优良的特性，成为B3G/4G关键的技术之一。

（1）LTE下行OFDMA

LTE下行采用传统的正交频分复用多址OFDMA技术，将整个频带分割成许多子载波，将频率选择性衰落信道转化为若干平坦衰落子信道，从而有效地抵抗无线移动环境中的频率选择性衰落。由于子载波重叠占用频谱，OFDM能够提供较高的频谱利用率和较高的信息传输速率。通过给不同的用户分配不同的子载波，OFDMA提供了天然的多址方式，并且由于占用不同的子载波，用户间满足相互正交，没有小区内干扰ICI（Internal-Cell Interference）。流程处理如图2-28所示。

先将比特流经过信道编码/交织/加扰成为传输中的时域符号（这点与3G完全相同），通过串并转换的方式，将高速率信号变为若干低速率信号，经过QAM调制，然后进行子载波映射，通过IFFT（Inverse Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换）将频域信号转换为时域信号。

为了最大限度地消除符号间干扰，需要在OFDM符号之间插入保护间隔，保护间隔长度大于无线信道的最大时延扩展，这样使一个符号的多径分量不会对下一个符号造成干扰。同时，为了避免空闲保护间隔，由多径传播造成子载波间的正交性被破坏，将每个OFDM符号以后时间中的样点复制到OFDM符号的前面，形成循环前缀CP（cyclic prefix）。即在IFFT后加入循环前缀，形成时域的最终输出信号。

（2）LTE上行DFT-S-OFDM

DFT-S-OFDM一定程度上相当于单载波的OFDM，从名称可以剖析出其原理：一是离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT），获得多个离散的频域信号；然后是S（Spreading）扩频，主要是进行扩频/子载波映射（Spreading/Subcarrier Mapping），对离散的DFT信号在频率上做重新分配（映射到物理资源上），即在更广泛的频率上获得多个离散的频域信号，LTE目前使用的是集中分配方式，即把DFT信号在频域上做连续的分配，也有分散分配方式。不同区域的子载波，同时进行这种子载波（Subcarriers）的重新分配，保证了相互之间的正交性，一定程度上可以理解为频域的扩频（Spreading）。最后是IFFT/OFDM，即将前面的频域信号通过快速傅里叶转换为时域信号，完成信号的基带处理。处理流程如图2-29所示。

LTE上行采用DFT-S-OFDM技术主要是从终端的能力角度出发确定的。DFT-S-OFDM可以认为是单载波频分多址（SC-FDMA）的频域产生方式，是OFDM在IFFT调制前进行了基于傅里叶变换的预编码。因此，可以避免因多载波方案引起较高的峰均功率比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）问题，可以降低对终端功放的要求，提高功率的利用率。DFT-S-OFDM的优势在于其信号的时域实现，能够在一定程度上降低PAPR。但是，由于解码也是在时域进行的，因此只能利用时域选择性衰落。

2）MIMO

无线通信系统可以利用的资源包括：空间、时间、频率和功率。在B3G/4G系统中，空间资源和频率资源被重新开发使用，从而大大提高了系统的性能。MIMO天线技术在发送端和接收端同时使用多根天线（如图2-30所示），扩展了空间域，充分利用了空间扩展所提供的特征，在无须增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性。目前，多天线技术已成为了B3G/4G系统的关键技术之一。

为了满足LTE在高数据率和大容量方面的需求，LTE系统理所当然要引入MIMO天线技术。

下行MIMO技术包括空间复用、波束赋形和传输分集。目前，MIMO技术下行基本天线配置为2×2，即2根天线发送和2根天线接收，最大支持4根天线进行下行方向的四层传输。

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1×2，即1根天线发送和2根天线接收。

通过MIMO的应用，可实现峰值速率的成倍增长，同时也极大提升网络的资源效率。