LTE核心网技术研究及网络建设分析

王青山��

【摘要】LTE作为3G后续演进技术，具有高速度、低延时的技术特性，LTE时代的移动通信核心网络将采用EPC网络承载。面对技术发展，如何做好移动核心网络规划设计十分重要。本文“LTE核心网技术研究与网络建设分析”涉及的内容涵盖了LTE/EPC基本原理、总体架构、业务模型、规划流程、网元规划等内容，并给LTE/EPC网络建设时的配置建议，对LTE/EPC的建设具有重要的理论与实践指导意义。

【关键词】LTE；核心网；网络规划；建设方案

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）近年来，全球范圍内信息技术创新不断加快，信息领域新产品、新服务、新业态大量涌现，不断激发新的消费需求，成为日益活跃的消费热点。随着我国通信行业的快速发展，以及智能手机的普遍应用，用户对高速上网业务的需求越来越明显，话音业务需求日益趋于饱和，数据业务收入将成为电信行业收入增长的重要来源，移动互联网的快速发展将驱动移动宽带需求。

（2）随着移动宽带网络向LTE演进，在LTE的演进和运营中，如何才能实现2G和3G网络向LTE的平滑演进，如何实现现有网络和新建网络的互通，如何向用户提供一致的业务，成为运营商的焦点。正是在此需求下，3 GPP在关注无线接入网演进的同时，也开展了分组核心网架构的演进工程，并将其定义为EPC。

（3）作为与LTE同步发展的技术，EPC的架构更加符合未来移动通信网络的发展需要，能够在提升网络性能的同时，满足用户日益增长的业务需求，从而进一步提升运营商的竞争力。相较于2G， 3G时代的核心网，EPC具有几大显著特征：

（4）首先，控制面与用户面完全分离，网络趋向扁平化。在网络流量激增的趋势下，单用户的数据流量和高速接入用户数的双边增长，使用户面的吞吐能力成为移动分组网络设备的主要瓶颈，并且带来了大量的网络投资，而如果在分组核心网中实现了控制面和用户面的分离，只需对网络节点提供用户面处理，就能优化用户面的性能，并且节约其他网络节点和承载网的投资。其次，支持3 GPP与非3 GPP（如Wi-Fi， WiMAX等）的多种方式的接入，并支持用户在3 GPP网络和非3 GPP网络之间的漫游和切换。这种支持多种接入的架构给运营商的全业务运营带来极大的便利，不仅使得网络的结构更加简单，降低网络运营成本，同时还可以实现各种接入方式之间的无缝移动性，给用户带来更加良好的业务体验。最后，核心网中不再有电路域，EPC成为移动电信业务的基本承载网络。今天，全网IP化己经成为一种必然趋势，运营商正在加快移动核心网的IP化演进步伐，而如果实现了电路域的消除，就意味着无论是话音还是数据业务都将由分组网络承载，实现了移动核心网的全IP化。

（5）由于EPC在网络中处于核心地位，完成用户的信息管理、呼叫控制与交换、媒体汇聚、业务触发和网络互通等重要功能，同时相比于无线接入设备，EPC设备覆盖面更广，地位更重要，影响范围更大。同时电信网络生命周期长，投资大，EPC平稳有序的演进至关重要。而且EPC发展到现在，网络日趋复杂，技术快速演进，EPC建网的难度和风险在不断增加，这些都使得EPC的网络规划日显重要。

2. 本文主要研究的工作内容

（1） LTE/EPC架构和功能。

阐述LTE/EPC网络架构、网元功能和规划基础，并在后续分网元建设方案以及网络进行研究。

（2） LTE/EPC网络规划方案。

对用户规模进行了预测，根据LTE预测结果，阐明了将采用与现有 2G/3G 核心网融合的方式建设 EPC 核心网，总结出具体的LTE/EPC网络规划方案。

（3）对 LTE/EPC网络研究的总结与展望。

总结了全文的研究成果并对今后的研究方向进行了探讨。endprint

3. LTE/EPC架构和功能

3.1LTE核心网（EPC）架构中，控制与承载相分离，主要由移动管理设备（MME）、域名服务器（DNS）、计费网关（CG）、服务网关（S-GW）、分组数据网网关（P-GW）、归属签约用户服务器（HSS）、策略和计费控制单元（PCRF，）等功能单元组成。其中，S-GW和P-GW可分设亦可合设，EPC架构如图1和图2所示。

其中LTE核心网中各主要网元功能如下：

3.2MME：主要负责信号处理和移动性管理。

主要功能包括：

（1）NAS信令和安全；

（2）TA列表的管理；

（3）以合理的方式选择P-GW和S-GW；

（4）MME的选择（跨MME切换时）；

（5）接入2/3G切换过程中选择SGSN；

（6）漫游控制、承载管理和鉴权；

（7）信令面监听、核心网节点之间的移动性管理等；

SAE-GW：由S-GW和P-GW组成。

P-GW与分组数据网（PDN）连接；S-GW面向eNodeB负责数据处理，作为终结S1-U接口的网关；S-GW和P-GW承载用户面数据，接受MME的控制。

3.3S-GW的主要功能包括：

（1）当eNodeB间切换时，作为基站局部锚点和帮助完成基站重新排序的功能；

（2）在3GPP切换移动锚点不同接入系统之间（在S4接口和2G/3G系统和P-GW实现服务路由），合法拦截和分组路由和传递；

（3）根据每个UE和PDN和QCI上行链路和下行链路相关计费等；

3.4P-GW的主要功能包括：

（1）分组数据包的路由和转发；

（2）3GPP和非3GPP网络之间的锚固作用；

（3）IP地址分配的问题，访问外部PDN网关功能；

（4）计费和服务质量策略执行功能；

（5）基于业务的会计费职能；

（6）在上行数据分组中传输级标记；

（7）上行和下行业务级计费和服务水平门限控制；业务上、下行速率控制等；

3.5存储用户签名信息的数据库（HSS）主要功能包括：

（1）用户存储相关信息；

（2）合同数据管理和认证，如用户接入网类型的限制，用户的APN信息，计费信息管理；

（3）支持多种卡和各种认证；实现不同于子系统呼叫会话控制和管理互通实体等；

3.6策略和计費控制单元（PCRF）主要功能包括：

（1）用户、收费策略的控制功能；

（2）用户签约数据管理功能；

（3）事件触发条件定制功能；

（4）流量优先级和冲突管理功能；

（5）QoS功能、网络安全功能；

（6）IP-CAN承载与IP-CAN会话相关的政策信息管理功能。

（7）PCRF也可用于无限的每月带宽限制滥用；

（8）高端用户的带宽保证，保证高质量服务的服务质量；

（9）计费政策的动态配置，内容收费；

3.73GPPR8版本的CG：在EPC架构中S-GW和P-GW作为计费节点，S-GW产生计费信息类似 SGSN；P-GW产生类似GGSN的计费信息。计费话单通过计费点发送给计费网关CG，由CG 完成话单错误检测、校正和话单合并，并完成话单的格式转换，话单以标准格式发送到运营商的计费系统。

3.8DNS：为终端以及EPC核心网网元提供域名解析功能。

4. LTE/EPC网络规划方案

4.1LTE/EPC网络规划内容。

按照网络建设阶段的不同，核心网规划可以分为网络升级扩容规划和新建网络规划两大类。无论是扩容网络还是新建网络，都是在用户预测和业务预测的基础上，根据网络建设要求，通过布置一定的核心网设备，实现网络的建设目标。在满足网络建设目标的基础上，还需综合考虑网络中远期的发展规划，注重投资效益，尽可能的降低建设成本。与2G/3 G核心网相比，EPC网络在接入能力、网络结构、网络承载等方面都发生了很大的变化，这些变化决定了EPC的网络规划与以往的核心网有所不同。EPC核心网的规划范围主要内容：

4.1.1LTE/2G/3G互操作及融合组网。

（1）由于2G/3G/LTE网络将在一定的时间段内共存，LTE网络的全覆盖也不是一赋而就的，这样必然存在LTE与2G/3G网络的互通及互操作，方案的不同对现网的改造也不同；EPC网络全部基于分组域，没有电路域，为此LTE用户的语音业务解决方案也是核心网规划必须考虑的一个重要问题；EPC是未来核心网的目标架构，这样EPC与现网分组域的融合也是必然趋势。

（2）此外，对于不同的2G/3G网络（3GPP和3GPP2网络）来说，LTE与现网的互通及互操作策略、语音业务解决方案、融合组网策略等方面存在较大差异。因此需要结合现网实际情况，进行方案比选，选择适宜的建设策略。

4.1.2话务模型分析。

相对于2G/3G网络，LTE网络提供对更多业务的承载。一方面不同业务给系统带来不同的业务负荷，影响整个系统的性能评估；另一方面，LTE网络需要满足用户随时随地的自由接入，提供可靠的服务质量至关重要。因此，建立科学适用的话务模型在网络规划中具有重要的意义。通过话务模型的分析，进而进行容量相关的规划，进行整个通信链路各个层面的设计。话务模型受各地的社会、经济环境，主力用户群的组成情况等因素影响较大；且将随着用户的增长不断发生变化。

4.1.3网元设置。endprint

在用户规模确定的基础上，结合话务模型分析，对规划期内核心网的网络容量进行预测，此时需要考虑设置门限、地点、扩容方案、安全备份等多种因素。主要涉及到的网元包括：MME， S-GW， P-GW， HSS、网管服务器及计费服务器等。

4.1.4承载带宽需求。

EPC网络的信令和数据全部通过IP网络进行承载，需要根据用户规模和话务模型，结合网络组织结构计算出EPC网络部署建设的承载带宽需求，同时还要考虑承载网络负荷因子。核心网规划中，建议需求带宽比计算出的结果稍大一些。

4.1.5网络组织及路由原则。

EPC网络具有控制和承载的分离、架构扁平化、全面分组化等特点，在网络组织规划及路由原则中需要全面考虑上述因素，并结合网络对端到端QoS支持以及实时业务支持的需求来进行规划。

4.1.6编号计划。

网络标识是指设备在网络中的标志信息，比如MME的网络标识LVIIVIEI由MME Group ID和NIIVIE Code组成，在网络中唯一的标识这台1VIIVIE设备。电话网的编号计划指本地网、国内长途网、国际长途网、特种业务以及一些新业务等各种呼叫所规定的号码编排和规程。EPC网络引入了一些新的码号（GUTI， TAI， FQDN），同时又继承了原有2G/3 G网络中的码号。EPC核心网编号计划包括MME与eNodeB之间、MME和UE之间、MME与SAE-GW之间以及MME与HSS之间的编号计划等。

4.1.7对现网的改造需求。

EPC与2G/3 G核心网的互通/互操作、融合组网，LTE用户的语音业务解决方案都会涉及到对现网的升级改造，由于建设策略及方案的差异，会导致对现网升级改造的内容也不尽相同。

4.1.8网络管理与计费。

通过网管系统，可以对网络中运行的设备进行监测和控制，并记录网络资源的性能和使用情况，以使网络有效运行，为用户提供一定质量水平的电信业务。EPC网络规划中需要对网管系统进行规划。EPC网络和2G/3G网络一样，存在内容计费、离线计费、在线计费三种计费需求，并且由于提供业务的多样性，相对来说，LTE网络的计费需求更加复杂，需要考虑更多的因素。

4.2LTE/EPC网络规划特点。

（1）与2G/3G网络相比，LTE网络的规划有自身特点。LTE网络中信令风暴等压力直接由核心网网元MME承接，不再由PCF网元隔离，所以在LTE/EPC规划中MME信令处理能力的冗余、备份等将是规划的重点之一。

（2）LTE/EPC规划还需要关注与eHRPD互操作的问题及PCC等策略相关的网络规划。需要指出的是，LTE网络在中国运营商的引入将是一个复杂的、长期的过程，随着相关技术的日趋成熟和体制标准的不断健全，LTE网络的规划方法也将逐步充实和完善。

4.3LTE/EPC网络规划流程。

从规划流程上来看，EPC网络规划分为基础数据收集整理、组网方案、网元设置、承载需求、编号规划、支撑系统规划等各个阶段。在网络规划建设的不同阶段，对网络规划的深度有不同要求，并非每次规划都需要涵盖所有的规划步骤，在具体的工作中，可以根据具体的目标和需要，对规划流程进行合理剪裁和调整。EPC核心网的规划流程如下所示：

4.3.1收集规划需要的输入数据包括：

（1）网元设置原则。

MME， S-GW， P-GW， HSS， PCRF， DNS等网元的起设门限、扩容门限、是否容灾备份以及容灾备份原则。

（2）现有网络数据。

现有网络结构：规划区域内运营商现有的话务网络组织、信令网络组织、传输网络组织、智能网网络组织、IP网网络组织、与其他运营商的互联互通结构。

现有局房情况：规划区域内运营商现在拥有的机楼、机房情况，机房规划及空闲情况，计划建设的机楼情况。

传输条件：包括机楼是否为传输枢纽、是否拥有省际电路出口。

（3）业务预测用户数和渗透率。

根据市场发展策略、区域现有人口指标、经济指标和电信指标预测出来的本区域LTE用户数、智能业务渗透率、数据业务渗透率、平均忙时数据流量等。预测值还需要分解到各个规划子区域。

（4）路由原则。

在用户面数据方面，包括LTE网内路由原则，LTE网和外网间（区分本运营商和其他运营商）的互联互通，若未实现2G/3 G/LTE融合组网，还需考虑LTE网和2G/3 G网的互联互通。在信令网方面，EPC引入了Diameter信令，Diameter信令网与现有SS7信令网服务网络不同，现有SS7信令网满足2G/3G网络用户漫游信令寻址需求，而Diameter信令网满足LTE网络用户漫游信令寻址需求，两张网之間没有互通需求，需要单独考虑信令网路由原则。要分成2～3段分别维护，对于维护压力较大，需要权衡建设于维护，全局考虑承载方案。

（5）编码策略。

包括在LTE网络上承载的各种业务的编码策略以及LTE网络本身运行所需的各种信令的编码策略。

（6）用户模型。

包括业务数据模型和信令计算参考模型。业务数据模型包括忙时平均流量、忙时集中比、网间流量分布等。信令计算参考模型包括EPC移动性管理、EPC会话管理以及EPC切换等引起的信令。

（7）编号原则。

包括EPC网元本身的网络标示编号原则以及MME与eNB，UE SAE-GW（S-GW+P-GW），HSS， DNS等网元之间的编号原则。

（8）融合组网需求。

在LTE网络初期小规模商用时，采用新建EPC融合核心网和现网设备改造相结合的形式，实现互通，最大限度减少对现网的影响；在后期大规模商用时，现网分组域设备演进升级为核心网全融合设备，有效保护己有投资。endprint

（9）支撑系统发展策略。

包括EPC网络的BSS系统（营销、客服、计费、帐务、结算等）、OSS系统（网管、资源管理等）和MSS系统的发展策略。

（10）支撑系统现状。

包括规划区域各个支撑系统的实现功能、网络组织和相互关系。

（11）设备参考价格。

各种网元的配置单价或以容量为依据的价格。

4.3.2规划网元局点数、负责区域、设备容量、局所设置。

根据子区域用户数、网元设置门限、备份原则计算网元局点数量，并根据现有网络结构、地理情况和人文特点划分每个网元负责的子区域，然后计算每个设备的容量。根据局房情况和传输条件，规划每个网元局所设置。本步骤是一个反复调整修正的过程。本步骤输出各种网元设置方案及表格。

4.3.3网络拓扑结构和互联互通组织。

结合路由原则和上述结果，制定EPC网络、信令网网络拓扑结构和互联互通组织方案，明确与外网哪些局点连接。该阶段需横向比较各网元间关系，检查各网元负责子区域的交集、子集关系是否合理。如果不合理，返回上一步，如果合理进行下一步。本步骤输出各期网络拓扑结构图。

4.3.4各种接口带宽计算（S1， S5， S8， S6， S11， Gx， Gy， S Gi等）。

根据编码策略、用户模型，结合以上规划结果，计算各网元各接口的带宽需求。根据现有承载网结构和传输网结构，把带宽计算结果分配到各个承载网节点和传输线路上。

本步骤输出承载带宽需求。

4.3.5网元编号规划。

根据编号原则，结合网络拓扑结构图，全网统一规划EPC号码，对整个网络的各个网元以及相关节点进行编号。由于LTE具有永久在线特性，对IP地址的需求量非常大，需在规划中提前考虑引入IPv6，以避免在网络建成后，再进行大规模升级的事情发生。本步骤输出编号计划。

4.3.6电路域改造需求，分组域改造需求。

LTE用户语音业务解决方案会涉及到对现网电路域的改造；LTE与2G/3G的互通/互操作及融合组网会涉及到对现网分组域的改造。本步骤输出现网改造需求。

4.3.7支撑系统规划。

根据支撑系统发展策略和支撑系统现状，制定支撑系统规划方案（包括BSS， OSS和

MSS）。由于LTE是面向数据业务的高带宽网络，高速数据业务会使资源不均衡问题更加突出，需要通过支撑系统来确保LTE网络得到有效、公平的利用，保障电信级业务的用户体验。本步骤输出支撑系统规划方案。

4.3.8投资估算。

（1）根据设备参考价格和网元数量、带宽需求，进行投资估算。本步骤输出工程投资估算表。

（2）EPC核心网规划至此结束。整个规划流程，首先需要明确网络规划建设的基本原则，确定规划中的网络的系统框架、各主要网元的基本设置原则，明确网络互通方式；之后确定网络的整个网络的拓扑结构，计算网络的承载带宽需求，然后编制编号计划，分析是否需要对现网进行改造，并对支撑系统，主要是网管和计费系统做出规划，最后得出投资估算，对EPC网络的建设规模、建设质量与建设成本进行评估。

5. 结束语

（1）本文主要介绍了LTE/EPC的组网架构，描述了各核心网元的功能；最后对网络规划的内容和原则进行了概述，然后给出了规划的基本流程，为接下来的规划建设方案奠定理论基础。

（2）在下一代无线通信网络向 LTE/EPC 演进的过程中，移动核心网络的演进路线比较明朗， 未来的移动通信核心网络承载将采用 EPC 网络，IMS 作为业务控制层架构在 EPC 网络上为 用户提供多媒体应用。在这种架构下，用户在漫游时如何实现业务路由的选择，成为我们需要考虑的另一个重要问题。。

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