星上LTE系统仿真分析范文

《无线电通信技术杂志》2015年第二期

1EPS系统简介

与先前的蜂窝系统所采用的电路交换模式不同，LTE仅支持分组交换业务，即在用户终端和分组数据网络间建立无缝的移动IP连接。3GPP对无线接入网络（RAN）和核心网（CN）的系统架构进行重新修订，称之为系统架构演进（SAE），结果形成了一个扁平的RAN架构，以及一个被称为演进分组核心网（EPC）的全新核心网络架构。LTERAN和EPC一起被称为演进分组系统（EPS）。RAN负责整体网络的无线相关功能，包括分组调度、无线资源管理、重传协议、编码和多天线方案等。EPC负责与无线接口无关但为提供完整的移动宽带网络所需要的功能，包括认证、计费和端到端连接的建立等。1．1系统架构3GPPEPS的系统架构［10］如图1所示，分为无线接入网（EUTRAN）和核心网（EPC）两部分。EUTRAN采用扁平化的eNodeB架构，多个eNodeB之间可通过X2接口互联，每个eNodeB负责一个或多个小区的无线相关功能，相当于3G蜂窝系统中的NodeB和RNC的部分功能合并。EPC包括移动性管理实体（MME）、服务网关（SGW）、分组数据网关（PGW）、政策和计费规则实体（PCRF）以及归属用户服务器（HSS）。MME是EPC的控制平面节点，职责包括针对终端的承载连接／释放、空闲到激活状态的转移、安全密钥的管理。SGW是EPC连接EUTRAN的用户平面的节点，作为终端在eNodeB之间移动时的移动性锚点。此外，SGW还针对计费信息进行收集和统计。PGW将EPC连接到互联网。对于特定终端的IP地址分配以及根据PCRF所控制的策略来进行业务质量改善，均由PGW进行管理。此外，EPC还包括一些其他类型节点，其中HSS是用于存储用户签约信息的数据库，归属网络中可以包括一个或多个HSS。PCRF包括策略控制决策和基于流计费控制的功能，向PCEF提供关于服务数据流的检测、基于QoS和基于流计费的网络控制功能。图1中的节点都是逻辑节点，在实际的物理实现中，有些节点很可能被合并，如MME、PGW和SGW可以合并为一个单一物理节点。

2NS3中的LTE模型：LENA

2．1系统架构LENA的总体架构如图2所示，分为LTE模型和EPC模型两部分。LTE模型包括LTE的空口协议栈（RRC、PDCP、RLC、MAC和PHY），这些协议层都存在于UE和eNodeB实体内部。EPC模型包括核心网的各类接口、协议和实体，存在于SGW、PGW和MME逻辑节点内，以及部分存在于eNodeB逻辑节点内。考虑到LTE系统的复杂性以及仿真需求的特定性，LENA对LTE模型和EPC模型根据设计原则（见下）进行了简化。

LTE模型LTE模型的设计目标支持以下特性：①无线资源管理；②QoS分组调度；③小区间干扰协调；④动态频谱访问。LTE模型要足够精确到能够准确完成上述4点的仿真，因此在实现时考虑以下方面：在无线资源方面，建模的最小粒度是资源块RB，用于保证对特性②和特性③的支持；仿真的扩展性能够支持数十个eNodeB和上百个UE。对物理层的建模，符号级别的链路仿真由于复杂度高，仅支持单个eNodeB和数个UE；对于不同小区，支持每小区的不同载频和带宽配置，并且对频率的干扰能够正确建模，用以支持特性④；考虑对IP分组数据的承载，LTE调度模块和无线资源管理RRM单元需要针对RLCPDU进行操作，因此需要实现RLC协议层，从而支持对IP分组数据的分割和串接等操作；LTE模型中存在两类逻辑节点：UE和eNodeB。UE侧完整实现了数据平面和控制平面的协议层。对于数据平面，每个无线承载实例都对应一对PDCP和RLC协议实例；对于控制平面，实现了无线信令承载：用于公共控制信道CCCH的SRB0和用于专用控制信道DCCH的SRB1、实现了非接入层的部分逻辑控制。

2．2EPC模型EPC模型设计的初衷是为LTE模型提供细粒度的端到端IP业务流仿真，因此模型支持多个UE通过空口经EPC的单个SGW／PGW节点连接到因特网。模型对EPC的实现进行了必要的简化，仅支持以下几个方面：①PDN类型仅支持IPv4，且提供在EPC上的TCP／UDP业务流支持；②SGW和PGW合并为一个仿真实体，记为SGW／PGW节点；③无SGW间移动性管理；④eNodeB和SGW／PGW之间的数据平面接口S1U要准确建模；｝支持不同QoS要求的EPS承载，即要求能够对TCP／UDP业务流进行分类，包括上行链路的UE和下行链路的PGW；⑥EPC的控制平面进行简化设计，网元之间的接口，如S11，采用函数消息的方式，而不是采用3GPP的标准协议进行通信；⑦目前仅对处于激活态的UE进行建模，即处于ECM连接模式，因此对所有与ECM空闲模式相关的功能，如位置更新、寻呼等，并未被建模；⑧支持两个eNodeB之间的基于X2接口的切换。EPC的数据平面最大的简化之处是合并SGW和PGW网元为一个逻辑节点SGW／PGW，因此取消了S5／S8接口，但S1U接口和LTE空口的各层协议都保留。EPC的控制平面仅对S1MME、X2AP和S11接口进行建模，且对S1MME、S11接口的信令采用函数调用的方式实现，而并未采用3GPP规定的标准控制消息。X2AP接口的实现更为真实，采用点到点的X2链路上的PDU承载。

3LENA仿真模型的不足

LENA对LTE和SAE进行了建模，但是其还未完善。总的来说，在控制面和数据面2方面存在某些功能缺失和未实现部分。作为对整个系统的建模，尤其是卫星LTE系统的建模，需要对LENA模型进行功能增补和完善。按照协议栈分层模型列出了LENA在控制面和数据面的不足。MAC层：①HARQ仅实现了类型2的增量冗余方式（IRTypeII）；②仅实现了下行链路的RB调度（包括多种调度器）；③自适应调制编码（AMC）仅提供两套方案；④对传输块（TB）结构简化，并未遵循3GPP的定义规范；⑤随机接入过程，对RAPreamble、RAR、CR消息进行简化设计，作为控制信令都不消耗空口资源。RLC层：AMRLC不支持重传分段、RLCSDU成功投递指示、通知上层达到最大重传次数、SDU丢弃过程、AMRLC重建流程。PDCP层：①不支持ROHC的IP头压缩和解压缩；②当下层重建时，对上层PDU的按序投递；③在RLCAM模式下，当下层重建时，对下层SDU的重复检测；④数据面、控制面的加密；⑤控制面的完整性保护；⑥重复数据的丢弃。RRC层：①未实现口空接纳控制策略；②未实现空闲模式的小区重选择；③不支持无线链路失败流程；④基于UE测量的网络层切换未实现；⑤未实现RRC空闲状态逻辑；⑥未实现基于存储信息的小区选择；⑦仅支持基于X2接口的切换流程；⑧RRC支持的测量有限。NAS层：①不支持PLMN或CSG选择；②不支持空闲模式的寻呼、位置区更新；③EMM＼ECM模式并没有完全建模。接口S1＼X2＼S11：①S1AP、S11并未采用PDU进行信令封装，而是采用函数调用方式；②X2C未采用3GPP规定的SCTP，而是采用了UDP协议；③X2U无带宽限制；④不支持无线链路失败指示、切换报告流程。由以上分析之，要成为一个完整的星上LTE仿真平台，亟待完善NAS层的空闲模式寻呼和位置更新、RRC的卫星链路测量和RRC空闲模式逻辑等。

4星上LTE系统仿真对LENA的要求

星上LTE系统仿真除了要对LENA模型进行完善外，还需要考虑卫星通信的特点，如链路大时延、卫星信道衰落平坦等。首先，卫星与地面间的距离可达上万千米，因此其单向传播时延可达上百毫秒。大时延会对LTE系统的空口各层协议产生严重影响，如定时器、帧格式、随机接入的时间窗口宽度、碰撞退避时间等，还会影响核心网非接入层的各种定时器，如果不对上述方面进行修正和设定，则会导致系统无法正常运行。此外，卫星链路也会产生较大的频率偏差，而OFDM系统对频偏非常敏感，会对系统产生严重影响。卫星链路存在大环路延迟，而LTE规范中规定的TTI较小，无法产生较好的时间分集。链路大时延特性对无线资源管理也提出了严格的要求，传统地面蜂窝系统的RRC资源管理策略未针对大时延进行设计，因此无法应用于卫星LTE系统。其次，卫星信道衰落模型与地面相比存在较大差异，主要分为大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落指由于距离远近引起的信号强度变化，包含自由空间传播损耗和雨衰，小尺度衰落指接收信号在几个波长或毫秒级内的快速变化，包含多径引起的信号剧烈变化和衰落。链路误码率是信道衰落模型的函数，会对自适应调制编码（AMC）策略、LTE信道功率控制算法等的设计产生影响。最后，卫星波束的覆盖面积广，每个波束相当于地面蜂窝系统的一个小区，但是其波束内的信号衰落平坦，这意味着地面蜂窝系统中基于信号强度的小区选择、重选算法往往不适用，需要进行改进或重新设计。此外，波束中心和波束边缘的终端对随机接入过程中的保护时间窗口长度要求不同，同时保证终端高效的随机接入和信号的收发处于保护窗口内，是星上LTE系统的一项关键技术。

5结束语

由于卫星网络的大时延、高动态等特点，卫星通信环境下的LTE空口协议仿真、核心网各类协议仿真是卫星LTE通信系统设计的关键技术和难点。首先对开源仿真工具NS3中的LTE系统模型LENA进行了介绍，并对该模型的完整性和不足给出了详细分析。最后，针对卫星通信环境，详细论述了实现星上LTE系统仿真所需要对LENA模型进行的修改和完善之处，主要包括LTE空口协议栈、NAS层和信道模型等。

作者：窦志斌胡东伟刘刚单位：中国电子科技集团公司第五十四研究所