星上LTE系統仿真分析范文

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《無線電通信技術雜志》2015年第二期

1EPS系統簡介

與先前的蜂窩系統所采用的電路交換模式不同，lte僅支持分組交換業務，即在用戶終端和分組數據網絡間建立無縫的移動IP連接。3GPP對無線接入網絡（RAN）和核心網（CN）的系統架構進行重新修訂，稱之為系統架構演進（SAE），結果形成了一個扁平的RAN架構，以及一個被稱為演進分組核心網（EPC）的全新核心網絡架構。LTERAN和EPC一起被稱為演進分組系統（EPS）。RAN負責整體網絡的無線相關功能，包括分組調度、無線資源管理、重傳協議、編碼和多天線方案等。EPC負責與無線接口無關但為提供完整的移動寬帶網絡所需要的功能，包括認證、計費和端到端連接的建立等。1．1系統架構3GPPEPS的系統架構［10］如圖1所示，分為無線接入網（EUTRAN）和核心網（EPC）兩部分。EUTRAN采用扁平化的eNodeB架構，多個eNodeB之間可通過X2接口互聯，每個eNodeB負責一個或多個小區的無線相關功能，相當于3G蜂窩系統中的NodeB和RNC的部分功能合并。EPC包括移動性管理實體（MME）、服務網關（SGW）、分組數據網關（PGW）、政策和計費規則實體（PCRF）以及歸屬用戶服務器（HSS）。MME是EPC的控制平面節點，職責包括針對終端的承載連接／釋放、空閑到激活狀態的轉移、安全密鑰的管理。SGW是EPC連接EUTRAN的用戶平面的節點，作為終端在eNodeB之間移動時的移動性錨點。此外，SGW還針對計費信息進行收集和統計。PGW將EPC連接到互聯網。對于特定終端的IP地址分配以及根據PCRF所控制的策略來進行業務質量改善，均由PGW進行管理。此外，EPC還包括一些其他類型節點，其中HSS是用于存儲用戶簽約信息的數據庫，歸屬網絡中可以包括一個或多個HSS。PCRF包括策略控制決策和基于流計費控制的功能，向PCEF提供關于服務數據流的檢測、基于QoS和基于流計費的網絡控制功能。圖1中的節點都是邏輯節點，在實際的物理實現中，有些節點很可能被合并，如MME、PGW和SGW可以合并為一個單一物理節點。

2NS3中的LTE模型：LENA

2．1系統架構LENA的總體架構如圖2所示，分為LTE模型和EPC模型兩部分。LTE模型包括LTE的空口協議棧（RRC、PDCP、RLC、MAC和PHY），這些協議層都存在于UE和eNodeB實體內部。EPC模型包括核心網的各類接口、協議和實體，存在于SGW、PGW和MME邏輯節點內，以及部分存在于eNodeB邏輯節點內。考慮到LTE系統的復雜性以及仿真需求的特定性，LENA對LTE模型和EPC模型根據設計原則（見下）進行了簡化。

LTE模型LTE模型的設計目標支持以下特性：①無線資源管理；②QoS分組調度；③小區間干擾協調；④動態頻譜訪問。LTE模型要足夠精確到能夠準確完成上述4點的仿真，因此在實現時考慮以下方面：在無線資源方面，建模的最小粒度是資源塊RB，用于保證對特性②和特性③的支持；仿真的擴展性能夠支持數十個eNodeB和上百個UE。對物理層的建模，符號級別的鏈路仿真由于復雜度高，僅支持單個eNodeB和數個UE；對于不同小區，支持每小區的不同載頻和帶寬配置，并且對頻率的干擾能夠正確建模，用以支持特性④；考慮對IP分組數據的承載，LTE調度模塊和無線資源管理RRM單元需要針對RLCPDU進行操作，因此需要實現RLC協議層，從而支持對IP分組數據的分割和串接等操作；LTE模型中存在兩類邏輯節點：UE和eNodeB。UE側完整實現了數據平面和控制平面的協議層。對于數據平面，每個無線承載實例都對應一對PDCP和RLC協議實例；對于控制平面，實現了無線信令承載：用于公共控制信道CCCH的SRB0和用于專用控制信道DCCH的SRB1、實現了非接入層的部分邏輯控制。

2．2EPC模型EPC模型設計的初衷是為LTE模型提供細粒度的端到端IP業務流仿真，因此模型支持多個UE通過空口經EPC的單個SGW／PGW節點連接到因特網。模型對EPC的實現進行了必要的簡化，僅支持以下幾個方面：①PDN類型僅支持IPv4，且提供在EPC上的TCP／UDP業務流支持；②SGW和PGW合并為一個仿真實體，記為SGW／PGW節點；③無SGW間移動性管理；④eNodeB和SGW／PGW之間的數據平面接口S1U要準確建模；｝支持不同QoS要求的EPS承載，即要求能夠對TCP／UDP業務流進行分類，包括上行鏈路的UE和下行鏈路的PGW；⑥EPC的控制平面進行簡化設計，網元之間的接口，如S11，采用函數消息的方式，而不是采用3GPP的標準協議進行通信；⑦目前僅對處于激活態的UE進行建模，即處于ECM連接模式，因此對所有與ECM空閑模式相關的功能，如位置更新、尋呼等，并未被建模；⑧支持兩個eNodeB之間的基于X2接口的切換。EPC的數據平面最大的簡化之處是合并SGW和PGW網元為一個邏輯節點SGW／PGW，因此取消了S5／S8接口，但S1U接口和LTE空口的各層協議都保留。EPC的控制平面僅對S1MME、X2AP和S11接口進行建模，且對S1MME、S11接口的信令采用函數調用的方式實現，而并未采用3GPP規定的標準控制消息。X2AP接口的實現更為真實，采用點到點的X2鏈路上的PDU承載。

3LENA仿真模型的不足

LENA對LTE和SAE進行了建模，但是其還未完善。總的來說，在控制面和數據面2方面存在某些功能缺失和未實現部分。作為對整個系統的建模，尤其是衛星LTE系統的建模，需要對LENA模型進行功能增補和完善。按照協議棧分層模型列出了LENA在控制面和數據面的不足。MAC層：①HARQ僅實現了類型2的增量冗余方式（IRTypeII）；②僅實現了下行鏈路的RB調度（包括多種調度器）；③自適應調制編碼（AMC）僅提供兩套方案；④對傳輸塊（TB）結構簡化，并未遵循3GPP的定義規范；⑤隨機接入過程，對RAPreamble、RAR、CR消息進行簡化設計，作為控制信令都不消耗空口資源。RLC層：AMRLC不支持重傳分段、RLCSDU成功投遞指示、通知上層達到最大重傳次數、SDU丟棄過程、AMRLC重建流程。PDCP層：①不支持ROHC的IP頭壓縮和解壓縮；②當下層重建時，對上層PDU的按序投遞；③在RLCAM模式下，當下層重建時，對下層SDU的重復檢測；④數據面、控制面的加密；⑤控制面的完整性保護；⑥重復數據的丟棄。RRC層：①未實現口空接納控制策略；②未實現空閑模式的小區重選擇；③不支持無線鏈路失敗流程；④基于UE測量的網絡層切換未實現；⑤未實現RRC空閑狀態邏輯；⑥未實現基于存儲信息的小區選擇；⑦僅支持基于X2接口的切換流程；⑧RRC支持的測量有限。NAS層：①不支持PLMN或CSG選擇；②不支持空閑模式的尋呼、位置區更新；③EMM＼ECM模式并沒有完全建模。接口S1＼X2＼S11：①S1AP、S11并未采用PDU進行信令封裝，而是采用函數調用方式；②X2C未采用3GPP規定的SCTP，而是采用了UDP協議；③X2U無帶寬限制；④不支持無線鏈路失敗指示、切換報告流程。由以上分析之，要成為一個完整的星上LTE仿真平臺，亟待完善NAS層的空閑模式尋呼和位置更新、RRC的衛星鏈路測量和RRC空閑模式邏輯等。

4星上LTE系統仿真對LENA的要求

星上LTE系統仿真除了要對LENA模型進行完善外，還需要考慮衛星通信的特點，如鏈路大時延、衛星信道衰落平坦等。首先，衛星與地面間的距離可達上萬千米，因此其單向傳播時延可達上百毫秒。大時延會對LTE系統的空口各層協議產生嚴重影響，如定時器、幀格式、隨機接入的時間窗口寬度、碰撞退避時間等，還會影響核心網非接入層的各種定時器，如果不對上述方面進行修正和設定，則會導致系統無法正常運行。此外，衛星鏈路也會產生較大的頻率偏差，而OFDM系統對頻偏非常敏感，會對系統產生嚴重影響。衛星鏈路存在大環路延遲，而LTE規范中規定的TTI較小，無法產生較好的時間分集。鏈路大時延特性對無線資源管理也提出了嚴格的要求，傳統地面蜂窩系統的RRC資源管理策略未針對大時延進行設計，因此無法應用于衛星LTE系統。其次，衛星信道衰落模型與地面相比存在較大差異，主要分為大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落指由于距離遠近引起的信號強度變化，包含自由空間傳播損耗和雨衰，小尺度衰落指接收信號在幾個波長或毫秒級內的快速變化，包含多徑引起的信號劇烈變化和衰落。鏈路誤碼率是信道衰落模型的函數，會對自適應調制編碼（AMC）策略、LTE信道功率控制算法等的設計產生影響。最后，衛星波束的覆蓋面積廣，每個波束相當于地面蜂窩系統的一個小區，但是其波束內的信號衰落平坦，這意味著地面蜂窩系統中基于信號強度的小區選擇、重選算法往往不適用，需要進行改進或重新設計。此外，波束中心和波束邊緣的終端對隨機接入過程中的保護時間窗口長度要求不同，同時保證終端高效的隨機接入和信號的收發處于保護窗口內，是星上LTE系統的一項關鍵技術。

5結束語

由于衛星網絡的大時延、高動態等特點，衛星通信環境下的LTE空口協議仿真、核心網各類協議仿真是衛星LTE通信系統設計的關鍵技術和難點。首先對開源仿真工具NS3中的LTE系統模型LENA進行了介紹，并對該模型的完整性和不足給出了詳細分析。最后，針對衛星通信環境，詳細論述了實現星上LTE系統仿真所需要對LENA模型進行的修改和完善之處，主要包括LTE空口協議棧、NAS層和信道模型等。

作者：竇志斌胡東偉劉剛單位：中國電子科技集團公司第五十四研究所