长距离通信系统与协议（广域网）技术解析

### 长距离通信系统与协议（广域网） #### 1. Multifire技术 Multifire是一种新的免授权技术，在免授权频谱中是一个不错的选择。它和LTE - U、LAA一样，是5GHz频段的一种LTE形式。不过，Multifire无需锚定在授权频段，这意味着无需像AT&T或Verizon这样的商业运营商来管理通信。没有了运营商参与价值链，数据传输和数据所有权的经济模式也随之改变，大型公司可以仅使用免授权频率来构建和管理自己的蜂窝网络。 Multifire采用了与LAA相同的LBT共存技术。实际上，它需要依靠大量小基站来提供覆盖，类似于Wi - Fi接入点。此外，该频段在全球范围内被Wi - Fi使用，保证了不同地区之间的一致性。 #### 2. 4G - LTE拓扑结构与架构 ##### 2.1 总体架构概述 3GPP LTE架构被称为系统架构演进（SEA），其总体目标是基于全IP流量实现简化架构，同时支持无线接入网（RAN）的高速通信和低延迟。在3GPP路线图的版本8中引入了LTE，由于网络完全由IP分组交换组件构成，语音数据也以数字IP数据包的形式传输，这与传统3G网络有根本区别。3G拓扑结构中，语音和短信业务采用电路交换，数据业务采用分组交换。电路交换源于原始电话交换网络，在通信期间使用源节点和目标节点之间的专用信道和路径；而分组交换网络中，消息会被拆分成较小的片段（如IP数据中的数据包），并寻找从数据源到目的地的最有效路由，数据包的头部包含目的地等信息。 典型的4G - LTE网络由三个部分组成： - **客户端**：即用户的无线电设备。 - **无线电网络**：代表客户端与核心网络之间的前端通信，包括塔等无线电设备。 - **核心网络**：代表运营商的管理和控制接口，可管理一个或多个无线电网络。 ##### 2.2 架构详细分解 | 架构组件 | 详细描述 | | ---- | ---- | | Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E - UTRAN) | 4G - LTE与LTE UE设备的空中接口，下行链路采用OFDMA，上行链路采用SC - FDMA，与传统3G W - CDMA技术不兼容。由eNodeB组成，多个eNodeB可通过X2接口互连。 | | eNodeB | 无线电网络的核心，处理UE与核心（EPC）之间的通信。是控制一个或多个蜂窝区域中eUE的基站，以1ms的时间间隔（TTI）为特定客户端分配资源，根据使用情况为其附近的各种UE分配信道资源，负责触发从IDLE到CONNECTED的状态转换、UE的移动性（如切换到其他eNodeB）以及传输和拥塞控制。与EPC的接口是S1接口。 | | User Equipment (UE) | 客户端硬件，由执行所有通信功能的移动终端（MT）、管理终端数据流的终端设备（TE）和用于身份管理的通用集成电路卡（UICC，即SIM卡）组成。 | | Evolved Packet Core (EPC) | 采用扁平架构，分离用户数据（用户平面）和控制数据（控制平面）以实现更高效的扩展，包含以下五个基本组件： | | - Mobility Management Equipment (MME) | 负责控制平面流量、认证和安全、位置跟踪以及移动性问题处理，需识别IDLE模式下的移动性，使用跟踪区域（TA）代码进行管理，还管理非接入层（NAS）信令和承载控制。 | | - Home Subscriber Server (HSS) | 与MME关联的中央数据库，包含网络运营商用户的信息，如密钥、用户数据、计划中的最大数据速率、订阅等，是3G UMTS和GSM网络的遗留部分。 | | - Servicing Gateway (SGW) | 负责用户平面和用户数据流，充当路由器，直接在eNodeB和PGW之间转发数据包。其接口为S5/S8接口，同一网络的两个设备使用S5，不同网络的设备使用S8。 | | - Public Data Network Gateway (PGW) | 将移动网络连接到包括互联网或其他PDN网络的外部源，为连接的移动设备分配IP地址，管理各种互联网服务（如视频流和网页浏览）的服务质量（QoS），通过SGi接口连接各种外部服务。 | | - Policy Control and Charging Rules Function (PCRF) | 存储策略和决策规则的数据库，控制基于流量的计费功能。 | | Public Data Network (PDN) | 外部接口，主要是互联网，也可包括其他服务、数据中心、私人服务等。 在4G - LTE服务中，用户有一个公共陆地移动网络（PLMN）运营商。若用户处于该运营商的PLMN内，称为归属PLMN；若移动到其他PLMN（如国际旅行时），则新网络称为拜访PLMN。用户将其EU连接到拜访PLMN时，需要新网络的E - UTRAN、MME、SGW和PGW资源，PGW可提供本地出口（网关）访问互联网，此时漫游费用开始影响服务计划，漫游费用由拜访PLMN收取并计入客户账单。 #### 3. 非接入层（NAS）信令与GPRS隧道协议（GTP） NAS信令是UE与核心节点（如交换中心）之间传递消息的机制，例如认证消息、更新消息或附着消息等，位于SAE协议栈顶部。 GTP是基于IP/UDP的协议，用于LTE通信基础设施中的控制数据、用户数据和计费数据。在LTE架构中，大多数S*通道连接的组件使用GTP数据包。 #### 4. LTE中的承载 LTE架构和协议栈使用承载的概念，承载是一种虚拟概念，用于在节点之间传输数据。PGW和UE之间的管道称为EPS承载。数据从互联网进入PGW后，会被封装在GTP - U数据包中发送到SGW，SGW接收数据包后去除GTP - U头部，重新封装用户数据并发送到eNB，eNB在压缩、加密和路由到逻辑信道后重新封装用户数据，最后通过无线电承载传输到UE。承载为LTE带来的一个优势是QoS控制，基础设施可根据客户、应用或使用情况保证特定的比特率。 当UE首次附着到蜂窝网络时，会被分配一个默认承载，每个默认承载有一个IP地址，一个UE可能有多个默认承载