LTE Small Cell网关及虚拟网关技术研究

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1帅福利 ，2曾肖玲                          

（1.京信通信技术（广州）有限公司，广东 广州 510663；      

2.广州奔步电脑有限公司，广东 广州 510700）

【摘  要】首先描述了一种Small  Cell系统组网方法以及消息传递过程，具体包括：通过资源调度设备建立消息传输过程中需要的各种资源的映射关系，当消息到达时，只需在资源调度设备中查找所需的资源，就可以确定消息的传输目标。随后验证了以下结论：通过增加虚拟基站，可以在原来的设备中注册更多的HeNB ；通过增加虚拟网关，可以在原来的设备中注册更多的MME  POOL ；用户终端能够通过HeNB接入到网关，并接入核心网，完成终端信令传送。

【关键词】       LTE    Small Cell    虚拟网关    MME POOL

1  引言
随着无线通信技术的发展，基于Femto Cell和Small Cell等LTE HeNB（Home evolved Node B，微型基站）架构系统部署HeNB GW（Home evolved Node B Gateway，微型基站网关）可实现安全接入和S1接口汇聚。但是为了完成不同服务区大量HeNB接入到不同核心网，需要将物理网关虚拟成多个逻辑网关（即虚拟网关），从而实现多个核心网接入和宏微小区切换的功能。

2 Small Cell系统概述
根据3GPP 36.300，LTE Femto Cell和Small Cell 系统主要由HeNB和HeNB GW组成，其中HeNB GW与MME/S-GW通过S1接口建立连接，HeNB与HeNB（或eNB）之间通过X2接口建立连接，HeNB与HeNB GW之间也为S1接口。

2.1 S1接口概述
S1接口包括信令面S1-MME和媒体面S1-U，S1-MME在IP协议之上承载SCTP和S1AP协议，主要实现UE相关信令和非UE相关信令的处理。S1-U在IP协议之上承载UDP和GTP-U协议，主要实现媒体面数据（FTP、流媒体以及视频等相关数据）在eNodeB和
S-GW之间的传送。

2.2 X2接口概述
X2接口分为信令面和媒体面，其中信令面在IP协议之上承载SCTP和X2AP，实现基站与基站之间的信令交换。媒体面实现eNB之间的传送用户数据，在IP协议之上承载UDP和GTP-U协议。
2.3 MME/S-GW介绍
MME是核心网的控制设备，主要包括接入控制、移动性管理、会话管理、网元选择和存储用户承载信息，S-GW位于用户平面，是基站侧的网关，包括会话管理、路由选择、数据转发、Qos控制、计费和信息存储。
2.4 eNB和HeNB介绍
eNB是宏站设备，HeNB是微型基站设备，主要完成用户终端（UE）的接入控制、小区无线资源管理以及移动性管理等功能。

3 Small Cell网关
LTE Femto Cell和Small Cell等微型基站网关的作用是增加HeNB和EPC之间S1接口的扩展性，从MME来看HeNB GW是一个eNB，而从HeNB角度看，HeNB GW是一个MME（Mobility Management Entity，移动管理实体）。
3.1 功能概述
HeNB GW的S1接口实现汇聚功能，完成终端设备（UE）与MME通信的信令，将多个HeNB信令链路汇聚成一条信令链路；网关实现信令路由转发功能，对于HeNB发送到MME的信令，网关接收到后通过特定的信令链路路由到MME，对于MME发送到HeNB的信令，网关接收到后，能够转发到对应的HeNB。
3.2 关键技术分析
根据3GPP S1AP协议规定，宏站唯一标识为eNB ID，占用20bit；宏站小区唯一标识为cell ID，占用28bit，前20bit与eNB ID相同，最多有256个小区，而HeNB的eNB ID和cell ID一致都为28bit，HeNB GW在MME看来是宏站，HeNB是小区。依据实际组网，每个MME/S-GW服务的区域（TAC）不同，多个宏站（或HeNB GW）可以为同一个或不同的TAC服务。根据3GPP S1AP规定，当UE发生小区切换时，会携带目标eNB ID（20位）和cell ID（28位，其前20位为eNB ID），因此存在着当HeNB直接注册到MME时，因使用的目标eNB ID为28位而导致MME无法找到对应的目标基站，无法完成小区切换的情况。当HeNB注册到网关，MME根据目标eNB ID（20位）可以找到对应的网关，那么网关再根据目标cell ID找到对应的HeNB，但此时最多可接256个HeNB，容量无法满足。采用虚拟网关的技术后，HeNB的接入容量得到提高，小区切换问题也得以解决。

4 Small Cell虚拟网关技术分析
虚拟网关技术主要是将网关划分成虚拟基站、虚拟网关、资源调度管理和配置管理4个模块。每个虚拟基站申请20bit的eNB ID，其下HeNB为小区；虚拟网关使用同一个IP地址和不同协议端口号与不同TAC的MME建立S1连接，将UE消息交给不同的MME；而资源调度管理模块根据MME服务的TAC以及eNB ID之间的关系，查找UE消息路由；配置管理模块完成HeNB GW相关信息的配置。
4.1 原理分析
虚拟网关的原理及组网结构如图1所示。
实现方法和步骤如下：

（1）HeNB注册（携带信息为eNB ID和TAC），每个HeNB都执行注册过程（协议规定），建立HeNB中eNB ID与虚拟基站ID和TAC的关系。
（2）虚拟网关注册，使用宏站注册消息，事先设置MME端的IP地址和MME服务的区域，MME1的IP为IP1，MME2的IP为IP2，建立SCTP连接、TAC以及虚拟基站ID的对应关系。
（3）UE附着、去附着、小区切换、位置更新和寻呼等消息都要通过HeNB经过虚拟基站及虚拟网关，最后到达MME，反之消息从MME到虚拟网关和虚拟基站，最后经HeNB再到UE。

4.2 切换技术分析
UE从宏站切换到HeNB GW下HeNB时，宏切换无法识别对方是HeNB小区，所以携带目标基站ID为20bit，目标小区ID为28bit，MME根据20bit的eNB ID，将切换请求转发给网关，虚拟网关根据切换请求消息中28位的目标小区ID，将消息通过虚拟基站发送
给HeNB，完成切换。
UE从HeNB GW下切换到宏站时，切换请求携带目标基站ID为28位，目标小区ID为28位，网关将消息中28位的目标基站ID替换为20bit，然后转发给MME，完成切换。

5  结束语
随着LTE网络技术的日益成熟以及Small Cell系统的规模化应用，微型基站网关（HeNB GW）在移动通信系统成为不可缺少的网元，虚拟网关技术可以简化网络拓扑，减轻核心网的负荷。
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帅福利：高级工程师，硕士毕业于华南理工大学，现任京信通信技术（广州）有限公司业务软件部经理，主要从事网络通信技术、软件技术以及LTE核心侧网络技术等工作，主导研发出LTE多款网络侧设备并申请专利10多项。

曾肖玲：中级工程师，毕业于中南民族大学，现任广州奔步电脑有限公司测试主管，主要从事软件测试以及基于用户图形界面的功能、性能和自动化测试等工作。