LTE网络设备初探

        为了更有条理的介绍网络设备，先从一些LTE中的概念开始。下图给出了LTE网络的整体架构。LTE网络中最大的概念是EPSEvolved Packet System，意思是3GPP的演进分组系统，由E-UTRAN无线接口和EPC核心网组成，下面我们分别介绍这两部分
LTE网络整体结构
E-UTRAN更被人熟知的名字是LTELong Term Evolution长期演进项目，是无线接口部分向4G演进的工作项目。而E-UTRANEvolved Universal Terrestrial Radio Aess Network，是指演进的UMTS陆地无线接入网，即LTE中的移动通信无线网络。E-UTRAN由eNodeB和UE构成。eNodeB是指Evolved Node B，也就是LTE基站；UE是指User equipment，用户设备。在宣传的时候，我们一般用LTE代指整个4G网络。
E-UTRAN的上层是SAESystem Architecture Evolution系统架构演进项目，是网络核心网网络架构向4G演进的工作项目，与LTE相对应的。SAE中，EPCEnvolved Packet Core，演进分组核心网。SAE由MME，S-GW，P-GW组成。MME，Mobility Management Entity是移动性管理组件。MME是接入网络的关键控制节点，它负责空闲模式UE（用户设备）跟踪和寻呼控制。S-GW，Servg Gateway是服务网关。S-GW负责用户数据包的路由和转发，也负责UE在eNodeB之间和LTE与其他3GPP技术之间移动时的用户面数据交换。P-GW，PDN GatewayPDN网关，则是提供UE与外部分组数据网络连接点的接口传输。
更为细节的LTE的网络结构如下图。注意到在新的系统结构中没有了Circuit Switchg Doma（CS），全部由Packet Switchg Doma（PS）。这里CS和PS的区别主要在于，CS网络中终端系统之间需要预约传输线路资源才可以进行持续的通讯，在通讯过程中传输速率保持在一个常数值，是一种电路资源预分配；而PS是是不需要预约的，则每个连接是竞争关系，对于线路资源先到先得。
移动网络结构演进
还有一个特点是LTE系统使用了更扁平化的设计，没有2G网中的BSC(Base Station Controller) 和3G网中的RNC(Radio Network Controller)，而是eNodeB基站直接连接到核心网。Control plane和user plane是完全独立的。LTE增加了一个归属用户服务器（HSS，Home Subscriber Server）HSS，一个中央数据库，包含与用户相关的信息和订阅相关的信息，用来管理用户信息。
有了上面基本概念，下面开始正式介绍网络设备。
基站设备
介绍基站设备，基站eNodeB是网络的核心部件，由以下三个设备构成Antenna天线，RRU (Remote Radio Unit)射频拉远单元，BBU（Buildg Baseband Unit）基带处理单元。BBU是做基带信号处理，决定了系统容量；RRU模数转换，过滤增强RF信号，决定了系统覆盖能力；天线传输RF信号，决定了覆盖范围的形状。BBU模块提供了基站和核心网的物理接口，管理整个基站系统，处理uplk和downlk的数据包。
基站结构的演进
上面这张图画出了基站的发展历史。最初的基站是lumped集中式，BBU和RRU在一起，用射频线连到基站塔的天线上，这样在射频线上的衰减就比较大；之后就将RRU射频模块移动到天线塔上，用光纤连接RRU和BBU，减少射频的衰减；现在的基站则一步到位，直接将RRU和天线集成到一起，支持了massive MIMO。而这也就是C-RAN（Cloud-Radio Aess Network）云无线接入网技术的一部分。下面这张图画出了RRU的系统结构，特别像USRP这种软件无线电的射频前端。
RRU的结构
户外覆盖的Relay技术设备
接下来要介绍的是Relay Node（RN）中继节点，是LTE特有的设备。LTE提出用Relay技术用来增强覆盖，提高小区边缘吞吐量。如下图，Relay的原理就是基站不直接将信号发送给UE，而是先发送给一个RN（Relay Node，中继节点），然后再由RN转发给UE。下图中的RS是Relay Station的缩写，也称作Relay Node。需要注意的是Relay Node只能扩展覆盖范围而不能扩宽系统容量。比较典型的应用就是在草地，铁路沿线。
中继技术覆盖演示
室内覆盖技术设备
上面的Relay主要用在空旷户外，下面讨论室内覆盖和拥挤城市场景中的LTE设备。如下图显示的城市中移动网络覆盖，低层建筑会有shaowg效应；中层有pg pong效应；高层不容易覆盖到。室内环境更复杂，有很多不确定的衰减和反射。，这些场景的用户密度大，更需要大数据速率。
拥挤城市的移动网络覆盖
传统的室内覆盖系统结构如下图，直接利用大量的被动器件（射频合成器，功率分离器，耦合器）将RF信号分布式地传到室内。这样做好处是，直接简单，不用配置，适合任何系统，不需要电源；缺点很显然就是这些器件带来的信号的衰减，而且很占空间。
传统的室内移动网络覆盖结构
在室内，现在的LTE系统射频前端使用了如下图的Multiservice Digital Aess System（MDAS）多业务数字分布系统。其中Multiservice Aess Unit（MAU）是多服务接入单元，实现RF信号和数字信号的转换；Multiservice Extension Unit（MEU）多服务扩展单元，用来扩展覆盖范围，有点像中继节点；Multiservice Radio Unit（MRU）多服务射频单元，这个就是远端的射频接入节点。这样做的好处是去除了原来被动器件的衰减，更少的干扰，集成度高省空间。
新型的室内移动网络射频前端覆盖结构
在室内，LTE的基站也是分布式的，称作Baseband Aess Digital Distribution System。在BBU+RRU系统架构中，基站由基带单元BBU（BaseBand Unit）、pRRU（Pico Remote Radio Unit）和rHUB（RRU HUB）组成。rHUB是switchg交换机，pRRU是RF处理单元。这个结构的好处是进一步减少了射频线，也就减少了衰减，pRRU和rHUB可以传输控制信号。华为的LampSite就是这种技术的典型代表[3]。
新型的室内移动网络基站分布式覆盖结构
天线
        我们介绍一下天线，天线决定了覆盖区域的形状，下面这张图画出了典型的天线覆盖区域。下面四张图分别画了四种室内天线，Ceilg omnidirectional antenna固定在天花板上全向天线，Ceilg Directional antenna固定在天花板上定向天线，Wall-mounted directional antenna固定在墙上的定向天线，Narrow-beam directional antenna窄波束的定向天线。