4G系统网络结构及其关键技术

4G系统网络结构及其关键技术

4G移动系统网络结构可分为三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。物理网络层提供接入和路由选择功能，它们由无线和核心网的结合格式完成。中间环境层的功能有QoS映射、地址变换和完全性管理等。物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的，它使发展和提供新的应用及服务变得更为容易，提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带。这一服务能自适应多个无线标准及多模终端能力，跨越多个运营者和服务，提供大范围服务。第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输；抗干扰性强的高速接入技术、调制和信息传输技术；高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线；大容量、低成本的无线接口和光接口；系统管理资源；软件无线电、网络结构协议等。第四代移动通信系统主要是以正交频分复用（OFDM）为技术核心。OFDM技术的特点是网络结构高度可扩展，具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，可以提供无线数据技术质量更高（速率高、时延小）的服务和更好的性能价格比，能为4G无线网提供更好的方案。例如无线区域环路（WLL）、数字音讯广播（DAB）等，预计都采用OFDM技术。4G移动通信对加速增长的广带无线连接的要求提供技术上的回应，对跨越公众的和专用的、室内和室外的多种无线系统和网络保证提供无缝的服务。通过对最适合的可用网络提供用户所需求的最佳服务，能应付基于因特网通信所期望的增长，增添新的频段，使频谱资源大扩展，提供不同类型的通信接口，运用路由技术为主的网络架构，以傅利叶变换来发展硬件架构实现第四代网络架构。移动通信会向数据化，高速化、宽带化、频段更高化方向发展，移动数据、移动IP预计会成为未来移动网的主流业务。

A．W iMAX技术

下图说明了终端到终端的网络

架构的移动WiMAX。它包括两个关键

实体：接入服务网络（ASN）和连接服务网络（CSN）的。核心元素ASN的是基地台（BS）和ASN网关（ASNGW）这是连接在IP基础设施。该ASNGW提供安全抛锚，交通会计和流动性支持移动台（MS）。移动IP在CSN的家乡代理（医管局）使全球流动性。有一些关键元素的数量在运作WiMAX网络架构。首先，AAA级（认证，授权和计费）服务器在CSN网络中的控制信号处理来自ASN - GW的验证对MS的MS个人资料的AAA级存储在服务器的数据库。通过认证，AAA服务器发送MS的个人资料，包括服务质量到ASN - GW的参数。民政代理（HA）处理来自ASN - GW的控制信号，并指派移动IP地址，MS和锚的IP有效载荷。该HA服务器提供连接到互联网的数据流量。图1：Mobile

iMAX网络如果MS使VoIP呼叫，控制传递给CSN IMS（IP多媒体系统）服务器然后处理电话。如果呼叫的电话号码是外WiMAX网络，IMS的服务器选择合

适的媒体网关控制器（MGC）/媒体网关（MGW）介面的公共交换电话网（PSTN）的。WiMAX的没有一个TDM（时间分复用）旗手。如LTE，这是一个全IP扁平网络。WiMAX的用户流量是微软的有效载荷隧道之间的BS和ASN - GW的。大部分的服务提供商配置，CSN网络元素是多余的和地理上分开。该在ASN的ASN - GW的网络元素也在冗余配置的方式通常是在同一楼宇。网络接入提供商（NAP）的有多个ASN的。在这些ASN的调动不会有被固定在CSN。漫游时是支持的MS

漫游了其国内网络服务提供商（NSP）的一访问新型干法。在这种情况下，AAA 服务器的访问新型干法使用控制信号，以获取证书和从主型材新型干法。承载流量不发送受访新型干法新型干法到家庭。各种流动性方案支持包括内部的ASN - GW的，相互的ASN - GW和锚CSN的流动性。

B.LTE技术

下面的图2描述了LTE的高层体系结构[2]。该UE（用户设备），如智能手机或笔记本电脑连接到无线网络内通过的eNodeB在E - UTRAN的（进化UMTS陆地无线接入网络）。在E - UTRAN的连接到的EPC（演进分组核心网），这是基于IP的。连接到的EPC提供有线IP网络。

图2：LTE技术 - 系统架构演进（SAE）与3G无线，在LTE网络比较主要建筑有许多差异。首先，它网络元素（NES）中较少的类型。LTE网络

由2种类型的网元：（i）的eNodeB这是一个加强基站（ii）接入网关（AGW）的采用了EPC的所有需要的功能。B，LTE的支持，让更多的网状结构效率和性能提升。例如，一个单一eNodeB的可以与多个AGWs。第三，平面所有IP为基础的架构被利用。原交通部在一个UE产生于本地IP格式。然后这些数据包经处理的eNodeB和AGW使用的许多这是基于IP的设备，如目前的标准功能路由器。此外，有关信令和控制协议网络是基于IP的。

本的eNodeB（环境局）是系统在4G EUTRAN单一类型- 它包括了所有的无线接口有关功能为LTE。本网站的是系统的单一型在LTE的EPC。环境局沟通，以及与该UE随着EPC的AGW。本网站的沟通与发生在交通网络。一些其他高级的功能由环境局进行包括：（i）小区间无线资源管理（RRM）（ii）无线电入场控制（iii）通过动态资源调度分配（iv）对执法上行（v）谈判的QoS压缩/解压包注定/从UE的。本网站的组成包括（i）多个模块

高速钢（家庭用户服务器）（ii）的P -毛重（分组数据网络网关）（iii）在S -吉瓦（服务网关）及（iv）在MME的（移动管理实体）。LTE标准有足够的灵活性，使厂商能够结合这些到单个设备或多个设备到不同的模块。例如分成不同设备的MME的和S - GW。UE的数据包是由环境局回传本网站的对供应商的传输

网络，利用IP和MPLS作为主要的（多协议标签交换）网络车辆在4G回程。

MME的是关键的控制为LTE的节点。这是负责管理UE的身份及处理流动性和安全认证。它跟踪的UE虽然处于空闲模式。该MME的是选择一个SGW负责一个在UE的初始连接到网络，以及在内部LTE切换。该MME的用户进行身份验证通过与高速钢的互动。MME的也执行该UE的漫游的限制。最后，MME的安全处理在LTE关键管理功能。的S - GW的终止对在E - UTRAN的接口。它具有路由和转发数据的主要职责包。它的行为锚在跨环境局的流动性切换。的S - GW的也有一个任务是复制包为了满足需求和功能合法拦截。该P - GW的终止对分组数据接口网络。i.e有线网络服务供应商。这是网关，最终使UE的沟通设备服务供应商以外的主要IP网络。UE的可以同时连接到多个P -重力波以连接到多个供应商的IP网络。其他主要功能开展由P - GW的出包括：（i）政策执行（ii）每个用户的数据包过滤（iii）计费及收费支持（iv）锚之间的3GPP和非3GPP Mobile 技术，如WiMAX和基CDMA的3G（v）为UE分配IP地址。卫生系统加强维护每个用户的信息。它负责用户管理以及安全性。高速钢生成验证数据，并提供给MME的。有那么一种挑战响应认证和密钥协议程序之间的MME和UE的。高速钢连接到基于IP的分组核心的直径为基础七号信令协议，而不是（信令系统为7）协议适用于传统的电信网络。

WiMAX技术 - 安全演变

在IEEE 802.16（WiMAX）的工作组希望避免公众记录的安全设计问题。通过整合与IEEE 802.11已存在的标准到802.16。然而，由于标准来源于802.16至802.16e到802.16a的，从需求来演变Mobile WiMAX。因此，安全要求和标准也发生了变化，以解决不断变化的需求。在IEEE 802.16e 2005标准里引入的安全特性在最初802.16标准有了较大提高。主要新功能包括：

（一）PKMv2（私隐密钥管理第2版）协议

（二）消息身份验证是使用的HMAC /小脑（Hashbased消息认证码或密码的消息认证码）计划

（三）设备/用户认证进行了使用可扩展身份验证协议（EAP）方法

（四）保密性使用AES实现（高级加密标准）加密技术。

尽管如此，802.16e的安全强度的要求改善。这项工程802.16m标准将WiMAX的安全性进一步加强。WiMAX技术在空中安全仍然是确保终端到终端的网络安全的重要组成部分。虽然安全架构已经发展到对威胁减轻了空中，仍有相关的讨论在本文后面的挑战。我们的分析表明，该行业面临的主要挑战将是成本平衡的安全需要实施，性能