楊 煉，彭 濤

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

責(zé)任編輯:許 盈

隨著包括數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖像、視頻等多媒體業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證的嚴(yán)格化、給用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求提供更好支持的要求不斷增強(qiáng)，推出了演進(jìn)UMTS技術(shù)即演進(jìn)分組系統(tǒng)(Evolved Packet System，EPS)，啟動(dòng)了長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃(Long Term Evolution，LTE)與系統(tǒng)框架演進(jìn)(System Architecture Evolution，SAE)研究項(xiàng)目，為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供一種統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)，并且為用戶提供高數(shù)據(jù)傳輸速率、低時(shí)延和優(yōu)化的分組無線接入技術(shù)。在EPS系統(tǒng)中，服務(wù)質(zhì)量(QoS)控制基本粒度是承載，即相同承載上的所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流將獲得同樣的QoS保障，不同承載類型提供不同的QoS保障。一個(gè)EPS承載可看作UE與PDN_GW之間的邏輯電路，業(yè)務(wù)流模塊(TFT)中的每個(gè)分組包過濾器(PF)對(duì)應(yīng)一個(gè)EPS承載。通過與承載對(duì)應(yīng)的PF，將PDN下的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類并分發(fā)到不同的EPS承載上傳輸。

下文將通過介紹TFT的基本概念，分析移動(dòng)用戶終端中上行業(yè)務(wù)流模板(TFT)如何將不同QoS需求的IP分組數(shù)據(jù)匹配發(fā)送到相應(yīng)的EPS承載上的軟件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)的弊端，給出該過程硬件的實(shí)現(xiàn)構(gòu)架和優(yōu)勢(shì)。

1 概述

1.1 EPS承載

為了實(shí)現(xiàn)端到端QoS，EPS系統(tǒng)從業(yè)務(wù)的起點(diǎn)到業(yè)務(wù)的終點(diǎn)都建立和使用了具有明確定義屬性與功能承載業(yè)務(wù)，其分層架構(gòu)如圖1所示。

圖1 EPS承載業(yè)務(wù)架構(gòu)

從圖1可以看出，EPS承載業(yè)務(wù)架構(gòu)是一個(gè)分層次、分區(qū)域的體系架構(gòu)端到端的業(yè)務(wù)架構(gòu)，本文中討論的TFT主要涉及到EPS承載業(yè)務(wù)，一個(gè)EPS承載是用戶設(shè)備(UE)和PDN GW間的一或多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流(Service Data Flow，SDF)的邏輯聚合，承載級(jí)別的QoS控制是以EPS承載為單位進(jìn)行的。即映射到同一個(gè)EPS承載的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，將受到同樣的分組轉(zhuǎn)發(fā)處理。終端若想獲得不同的QoS，則需要分別建立不同的EPS承載。

EPS系統(tǒng)中主要有默認(rèn)承載、專用承載、保證比特速率(GBR)承載、Non-GBR承載，后兩類承載類型本文未涉及，概念就不在此闡述了。

1)默認(rèn)承載

一種滿足默認(rèn)QoS的數(shù)據(jù)和信令的用戶承載。默認(rèn)承載可簡(jiǎn)單地理解為一種提供盡力而為服務(wù)的IP連接的承載。

2)專用承載

對(duì)某些特定業(yè)務(wù)所使用的SAE承載，與默認(rèn)承載連接到相同PDN的其他EPS承載就稱為專有承載，也就是說專用承載必須建立在默認(rèn)承載之上。專用承載在UE關(guān)聯(lián)了一個(gè)上行(UL)業(yè)務(wù)流模板(Traffic Flow Template，TFT)，在PDN GW關(guān)聯(lián)了一個(gè)下行(DL)TFT。

在默認(rèn)EPS承載激活過程中，默認(rèn)EPS承載沒有分配TFT，相當(dāng)于默認(rèn)承載是一個(gè)全匹配TFT，網(wǎng)絡(luò)可以在默認(rèn)EPS承載建立之后的任何時(shí)候給其分配TFT。在專用承載修改過程或EPS承載修改過程中，可根據(jù)特定QoS和TFT建立EPS承載。

1.2 TFT

用戶要想獲取不同等級(jí)的QoS保障，對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)的IP包映射到不同的EPS承載，其間映射關(guān)系是通過TFT及其中的分組過濾器(PF)來實(shí)現(xiàn)的。TFT是相應(yīng)EPS承載上所有PF的集合，PF表示將用戶的一種用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流(SDF)映射到相應(yīng)EPS承載上。

一個(gè)TFT由一個(gè)或多個(gè)下行分組過濾器(PF)或是0個(gè)及多個(gè)上行分組過濾器組成。其中每個(gè)PF通過惟一分組過濾器標(biāo)識(shí)符(PF ID)來識(shí)別，同時(shí)含有一優(yōu)先級(jí)索引(EPI)，該EPI的取值在使用相同IP地址和APN的所有EPS承載的同一方向(上行或下行方向)下是惟一的，優(yōu)先級(jí)取值范圍是0(優(yōu)先級(jí)最高)～255(優(yōu)先級(jí)最低)。因此，每個(gè)合法的上行或下行PF都包含在給定TFT中的惟一PF ID、在同一IP地址和APN的同一方向(上行或下行)的所有PF中的惟一EPI以及表1中一個(gè)或多個(gè)屬性的組合。

表1 有效PF屬性組合

然而，有些屬性是可與其他屬性共存的，而有些屬性是不能與一些特定屬性共存的。如表1中列出了PF有效屬性組合。

1.3 TFT與EPS承載映射關(guān)系

通過EPS承載索引(EBI)可將所有PF與EPS承載相互映射，每個(gè)EPS承載有對(duì)應(yīng)的EBI參數(shù)和TFT，而每個(gè)TFT最多含有16個(gè)PF。PDN連接與EPS承載、TFT、PF關(guān)系如圖2所示。

圖2 同PDN連接下EPS承載、TFT、PF關(guān)系

以下幾點(diǎn)需要注意:

1)在同一PDN連接下，最多只存在一個(gè)全匹配通道(指未分配TFT的EPS承載或者分配有TFT但并未包含PF的EPS承載的情況);

2)默認(rèn)承載可以在建立以后由網(wǎng)絡(luò)分配一個(gè)TFT;

3)全匹配通道只可能存在于上行數(shù)據(jù)傳輸中，下行數(shù)據(jù)傳輸中不存在這種情況;

4)每一個(gè)TFT最多可分配16個(gè)PF，但I(xiàn)P報(bào)文只需滿足其中任何一個(gè)PF即送與該TFT對(duì)應(yīng)的EPS承載傳送。

2 軟件設(shè)計(jì)弊端

移動(dòng)終端中的軟件方案實(shí)現(xiàn)TFT中分組過濾器PF與IP分組包的匹配，需要利用各個(gè)PF中存在的屬性值與IP分組包包頭信息(如源端口、目的端口、協(xié)議號(hào)等)進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。PF中存在的屬性值由網(wǎng)絡(luò)側(cè)獲取，然后保存到UE中用于之后的上行IP包匹配比較，確認(rèn)相應(yīng)承載傳送。在每一次網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的PF匹配原則不確定的情況下，假設(shè)只有一個(gè)PF存在且不存在全匹配通道，則匹配流程如圖3所示。

圖3 軟件匹配流程

圖3中，灰色部分是網(wǎng)絡(luò)側(cè)給予的匹配原則，每一個(gè)IP包與PF中的每一條原則匹配比較，匹配成功則送往下一條原則進(jìn)行匹配比較，直至所有原則匹配成功則將相應(yīng)PF對(duì)應(yīng)承載與IP包綁定送往上一層，匹配流程中一旦失敗則將該IP包丟棄?？紤]極限情況下，一個(gè)移動(dòng)終端中最多可建立16個(gè)承載，即16個(gè)TFT，每個(gè)TFT中至多可存在16個(gè)PF，也就是說終端中的每一個(gè)IP包需要進(jìn)行256次圖3所示匹配流程。其次，軟件流程是一種串行的作業(yè)，即IP包匹配比較流程必須保證前一個(gè)IP包匹配成功或者失敗之后才能送入下一個(gè)IP包進(jìn)行匹配比較，這種串行匹配方式將極大地影響終端的匹配速率。以上所述問題對(duì)于移動(dòng)終端速率的提高都將是瓶頸，考慮以上問題，下文將提出一種基于移動(dòng)終端的業(yè)務(wù)流模板硬化設(shè)計(jì)，即TFT硬件加速器。

3 硬件加速器

3.1 硬件加速器框架

為提高IP報(bào)文與PF匹配速率，降低IP傳送時(shí)延，本文基于TFT協(xié)議規(guī)定以及PF匹配屬性組合原則設(shè)計(jì)硬件加速器。試想，若使用中斷通知外部軟件處理，那頻繁的IP包匹配將帶來頻繁的中斷，將導(dǎo)致任務(wù)的延遲，在實(shí)時(shí)性要求相當(dāng)苛刻的基帶系統(tǒng)中是不可以忍受的，故設(shè)計(jì)一種配套的中斷通知機(jī)制以減少中斷次數(shù)。功能的硬件架構(gòu)如圖4所示，整個(gè)硬件加速器包括4部分，主要匹配比較過程由匹配模塊負(fù)責(zé)，IP報(bào)文參數(shù)緩存器和發(fā)送緩存器兩個(gè)緩存器的設(shè)計(jì)都是為匹配模塊服務(wù)，前者為減少IP包在匹配模塊匹配過程中的拷貝次數(shù)而設(shè)計(jì);后者為配套的中斷通知機(jī)制而設(shè)計(jì)。主模塊起整體調(diào)控作用，協(xié)調(diào)控制各個(gè)模塊。

圖4 TFT硬件加速器架構(gòu)

1)匹配模塊

用于保存本PF對(duì)應(yīng)EBI值，有效匹配屬性值，PF匹配原則。匹配模塊由256個(gè)PF組成，每個(gè)PF對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)由高到低順序排列，避免出現(xiàn)兩個(gè)PF優(yōu)先級(jí)不同但匹配屬性相同導(dǎo)致的錯(cuò)誤匹配。

2)IP報(bào)文參數(shù)緩存器

用于緩存IP報(bào)文中存在的匹配屬性參數(shù)(IPv4最多6個(gè)/IPv6最多7個(gè))值、IP類型、IP報(bào)文結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)地址三者組成IP匹配有效數(shù)據(jù)。另外緩存器有深度空間，可同時(shí)緩存多個(gè)IP有效數(shù)據(jù)。

3)發(fā)送緩存器

暫存匹配完成的IP報(bào)文結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)地址，并與已有IP報(bào)文結(jié)點(diǎn)組成新的IP數(shù)據(jù)鏈，稱為PF發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送緩存器中的IP報(bào)文結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)到達(dá)中斷觸發(fā)條件，產(chǎn)生發(fā)送中斷，通知外部軟件接受處理。

4)主模塊

用于保存IP鏈頭地址和IP報(bào)文結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，控制256個(gè)PF的使能，配置發(fā)送數(shù)據(jù)中斷，設(shè)置IP鏈匹配總時(shí)間和IP報(bào)文結(jié)點(diǎn)中成員類型組成等配置信息。若存在一個(gè)承載中沒有相應(yīng)的PF，即沒有匹配屬性原則的EBI值也存放于該模塊中備用.

3.2 硬件加速器匹配流程

IP包進(jìn)入TFT硬件加速器后的處理流程如圖5所示。

當(dāng)有IP包需要匹配時(shí)首先判斷主模塊中狀態(tài)寄存器是否有效，判斷是否有承載建立，若無則丟棄，反之，一旦判斷到IP報(bào)文參數(shù)緩存器有空閑緩存塊則提取IP包的有效匹配數(shù)據(jù)存入空閑緩存塊用于匹配模塊的匹配比較;因可能存在全匹配通道，所以一旦匹配模塊無效，則將該IP包和主模塊中全匹配通道的EBI值綁定寫入發(fā)送緩存器中，同時(shí)清除IP報(bào)文參數(shù)緩存器緩存塊中的IP報(bào)文匹配有效數(shù)據(jù);若網(wǎng)絡(luò)有下發(fā)PF匹配屬性原則，那么IP包需進(jìn)入各個(gè)由優(yōu)先級(jí)從高到底排列的有效PF中進(jìn)行依次匹配比較，一旦與優(yōu)先級(jí)高一級(jí)的PF匹配失敗或者高一級(jí)PF無效就進(jìn)入低一級(jí)的PF中匹配，直至最后一個(gè)PF處理仍匹配失敗，則做與匹配模塊失效情況下相同的處理。匹配成功的則將IP包與相應(yīng)PF對(duì)應(yīng)的EBI值綁定寫入發(fā)送緩存器中，清除存放于IP報(bào)文參數(shù)緩存器中的IP報(bào)文有效匹配數(shù)據(jù)，然后將下一個(gè)IP包送入TFT硬件加速器處理。

整個(gè)流程需要注意的是其為一個(gè)半并行的處理作業(yè)，一旦IP包進(jìn)入下一個(gè)PF中匹配比較，那么下一個(gè)IP就會(huì)進(jìn)入前一個(gè)IP包匹配過的PF中進(jìn)行匹配比較，以此類推，先進(jìn)入匹配模塊的IP包在多個(gè)PF之間匹配比較的推進(jìn)過程中，后面不斷進(jìn)入模塊的IP包也同時(shí)在匹配推進(jìn)。

圖5 硬件加速器匹配流程

通過TFT功能硬化之后，這就將軟件設(shè)計(jì)上的串行作業(yè)變?yōu)橐粋€(gè)半并行的流水作業(yè)，TFT硬件加速器彌補(bǔ)了軟件實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)間只能匹配一個(gè)IP報(bào)文的缺點(diǎn)，提高了IP報(bào)文匹配速率，并留給操作系統(tǒng)更多的資源處理其他事情。可TFT功能硬化也給終端產(chǎn)品增加成本壓力和電能消耗，競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)總線資源。

4 速率驗(yàn)證

在LTE中，理論上行速率最高可達(dá)到50 Mbit/s，但因?yàn)楦鞣矫婢唧w實(shí)現(xiàn)方案以及硬件的選取等綜合原因制約著實(shí)際速率無法達(dá)到，只有不斷對(duì)方案缺陷進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)才能更好地保證上下行速率。在終端中語(yǔ)音、圖像、視頻等多媒體業(yè)務(wù)的高速率需求情況下，大量IP數(shù)據(jù)包的匹配流程的缺陷將會(huì)對(duì)上行速率形成難以突破的瓶頸，而此處提出的TFT硬件加速器將克服軟件方案中的缺陷從而保證更好的上行速率。本文基于LTE單模數(shù)據(jù)卡平臺(tái)，通過DU meter軟件抓取數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)上行速率予于驗(yàn)證，如圖6所示，圖6a為軟件方案的上行速率，其值為20.85 Mbit/s，圖6b為硬件加速器方案的上行速率，其值為26.08 Mbit/s，通過比較，硬件加速器對(duì)于無線終端上行速率有明顯提升，說明通過硬件加速器對(duì)于終端速率的保證有明顯的優(yōu)勢(shì)。需要注意的是，由于抓取速率具有隨機(jī)性，其上行速率的大小有一定幅度的上下波動(dòng)，但不影響本方案的測(cè)試結(jié)論。

圖6 LTE數(shù)據(jù)卡上行速率(截圖)

5 結(jié)束語(yǔ)

EPS系統(tǒng)中，用戶能夠建立多個(gè)承載，體驗(yàn)不同業(yè)務(wù)需求，如果沒有很好地、及時(shí)地將IP報(bào)文與PF匹配成功傳輸，會(huì)影響用戶體驗(yàn)。本文通過介紹TFT模塊的軟件實(shí)現(xiàn)過程，分析發(fā)現(xiàn)其在實(shí)際情況下遇到的挑戰(zhàn)。借助流水線處理方式思想，初步給出一種硬件加速器的方案，概述了加速器的匹配過程，可發(fā)現(xiàn)TFT功能硬件加速器不僅能提高匹配速率，同時(shí)還有效地節(jié)約了系統(tǒng)資源。隨著移動(dòng)通信技術(shù)快速發(fā)展，用戶對(duì)具有嚴(yán)格QoS保證的數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖像、視頻等多媒體業(yè)務(wù)的高速率需求，硬件加速器不失為一種不錯(cuò)的選擇。

［1］3GPP TS23.008 V10.3.0，Mobile radio interface Layer 3 specification;Core network protocols［S］.2011.

［2］3GPP TS23.060 V10.4.0，General packet radio service(GPRS)［S］.2011.

［3］3GPP TS23.401 V10.5.0，General packet radio service(GPRS)enhancements for evolved universal terrestrial radio access network(E-UTRAN)access［S］.2011.

［4］3GPP TS24.301 V10.3.0，Non-access-stratum(NAS)protocol for evolved packet system(EPS)［S］.2011.

［5］3GPP TS36.300 V10.5.0，Evolved universal terrestrial radio access(EUTRA)and evolved universal terrestrial radio access network［S］.2011.

［6］佘廣橋，段紅光，李暾.EPS系統(tǒng)中業(yè)務(wù)流模板研究［J］.電視技術(shù)，2012，36(5):80-82.

［7］黃韜，張智江.EPS系統(tǒng)的 QoS機(jī)制［J］.中興通訊技術(shù)，2008(6):45-19.

［8］沈嘉.3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:人民郵電出版社，2008.