李 穎

(山西經(jīng)濟管理干部學(xué)院 電子信息工程系，山西 太原 030024)

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淺談TD-LTE相關(guān)協(xié)議

李 穎

(山西經(jīng)濟管理干部學(xué)院 電子信息工程系，山西 太原 030024)

中國移動提出的4G通信技術(shù)“TD-LTE”已進入規(guī)?；l(fā)展階段，其中通信協(xié)議的開發(fā)對于保證4G通信技術(shù)的應(yīng)用和推廣具有重要作用。通過對“TD-LTE”主要網(wǎng)絡(luò)分層之間及各層內(nèi)部接口之間的協(xié)議的分析，有助于在實際應(yīng)用過程中排查和解決相關(guān)技術(shù)問題，快速處理網(wǎng)絡(luò)故障及客戶疑難投訴，對全面地理解和把握4G技術(shù)的本質(zhì)和內(nèi)涵十分重要。

TD-LTE；接口；協(xié)議

TD-LTE作為4G主要技術(shù)已經(jīng)開始大規(guī)模應(yīng)用，如何全面地理解和把握4G的本質(zhì)和內(nèi)涵，有效地應(yīng)對技術(shù)演進過程中出現(xiàn)各類問題是TD-LTE能否盡快走向成熟、贏得市場的關(guān)鍵。而通信領(lǐng)域中協(xié)議的成熟與應(yīng)用是技術(shù)成功的關(guān)鍵因素之一。鑒于此，對TD-LTE相關(guān)協(xié)議加以介紹和解析具有重要意義。

1 如何理解LTE協(xié)議結(jié)構(gòu)

LTE協(xié)議架構(gòu)分為用戶面和控制面。其協(xié)議棧結(jié)構(gòu)與OSI七層結(jié)構(gòu)(物理層、數(shù)據(jù)層、鏈路層、傳輸層、會話層、表示層、應(yīng)用層)、TCP/IP五層協(xié)議(物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層)既存在相似之處，也有不同。

相似之處：均采用“分層”結(jié)構(gòu)化設(shè)計思路，以“層或子層”作為基本的協(xié)議設(shè)計單元且彼此獨立完成特定的協(xié)議數(shù)據(jù)處理功能；均采用標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議數(shù)據(jù)封裝格式或?qū)娱g交互過程。

不同之處：LTE協(xié)議棧相對于OSI或TCP/IP協(xié)議有很大簡化，略去了會話層、表示層等；OSI或TCP/IP協(xié)議是一種抽象的協(xié)議參考設(shè)計，具備普遍的通用性，并不關(guān)注底層所采用的技術(shù)，而LTE協(xié)議棧是一種特定的范例，具備獨特的適用性，其各個子層只針對特定的技術(shù)，如特定的物理層技術(shù)與數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)；LTE系統(tǒng)的協(xié)議棧既包括空口協(xié)議棧，也包括固定網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議(如S1接口)，不同的接口采用的協(xié)議棧并不相同，如eNodeB(LTE中基站的名稱)和UE(用戶設(shè)備)之間的空口用戶面協(xié)議棧又進一步細分為PDCP(分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議)子層、RLC(無線鏈路層控制協(xié)議)子層和MAC(介質(zhì)訪問控制)子層，其空口控制面協(xié)議棧主要由RRC(無線資源控制)層來承擔(dān)，負責(zé)較低協(xié)議層的配置。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的主要接口與協(xié)議

LTE系統(tǒng)通過節(jié)點間功能的重新劃分，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的扁平化，降低了網(wǎng)絡(luò)控制面與用戶面的傳輸時延。網(wǎng)絡(luò)扁平化主要體現(xiàn)在LTE接入網(wǎng)節(jié)點eNodeB，去掉了3G網(wǎng)絡(luò)中的RNC(無線網(wǎng)絡(luò)控制器)。RNC的無線資源管理等功能放到了eNodeB節(jié)點，另外一部分控制功能(如經(jīng)過核心網(wǎng)的連接態(tài)移動性控制功能等)放到了核心網(wǎng)的MME(移動性管理實體)節(jié)點。

圖1 TD-LTE系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 S1接口

S1接口是LTE eNodeB(基站)與EPC(分組核心網(wǎng))之間的通信接口，分為控制平面(S1-MME)和用戶平面(S1-U)。控制平面接口S1-MME將eNodeB和移動性管理實體(MME)相連，主要完成S1接口的無線接入承載控制、NAS消息傳輸、移動性管理、接口專用的操作維護等功能。用戶平面用于傳送用戶數(shù)據(jù)和相應(yīng)的用戶平面控制幀[1]。

2.1.1 S1接口控制面的主要功能

-EPS承載業(yè)務(wù)管理功能：建立、修改、釋放；

-ECM-Connected狀態(tài)下針對UE的移動性功能：LTE的內(nèi)部切換、系統(tǒng)間切換；

-S1尋呼功能；

-NAS信令傳輸功能；

-S1接口管理功能：錯誤指示、復(fù)位；

-漫游和區(qū)域限制支持功能；

-NAS節(jié)點選擇功能；

-初始內(nèi)容建立功能。

2.1.2 S1接口控制面協(xié)議

S1接口控制面主要指S1-C，包含了S1AP/SCTP等子層的處理。

SCTP(流控制傳輸協(xié)議)是IETF在2000年定義的一個傳輸層協(xié)議，在不可靠傳輸業(yè)務(wù)的協(xié)議之上提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。SCTP是一個面向連接的流傳輸協(xié)議，它可以在兩個端點之間提供穩(wěn)定、有序的數(shù)據(jù)傳遞服務(wù)。SCTP的設(shè)計用于通過IP網(wǎng)傳輸SCN(信令通信網(wǎng))窄帶信令消息[4]。

SCTP協(xié)議在LTE系統(tǒng)中應(yīng)用于S1和X2接口控制面信令的傳輸。如在S1接口，MME與eNodeB之間建立SCTP關(guān)聯(lián)之后，MME和eNodeB就可以通過SCTP Connection發(fā)送/接收S1AP層的信令消息。

2.1.3 S1接口用戶面的主要功能

-在S1接口搭建相應(yīng)用戶面承載；

-移動過程中盡量減少數(shù)據(jù)的丟失；

-錯誤處理機制；

-分組丟失檢測機制。

2.1.4 S1接口用戶面協(xié)議

S1接口用戶面主要指S1-U，包含了GTP-U與IP數(shù)據(jù)的處理。

GTP(隧道協(xié)議)是一組基于IP的，用于在GSM與UMTS網(wǎng)絡(luò)中支持通用分組無線服務(wù)(GPRS)的通信協(xié)議。具體協(xié)議參考3GPP TS29.060。其可以進一步細分為三種獨立的協(xié)議：GTP-C、GTP-U及GTP’。

圖2 S1接口協(xié)議棧示意圖

其中，GTP-U用于S1接口用戶面數(shù)據(jù)處理，GTP-U用于在GPRS核心網(wǎng)內(nèi)、無線接入網(wǎng)與核心網(wǎng)之間傳送用戶數(shù)據(jù)，用戶數(shù)據(jù)包可以以IPv4、IPv6或PPP中的任何格式傳輸。

2.2 X2接口

X2接口是eNodeB與eNodeB之間的邏輯接口，主要用于支持連接狀態(tài)終端的移動性管理、轉(zhuǎn)發(fā)分組數(shù)據(jù)，也可以用于多小區(qū)的無線資源管理功能等[2]。

eNodeB之間通過X2接口互相連接，形成了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，這是LTE相對3G網(wǎng)絡(luò)的重大變化，產(chǎn)生這種變化的原因在于，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中沒有類似于3G網(wǎng)絡(luò)中的RNC一樣的控制節(jié)點，原有的樹型分支結(jié)構(gòu)被扁平化，使得基站承擔(dān)了更多的無線資源管理責(zé)任，因此，基站也需要更多地與其相鄰的基站直接交互信息，從而保證用戶在整個網(wǎng)絡(luò)中的無縫切換。

X2接口分為用戶平面和控制平面[3]。

2.2.1 X2接口的具體作用

-LTE系統(tǒng)內(nèi)基于X2接口的連接態(tài)移動性管理；

-負載均衡；

-干擾刪除；

-自優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)(SON)。

2.2.2 X2接口協(xié)議

X2接口控制面主要指X2-C，包含了X2AP/SCTP等子層的處理；而用戶面主要指X2-U，包含了GTP-U與IP數(shù)據(jù)的處理。

圖3 X2接口協(xié)議棧示意圖

2.3 核心網(wǎng)協(xié)議

除了上述S1接口、X2接口以及其對應(yīng)的SCTP、GTP-U等協(xié)議外，LTE系統(tǒng)核心網(wǎng)還有接口以及在此接口上運行著的協(xié)議，這些協(xié)議保證系統(tǒng)各網(wǎng)元、各接口之間的正常通信。其中，Diameter協(xié)議、SIP協(xié)議、RIM協(xié)議是主要的幾種協(xié)議。

2.3.1 Diameter協(xié)議

Diameter協(xié)議是IETF的AAA(身份驗證、授權(quán)、統(tǒng)計)工作組制訂的下一代的AAA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議簇。Diameter是目前應(yīng)用最廣泛的RADIUS的升級版本。Diameter協(xié)議包括基本協(xié)議、NAS協(xié)議、EAP(可擴展鑒別)協(xié)議、MIP(移動IP)協(xié)議、CMS(密碼消息語法)協(xié)議[9]。

Diameter協(xié)議支持移動IP、NAS請求和移動代理的認證、授權(quán)和計費工作，協(xié)議的實現(xiàn)和RADIUS類似，也是采用AVP屬性值對來實現(xiàn)，但是其中詳細規(guī)定了錯誤處理failover機制，采用TCP協(xié)議，支持分布式計費，克服了RADIUS的許多缺點[10]。

Diameter協(xié)議用于S6a接口(連接MME-HSS)、S6d接口(連接SGSN-HSS)。

2.3.2 SIP協(xié)議

SIP協(xié)議(會話初始協(xié)議)是由IETF制定的多媒體通信協(xié)議，是一個應(yīng)用層的信令控制協(xié)議。用于創(chuàng)建、修改和釋放一個或多個參與者的會話。這些會話可以是Internet多媒體、IP電話或多媒體分發(fā)。會話的參與者可以通過組播、網(wǎng)狀單播或兩者的混合體進行通信[5-8]。

SIP與負責(zé)語音質(zhì)量的資源預(yù)留協(xié)議(RSVP)互操作。它還與若干個其他協(xié)議進行協(xié)作，包括負責(zé)定位的輕型目錄訪問協(xié)議(LDAP)、負責(zé)身份驗證的遠程身份驗證撥入用戶服務(wù)(RADIUS)以及負責(zé)實時傳輸?shù)腞TP等多個協(xié)議。

2.3.3 RIM協(xié)議

RIM協(xié)議是一種不同接入網(wǎng)網(wǎng)元間信息交互的協(xié)議流程。主要用于GERAN、UTRAN、E-UTRAN接入網(wǎng)間通過核心網(wǎng)進行信息交換，涉及的網(wǎng)元包括eNodeB、MME、SGSN和RNC/BSC。其主要優(yōu)點在于核心網(wǎng)節(jié)點無須對相應(yīng)信息進行處理，可以降低核心網(wǎng)處理開銷。

3 結(jié)束語

本文介紹了TD-LTE通信技術(shù)的架構(gòu)、接口以及相關(guān)的協(xié)議，分析了接口與協(xié)議使用的功能和應(yīng)用，為更好的理解4G通信技術(shù)并在實際工作中加以應(yīng)用提供了必要的基礎(chǔ)知識，為進一步研究TD-LTE及其他4G通信技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

[1] 臧永蔓，阮軍洲，王鵬.TD-LTE網(wǎng)絡(luò)S1接口的研究與實現(xiàn)[J].計算機與網(wǎng)絡(luò),2012(15):67-69.

[2] 郭寶，張陽，李冶文.TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014:4-6.

[3] 苑海峰，黃業(yè)明，王蘭.分組傳送網(wǎng)互通實現(xiàn)LTE無線X2接口功能[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2015(8):48.

[4] 朱京玲，張一辰，王文鼐，等.基于SCTP的跨終端切換與移動性管理[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014(1):53-58.

[5] 王卓鵬.現(xiàn)代交換技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014:138-139.

[6] 郭鵬飛.基于SIP協(xié)議的VoIP系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué),2015.

[7] 高嵬.基于SIP協(xié)議的RTCWeb終端設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2015.

[8] 杜金房，張令考.FreaSWITCH權(quán)威指南[M].北京：機械工業(yè)出版社,2014:126-127.

[9] 蒲偉.LTE網(wǎng)絡(luò)測試儀S6a接口Diameter協(xié)議信令的分析與研究[D].重慶：重慶郵電大學(xué)，2013.

[10] 郝乾成.基于Diameter協(xié)議的計費模塊設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué),2015.

Discussion on TD-LTE Related Protocol

Li Ying

(ElectronicandInformationEngineeringDept.,ShanxiCadreInstituteofEconomicManagement,TaiyuanShanxi030024,China)

“TD-LTE”,the 4G communication technology of China Mobile,has entered the stage of scale development.Among it,the development of communication protocols plays an important role to ensure the application and popularization of 4G communication technology.Through the analysis on the agreement of the internal interface between layers and among the layers in the “TD-LTE” main network,it helps to solve the related technical problems and network failures as well as the difficulty from customer complaints in the process of practical application.It is very important to fully understand and grasp the essence and connotation of 4G technology.

TD-LTE; interfaces; protocol

2016-09-06

李 穎(1980-)，女，山西運城人，通信工程師，助教，碩士研究生，研究方向：無線通信，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

1674-4578(2016)05-0061-03

TN929.5

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