陳發(fā)堂,谷小勇,王曉娟,李培林,方一鳴

(重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶郵電大學(xué),重慶 400065)

基于LTE-A系統(tǒng)終端側(cè)EPS承載多實(shí)例管理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳發(fā)堂*,谷小勇,王曉娟,李培林,方一鳴

(重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶郵電大學(xué),重慶 400065)

LTE-A系統(tǒng)在傳輸用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)ESM子層即不能實(shí)時(shí)管理物理承載的使用,也不能實(shí)現(xiàn)上行數(shù)據(jù)流模板UL-TFT(Uplink Traffic Flow Template)的功能。為了正確傳輸用戶數(shù)據(jù)并獲得相應(yīng)的業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality of Service),在用戶平面中增加承載控制實(shí)體BC,通過(guò)對(duì)UL-TFT和EPS承載路由信息管理進(jìn)行設(shè)計(jì),搭建基于TTCN-3(Testing and Test Control Notation version 3)測(cè)試系統(tǒng)的終端無(wú)線資源管理(RRM)一致性測(cè)試平臺(tái),對(duì)流程設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。與UMTS系統(tǒng)相比,利用多實(shí)體管理技術(shù),承載建立和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延明顯減少。

LET-A;EPS承載;承載控制BC;TTCN-3

以LTE-A為例的新通信技術(shù)帶來(lái)了移動(dòng)業(yè)務(wù)爆炸式的增長(zhǎng),為了適應(yīng)通信技術(shù)的發(fā)展和給用戶提供高速、穩(wěn)定的接入服務(wù)技術(shù),LTE-A系統(tǒng)ESM引入EPS承載來(lái)傳輸用戶不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),同時(shí),EPS承載還是進(jìn)行端到端業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量控制的基本粒度。當(dāng)用戶需要同時(shí)進(jìn)行多個(gè)不同類型的業(yè)務(wù)時(shí),需要建立多個(gè)滿足不同QoS的EPS承載[1]。為了可以正確傳輸用戶數(shù)據(jù)并獲得相應(yīng)的QoS,終端側(cè)需要對(duì)EPS承載進(jìn)行多實(shí)例管理。在用戶平面中增加承載控制實(shí)體BC,來(lái)完成承載的管理和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流SDF(Service Data Flow)的識(shí)別篩選。

1 終端側(cè)協(xié)議棧架構(gòu)與EPS承載

1.1 終端側(cè)協(xié)議棧架構(gòu)

終端協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)中[2],非接入層有兩個(gè)主要模塊移動(dòng)管理MM(Mobility Management)模塊和連接管理CM(Connection Management)模塊,ESM位于CM模塊中。支持PS域的終端側(cè)NAS協(xié)議棧架構(gòu)如圖1所示。圖1中,與EPS承載有關(guān)的實(shí)體有ESM和BC。

圖1 支持PS域的終端側(cè)NAS協(xié)議架構(gòu)

終端協(xié)議架構(gòu)在邏輯上分為用戶平面和控制平面,ESM屬于控制平面,主要負(fù)責(zé)EPS承載的建立、修改和釋放以及與承載QoS參數(shù)相關(guān)的一些功能。由圖1可看出,可以允許多個(gè)EPS承載同時(shí)存在,以EBI(EPS承載標(biāo)識(shí)符)作為EPS承載的唯一標(biāo)識(shí)符。ESM需要分別對(duì)每個(gè)承載進(jìn)行管理,BC屬于用戶平面,處于PDCP與IP之間,主要負(fù)責(zé)上下行用戶數(shù)據(jù)的傳輸。為了保證上行數(shù)據(jù)可以正確的在承載上傳輸,UE保存上行數(shù)據(jù)流模板(UL-TFT),UE應(yīng)用層傳來(lái)的SDF通過(guò)數(shù)據(jù)流模板(TFT)中通過(guò)過(guò)濾器的篩選,映射到EPS承載對(duì)應(yīng)的無(wú)線承載上傳輸。因此,當(dāng)存在多個(gè)EPS承載時(shí),也就存在多個(gè)SDF,BC需要識(shí)別SDF、保存和更新每個(gè)承載的路由信息即RB-ID,這就是用戶平面的EPS承載的多實(shí)例管理,由BC完成。

本文在EPS承載已建立的基礎(chǔ)上,主要研究用戶平面承載的多實(shí)例管理,設(shè)計(jì)并驗(yàn)證BC功能。

1.2 EPS承載的模型

EPS承載是UE和P-GW間的一條邏輯鏈路,即一個(gè)或多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流SDF的邏輯聚合,可以認(rèn)為EPS承載就是UE與P-GW之間的一個(gè)邏輯上的數(shù)據(jù)傳輸通道[3-4],由S1承載、無(wú)線承載RB和S5/S8承載構(gòu)成,EPS承載實(shí)現(xiàn)了UE到P-GW之間用戶數(shù)據(jù)的正確傳輸。圖2為EPS承載模型。在傳輸用戶數(shù)據(jù)時(shí),QoS等級(jí)相同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流(SDF)將匯聚到同一EPS承載上,這些業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流會(huì)受到相同的承載級(jí)別的數(shù)據(jù)處理。所以從圖2可知,UE中UL-TFT與RB-ID、eNodeB中RB-ID與S1-TEID,S-GW中S1-TEID與S5/S8-TEID,P-GW中DL-TFT與S5/S8-TEID這些一一映射對(duì)應(yīng)關(guān)系是實(shí)現(xiàn)EPS承載功能的關(guān)鍵所在,以保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。

圖2 S5/S8基于GTP的EPS承載模型

2 用戶平面承載的多實(shí)例管理

承載控制BC位于UE的IP層與PDCP層之間,用于用戶面承載的管理并負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)的傳輸。實(shí)現(xiàn)UL-TFT的功能,完成SDF的識(shí)別與映射,從而保證用戶數(shù)據(jù)在正確的EPS承載上傳輸;同時(shí),管理EPS承載的路由信息。EPS承載、SDF、UL-TFT、RB-ID均以EBI為索引實(shí)現(xiàn)映射,即通過(guò)UL-TFT將SDF映射到EBI上,再將SDF映射到EBI對(duì)應(yīng)的RB-ID上。BC對(duì)上行用戶數(shù)據(jù)的處理流程如圖3所示。

圖3 上行數(shù)據(jù)處理流程

為了保證終端側(cè)EPS承載的正確使用,確保提供準(zhǔn)確的QoS服務(wù),對(duì)BC模塊的設(shè)計(jì)和UL-TFT的設(shè)計(jì)尤為重要。

2.1 UL-TFT的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

LTE-A系統(tǒng)是基于IP的全分組網(wǎng)絡(luò),使用TFT進(jìn)行署拘留的識(shí)別,并將其映射到相應(yīng)的EPS承載上傳輸。所以,TFT的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)QoS保障的第1步。

一個(gè)EPS承載至多擁有一個(gè)TFT,一個(gè)TFT由一個(gè)或多個(gè)包過(guò)濾器PF組成,每個(gè)PF有唯一的優(yōu)先級(jí)索引PF-EP和唯一的標(biāo)識(shí)符PF-ID。PF-EP的取值范圍為0～255,其中0為優(yōu)先級(jí)最高,255為優(yōu)先級(jí)最低[5-6]。PF由可變數(shù)量的組件構(gòu)成,組件的部分屬性只能存在一種。組件名稱及描述如表1所示。

表1 PF組件

UE或P-GW收到來(lái)自應(yīng)用層的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)即IP包后,要將IP包和PF進(jìn)行匹配,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的識(shí)。

具體流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)流識(shí)別流程

2.2 EPS承載路由信息管理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

非接入層的承載激活狀態(tài)是一種邏輯在線,表明UE與網(wǎng)絡(luò)之間都保存有連接信息。在上層邏輯在線的同時(shí),LTE系統(tǒng)為了節(jié)約空口資源,當(dāng)用戶長(zhǎng)時(shí)間不使用業(yè)務(wù)時(shí),會(huì)暫時(shí)釋放RB。若用戶又需發(fā)起業(yè)務(wù),即又有數(shù)據(jù)要發(fā)送,系統(tǒng)會(huì)為用戶重新建立RB,此時(shí)新建的RB的RB-ID號(hào)可能會(huì)與前期釋放的RB的不同[4]。因此對(duì)EPS承載路由信息的管理,即保存和更新EBI與RB-ID的對(duì)應(yīng)關(guān)系尤為重要,這也是實(shí)現(xiàn)EPS承載功能的重要步驟。

路由信息管理內(nèi)容包括UE管理上行數(shù)據(jù)流和RB-ID的對(duì)應(yīng)關(guān)系,eNodeB管理RB-ID與S1-TEID的對(duì)應(yīng)關(guān)系,S-GW管理S1-TEID與S5-TEID的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及P-GW管理下行數(shù)據(jù)流到S5-TEID的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中,BC完成EPS承載路由信息管理。BC會(huì)本地保存無(wú)線承載RB與EBI的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及無(wú)線承載RB的連接狀態(tài)且這些對(duì)應(yīng)關(guān)系和狀態(tài)信息的獲取、更新也是由BC的相關(guān)流程實(shí)現(xiàn)的。路由信息管理流程如圖5所示。

圖5 路由信息管理流程圖

3 測(cè)試仿真

3.1 白盒測(cè)試

白盒測(cè)試即在RealView開(kāi)發(fā)工具中采用單步調(diào)試的方式,觀察其運(yùn)行和內(nèi)存的情況,根據(jù)實(shí)際結(jié)果和預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比對(duì),測(cè)試功能是否完備。

驗(yàn)證TFT功能:

BC模塊中保存有EPS承載信息,包括EBI、承載激活標(biāo)識(shí)EPSBearerActFlag、QoS參數(shù)、傳輸流模板TFT、關(guān)聯(lián)的無(wú)線承載RB ID和RB連接標(biāo)識(shí)RBConnectFlag等信息。默認(rèn)承載對(duì)應(yīng)的無(wú)線承載RB ID為3,專有承載對(duì)應(yīng)的無(wú)線承載RB ID為4,調(diào)用BC模塊中UL-TFT與IP數(shù)據(jù)包信息匹配,匹配結(jié)果如圖6所示。

圖6 TFT匹配結(jié)果

MatchFlag為1表示匹配成功,v_EBI為6表示匹配成功對(duì)應(yīng)的是專有EPS承載,EPSBearerActFlag為1表示EPS承載處于激活狀態(tài),RBConnectFlag為1表示對(duì)應(yīng)的無(wú)線承載處于連接狀態(tài)。

PF匹配完成后,如果對(duì)應(yīng)RB處于未連接狀態(tài),則緩存數(shù)據(jù),觸發(fā)EMM業(yè)務(wù)請(qǐng)求流程。

3.2 SDL與TTCN測(cè)試仿真

按照第2節(jié)所設(shè)計(jì)的UL-TFT與路由信息管理的工作流程,使用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)功能后利用SDL和TTCN工具搭建測(cè)試平臺(tái),進(jìn)行測(cè)試仿真。與BC有交互的實(shí)體均為測(cè)試環(huán)境,編寫測(cè)試?yán)龑?duì)BC模塊進(jìn)行測(cè)試。

圖7 BC實(shí)體仿真MSC圖

SDL測(cè)試仿真結(jié)果如圖7所示,首先由ESM通知承載控制BC該EPS承載已經(jīng)激活,再由RRC通知BC對(duì)應(yīng)的RB已經(jīng)建立,此后BC與SPV、PDCP就能進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳輸了。圖7中的消息序列完全符合設(shè)計(jì)流程,可知實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。

在TTCN協(xié)議一致性測(cè)試平臺(tái)上對(duì)多個(gè)承載實(shí)例進(jìn)行測(cè)試。TTCN系統(tǒng)仿真如圖8所示。

圖8 TTCN系統(tǒng)仿真

圖9 終端開(kāi)機(jī)注冊(cè)信令跟蹤

終端發(fā)起注冊(cè)流程,成功進(jìn)入2A狀態(tài),完成PDN連接流程和建立默認(rèn)EPS承載。TTCN平臺(tái)發(fā)送MC_TDPU_PAGING_REQ原語(yǔ),向終端發(fā)起尋呼流程,成功進(jìn)入3A狀態(tài),成功建立多個(gè)了專有EPS承載,實(shí)現(xiàn)了EPS承載多實(shí)例管理的功能。

TTCN平臺(tái)對(duì)終端開(kāi)機(jī)注冊(cè)流程進(jìn)行測(cè)試,信令跟蹤結(jié)果如圖9所示。圖9中,Sn表示信令標(biāo)識(shí),向下箭頭表示由網(wǎng)絡(luò)端發(fā)往終端信令,向上箭頭表示終端發(fā)往網(wǎng)絡(luò)端信令。

4 總結(jié)

LTE系統(tǒng)架構(gòu)在邏輯上將控制平面與用戶平面相分離,本方案在UE側(cè)協(xié)議棧中引入承載控制模塊BC,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的識(shí)別和過(guò)濾、管理和使用RB等功能,不但有效減少業(yè)務(wù)建立和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延,特別是保證用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)得到正確的QoS服務(wù)。

[1] 3GPP. 3GPP TS 24.301,Non-Access-Stratum(NAS)Protocol for Evolved Packet System(EPS)[S]. 2012.

[2] Somasundaram S,Mukherjee R P. Non-Access Stratum Architecture and Protocol Enhancements for Long Term Evolution Mobile Units[P]. U.S. Patent 8,532,614 2013.9.10.

[3] 王婧,李小文,萬(wàn)丹. SAE系統(tǒng)中QoS體系及EPS承載的研究與分析[J]. 廣東通信技術(shù),2013,33(3):25-28.

[4] 姜怡華,許慕鴻,習(xí)建德,等. 3GPP系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)(SAE)原理與設(shè)計(jì)[M]. 北京:人民郵電出版社,2010.

[5] 3GPP. TS 24.008. V10.3.0——2011. Mobile Radio Interface Layer 3 Specification Core Network Protocols[S]. 2011.

[6] Chen F T,Wang J,Yan W M. Research and Realization of Bearer Control Entity BC of UE Side in LTE System[C]//2014 International Conference on Advances in Materials Science and Information Technologies in Industry(AMSITI). Xi’an.

[7] 張德民,張形形,伍會(huì)娟. 無(wú)線鏈路控制層數(shù)據(jù)處理功能一致性測(cè)試[J]. 西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2015,20(4):10-15.

[8] 陳發(fā)堂,牛勇清,韓娜娜,等. 協(xié)議一致性測(cè)試平臺(tái)的搭建及仿真實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(4):137-140.

[9] 李小文,李媚媚. TD-LTE系統(tǒng)EMM的介紹及其異常機(jī)制的研究[J]. 廣東通信技術(shù),2013(4):42-45.

[10] 劉向玉,張紅帥. TD-LTE系統(tǒng)ESM層默認(rèn)承載建立過(guò)程的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電信科技,2012(3):19-22.

ResearchofBearerControlEntityBCinUESideofLTE-ASystem*

CHENFatang*,GUXiaoyong,WANGXiaojuan,LIPeilin,FANGYiming

(Chongqing Key Lab of Mobile Communications,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

The ESM sub-layer cannot be used to manage the use of bearer,it cannot implement the function of up-link traffic flow template(UL-TFT)in the LTE system either. In order to transferring user’s data correctly and obtaining corresponding QoS service,it is necessary to add a bearer control entity BC in user plan during designing of protocol stack in UE,which can manage bearers and identify service data flows(Service Data Flow,SDF). Because of advantages of LTE system,the time delay of establishing bearers and transferring transaction data is less than UMTS.

LTE-A;EPS bearer;Bearer control BC;TTCN-3

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.046

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2012ZX03001024)

2019-08-15修改日期2016-11-01

TP929.5

A

1005-9490(2017)05-1292-05

陳發(fā)堂(1965-)男,漢族,重慶市綦江縣人,研究員,重慶郵電大學(xué)碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)槲锢韺铀惴ㄑ芯?578480039@qq.com;

谷小勇(1991-)男,漢族,山東省濱州市人,重慶郵電大學(xué)碩士研究生,碩士,研究方向?yàn)長(zhǎng)TE-A協(xié)議棧研究,771761353@qq.com。