EPS系統中業務流模板硬件加速器設計

楊 煉，彭 濤

(重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065)

責任編輯:許 盈

隨著包括數據、語音、圖像、視頻等多媒體業務的服務質量(QoS)保證的嚴格化、給用戶數據業務需求提供更好支持的要求不斷增強，推出了演進UMTS技術即演進分組系統(Evolved Packet System，EPS)，啟動了長期演進計劃(Long Term Evolution，LTE)與系統框架演進(System Architecture Evolution，SAE)研究項目，為實時和非實時業務提供一種統一的體系結構，并且為用戶提供高數據傳輸速率、低時延和優化的分組無線接入技術。在EPS系統中，服務質量(QoS)控制基本粒度是承載，即相同承載上的所有業務數據流將獲得同樣的QoS保障，不同承載類型提供不同的QoS保障。一個EPS承載可看作UE與PDN_GW之間的邏輯電路，業務流模塊(TFT)中的每個分組包過濾器(PF)對應一個EPS承載。通過與承載對應的PF，將PDN下的業務數據流進行分類并分發到不同的EPS承載上傳輸。

下文將通過介紹TFT的基本概念，分析移動用戶終端中上行業務流模板(TFT)如何將不同QoS需求的IP分組數據匹配發送到相應的EPS承載上的軟件實現架構的弊端，給出該過程硬件的實現構架和優勢。

1 概述

1.1 EPS承載

為了實現端到端QoS，EPS系統從業務的起點到業務的終點都建立和使用了具有明確定義屬性與功能承載業務，其分層架構如圖1所示。

圖1 EPS承載業務架構

從圖1可以看出，EPS承載業務架構是一個分層次、分區域的體系架構端到端的業務架構，本文中討論的TFT主要涉及到EPS承載業務，一個EPS承載是用戶設備(UE)和PDN GW間的一或多個業務數據流(Service Data Flow，SDF)的邏輯聚合，承載級別的QoS控制是以EPS承載為單位進行的。即映射到同一個EPS承載的業務數據流，將受到同樣的分組轉發處理。終端若想獲得不同的QoS，則需要分別建立不同的EPS承載。

EPS系統中主要有默認承載、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)默認承載

一種滿足默認QoS的數據和信令的用戶承載。默認承載可簡單地理解為一種提供盡力而為服務的IP連接的承載。

2)專用承載

對某些特定業務所使用的SAE承載，與默認承載連接到相同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承載之上。專用承載在UE關聯了一個上行(UL)業務流模板(Traffic Flow Template，TFT)，在PDN GW關聯了一個下行(DL)TFT。

在默認EPS承載激活過程中，默認EPS承載沒有分配TFT，相當于默認承載是一個全匹配TFT，網絡可以在默認EPS承載建立之后的任何時候給其分配TFT。在專用承載修改過程或EPS承載修改過程中，可根據特定QoS和TFT建立EPS承載。

1.2 TFT

用戶要想獲取不同等級的QoS保障，對應業務的IP包映射到不同的EPS承載，其間映射關系是通過TFT及其中的分組過濾器(PF)來實現的。TFT是相應EPS承載上所有PF的集合，PF表示將用戶的一種用戶業務數據流(SDF)映射到相應EPS承載上。

一個TFT由一個或多個下行分組過濾器(PF)或是0個及多個上行分組過濾器組成。其中每個PF通過惟一分組過濾器標識符(PF ID)來識別，同時含有一優先級索引(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，優先級取值范圍是0(優先級最高)～255(優先級最低)。因此，每個合法的上行或下行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中一個或多個屬性的組合。

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承載映射關系

通過EPS承載索引(EBI)可將所有PF與EPS承載相互映射，每個EPS承載有對應的EBI參數和TFT，而每個TFT最多含有16個PF。PDN連接與EPS承載、TFT、PF關系如圖2所示。

圖2 同PDN連接下EPS承載、TFT、PF關系

以下幾點需要注意:

1)在同一PDN連接下，最多只存在一個全匹配通道(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)默認承載可以在建立以后由網絡分配一個TFT;

3)全匹配通道只可能存在于上行數據傳輸中，下行數據傳輸中不存在這種情況;

4)每一個TFT最多可分配16個PF，但IP報文只需滿足其中任何一個PF即送與該TFT對應的EPS承載傳送。

2 軟件設計弊端

移動終端中的軟件方案實現TFT中分組過濾器PF與IP分組包的匹配，需要利用各個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、協議號等)進行比較來實現。PF中存在的屬性值由網絡側獲取，然后保存到UE中用于之后的上行IP包匹配比較，確認相應承載傳送。在每一次網絡下發的PF匹配原則不確定的情況下，假設只有一個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，灰色部分是網絡側給予的匹配原則，每一個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行匹配比較，直至所有原則匹配成功則將相應PF對應承載與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。考慮極限情況下，一個移動終端中最多可建立16個承載，即16個TFT，每個TFT中至多可存在16個PF，也就是說終端中的每一個IP包需要進行256次圖3所示匹配流程。其次，軟件流程是一種串行的作業，即IP包匹配比較流程必須保證前一個IP包匹配成功或者失敗之后才能送入下一個IP包進行匹配比較，這種串行匹配方式將極大地影響終端的匹配速率。以上所述問題對于移動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終端的業務流模板硬化設計，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報文與PF匹配速率，降低IP傳送時延，本文基于TFT協議規定以及PF匹配屬性組合原則設計硬件加速器。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，將導致任務的延遲，在實時性要求相當苛刻的基帶系統中是不可以忍受的，故設計一種配套的中斷通知機制以減少中斷次數。功能的硬件架構如圖4所示，整個硬件加速器包括4部分，主要匹配比較過程由匹配模塊負責，IP報文參數緩存器和發送緩存器兩個緩存器的設計都是為匹配模塊服務，前者為減少IP包在匹配模塊匹配過程中的拷貝次數而設計;后者為配套的中斷通知機制而設計。主模塊起整體調控作用，協調控制各個模塊。

圖4 TFT硬件加速器架構

1)匹配模塊

用于保存本PF對應EBI值，有效匹配屬性值，PF匹配原則。匹配模塊由256個PF組成，每個PF對應優先級由高到低順序排列，避免出現兩個PF優先級不同但匹配屬性相同導致的錯誤匹配。

2)IP報文參數緩存器

用于緩存IP報文中存在的匹配屬性參數(IPv4最多6個/IPv6最多7個)值、IP類型、IP報文結點存儲地址三者組成IP匹配有效數據。另外緩存器有深度空間，可同時緩存多個IP有效數據。

3)發送緩存器

暫存匹配完成的IP報文結點存儲地址，并與已有IP報文結點組成新的IP數據鏈，稱為PF發送數據。當發送緩存器中的IP報文結點個數到達中斷觸發條件，產生發送中斷，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報文結點個數，控制256個PF的使能，配置發送數據中斷，設置IP鏈匹配總時間和IP報文結點中成員類型組成等配置信息。若存在一個承載中沒有相應的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包進入TFT硬件加速器后的處理流程如圖5所示。

當有IP包需要匹配時首先判斷主模塊中狀態寄存器是否有效，判斷是否有承載建立，若無則丟棄，反之，一旦判斷到IP報文參數緩存器有空閑緩存塊則提取IP包的有效匹配數據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值綁定寫入發送緩存器中，同時清除IP報文參數緩存器緩存塊中的IP報文匹配有效數據;若網絡有下發PF匹配屬性原則，那么IP包需進入各個由優先級從高到底排列的有效PF中進行依次匹配比較，一旦與優先級高一級的PF匹配失敗或者高一級PF無效就進入低一級的PF中匹配，直至最后一個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PF對應的EBI值綁定寫入發送緩存器中，清除存放于IP報文參數緩存器中的IP報文有效匹配數據，然后將下一個IP包送入TFT硬件加速器處理。

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

圖5 硬件加速器匹配流程

通過TFT功能硬化之后，這就將軟件設計上的串行作業變為一個半并行的流水作業，TFT硬件加速器彌補了軟件實現在同一時間只能匹配一個IP報文的缺點，提高了IP報文匹配速率，并留給操作系統更多的資源處理其他事情。可TFT功能硬化也給終端產品增加成本壓力和電能消耗，競爭系統總線資源。

4 速率驗證

在LTE中，理論上行速率最高可達到50 Mbit/s，但因為各方面具體實現方案以及硬件的選取等綜合原因制約著實際速率無法達到，只有不斷對方案缺陷進行優化改進才能更好地保證上下行速率。在終端中語音、圖像、視頻等多媒體業務的高速率需求情況下，大量IP數據包的匹配流程的缺陷將會對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單模數據卡平臺，通過DU meter軟件抓取數據業務時上行速率予于驗證，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，硬件加速器對于無線終端上行速率有明顯提升，說明通過硬件加速器對于終端速率的保證有明顯的優勢。需要注意的是，由于抓取速率具有隨機性，其上行速率的大小有一定幅度的上下波動，但不影響本方案的測試結論。

圖6 LTE數據卡上行速率(截圖)

5 結束語

EPS系統中，用戶能夠建立多個承載，體驗不同業務需求，如果沒有很好地、及時地將IP報文與PF匹配成功傳輸，會影響用戶體驗。本文通過介紹TFT模塊的軟件實現過程，分析發現其在實際情況下遇到的挑戰。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，可發現TFT功能硬件加速器不僅能提高匹配速率，同時還有效地節約了系統資源。隨著移動通信技術快速發展，用戶對具有嚴格QoS保證的數據、語音、圖像、視頻等多媒體業務的高速率需求，硬件加速器不失為一種不錯的選擇。

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