LTE星地融合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計及EPC實現(xiàn)方案

徐展琦，孫婷婷，肖永偉，郭彥濤，馬 濤

(1.西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室，陜西西安710071;2.威海海洋職業(yè)學(xué)院，山東威海264300;3.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合具有兩類網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用，星地網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)［1］、協(xié)議棧設(shè)計［2］、網(wǎng)關(guān)［2，3］及其與地面網(wǎng)絡(luò)的互連互通［4］是一個重要的研究領(lǐng)域。星地融合網(wǎng)絡(luò)方面的研究主要集中在與2G網(wǎng)絡(luò)兼容的星地網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架［5］和與3G網(wǎng)絡(luò)兼容的星地網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架［6］，前者如 Iridium和Global Star，后者包括兼容3G UMTS的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)［7］以及建立衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面3G UMTS的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)的可行性［8］。例如，文獻(xiàn)［9］提出一種公共衛(wèi)星移動網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)模型，它是與地面3G UMTS網(wǎng)絡(luò)兼容、采用星載處理器的星地網(wǎng)。文獻(xiàn)［10］提出一種基于IP的星地網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案，該方案可以向用戶提供區(qū)分服務(wù)以保證其服務(wù)質(zhì)量。

以上研究工作都是針對地面2G網(wǎng)絡(luò)或3G網(wǎng)絡(luò)提出的星地混合或融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。4G LTE網(wǎng)絡(luò)具有高達(dá)100 M的無線傳輸、優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、靈活的頻譜利用和優(yōu)良的QoS保證等優(yōu)點，正好可滿足人們對諸如視頻電話、網(wǎng)絡(luò)游戲和網(wǎng)絡(luò)電視等寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益增長需求，地面4G LTE已進(jìn)入初級商用階段。為了探討基于4G LTE網(wǎng)絡(luò)和寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的融合及其信關(guān)站的實現(xiàn)，提出一種基于4G LTE網(wǎng)絡(luò)的星地融合寬帶網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元功能和相應(yīng)協(xié)議棧設(shè)計方案，給出演進(jìn)分組核心網(wǎng)EPC的3種實現(xiàn)方案，并完成其網(wǎng)元組成、主要協(xié)議和方案特性的對比，可為進(jìn)一步研究基于4G LTE網(wǎng)絡(luò)的寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元功能分配、協(xié)議棧設(shè)計和EPC實現(xiàn)提供參考。

1 星地融合寬帶網(wǎng)的網(wǎng)元及其協(xié)議棧

星地融合寬帶網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)由用戶終端、空間段和地面段這3部分組成［11］，地面段包括信關(guān)站和實現(xiàn)與外網(wǎng)互連互通的網(wǎng)關(guān)，信關(guān)站實現(xiàn)接入網(wǎng)協(xié)議處理、用戶入網(wǎng)注冊、呼叫控制、移動性管理、資源分配和業(yè)務(wù)交換管理等功能。星地融合寬帶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的網(wǎng)元和系統(tǒng)的控制面/用戶面協(xié)議棧分別如圖1和圖2所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)元及控制面協(xié)議棧

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)元及用戶面協(xié)議棧

主要網(wǎng)元包括:終端、衛(wèi)星及信關(guān)站無線傳輸與接口模塊、服務(wù)網(wǎng)關(guān)S-GW設(shè)備、分組網(wǎng)關(guān)P-GW設(shè)備和互連互通網(wǎng)關(guān)等，此處假定衛(wèi)星僅完成eNB的功能，EPC一般包括:S-GW、P-GW、移動管理實體MME、家鄉(xiāng)用戶服務(wù)器HSS、策略和計費規(guī)則PCRF等網(wǎng)元。主要協(xié)議及其功能如下:

①非接入層NAS:負(fù)責(zé)與接入無關(guān)、獨立于無線接入相關(guān)的功能及流程，完成用戶數(shù)據(jù)管理、附著與去附著和鑒權(quán)等用戶管理，演進(jìn)分組核心網(wǎng)EPC會話承載的建立、修改和釋放等;

②無線資源控制RRC:控制終端在連接活躍狀態(tài)下的行為，涉及傳輸連接的建立、修改與釋放，實現(xiàn)移動性管理、衛(wèi)星選擇和安全密鑰控制;

③分組數(shù)據(jù)匯聚處理PDCP:處理來自RRC的消息以及IP數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)包括包頭壓縮、完整性保護(hù)、加密/解密、數(shù)據(jù)包排序和重傳等功能;

④無線鏈路控制RLC:完成上層數(shù)據(jù)分組的分割與重組、丟失分組的重傳和亂序數(shù)據(jù)分段的排序;

⑤媒質(zhì)接入控制MAC:根據(jù)星地鏈路狀態(tài)完成不同業(yè)務(wù)連接的數(shù)據(jù)復(fù)用處理，盡可能保證服務(wù)質(zhì)量和有效地降低鏈路分組丟失;

⑥物理層處理PHY:在信關(guān)站上行方向，將上層數(shù)據(jù)映射至物理數(shù)據(jù)幀，采用合適的調(diào)制和編碼將其發(fā)送;下行方向?qū)崿F(xiàn)同步、解調(diào)、解碼和信道估計等處理，將獲取的數(shù)據(jù)傳輸給上層;

⑦S1-AP:完成演進(jìn)無線接入承載E-RAB的建立、修改和釋放，實現(xiàn)EPS承載上下文、安全上下文、漫游限制、終端UE能力信息和對Sl接口的管理功能等;

⑧SCTP:流控制傳輸協(xié)議SCTP可為控制平面信令提供高可靠性的傳輸;

⑨GTP:GPRS隧道協(xié)議分為GTP-C和GTP-U，分別完成GTP控制平面和GTP用戶平面的功能;GTP-C負(fù)責(zé)信令處理、隧道的創(chuàng)建、修改與釋放以及位置管理消息處理等。

需要說明以下幾點:①在圖1和圖2中，IPΔ代表該IP用于GPRS隧道的承載IP，而不是用戶業(yè)務(wù)中的IP;②NAS的功能雖然終結(jié)于左半邊協(xié)議棧(MME)，但其處理結(jié)果可能觸發(fā)GTPv2-C以建立GTP-U;③在UE附著完成后，其與核心網(wǎng)其他用戶建立“連接”所需的信令消息(如SIP)通過用戶面協(xié)議棧傳送，而不是控制面協(xié)議棧，即EPS不涉及UE的業(yè)務(wù)信令傳送;④S5/S8中實現(xiàn)信令消息傳送的方式也可選擇PMIPv6(Procy MIP)［12］移動性管理由EPC網(wǎng)絡(luò)完成，這樣可簡化對UE的要求。

2 EPC實現(xiàn)方案及比較

一般將S-GW和P-GW合稱系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)SAE-GW。大型商業(yè)運(yùn)營的EPC必然需要這些網(wǎng)元分別設(shè)立，可實現(xiàn)系統(tǒng)容量大和性價比好的目標(biāo)。但是，在早期EPC網(wǎng)絡(luò)建設(shè)或諸如石油、電力等面向行業(yè)的4G LTE專用網(wǎng)絡(luò)中，由于用戶數(shù)目相對較少(幾百～幾千)，用戶的側(cè)重點不同，所有協(xié)議未必均要實現(xiàn)，不同的上述網(wǎng)元可進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜⒁蕴岣咝詢r比。網(wǎng)元實體合設(shè)方案要完成以下功能:網(wǎng)元的合設(shè)要盡可能體現(xiàn)4G核心網(wǎng)功能，網(wǎng)元數(shù)量的設(shè)置要適中，網(wǎng)元合設(shè)實現(xiàn)的復(fù)雜度要適中。據(jù)此討論以下3種EPC實現(xiàn)方案。

①合設(shè)方案1。兼顧各網(wǎng)元所應(yīng)承擔(dān)任務(wù)、彼此間聯(lián)系以及接口設(shè)計簡單性等因素，信關(guān)站交換部分網(wǎng)元合設(shè)及其接口協(xié)議棧設(shè)置方案如圖3所示?？蓪崿F(xiàn)沒有接口關(guān)系的盡量分設(shè)、有接口關(guān)系或功能相近的網(wǎng)元盡量合設(shè)。

圖3 網(wǎng)元合設(shè)方案1

②合設(shè)方案2。將MME以及SAE-GW網(wǎng)元進(jìn)行合設(shè)，取消GTP控制面的協(xié)議棧，由S1-AP控制GTP-U，如圖4所示。該方案中網(wǎng)元的合設(shè)仍體現(xiàn)4G核心網(wǎng)功能，網(wǎng)元數(shù)量為2，實現(xiàn)復(fù)雜度適中。

圖4 網(wǎng)元合設(shè)方案2

MME＆SAE-GW實體能處理用戶終端與信關(guān)站交換模塊之間的信令信息，主要包括:業(yè)務(wù)承載的建立、維護(hù)和釋放、移動性管理、終端UE和接入網(wǎng)連接的控制等。將從無線接入與傳輸部分接收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過該網(wǎng)元實體，通過MME與HSS交互，獲取目的終端的位置信息，通過SAE-GW進(jìn)行路由表的查找和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，構(gòu)建衛(wèi)星移動用戶之間、衛(wèi)星移動用戶與地面用戶業(yè)務(wù)交互的橋梁。

③合設(shè)方案3。此方案將信關(guān)站交換模塊的5種網(wǎng)元合設(shè)成一個網(wǎng)元，對外只有3種接口，即S1-U、S1-MME和SGi接口，如圖5所示。與前2項方案相比，此方案更為簡單。取消GTP控制面的協(xié)議棧，由S1-AP控制GTP-U。網(wǎng)元的合設(shè)仍體現(xiàn)4G核心網(wǎng)功能，網(wǎng)元合設(shè)實現(xiàn)的復(fù)雜度較低，但網(wǎng)元的功能尚不能獨立演示，網(wǎng)元數(shù)量為1。

圖5 網(wǎng)元合設(shè)方案3

針對以上3種網(wǎng)元合設(shè)方案，給出部分網(wǎng)元合設(shè)3種方案及其對比如表1所示。3種方案的特征是:①方案1涉及5種協(xié)議的實現(xiàn)，將功能相當(dāng)?shù)木W(wǎng)元進(jìn)行合設(shè)，能實現(xiàn)GTP協(xié)議的控制面和用戶面功能;②方案2支持5種協(xié)議類型，較第1種方案不用實現(xiàn)GTP-C，需要實現(xiàn)具有認(rèn)證和授權(quán)功能的Diameter協(xié)議，提高安全性能;③ 合設(shè)成一個網(wǎng)元之后，網(wǎng)元實現(xiàn)簡單，支持的協(xié)議類型較前2個方案少，是用戶數(shù)較少時的優(yōu)選方案。

表1 3種EPC部分網(wǎng)元合設(shè)方案及對比

3 結(jié)束語

基于4G LTE的星地融合網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計與性能評估是其中一個重要方向，上述給出一種基于LTE的星地融合網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元設(shè)置和協(xié)議棧配置，并對3種EPC的網(wǎng)元合設(shè)方案完成對比。但是，由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面LTE網(wǎng)絡(luò)在信道特性和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等方面存在差異，依據(jù)地面LTE網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的星地融合網(wǎng)絡(luò)，在衛(wèi)星空中接口協(xié)議網(wǎng)元功能分配及協(xié)議有效銜接(圖1和圖2中的#和*)等方面仍需要深入研究。例如，使用用戶面的GTP隧道有利于eNB、S-GW和P-GW間的流量管理及流量均衡，但對于每個流建立GTP隧道，無疑增加網(wǎng)元實現(xiàn)的復(fù)雜性。如果衛(wèi)星兼有S-GW或/和P-GW的部分功能，上述協(xié)議棧仍需研究。

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