基于LTE-A系統終端側EPS承載多實例管理的設計與實現*

陳發堂,谷小勇,王曉娟,李培林,方一鳴

(重慶市移動通信技術重點實驗室,重慶郵電大學,重慶 400065)

基于LTE-A系統終端側EPS承載多實例管理的設計與實現*

陳發堂*,谷小勇,王曉娟,李培林,方一鳴

(重慶市移動通信技術重點實驗室,重慶郵電大學,重慶 400065)

LTE-A系統在傳輸用戶業務數據時ESM子層即不能實時管理物理承載的使用,也不能實現上行數據流模板UL-TFT(Uplink Traffic Flow Template)的功能。為了正確傳輸用戶數據并獲得相應的業務的服務質量QoS(Quality of Service),在用戶平面中增加承載控制實體BC,通過對UL-TFT和EPS承載路由信息管理進行設計,搭建基于TTCN-3(Testing and Test Control Notation version 3)測試系統的終端無線資源管理(RRM)一致性測試平臺,對流程設計進行驗證。與UMTS系統相比,利用多實體管理技術,承載建立和業務數據傳輸的時延明顯減少。

LET-A;EPS承載;承載控制BC;TTCN-3

以LTE-A為例的新通信技術帶來了移動業務爆炸式的增長,為了適應通信技術的發展和給用戶提供高速、穩定的接入服務技術,LTE-A系統ESM引入EPS承載來傳輸用戶不同的業務數據,同時,EPS承載還是進行端到端業務的服務質量控制的基本粒度。當用戶需要同時進行多個不同類型的業務時,需要建立多個滿足不同QoS的EPS承載[1]。為了可以正確傳輸用戶數據并獲得相應的QoS,終端側需要對EPS承載進行多實例管理。在用戶平面中增加承載控制實體BC,來完成承載的管理和業務數據流SDF(Service Data Flow)的識別篩選。

1 終端側協議棧架構與EPS承載

1.1 終端側協議棧架構

終端協議棧體系結構中[2],非接入層有兩個主要模塊移動管理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NAS協議棧架構如圖1所示。圖1中,與EPS承載有關的實體有ESM和BC。

圖1 支持PS域的終端側NAS協議架構

終端協議架構在邏輯上分為用戶平面和控制平面,ESM屬于控制平面,主要負責EPS承載的建立、修改和釋放以及與承載QoS參數相關的一些功能。由圖1可看出,可以允許多個EPS承載同時存在,以EBI(EPS承載標識符)作為EPS承載的唯一標識符。ESM需要分別對每個承載進行管理,BC屬于用戶平面,處于PDCP與IP之間,主要負責上下行用戶數據的傳輸。為了保證上行數據可以正確的在承載上傳輸,UE保存上行數據流模板(UL-TFT),UE應用層傳來的SDF通過數據流模板(TFT)中通過過濾器的篩選,映射到EPS承載對應的無線承載上傳輸。因此,當存在多個EPS承載時,也就存在多個SDF,BC需要識別SDF、保存和更新每個承載的路由信息即RB-ID,這就是用戶平面的EPS承載的多實例管理,由BC完成。

本文在EPS承載已建立的基礎上,主要研究用戶平面承載的多實例管理,設計并驗證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,即一個或多個業務數據流SDF的邏輯聚合,可以認為EPS承載就是UE與P-GW之間的一個邏輯上的數據傳輸通道[3-4],由S1承載、無線承載RB和S5/S8承載構成,EPS承載實現了UE到P-GW之間用戶數據的正確傳輸。圖2為EPS承載模型。在傳輸用戶數據時,QoS等級相同的業務數據流(SDF)將匯聚到同一EPS承載上,這些業務數據流會受到相同的承載級別的數據處理。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這些一一映射對應關系是實現EPS承載功能的關鍵所在,以保證數據的正確傳輸。

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責用戶數據的傳輸。實現UL-TFT的功能,完成SDF的識別與映射,從而保證用戶數據在正確的EPS承載上傳輸;同時,管理EPS承載的路由信息。EPS承載、SDF、UL-TFT、RB-ID均以EBI為索引實現映射,即通過UL-TFT將SDF映射到EBI上,再將SDF映射到EBI對應的RB-ID上。BC對上行用戶數據的處理流程如圖3所示。

圖3 上行數據處理流程

為了保證終端側EPS承載的正確使用,確保提供準確的QoS服務,對BC模塊的設計和UL-TFT的設計尤為重要。

2.1 UL-TFT的設計與實現

LTE-A系統是基于IP的全分組網絡,使用TFT進行署拘留的識別,并將其映射到相應的EPS承載上傳輸。所以,TFT的設計與實現是實現QoS保障的第1步。

一個EPS承載至多擁有一個TFT,一個TFT由一個或多個包過濾器PF組成,每個PF有唯一的優先級索引PF-EP和唯一的標識符PF-ID。PF-EP的取值范圍為0～255,其中0為優先級最高,255為優先級最低[5-6]。PF由可變數量的組件構成,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收到來自應用層的業務數據即IP包后,要將IP包和PF進行匹配,實現數據流的識。

具體流程如圖4所示。

圖4 數據流識別流程

2.2 EPS承載路由信息管理的設計與實現

非接入層的承載激活狀態是一種邏輯在線,表明UE與網絡之間都保存有連接信息。在上層邏輯在線的同時,LTE系統為了節約空口資源,當用戶長時間不使用業務時,會暫時釋放RB。若用戶又需發起業務,即又有數據要發送,系統會為用戶重新建立RB,此時新建的RB的RB-ID號可能會與前期釋放的RB的不同[4]。因此對EPS承載路由信息的管理,即保存和更新EBI與RB-ID的對應關系尤為重要,這也是實現EPS承載功能的重要步驟。

路由信息管理內容包括UE管理上行數據流和RB-ID的對應關系,eNodeB管理RB-ID與S1-TEID的對應關系,S-GW管理S1-TEID與S5-TEID的對應關系以及P-GW管理下行數據流到S5-TEID的對應關系。其中,BC完成EPS承載路由信息管理。BC會本地保存無線承載RB與EBI的對應關系以及無線承載RB的連接狀態且這些對應關系和狀態信息的獲取、更新也是由BC的相關流程實現的。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 測試仿真

3.1 白盒測試

白盒測試即在RealView開發工具中采用單步調試的方式,觀察其運行和內存的情況,根據實際結果和預期結果進行比對,測試功能是否完備。

驗證TFT功能:

BC模塊中保存有EPS承載信息,包括EBI、承載激活標識EPSBearerActFlag、QoS參數、傳輸流模板TFT、關聯的無線承載RB ID和RB連接標識RBConnectFlag等信息。默認承載對應的無線承載RB ID為3,專有承載對應的無線承載RB ID為4,調用BC模塊中UL-TFT與IP數據包信息匹配,匹配結果如圖6所示。

圖6 TFT匹配結果

MatchFlag為1表示匹配成功,v_EBI為6表示匹配成功對應的是專有EPS承載,EPSBearerActFlag為1表示EPS承載處于激活狀態,RBConnectFlag為1表示對應的無線承載處于連接狀態。

PF匹配完成后,如果對應RB處于未連接狀態,則緩存數據,觸發EMM業務請求流程。

3.2 SDL與TTCN測試仿真

按照第2節所設計的UL-TFT與路由信息管理的工作流程,使用C語言編程實現功能后利用SDL和TTCN工具搭建測試平臺,進行測試仿真。與BC有交互的實體均為測試環境,編寫測試例對BC模塊進行測試。

圖7 BC實體仿真MSC圖

SDL測試仿真結果如圖7所示,首先由ESM通知承載控制BC該EPS承載已經激活,再由RRC通知BC對應的RB已經建立,此后BC與SPV、PDCP就能進行正常的數據傳輸了。圖7中的消息序列完全符合設計流程,可知實現了預期的功能。

在TTCN協議一致性測試平臺上對多個承載實例進行測試。TTCN系統仿真如圖8所示。

圖8 TTCN系統仿真

圖9 終端開機注冊信令跟蹤

終端發起注冊流程,成功進入2A狀態,完成PDN連接流程和建立默認EPS承載。TTCN平臺發送MC_TDPU_PAGING_REQ原語,向終端發起尋呼流程,成功進入3A狀態,成功建立多個了專有EPS承載,實現了EPS承載多實例管理的功能。

TTCN平臺對終端開機注冊流程進行測試,信令跟蹤結果如圖9所示。圖9中,Sn表示信令標識,向下箭頭表示由網絡端發往終端信令,向上箭頭表示終端發往網絡端信令。

4 總結

LTE系統架構在邏輯上將控制平面與用戶平面相分離,本方案在UE側協議棧中引入承載控制模塊BC,實現了數據包的識別和過濾、管理和使用RB等功能,不但有效減少業務建立和數據傳輸的時延,特別是保證用戶業務數據得到正確的QoS服務。

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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

項目來源:國家科技重大專項項目(2012ZX03001024)

2019-08-15修改日期2016-11-01

TP929.5

A

1005-9490(2017)05-1292-05

陳發堂(1965-)男,漢族,重慶市綦江縣人,研究員,重慶郵電大學碩士生導師,主要研究方向為物理層算法研究,578480039@qq.com;

谷小勇(1991-)男,漢族,山東省濱州市人,重慶郵電大學碩士研究生,碩士,研究方向為LTE-A協議棧研究,771761353@qq.com。