EPS系统中业务流模板硬件加速器设计

杨 炼，彭 涛

(重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065)

责任编辑:许 盈

随着包括数据、语音、图像、视频等多媒体业务的服务质量(QoS)保证的严格化、给用户数据业务需求提供更好支持的要求不断增强，推出了演进UMTS技术即演进分组系统(Evolved Packet System，EPS)，启动了长期演进计划(Long Term Evolution，LTE)与系统框架演进(System Architecture Evolution，SAE)研究项目，为实时和非实时业务提供一种统一的体系结构，并且为用户提供高数据传输速率、低时延和优化的分组无线接入技术。在EPS系统中，服务质量(QoS)控制基本粒度是承载，即相同承载上的所有业务数据流将获得同样的QoS保障，不同承载类型提供不同的QoS保障。一个EPS承载可看作UE与PDN_GW之间的逻辑电路，业务流模块(TFT)中的每个分组包过滤器(PF)对应一个EPS承载。通过与承载对应的PF，将PDN下的业务数据流进行分类并分发到不同的EPS承载上传输。

下文将通过介绍TFT的基本概念，分析移动用户终端中上行业务流模板(TFT)如何将不同QoS需求的IP分组数据匹配发送到相应的EPS承载上的软件实现架构的弊端，给出该过程硬件的实现构架和优势。

1 概述

1.1 EPS承载

为了实现端到端QoS，EPS系统从业务的起点到业务的终点都建立和使用了具有明确定义属性与功能承载业务，其分层架构如图1所示。

图1 EPS承载业务架构

从图1可以看出，EPS承载业务架构是一个分层次、分区域的体系架构端到端的业务架构，本文中讨论的TFT主要涉及到EPS承载业务，一个EPS承载是用户设备(UE)和PDN GW间的一或多个业务数据流(Service Data Flow，SDF)的逻辑聚合，承载级别的QoS控制是以EPS承载为单位进行的。即映射到同一个EPS承载的业务数据流，将受到同样的分组转发处理。终端若想获得不同的QoS，则需要分别建立不同的EPS承载。

EPS系统中主要有默认承载、专用承载、保证比特速率(GBR)承载、Non-GBR承载，后两类承载类型本文未涉及，概念就不在此阐述了。

1)默认承载

一种满足默认QoS的数据和信令的用户承载。默认承载可简单地理解为一种提供尽力而为服务的IP连接的承载。

2)专用承载

对某些特定业务所使用的SAE承载，与默认承载连接到相同PDN的其他EPS承载就称为专有承载，也就是说专用承载必须建立在默认承载之上。专用承载在UE关联了一个上行(UL)业务流模板(Traffic Flow Template，TFT)，在PDN GW关联了一个下行(DL)TFT。

在默认EPS承载激活过程中，默认EPS承载没有分配TFT，相当于默认承载是一个全匹配TFT，网络可以在默认EPS承载建立之后的任何时候给其分配TFT。在专用承载修改过程或EPS承载修改过程中，可根据特定QoS和TFT建立EPS承载。

1.2 TFT

用户要想获取不同等级的QoS保障，对应业务的IP包映射到不同的EPS承载，其间映射关系是通过TFT及其中的分组过滤器(PF)来实现的。TFT是相应EPS承载上所有PF的集合，PF表示将用户的一种用户业务数据流(SDF)映射到相应EPS承载上。

一个TFT由一个或多个下行分组过滤器(PF)或是0个及多个上行分组过滤器组成。其中每个PF通过惟一分组过滤器标识符(PF ID)来识别，同时含有一优先级索引(EPI)，该EPI的取值在使用相同IP地址和APN的所有EPS承载的同一方向(上行或下行方向)下是惟一的，优先级取值范围是0(优先级最高)～255(优先级最低)。因此，每个合法的上行或下行PF都包含在给定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中一个或多个属性的组合。

表1 有效PF属性组合

然而，有些属性是可与其他属性共存的，而有些属性是不能与一些特定属性共存的。如表1中列出了PF有效属性组合。

1.3 TFT与EPS承载映射关系

通过EPS承载索引(EBI)可将所有PF与EPS承载相互映射，每个EPS承载有对应的EBI参数和TFT，而每个TFT最多含有16个PF。PDN连接与EPS承载、TFT、PF关系如图2所示。

图2 同PDN连接下EPS承载、TFT、PF关系

以下几点需要注意:

1)在同一PDN连接下，最多只存在一个全匹配通道(指未分配TFT的EPS承载或者分配有TFT但并未包含PF的EPS承载的情况);

2)默认承载可以在建立以后由网络分配一个TFT;

3)全匹配通道只可能存在于上行数据传输中，下行数据传输中不存在这种情况;

4)每一个TFT最多可分配16个PF，但IP报文只需满足其中任何一个PF即送与该TFT对应的EPS承载传送。

2 软件设计弊端

移动终端中的软件方案实现TFT中分组过滤器PF与IP分组包的匹配，需要利用各个PF中存在的属性值与IP分组包包头信息(如源端口、目的端口、协议号等)进行比较来实现。PF中存在的属性值由网络侧获取，然后保存到UE中用于之后的上行IP包匹配比较，确认相应承载传送。在每一次网络下发的PF匹配原则不确定的情况下，假设只有一个PF存在且不存在全匹配通道，则匹配流程如图3所示。

图3 软件匹配流程

图3中，灰色部分是网络侧给予的匹配原则，每一个IP包与PF中的每一条原则匹配比较，匹配成功则送往下一条原则进行匹配比较，直至所有原则匹配成功则将相应PF对应承载与IP包绑定送往上一层，匹配流程中一旦失败则将该IP包丢弃。考虑极限情况下，一个移动终端中最多可建立16个承载，即16个TFT，每个TFT中至多可存在16个PF，也就是说终端中的每一个IP包需要进行256次图3所示匹配流程。其次，软件流程是一种串行的作业，即IP包匹配比较流程必须保证前一个IP包匹配成功或者失败之后才能送入下一个IP包进行匹配比较，这种串行匹配方式将极大地影响终端的匹配速率。以上所述问题对于移动终端速率的提高都将是瓶颈，考虑以上问题，下文将提出一种基于移动终端的业务流模板硬化设计，即TFT硬件加速器。

3 硬件加速器

3.1 硬件加速器框架

为提高IP报文与PF匹配速率，降低IP传送时延，本文基于TFT协议规定以及PF匹配属性组合原则设计硬件加速器。试想，若使用中断通知外部软件处理，那频繁的IP包匹配将带来频繁的中断，将导致任务的延迟，在实时性要求相当苛刻的基带系统中是不可以忍受的，故设计一种配套的中断通知机制以减少中断次数。功能的硬件架构如图4所示，整个硬件加速器包括4部分，主要匹配比较过程由匹配模块负责，IP报文参数缓存器和发送缓存器两个缓存器的设计都是为匹配模块服务，前者为减少IP包在匹配模块匹配过程中的拷贝次数而设计;后者为配套的中断通知机制而设计。主模块起整体调控作用，协调控制各个模块。

图4 TFT硬件加速器架构

1)匹配模块

用于保存本PF对应EBI值，有效匹配属性值，PF匹配原则。匹配模块由256个PF组成，每个PF对应优先级由高到低顺序排列，避免出现两个PF优先级不同但匹配属性相同导致的错误匹配。

2)IP报文参数缓存器

用于缓存IP报文中存在的匹配属性参数(IPv4最多6个/IPv6最多7个)值、IP类型、IP报文结点存储地址三者组成IP匹配有效数据。另外缓存器有深度空间，可同时缓存多个IP有效数据。

3)发送缓存器

暂存匹配完成的IP报文结点存储地址，并与已有IP报文结点组成新的IP数据链，称为PF发送数据。当发送缓存器中的IP报文结点个数到达中断触发条件，产生发送中断，通知外部软件接受处理。

4)主模块

用于保存IP链头地址和IP报文结点个数，控制256个PF的使能，配置发送数据中断，设置IP链匹配总时间和IP报文结点中成员类型组成等配置信息。若存在一个承载中没有相应的PF，即没有匹配属性原则的EBI值也存放于该模块中备用.

3.2 硬件加速器匹配流程

IP包进入TFT硬件加速器后的处理流程如图5所示。

当有IP包需要匹配时首先判断主模块中状态寄存器是否有效，判断是否有承载建立，若无则丢弃，反之，一旦判断到IP报文参数缓存器有空闲缓存块则提取IP包的有效匹配数据存入空闲缓存块用于匹配模块的匹配比较;因可能存在全匹配通道，所以一旦匹配模块无效，则将该IP包和主模块中全匹配通道的EBI值绑定写入发送缓存器中，同时清除IP报文参数缓存器缓存块中的IP报文匹配有效数据;若网络有下发PF匹配属性原则，那么IP包需进入各个由优先级从高到底排列的有效PF中进行依次匹配比较，一旦与优先级高一级的PF匹配失败或者高一级PF无效就进入低一级的PF中匹配，直至最后一个PF处理仍匹配失败，则做与匹配模块失效情况下相同的处理。匹配成功的则将IP包与相应PF对应的EBI值绑定写入发送缓存器中，清除存放于IP报文参数缓存器中的IP报文有效匹配数据，然后将下一个IP包送入TFT硬件加速器处理。

整个流程需要注意的是其为一个半并行的处理作业，一旦IP包进入下一个PF中匹配比较，那么下一个IP就会进入前一个IP包匹配过的PF中进行匹配比较，以此类推，先进入匹配模块的IP包在多个PF之间匹配比较的推进过程中，后面不断进入模块的IP包也同时在匹配推进。

图5 硬件加速器匹配流程

通过TFT功能硬化之后，这就将软件设计上的串行作业变为一个半并行的流水作业，TFT硬件加速器弥补了软件实现在同一时间只能匹配一个IP报文的缺点，提高了IP报文匹配速率，并留给操作系统更多的资源处理其他事情。可TFT功能硬化也给终端产品增加成本压力和电能消耗，竞争系统总线资源。

4 速率验证

在LTE中，理论上行速率最高可达到50 Mbit/s，但因为各方面具体实现方案以及硬件的选取等综合原因制约着实际速率无法达到，只有不断对方案缺陷进行优化改进才能更好地保证上下行速率。在终端中语音、图像、视频等多媒体业务的高速率需求情况下，大量IP数据包的匹配流程的缺陷将会对上行速率形成难以突破的瓶颈，而此处提出的TFT硬件加速器将克服软件方案中的缺陷从而保证更好的上行速率。本文基于LTE单模数据卡平台，通过DU meter软件抓取数据业务时上行速率予于验证，如图6所示，图6a为软件方案的上行速率，其值为20.85 Mbit/s，图6b为硬件加速器方案的上行速率，其值为26.08 Mbit/s，通过比较，硬件加速器对于无线终端上行速率有明显提升，说明通过硬件加速器对于终端速率的保证有明显的优势。需要注意的是，由于抓取速率具有随机性，其上行速率的大小有一定幅度的上下波动，但不影响本方案的测试结论。

图6 LTE数据卡上行速率(截图)

5 结束语

EPS系统中，用户能够建立多个承载，体验不同业务需求，如果没有很好地、及时地将IP报文与PF匹配成功传输，会影响用户体验。本文通过介绍TFT模块的软件实现过程，分析发现其在实际情况下遇到的挑战。借助流水线处理方式思想，初步给出一种硬件加速器的方案，概述了加速器的匹配过程，可发现TFT功能硬件加速器不仅能提高匹配速率，同时还有效地节约了系统资源。随着移动通信技术快速发展，用户对具有严格QoS保证的数据、语音、图像、视频等多媒体业务的高速率需求，硬件加速器不失为一种不错的选择。

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