LTE中基于S1接口的数据采集系统研究

匡 红，叶 猛

（武汉邮电科学研究院，湖北武汉 430074）

LTE中基于S1接口的数据采集系统研究

匡 红，叶 猛

（武汉邮电科学研究院，湖北武汉 430074）

首先简单介绍了LTE的发展现状以及技术特点，定位了数据采集系统的入口S1接口。接着提出了数据采集系统的总体框架，然后针对数据分析模块和数据采集模块进行了详细论述，其中数据采集系统模块包括采集信令、采集数据、信令和数据的关联，最后提出了数据分析模块中的均衡策略。

LTE;S1接口;数据采集系统;数据分析模块;数据采集模块;均衡策略

目前，全球的移动用户已经突破60亿，虽然3G市场呈现快速增长的趋势，但是国内外对其后续演进技术的研发早已展开［1］，有以下三大演进路线:一是WCDMA和TDSCDMA，演进到 LTE;二是 IEEE 802.16m的 WiMAX路线;三是CDMA2000演进到UMB［2］。因此，有必要对LTE计划及其技术发展投入足够的关注［3-5］。

1 数据采集系统总体设计

本文的重点是研究LTE中基于S1接口的数据采集系统，如图1所示。

图1 数据采集系统总体设计图

数据采集系统由数据分析模块和数据采集模块组成，获取数据的入口在MME/S-GW和eNodeB之间，即S1接口。其中数据分析模块的作用是把LTE网络中的数据平均分配到数据采集模块;数据采集模块是由多台数据采集服务器组成，也就是把数据平均地分配到数据采集服务器上，然后数据采集服务器把用户一次上网行为的信令和数据关联到一起，这样才能正确采集用户上网行为，比如浏览网页是基于HTTP协议，Foxmail发邮件是基于SMTP协议等。所以，数据采集系统就是从LTE核心网获取上网用户的信令和数据，采集用户的上网行为。

2 数据采集模块详细设计

根据上文介绍，数据采集系统由数据分析模块和数据采集模块组成。数据分析模块主要是进行均衡，把数据平均分配到数据采集模块，均衡策略将在后文详述。数据采集模块需要考虑的问题是采集用户的哪些信令，如何采集用户的数据，数据和信令是如何关联起来的，下面针对数据采集模块分析以上问题。

2.1 数据采集模块采集信令

图2所示为用wireshark抓包软件获取的LTE网络信令包。针对用户的一次上网行为，会有多种信令消息。本节将简单阐述用户一次上网行为涉及到的信令类型，然后说明数据采集模块需要截获到的几种信令类型和协议字段。

图2 wireshark抓包LTE网络中信令消息（截图）

1）UE开机后首先进行小区选择，接收系统信息，然后开机附着。

2）eNodeB向MME发起请求初始化UE消息（Initial UE Message），信令里包括5个单元，即id-eNB-UE-S1APID，id-NAS-PDU，id-TAI，id-EUTRAN-CGI，id-RRC-Establishment-Cause。其中id-eNB-UE-S1AP-ID用来唯一地标识该eNodeB中含有的UE集合。

3）核心网会创建默认的EPS承载，然后发送上下文建立的信令（Initial Context Setup Request），请求建立一个UE上下文。信令中包括8个单元，其中id-E-RABToBe-SetupListCtxtSUReq单元中最关键的IE有TEID-GTP，是信令创建隧道后，唯一标识这个隧道，适用于数据和信令的关联，transportLayerAddress为传输层的IP地址。

4）如果想创建专用的EPS承载，MME会向eNodeB发送一条E-RAB Setup Request，然后eNodeB上传一个ERab Setup Response。请求信令中有3个单元，即id-MMEUE-S1AP-ID，id-eNB-UE-S1AP-ID以及id-E-RABToBe-SetUpListBearerSUReq。同样id-E-RABToBeSetUpListBearerSUReq中有TEID-GTP和transportLayerAddress。

5）在eNodeB还没有发起创建UE上下文的响应之前，会发送一条带有UE无线能力信息的信令（UE Capability Info Indication）。信令里包含3个单元，即 id-MME-UE-S1AP-ID，id-eNB-UE-S1AP，id-UERadioCapability。其中id-UERadioCapability包含UE的无线承载能力。

6）eNodeB向MME发起创建UE上下文的响应信令（Initial Context Setup Response）。确认建立一个UE上下文。信令中E-RAB Setup List中会返回一个E-RAB ID，唯一标识特定的UE无线承载。

7）这时MME可以向eNodeB发送下行的NAS传输信令（Downlink NAS Teansport），然后eNodeB向MME发送上行的NAS传输信令（Uplink NAS Teansport），更新承载。两个信令中需要采集id-eNB-UE-S1AP-ID和id-MME-UE-S1AP-ID，id-MME-UE-S1AP-ID表示该MME下S1接口上的UE集合［6］。

8）当检测到用户inactive时，eNodeB会向MME发送一条释放UE上下文的信令（UE Context Release Request），用于请求释放与UE相关的逻辑连接。然后EPC更新承载后，会发给eNodeB一条UE上下文释放命令（UE Context Release Command），释放掉相关用户的数据和信令资源。最后，eNodeB确定后，会发一条完成释放信令（UE Context Release Complete），其中E-RAB ID就是建立无线承载时分配的 E-RAB ID［7］。

表1展示了数据采集系统需要采集的信令消息和重要字段。

表1 LTE常用信令消息类型以及需要采集的字段

2.2 数据采集模块采集数据

LTE网络中通过S1接口传输的数据采用的是GTPU协议。如图3所示，数据Data承载在UDP协议上，所谓采集数据，即截获这里的Data数据。比如浏览网页的数据承载在HTTP协议之上，Foxmail发邮件的数据承载在SMTP协议之上，foxmail收邮件的数据承载在POP3协议之上。无论是基于哪种应用，数据采集系统只需要截获这里的Data数据。

图3 wireshark抓包LTE网络中数据消息（截图）

2.3 数据与信令的关联

基于上述介绍，可以成功地采集信令和数据消息，数据采集模块需要把一个用户一次上网行为产生的信令和数据关联到一起。信令在建立隧道的时候会分配一个隧道号GTP TEID，如图3所示，在传输数据的时候，GTP-U的头部也会带有一个TEID字段。TEID字段是隧道标识符，用于识别一个隧道，数据中的TEID字段标识这条数据是属于哪一条隧道。那么通过这个字段，就可以成功地把数据和信令关联起来了。

3 数据分析模块的均衡策略

数据分析模块的作用是把LTE核心网截获的数据平均分配给数据采集模块的采集服务器。如何做到平均，类似银行的叫号系统，对于普通用户有普通区，对于贵宾用户，则有贵宾区。目前，服务器的网口物理IO能力是1 Gbit/s，北京的电信网数据流量就达到了20 Gbit/s，全国的核心网数据流量高达几百吉比特每秒，一个数据采集服务器是不可能处理的，所以对于数据采集系统来说，数据分析模块是必不可少的。只有确保每台数据采集服务器处理800 Mbit/s～1 Gbit/s的数据流量，才能保证数据处理的准确性。根据权威数据显示，信令和数据的比例大致为1∶100。

根据以上的表述，制定了数据分析模块的均衡策略:当网络中开始传输信令时，所有的信令包都发往固定的信令板;而传输数据的时候，则是根据数据包的IP对其进行分发，保证每块数据采集服务器处理的流量一致，仅800 Mbit/s～1 Gbit/s的数据流量。其中，根据IP分发，32位IP地址除以数据采集服务器（除充当信令板的服务器）个数的余数，决定该数据要发送到哪一块固定的数据采集服务器上。通过这种方式均衡，每一台数据采集服务器处理的流量应该是均等的，这样才能保持比较高的数据处理能力。如图4所示，以上的描述都是单板部署，即只有一台数据分析服务器，单板部署只能处理流量小于10 Gbit/s的情况。但是在实际处理过程中，流量往往都是大于10 Gbit/s的，所以有以下多板部署策略。

图4 数据分析模块的均衡策略

当数据流量大于10 Gbit/s的时候，就要考虑配置多个负载均衡服务器。比如数据流量为10 Gbit/s，分配两个负载均衡服务器，每个负责5 Gbit/s数据，信令都发往信令板，数据包根据IP分发，然后处理的时候，信令板处理信令包，接着获取接口结构，广播到每一个数据板。需要强调的是，广播的不是信令包，而是信令的接口结构，即数据采集模块需要获取的信令关键字，因为广播数据包会降低系统的效率。数据采集服务器通过TEID把数据和信令关联起来，创建一个节点，这个节点中就包含了某个用户一次上网行为的信令和数据，这样就达到了数据采集系统的目的。

4 结语

随着3G技术成熟和3G网络的逐渐普及，给人们的生活带来了前所未有的体验，但是人们的需求并没有因此停滞，为了满足更高的带宽和更低的时延，LTE网络应运而生。在LTE网络成立试点的同时，它的安全性也备受关注。在本论文中，提出了数据采集系统的设计方案，即从LTE核心网S1接口中获取数据。首先是通过数据分析模块进行数据的均衡，把LTE的数据平均分配给数据采集模块，然后数据采集模块截获信令和数据，以及把用户的信令和数据关联起来，这样就可以采集到某个用户的一次上网行为。

:

［1］马志鑫，李小文.3GPP LTE发展现状、无线接口协议及体系结构的研究［J］.广东通信技术，2008，28（12）:29-32.

［2］包兴异.3GPP LTE接入网体系结构与空中接口协议［J］.中国新技术新产品，2009，12（22）:39-40.

［3］沈嘉，索士强.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计［M］.北京:人民邮电出版社，2008.

［4］3GPP TS 36.300V10.0.0，Evolved universal terrestrial radio access（E-UTRA）and evolved universal terrestrial radio access network［S］.2010.

［5］刘文正，曹龙汉，杭小飞.LTE网络接口的协议一致性测试研究［J］.电视技术，2011，35（23）:91-93.

［6］李校林，胡楠，付澍.TD-LTE网络优化中信令分析的应用研究［J］.广东通信技术，2011，6（1）:27-28.

［7］谢伟良.CDMA/LTE数据互操作的空中接口技术分析［J］.移动通信，2010，34（11）:34-38.

Data Collection System Research Based on S1 Interface in LTE

KUANG Hong，YE Meng

（Wuhan Research Institute of Post and Telecommunication，Wuhan 430074，China）

At first，status of development and technology feature of LTE are introduced.And the entrance of data collection system called S1 interface is located.Secondly，the overall framework of data collection system is put forward.And then，data collection and data analysis module are discussed in detail.The collection and association between signal and data plays an important role in data collection module.At last，the balance of strategy is analyzed in data analysis module.

LTE;S1 interface;data collection system;data analysis module;data collection module;balance of strategy

TN929

B

【本文献信息】匡红，叶猛.LTE中基于S1接口的数据采集系统研究［J］.电视技术，2013，37（3）.

“十二五”国家科技支撑计划重点项目（2012BAH38B05）

匡 红（1987— ），女，硕士生，主研网络信息安全及通信协议;

叶 猛（1975— ），博士生导师，主要研究方向为网络信息安全及通信协议。

责任编辑:许 盈

2012－06－13