基于LTE-A系统终端侧EPS承载多实例管理的设计与实现*

2017-11-03陈发堂谷小勇王晓娟李培林方一鸣

电子器件 2017年5期

关键词：数据流路由终端

陈发堂,谷小勇,王晓娟,李培林,方一鸣

(重庆市移动通信技术重点实验室,重庆邮电大学,重庆 400065)

基于LTE-A系统终端侧EPS承载多实例管理的设计与实现*

陈发堂*,谷小勇,王晓娟,李培林,方一鸣

(重庆市移动通信技术重点实验室,重庆邮电大学,重庆 400065)

LTE-A系统在传输用户业务数据时ESM子层即不能实时管理物理承载的使用,也不能实现上行数据流模板UL-TFT(Uplink Traffic Flow Template)的功能。为了正确传输用户数据并获得相应的业务的服务质量QoS(Quality of Service),在用户平面中增加承载控制实体BC,通过对UL-TFT和EPS承载路由信息管理进行设计,搭建基于TTCN-3(Testing and Test Control Notation version 3)测试系统的终端无线资源管理(RRM)一致性测试平台,对流程设计进行验证。与UMTS系统相比,利用多实体管理技术,承载建立和业务数据传输的时延明显减少。

LET-A;EPS承载;承载控制BC;TTCN-3

以LTE-A为例的新通信技术带来了移动业务爆炸式的增长,为了适应通信技术的发展和给用户提供高速、稳定的接入服务技术,LTE-A系统ESM引入EPS承载来传输用户不同的业务数据,同时,EPS承载还是进行端到端业务的服务质量控制的基本粒度。当用户需要同时进行多个不同类型的业务时,需要建立多个满足不同QoS的EPS承载[1]。为了可以正确传输用户数据并获得相应的QoS,终端侧需要对EPS承载进行多实例管理。在用户平面中增加承载控制实体BC,来完成承载的管理和业务数据流SDF(Service Data Flow)的识别筛选。

1 终端侧协议栈架构与EPS承载

1.1 终端侧协议栈架构

终端协议栈体系结构中[2],非接入层有两个主要模块移动管理MM(Mobility Management)模块和连接管理CM(Connection Management)模块,ESM位于CM模块中。支持PS域的终端侧NAS协议栈架构如图1所示。图1中,与EPS承载有关的实体有ESM和BC。

图1 支持PS域的终端侧NAS协议架构

终端协议架构在逻辑上分为用户平面和控制平面,ESM属于控制平面,主要负责EPS承载的建立、修改和释放以及与承载QoS参数相关的一些功能。由图1可看出,可以允许多个EPS承载同时存在,以EBI(EPS承载标识符)作为EPS承载的唯一标识符。ESM需要分别对每个承载进行管理,BC属于用户平面,处于PDCP与IP之间,主要负责上下行用户数据的传输。为了保证上行数据可以正确的在承载上传输,UE保存上行数据流模板(UL-TFT),UE应用层传来的SDF通过数据流模板(TFT)中通过过滤器的筛选,映射到EPS承载对应的无线承载上传输。因此,当存在多个EPS承载时,也就存在多个SDF,BC需要识别SDF、保存和更新每个承载的路由信息即RB-ID,这就是用户平面的EPS承载的多实例管理,由BC完成。

本文在EPS承载已建立的基础上,主要研究用户平面承载的多实例管理,设计并验证BC功能。

1.2 EPS承载的模型

EPS承载是UE和P-GW间的一条逻辑链路,即一个或多个业务数据流SDF的逻辑聚合,可以认为EPS承载就是UE与P-GW之间的一个逻辑上的数据传输通道[3-4],由S1承载、无线承载RB和S5/S8承载构成,EPS承载实现了UE到P-GW之间用户数据的正确传输。图2为EPS承载模型。在传输用户数据时,QoS等级相同的业务数据流(SDF)将汇聚到同一EPS承载上,这些业务数据流会受到相同的承载级别的数据处理。所以从图2可知,UE中UL-TFT与RB-ID、eNodeB中RB-ID与S1-TEID,S-GW中S1-TEID与S5/S8-TEID,P-GW中DL-TFT与S5/S8-TEID这些一一映射对应关系是实现EPS承载功能的关键所在,以保证数据的正确传输。

图2 S5/S8基于GTP的EPS承载模型

2 用户平面承载的多实例管理

承载控制BC位于UE的IP层与PDCP层之间,用于用户面承载的管理并负责用户数据的传输。实现UL-TFT的功能,完成SDF的识别与映射,从而保证用户数据在正确的EPS承载上传输;同时,管理EPS承载的路由信息。EPS承载、SDF、UL-TFT、RB-ID均以EBI为索引实现映射,即通过UL-TFT将SDF映射到EBI上,再将SDF映射到EBI对应的RB-ID上。BC对上行用户数据的处理流程如图3所示。

图3 上行数据处理流程

为了保证终端侧EPS承载的正确使用,确保提供准确的QoS服务,对BC模块的设计和UL-TFT的设计尤为重要。

2.1 UL-TFT的设计与实现

LTE-A系统是基于IP的全分组网络,使用TFT进行署拘留的识别,并将其映射到相应的EPS承载上传输。所以,TFT的设计与实现是实现QoS保障的第1步。

一个EPS承载至多拥有一个TFT,一个TFT由一个或多个包过滤器PF组成,每个PF有唯一的优先级索引PF-EP和唯一的标识符PF-ID。PF-EP的取值范围为0～255,其中0为优先级最高,255为优先级最低[5-6]。PF由可变数量的组件构成,组件的部分属性只能存在一种。组件名称及描述如表1所示。

表1 PF组件

UE或P-GW收到来自应用层的业务数据即IP包后,要将IP包和PF进行匹配,实现数据流的识。

具体流程如图4所示。

图4 数据流识别流程

2.2 EPS承载路由信息管理的设计与实现

非接入层的承载激活状态是一种逻辑在线,表明UE与网络之间都保存有连接信息。在上层逻辑在线的同时,LTE系统为了节约空口资源,当用户长时间不使用业务时,会暂时释放RB。若用户又需发起业务,即又有数据要发送,系统会为用户重新建立RB,此时新建的RB的RB-ID号可能会与前期释放的RB的不同[4]。因此对EPS承载路由信息的管理,即保存和更新EBI与RB-ID的对应关系尤为重要,这也是实现EPS承载功能的重要步骤。

路由信息管理内容包括UE管理上行数据流和RB-ID的对应关系,eNodeB管理RB-ID与S1-TEID的对应关系,S-GW管理S1-TEID与S5-TEID的对应关系以及P-GW管理下行数据流到S5-TEID的对应关系。其中,BC完成EPS承载路由信息管理。BC会本地保存无线承载RB与EBI的对应关系以及无线承载RB的连接状态且这些对应关系和状态信息的获取、更新也是由BC的相关流程实现的。路由信息管理流程如图5所示。

图5 路由信息管理流程图

3 测试仿真

3.1 白盒测试

白盒测试即在RealView开发工具中采用单步调试的方式,观察其运行和内存的情况,根据实际结果和预期结果进行比对,测试功能是否完备。

验证TFT功能:

BC模块中保存有EPS承载信息,包括EBI、承载激活标识EPSBearerActFlag、QoS参数、传输流模板TFT、关联的无线承载RB ID和RB连接标识RBConnectFlag等信息。默认承载对应的无线承载RB ID为3,专有承载对应的无线承载RB ID为4,调用BC模块中UL-TFT与IP数据包信息匹配,匹配结果如图6所示。

图6 TFT匹配结果

MatchFlag为1表示匹配成功,v_EBI为6表示匹配成功对应的是专有EPS承载,EPSBearerActFlag为1表示EPS承载处于激活状态,RBConnectFlag为1表示对应的无线承载处于连接状态。

PF匹配完成后,如果对应RB处于未连接状态,则缓存数据,触发EMM业务请求流程。

3.2 SDL与TTCN测试仿真

按照第2节所设计的UL-TFT与路由信息管理的工作流程,使用C语言编程实现功能后利用SDL和TTCN工具搭建测试平台,进行测试仿真。与BC有交互的实体均为测试环境,编写测试例对BC模块进行测试。

图7 BC实体仿真MSC图

SDL测试仿真结果如图7所示,首先由ESM通知承载控制BC该EPS承载已经激活,再由RRC通知BC对应的RB已经建立,此后BC与SPV、PDCP就能进行正常的数据传输了。图7中的消息序列完全符合设计流程,可知实现了预期的功能。

在TTCN协议一致性测试平台上对多个承载实例进行测试。TTCN系统仿真如图8所示。

图8 TTCN系统仿真

图9 终端开机注册信令跟踪

终端发起注册流程,成功进入2A状态,完成PDN连接流程和建立默认EPS承载。TTCN平台发送MC_TDPU_PAGING_REQ原语,向终端发起寻呼流程,成功进入3A状态,成功建立多个了专有EPS承载,实现了EPS承载多实例管理的功能。

TTCN平台对终端开机注册流程进行测试,信令跟踪结果如图9所示。图9中,Sn表示信令标识,向下箭头表示由网络端发往终端信令,向上箭头表示终端发往网络端信令。

4 总结

LTE系统架构在逻辑上将控制平面与用户平面相分离,本方案在UE侧协议栈中引入承载控制模块BC,实现了数据包的识别和过滤、管理和使用RB等功能,不但有效减少业务建立和数据传输的时延,特别是保证用户业务数据得到正确的QoS服务。

[1] 3GPP. 3GPP TS 24.301,Non-Access-Stratum(NAS)Protocol for Evolved Packet System(EPS)[S]. 2012.

[2] Somasundaram S,Mukherjee R P. Non-Access Stratum Architecture and Protocol Enhancements for Long Term Evolution Mobile Units[P]. U.S. Patent 8,532,614 2013.9.10.

[3] 王婧,李小文,万丹. SAE系统中QoS体系及EPS承载的研究与分析[J]. 广东通信技术,2013,33(3):25-28.

[4] 姜怡华,许慕鸿,习建德,等. 3GPP系统架构演进(SAE)原理与设计[M]. 北京:人民邮电出版社,2010.

[5] 3GPP. TS 24.008. V10.3.0——2011. Mobile Radio Interface Layer 3 Specification Core Network Protocols[S]. 2011.

[6] Chen F T,Wang J,Yan W M. Research and Realization of Bearer Control Entity BC of UE Side in LTE System[C]//2014 International Conference on Advances in Materials Science and Information Technologies in Industry(AMSITI). Xi’an.

[7] 张德民,张形形,伍会娟. 无线链路控制层数据处理功能一致性测试[J]. 西安邮电大学学报,2015,20(4):10-15.

[8] 陈发堂,牛勇清,韩娜娜,等. 协议一致性测试平台的搭建及仿真实现[J]. 电子技术应用,2014,40(4):137-140.

[9] 李小文,李媚媚. TD-LTE系统EMM的介绍及其异常机制的研究[J]. 广东通信技术,2013(4):42-45.

[10] 刘向玉,张红帅. TD-LTE系统ESM层默认承载建立过程的研究与实现[J]. 现代电信科技,2012(3):19-22.

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

项目来源:国家科技重大专项项目(2012ZX03001024)

2019-08-15修改日期2016-11-01

TP929.5

1005-9490(2017)05-1292-05